DE19739019C2 - Coiled fuel cell - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft miteinander verbundene Brenn­ stoffzellen, jeweils bestehend aus Anode, Elektrolyt und Kathode.The invention relates to interconnected burning fabric cells, each consisting of anode, electrolyte and cathode.

Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z. B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff zuge­ führt. Kathode und Anode einer Brennstoffzelle weisen in der Regel eine durchgehende Porosität auf, damit die beiden Betriebsmittel Brennstoff und Oxidationsmittel dem Elektrolyten zugeführt und das Produktwasser abge­ führt werden können.The cathode becomes an oxidizing agent, e.g. B. air and the anode becomes a fuel, e.g. B. added hydrogen leads. Show cathode and anode of a fuel cell usually a continuous porosity so that the both fuel and oxidant fed to the electrolyte and the product water abge can be led.

Es gibt Brennstoffzellen, bei denen protonenleitende Membranen als Elektrolyt eingesetzt und die bei Tempe­ raturen von 80°C betrieben werden. An der Anode einer solchen Brennstoffzelle bilden sich in Anwesenheit des Brennstoffs mittels eines Katalysators Protonen. Die Protonen passieren den Elektrolyten und verbinden sich auf der Kathodenseite mit dem vom Oxidationsmittel stammenden Sauerstoff zu Wasser. Elektronen werden da­ bei freigesetzt und elektrische Energie erzeugt.There are fuel cells in which proton-conducting Membranes used as electrolyte and the Tempe temperatures of 80 ° C. At the anode one such fuel cells form in the presence of the Fuel using a proton catalyst. The Protons pass through the electrolyte and combine on the cathode side with that of the oxidizing agent derived oxygen to water. Electrons are there at released and generated electrical energy.

Üblicherweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefaßt. Die einzelnen Brennstoffzellen sind mittels verbindender Elemente elektrisch sowie mechanisch miteinander verbunden. Bipolare Platten werden in der Regel als verbindende Elemente vorgesehen.Usually several fuel cells become one Fuel cell stack summarized. The single ones Fuel cells are by means of connecting elements  electrically and mechanically connected. Bipolar plates are usually called connecting Elements provided.

Brennstoffzellenstapel weisen - insbesondere wenn soge­ nannte PEM-Brennstoffzellen eingesetzt werden - regel­ mäßig an beiden Enden Platten auf. Diese Endplatten sind dann z. B. miteinander verschraubt und halten so den Stapel zusammen. Die Endplatten müssen mechanisch stabil und daher relativ dick sein. Sie dürfen sich un­ ter Druck nicht verformen. Andernfalls werden die Brennstoffzellen ungleichmäßig über die gesamte Fläche gegen die bipolare Platte gedrückt. Ungleichmäßige elektrische Kontakte zwischen den Brennstoffzellen und dem verbindenden Element sowie hiermit einhergehende Leistungsverluste wären die Folge.Fuel cell stacks have - especially if so-called called PEM fuel cells are used - rule plates on both ends moderately. These end plates are then z. B. screwed together and hold so the stack together. The end plates must be mechanical stable and therefore relatively thick. You may not Do not deform the pressure. Otherwise, the Fuel cells unevenly over the entire area pressed against the bipolar plate. uneven electrical contacts between the fuel cells and the connecting element as well as the accompanying element This would result in a loss of performance.

Nachteilhaft erhöhen die dicken, in der Regel aus Me­ tall bestehenden Endplatten das Gewicht und das Volumen eines Brennstoffzellenstapels. Erforderliche Verspan­ nungsmittel, so z. B. die Verschraubung wirken sich in gleicher Weise ungünstig aus. Diese Nachteile sind ins­ besondere dann von Bedeutung, wenn nur wenige Brenn­ stoffzellen zur Erzielung kleiner Spannungen miteinander gekoppelt werden sollen.The thick, usually made of Me, disadvantageously increase tall existing end plates the weight and volume a fuel cell stack. Required chip removal nmittel, so z. B. the screw affect equally unfavorable. These disadvantages are ins especially important when there are only a few focal points fabric cells to achieve low voltages to be coupled with each other.

