DE102014203150B4

DE102014203150B4 - Brennstoffzelle und Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102014203150B4
Application number: DE102014203150.8A
Authority: DE
Inventors: Stefan Heidemann; Matthias Mischke; Stephan Möller; Bastian Ruffmann
Original assignee: Balticfuelcells GmbH
Current assignee: Balticfuelcells GmbH
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2016-02-25
Anticipated expiration: 2034-02-22
Also published as: DE102014203150A1

Abstract

Brennstoffzelle umfassend in Stapelrichtung aufeinanderfolgend angeordnet und in Stapelrichtung mit einem Anpressdruck beaufschlagt:
– eine kathodenseitige Separatorplatte,
– eine kathodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht, die mit Mitteln zur Versorgung mit einem Oxidationsmittel verbunden ist,
– eine kathodenseitige Katalysatorschicht,
– eine protonenleitende Schicht, die eine kathodenseitige und eine anodenseitige Oberfläche aufweist,
– eine anodenseitige Katalysatorschicht,
– eine anodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht, die mit Mitteln zur Versorgung mit einem Brennstoff verbunden ist,
– eine anodenseitige Separatorplatte,
wobei
– die protonenleitende Schicht einen zentralen Bereich aufweist und einen diesen zentralen Bereich umschließenden Randbereich,
– die anodenseitige Katalysatorschicht und die kathodenseitige Katalysatorschicht jeweils mindestens den zentralen Bereich der protonenleitenden Schicht überdecken,
– die anodenseitige Diffusionsschicht und die kathodenseitige Diffusionsschicht jeweils den zentralen Bereich der protonenleitenden Schicht überdecken, während der Randbereich der protonenleitenden Schicht ausgespart ist,
– die anodenseitige Separatorplatte und die kathodenseitige Separatorplatte jeweils den zentralen Bereich und den Randbereich der protonenleitenden Schicht überdecken,
wobei die Brennstoffzelle weiter umfasst:
– einen zwischen der kathodenseitigen Separatorplatte und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht angeordneten formbeständigen Rahmen, der einen Raum für die kathodenseitige Diffusionsschicht definiert, wobei die kathodenseitige Diffusionsschicht in Stapelrichtung relativ zu dem Rahmen beweglich ist,
und
– ein zwischen der anodenseitigen Separatorplatte und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht angeordnetes elastisches Dichtelement, das durch den Anpressdruck gestaucht und gegen den Randbereich der protonenleitenden Schicht gepresst ist, so dass es einen Raum für die anodenseitige Diffusionsschicht dichtend umschließt und über den Randbereich der protonenleitenden Schicht mit dem Rahmen zusammenwirkt, so dass durch die Dicke des Rahmens und die Dicke des gestauchten Dichtelements die Ausdehnung der vom Rahmen und vom Dichtelement umschlossenen Diffusionsschichten in Stapelrichtung der Brennstoffzelle definiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einem Aufbau, der den Ausgleich von Inhomogenitäten der Dicke einzelner Komponenten erlaubt, sowie einen entsprechenden Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Zur Erzeugung elektrischer Energie wird üblicherweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem vertikal oder horizontal angeordneten Brennstoffzellenstapel (auch als Brennstoffzellenstack oder Brennstoffzellenpaket bezeichnet) miteinander verbunden, in welchem die einzelnen Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind. Um die zuverlässige Funktionsfähigkeit eines solchen Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten, sind die Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit der einzelnen Komponenten sehr hoch, denn bereits geringe Inhomogenitäten der Dicke einzelner Komponenten können zu Undichtigkeiten, ungleichmäßiger mechanischer Belastung und/oder zu hohen elektrischen Kontaktwiderständen zwischen den einzelnen Komponenten des Brennstoffzellenstapels führen.
Inhomogenitäten der Dicke bei den Komponenten von Brennstoffzellen lassen sich jedoch nur mit sehr hohem technischem Aufwand vermindern und niemals völlig ausschließen. Darüber hinaus führen übermäßig strenge Anforderungen bezüglich der Fertigungsgenauigkeit zu einer hohen Ausschussquote und damit zu hohen Kosten.
Im Stand der Technik wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, um eine Brennstoffzelle so auszubilden, dass in einem Brennstoffzellenstapel eventuell vorhandene Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden.
