DE20008539U1 - Electrochemical element, in particular for teaching purposes - Google Patents
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Description
Beschreibung Elektrochemisches Element, insbesondere für LehrzweckeDescription Electrochemical element, especially for teaching purposes
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.The invention relates to an electrochemical element intended in particular for teaching purposes, which comprises a membrane electrode unit with a porous gas distributor arranged on both sides and a porous current collector adjacent to each of these, as well as end plates held at a distance from the respective current collector by means of a seal, clamped together to form an intermediate space, with openings for the supply of fuel or oxidant.
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.Such electrochemical elements are known to be used as fuel cells, membrane electrolyzers or membrane compressors. For example, in a fuel cell with a membrane electrode unit of the type mentioned above, the current generated at the membrane electrode unit flows first to the gas distributor and then to the current collector and is then conducted out of the fuel cell. Electrical contact resistances occur at the contact surfaces between the membrane electrode unit, gas distributor and current collector, which significantly reduce the performance of the electrochemical element. The contact resistance is particularly high in the area between the gas distributor and the current collector, since the current collector is bent towards the end plate due to the elastic forces emanating from the gas distributor and the contact force and thus the contact between the current collector and gas distributor is reduced.
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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. It is already known to insert a plastic fabric into the space between the end plate and the current collector. However, this measure is disadvantageous in that it impairs the transport of fuel or oxidant in the space formed between an end plate and a current collector, thereby reducing the performance of the electrochemical element. On the other hand, the compressible plastic fabric is also not able to equalize the deformation forces acting on the current collector in the direction of the end plate, i.e. to counteract these forces on the basis of the rigid design of the end plate. The contact resistance at the current collector is therefore still relatively high. Furthermore, inserting the plastic fabric into the space between the current collector and the end plate causes difficulties when assembling the electrochemical element. Finally, such a fabric also makes it impossible to visually follow the processes taking place, which is particularly desirable in electrochemical elements intended for teaching purposes.
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.The invention is therefore based on the object of designing an electrochemical element of the type mentioned at the outset in such a way that the contact resistances for the current flowing to the current collector are kept small and simple assembly is made possible.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 aufgebauten elektrochemischen Element gelöst.According to the invention, the object is achieved with an electrochemical element constructed according to the features of claim 1.
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 AbstandhalterIn other words, the basic idea of the invention is that in the space between the rigid end plate and the deformable - thin and porous - current collector at least one spacer
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.A pressure piece acting as a pressure element, but preferably several pressure pieces evenly distributed over the active area of the membrane electrode unit, are arranged, which ensure a constant distance between the end plate and the current collector and thus the dimensional stability of the current collector. The counterpressure exerted by the pressure pieces equalizes the pressure acting on the current collectors from the inside via the gas distributors and a correspondingly high contact pressure is achieved in the direction of the membrane electrode unit, so that the contact resistance to the current collector is small and thus a high performance of the electrochemical element is guaranteed. The pressure pieces specify a certain constant distance between the end plate and the current collector, so that simple, quick assembly of the electrochemical element is possible.
Aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.Further features and advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims and the following description of a preferred embodiment of the invention.
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.For example, the pressure pieces can be designed in such a way that they exert a point-like or linear counterpressure on the current collectors. Several disc-shaped pressure pieces or several elongated pressure pieces can be evenly distributed in the active area of the membrane electrode unit or arranged parallel to one another. The elongated pressure pieces are preferably designed in the shape of a circular arc. This special shape has proven to be particularly advantageous.
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 entwederAccording to another important feature of the invention, the pressure pieces, which, like the end plate, are made of a transparent, pressure-resistant material, are either
durch einstückige Ausbildung oder durch Verwendung geeigneter Befestigungsmittel fest mit der Endplatte oder dem Stromkollektor verbunden.by means of a one-piece design or by using suitable fastening means, it is firmly connected to the end plate or the current collector.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention is explained in more detail with reference to the drawing.