Ein hohes Gewicht sowie ein großes Volumen eines Brenn­ stoffzellenstapels sind vor allem bei mobilen Anwendun­ gen wie z. B. als Energieversorgungseinheit für tragbare Geräte unerwünscht. A high weight and a large volume of a focal Fabric cell stacks are mainly used in mobile applications conditions such as B. as a power supply unit for portable Devices undesirable.  

Aus DE 18 05 022 A ist eine gewickelte Brennstoffzelle bekannt, die typischerweise in einem zylinderförmigen Gehäuse angeordnet ist. Die Anode und die Kathode sind durch einen porösen Separator voneinander getrennt.DE 18 05 022 A is a wound fuel cell known, typically in a cylindrical Housing is arranged. The anode and the cathode are separated from each other by a porous separator.

In der DE 25 34 725 A1 wird ebenfalls eine gewickelte Brennstoffzelle beschrieben, die eine bipolare Elektrode in Form einen spiralig aufgerollten Folie aufweist.In DE 25 34 725 A1 is also a wound Fuel cell described a bipolar Electrode in the form of a spiral rolled foil having.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von miteinander elektrisch verbundenen Brennstoffzellen, ohne hierfür voluminöse und schwere Endplatten einsetzen zu müssen.The object of the invention is to create one another electrically connected fuel cells without doing this having to use voluminous and heavy end plates.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkma­ len des Hauptanspruchs gelöst.The task is accomplished by a device with the characteristics len of the main claim solved.

Die anspruchsgemäße Vorrichtung weist zumindest zwei zylinderartig gewickelte Brennstoffzellen mit einem zwischen den Brennstoffzellen befindlichen verbindenden Element auf. Zylinderartig gewickelt bedeutet, daß die Brennstoffzellen so aufgerollt sind, daß die Form eines Zylinders vorliegt. Die zylinderartig gewickelten Brennstoffzellen befinden sich unter Druck in einer äußeren Hülse. Brennstoffzellen und verbindendes Element werden so gleichmäßig gegeneinander gedrückt.The claimed device has at least two cylindrical wound fuel cells with one connecting between the fuel cells Element on. Cylindrical wound means that the Fuel cells are rolled up so that the shape of a Cylinder is present. The wound like a cylinder Fuel cells are under pressure in one outer sleeve. Fuel cells and connecting Elements are pressed against each other evenly.

Die äußere Hülse kann im Unterschied zu den vom Stand der Technik her bekannten dicken Endplatten dünn sein. Es genügt beispielsweise ein Blech, oder sie darf sogar aus einem Kunststoff bestehen. Gewicht und Volumen wer­ den so eingespart. Ferner entfallen die beim Stand der Technik erforderlichen Verspannungsmittel.The outer sleeve can be different from the one from the stand the thick end plates known in the art may be thin. For example, a sheet of metal is sufficient, or it may even consist of a plastic. Weight and volume who saved that way. Furthermore, the at the state of the Technology required tensioning means.

Wird eine flexible, elektrisch leitfähige bipolare Platte als verbindendes Element vorgesehen, so ist diese z. B. aus einem flexiblen Blech mit beidseitig angebrachten Drahtnetzen gefertigt. Diese Ausführungsform weist Gasverteiler auf und trennt die beiden, durch die Drahtnetze erzeugten Elektrodenräume dicht voneinander ab. Becomes a flexible, electrically conductive bipolar Plate is provided as a connecting element, so is this z. B. from a flexible sheet with both sides attached wire mesh manufactured. This Embodiment has gas distributors and separates them two electrode spaces created by the wire mesh close to each other.  

Die Brennstoffzellen können aus üblichen Materialien wie Nation und Platin gefertigt sein.The fuel cells can be made of common materials how nation and platinum are made.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Brenn­ stoffzellen auf einer inneren Hülse insbesondere spi­ ralförmig aufgewickelt. Über die innere Hülse werden dann Betriebsmittel den Brennstoffzellen, nämlich den Kathoden- oder Anodenräumen zugeführt oder stoffliche Produkte abgeführt. Der Volumenzuwachs durch die innere Hülse kann sehr klein gehalten werden. Es kann ferner der Raum im Inneren der Hülse genutzt werden. So kann die innere Hülse als Vorratsbehälter für Brennstoff oder/und Oxidationsmittel dienen. Auch können ein oder zwei Gaserzeuger im Inneren der Hülse eingebaut werden.In one embodiment of the invention, the Brenn fabric cells on an inner sleeve in particular spi wound in a rale shape. Be over the inner sleeve then resources the fuel cells, namely the Cathode or anode spaces supplied or material Products dissipated. The volume increase through the inner Sleeve can be kept very small. It can also the space inside the sleeve can be used. So can the inner sleeve as a storage container for fuel or / and oxidizing agents. Also, one or two gas generators can be installed inside the sleeve.

Unter Anodenraum ist der Raum zu verstehen, in den der Brennstoff geleitet wird, um in diesem zur Anode zu ge­ langen. Entsprechendes gilt für den Kathodenraum. Anoden- und Kathodenraum werden allgemein Elektrodenräume genannt.Anode space is the space in which the Fuel is passed to ge in this to the anode long. The same applies to the cathode compartment. Anode and cathode spaces become common Called electrode rooms.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung grenzt, d. h. kontaktiert, jede Brennstoffzelle sowohl an die äußere als auch an die innere Hülse. So können über ge­ eignet angebrachte Zuleitungen nebst Öffnungen in den Hülsen die Betriebsmittel bzw. stoffliche Produkte auf besonders einfache Weise zu- oder abgeführt werden.In a further advantageous embodiment, d. H. contacted each fuel cell both to the outer as well as the inner sleeve. So over ge suitable attached supply lines with openings in the Sleeves the equipment or material products be fed in or discharged in a particularly simple manner.

Elektrisch werden die Brennstoffzellen z. B. in Reihe geschaltet, um eine hohe Spannung bei niedrigem Strom zu erzeugen. Im Bedarfsfall ist eine Brennstoffzelle z. B. gegenüber der nächsten Wicklung derselben Brennstoffzelle mittels einer Folie o. ä. isoliert.Electrically, the fuel cells are e.g. B. in series switched to high voltage with low current to create. If necessary, there is a fuel cell  z. B. compared to the next winding of the same Fuel cell insulated with a film or the like.

In einer weiteren Ausgestaltung werden zur Erzielung eines hohen Stromes bei niedriger Spannung jeweils zwei Brennstoffzellen parallel geschaltet. Jede Anode grenzt nun an einen Stromableiter, der gleichzeitig als Gasverteiler dient, nicht gasdurchlässig und durch eine Schicht nach außen elektrisch isoliert ist. Es grenzen Kathode an Kathode. Das dann zwischen Kathode und Kathode befindliche verbindende Element fungiert als Stromableiter, ist gasdurchlässig und dient als Gasverteiler.In a further embodiment, to achieve a high current at low voltage two each Fuel cells connected in parallel. Each anode borders now to a current arrester, which at the same time as Gas distributor serves, not gas permeable and through a Layer is electrically insulated from the outside. Limit it Cathode to cathode. That between cathode and Connecting element located cathode acts as Current arrester, is gas permeable and serves as Gas distributor.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch zwei spiralförmig ge­ wickelte Brennstoffzellen 1. Jede Brennstoffzelle 1 be­ steht aus zwei Elektroden mit einer dazwischen befind­ lichen Membran, also einer dazwischen befindlichen Elektrolytschicht. Eine bipolare Platte 2 befindet sich zwischen den beiden Brennstoffzellen 1. Zwei z. B. aus dünnen Blechen bestehende Endplatten 3 sind vorgesehen, von denen der Strom abgegriffen wird. Aufgrund der bi­ polaren Platte 2, die ebenfalls aus einem dünnen Blech gefertigt sein kann, sowie der Endplatten 3 weist die Vorrichtung Kathodenräume 4 sowie Anodenräume 5 auf. Die Endplatten 3 sind durch eine z. B. aus Teflon be­ stehende Isolatorschicht 6 elektrisch voneinander ge­ trennt. Andernfalls würde ein elektrischer Kurzschluß auftreten. Fig. 1 shows a section through two spirally wrapped ge fuel cell 1. Each fuel cell 1 be consists of two electrodes with an intervening membrane, that is an intervening electrolyte layer. A bipolar plate 2 is located between the two fuel cells 1 . Two z. B. end plates 3 consisting of thin sheets are provided, from which the current is tapped. Because of the bi-polar plate 2 , which can also be made of a thin sheet, and the end plates 3 , the device has cathode spaces 4 and anode spaces 5 . The end plates 3 are z. B. from Teflon be insulator layer 6 electrically separated from each other ge. Otherwise an electrical short circuit would occur.