Fig. 1 eine Vorderansicht einer für LehrzweckeFig. 1 is a front view of a teaching
vorgesehenen Brennstoffzelle mit den erfindungsgemäßen Druckstücken; undprovided fuel cell with the pressure pieces according to the invention; and
Fig. 2a bis 2c drei Seitenansichten von Brennstoffzellen nach Fig. 1, jedoch mit unterschiedlich ausgebildeten Druckstücken.Fig. 2a to 2c show three side views of fuel cells according to Fig. 1, but with differently designed pressure pieces.
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. According to Fig. 1, the fuel cell consists of two end plates 1 and 2 arranged at a distance from one another, a membrane electrode unit 9 provided between them with a porous gas distributor 7 and 8 formed on both sides, and two porous or perforated current collectors 5 and 6 adjacent to the membrane electrode unit with gas distributor, which are sealed to the respective end plates 1 and 2 by sealing elements 3 and 4 running around the edge area. The fuel cell thus formed is held together via the end plates 1 and 2 by screw bolts 10 and nuts 11. In the end plates 1 and 2 there are openings 12 and 12a for supplying hydrogen (fuel) or air (oxidant) into the space delimited by an end plate 1 or 2, a seal 3 or 4 and a current collector 5 or 6.
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 betreffendenAs can be seen from Fig. 1, there is a pressure piece 13 or 14 between the end plate 1 or 2 and the current collector 5 or 6 opposite it, the thickness of which corresponds to the distance between the respective
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.End plate 1 or 2 and the current collector 5 or 6 opposite it. Due to the arrangement of the pressure piece 13 or 14 in conjunction with the rigid design of the end plates 1 and 2, elastic deformation of the adjacent current collector 5 or 6 in the direction of the opposite end plate 1 or 2 caused by the gas distributor 7, 8 is prevented and a constant strong pressure of the respective current collector on the gas distributor and of the gas distributor on the membrane electrode unit is achieved. The distances in the cell cannot therefore change and the contact resistance between the current collector and the gas distributor or electrodes cannot increase, so that the series resistance in the fuel cell remains consistently small. The pressure pieces 13, 14, which are integrally formed on the end plate 1, 2 or are firmly connected to the inner surface of the end plate in another way, for example by gluing, serve in their function as spacers to ensure defined distances when assembling the fuel cell and at the same time as an assembly aid.
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 EndplatteFigures 2a to 2c show end plates 1, 2 with several pressure pieces 13, 14 of different shapes. The pressure pieces 13a and 13b are designed as point-acting, disc-shaped or linearly loaded web-like spacers. In a preferred embodiment shown in Fig. 2c, the pressure pieces 13c are designed as a circular arc section. This shape has proven to be particularly advantageous for achieving a uniform pressure of the current collector on the membrane electrode unit with gas distributor, but also for assembling the fuel cell. The pressure pieces are dimensioned accordingly to ensure sufficient rigidity, with the thickness being determined by the distance between the end plate
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.1, 2 and the current collector 5, 6, but the width should not be less than lmm. Like the end plates 1, 2, the pressure pieces 13, 13a, 13b, 13c (14, 14a, 14b, 14c) are made of a transparent material, here: acrylic glass, in order to be able to follow the processes taking place in the fuel cell manufactured for teaching purposes.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
EndplatteEnd plate
DichtelementSealing element
StromkollektorCurrent collector
GasverteilerGas distributor
Membran-Elektroden-Einheit Schraubenbolzen 11 MutterMembrane electrode assembly bolt 11 nut
Öffnungen für Brennstoff- bzw. OxidantzufuhrOpenings for fuel or oxidant supply
Druckstück (Distanzstück)Pressure piece (spacer)
scheibenförmiges Druckstück (punktförmig) langgestrecktes Druckstück (geradlinig) 13c langgestrecktes Druckstück(Kreisbogen)disc-shaped pressure piece (point-shaped) elongated pressure piece (straight) 13c elongated pressure piece (circular arc)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification |
Effective date: 20000928 |
|
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20030508 |
|
| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20050707 |
|
| R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20080415 |
|
| R071 | Expiry of right |