Die Brennstoffzellen 1 mit der bipolaren Platte 2, den Endplatten 3 und der Isolatorschicht 6 werden durch eine äußere Hülse 7 zusammengehalten und gegeneinander gedrückt. Im wesentlichen sind die beiden Brennstoff­ zellen 1 mit der bipolaren Platte 2 schichtförmig übereinander angeordnet und um eine innere Hülse 8 her­ umgewickelt. Beide Brennstoffzellen 1, die bipolare Platte 2, die beiden Endplatten 3 sowie die Isolator­ schicht 6 kontaktieren sowohl die äußere Hülse 7 als auch die innere Hülse 8. So ist es möglich, über in den beiden Hülsen 7, 8 befindliche Zu- bzw. Ableitungen 9 die Betriebsmittel, also Oxidationsmittel und Brennstoff gleichmäßig und einfach den Kathodenräumen 4 bzw. den Anodenräumen 5 zuzuführen und die stofflichen Produkte sowie unverbrauchte Betriebsmittel abzuführen.The fuel cells 1 with the bipolar plate 2 , the end plates 3 and the insulator layer 6 are held together by an outer sleeve 7 and pressed against one another. Essentially, the two fuel cells 1 with the bipolar plate 2 are layered one above the other and wrapped around an inner sleeve 8 ago. Both fuel cells 1 , the bipolar plate 2 , the two end plates 3 and the insulator layer 6 contact both the outer sleeve 7 and the inner sleeve 8 . It is thus possible to feed the operating materials, that is to say oxidizing agents and fuel, uniformly and simply to the cathode spaces 4 and the anode spaces 5 and to remove the material products and unused operating resources via feed and discharge lines 9 located in the two sleeves 7 , 8 .

Der erzeugte elektrische Strom kann in der von einer zylinderförmigen Batterie her gewohnten Weise z. B. an den beiden Stirnflächen oder in der aus der Figur er­ sichtlichen Weise an einer der beiden Stirnflächen ab­ gegriffen werden. Im übrigen sind die Stirnflächen gasdicht verschlossen.The electrical current generated can be from a cylindrical battery her usual way z. B. on the two end faces or in the figure he visible on one of the two end faces be gripped. Otherwise, the end faces sealed gastight.

Claims (1)

1. Vorrichtung mit
zumindest zwei zylinderartig gewickelten PEM- Brennstoffzellen (1),
einem zwischen den PEM-Brennstoffzellen befindlichen verbindenden Element (2),
einer äußeren zylinderförmigen Hülse (7), in der sich die gewickelten Brennstoffzellen (1) zusammen mit dem verbindenden Element 2 so unter Druck be­ finden, daß PEM-Brennstoffzellen und verbindendes Element gleichmäßig gegeneinander gedrückt werden,
einer inneren Hülse, auf der die Brennstoffzellen aufgewickelt sind.1. Device with
at least two cylinder-like PEM fuel cells ( 1 ),
a connecting element ( 2 ) located between the PEM fuel cells,
an outer cylindrical sleeve ( 7 ) in which the wound fuel cells ( 1 ) together with the connecting element 2 are under pressure so that PEM fuel cells and the connecting element are pressed uniformly against one another,
an inner sleeve on which the fuel cells are wound.