DE 102 03 612 C1 offenbart eine Bipolarplatte für ein Brennstoffzellenpaket (d.h. einen Brennstoffzellenstapel), wobei die Bipolarplatte einen im Zentralbereich offenen Rahmen sowie ein im Zentralbereich angeordnetes Innenteil aufweist. Rahmen und Innenteil sind elastisch miteinander gekoppelt. In einem Brennstoffzellenstapel, welcher in axialer Schichtung zwischen einzelnen Brennstoffzellen derartige Bipolarplatten enthält, sind für den Zentralbereich und den Bereich des Rahmens separate Mittel zur axialen Kompression des Brennstoffzellenstapels vorgesehen. Die Bipolarplatte gemäß DE 102 03 612 C1 ist somit so aufgebaut, dass für den Bereich des Rahmens sowie für den Zentralbereich (also alle Komponenten, die innerhalb des Rahmens liegen) getrennt axialer Anpressdruck aufbringbar ist. Hierbei dient der Druck auf den Rahmen primär dazu, die Dichtungen zu verpressen, welche die im Rahmen angeordneten Durchgangsöffnungen umgeben, so dass keine Leckage im Bereich der Durchgangsöffnungen auftritt. Die Verspannung im Zentralbereich dient dazu, eine gleichmäßige Auflage bzw. einen gleichmäßigen Anpressdruck der Polymerelektrolytmembran sowie der Gasdiffusionslage auf das Flowfield zu erreichen. Hierdurch wird eine gleichmäßige Gasverteilung über das Flowfield und somit zu der Polymerelektrolytmembran hin sowie eine homogene Stromverteilung ermöglicht. Nachteilig an diesem Aufbau ist die zweiteilige Gestaltung der Bipolarplatte, wodurch der Fertigungs- und Montageaufwand vergrößert wird. Außerdem generiert der zweiteilige Aufbau der Bipolarplatte eine weitere Grenzfläche zwischen zwei Komponenten (nämlich zwischen Rahmen und Innenteil), die eine passgenaue Fertigung erfordert, so dass die Anzahl der zu beachtenden Fertigungstoleranzen vergrößert wird und – bei nicht passgenauer Fertigung – eine potentielle Schwach- und Undichtigkeitsstelle generiert wird.
In der DE 10 2009 039 903 A1 wird ein Brennstoffzellenstapelabschnitt beschrieben mit mindestens einer Bipolarplatte und mit mindestens einer Membrane-Electrode-Assembly(MEA)-Platte, welche in Stapelrichtung benachbart zu der Bipolarplatte so angeordnet ist, so dass sich ein Elektrodenbereich ausbildet mit einer Dichtung zur Abdichtung des Elektrodenbereichs und mit einem Abstandsabschnitt. Der Abstandsabschnitt ist in Stapelrichtung auf einer Seite durch die Bipolarplatte abgestützt und in Stapelrichtung auf der anderen Seite von der MEA-Platte abgestützt. Durch den zwischen Bipolarplatte und MEA-Platte eingesetzten Abstandsabschnitt wird für den Elektrodenbereich eine definierte Dicke (Ausdehnung in Stapelrichtung) sichergestellt. Der Ausgleich von Fertigungstoleranzen erfolgt durch das anpassungsfähige Dichtungsmaterial und durch die vorteilhaft elastische Ausbildung der Abstandsabschnitte. Nachteilig an diesem Aufbau ist, dass Dichtung und Abstandshalter räumlich voneinander getrennt sind. Wenn die Dichtung aufgrund von Fertigungsfehlern, Setzeffekten oder Ermüdungserscheinungen nicht (mehr) in der Lage ist, den durch die Abstandshalter vorgegebenen Abstand zwischen Membran und Bipolarplatte komplett auszufüllen, ist die Erfüllung der Abdichtungsfunktion nicht mehr gewährleistet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einem Aufbau für eine Brennstoffzelle anzugeben, der in einfacher und effizienter Weise den Ausgleich von Inhomogenitäten der Dicke einzelner Komponenten erlaubt.
Unter „Inhomogenität“ der Dicke einer Komponente einer Brennstoffzelle wird dabei verstanden, dass die entsprechende Komponente nicht an allen Punkten die gleiche Dicke aufweist. Die größte Abweichung der Ist-Dicke von der Soll-Dicke nach oben (d.h. zu höheren Dicken) wird dabei als Plustoleranz bezeichnet, die größte Abweichung der Ist-Dicke von der Soll-Dicke nach unten (d.h. zu geringeren Dicken) als Minustoleranz.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennstoffzelle umfassend in Stapelrichtung aufeinanderfolgend angeordnet und in Stapelrichtung mit einem Anpressdruck beaufschlagt:

– eine kathodenseitige Separatorplatte,
– eine kathodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht, die mit Mitteln zur Versorgung mit einem Oxidationsmittel verbunden ist,
– eine kathodenseitige Katalysatorschicht,
– eine protonenleitende Schicht, die eine kathodenseitige und eine anodenseitige Oberfläche aufweist,
– eine anodenseitige Katalysatorschicht,
– eine anodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht, die mit Mitteln zur Versorgung mit einem Brennstoff verbunden ist,
– eine anodenseitige Separatorplatte, wobei
– die protonenleitende Schicht einen zentralen Bereich aufweist und einen diesen zentralen Bereich umschließenden Randbereich,
– die anodenseitige Katalysatorschicht und die kathodenseitige Katalysatorschicht jeweils mindestens den zentralen Bereich der protonenleitenden Schicht überdecken,
– die anodenseitige Diffusionsschicht und die kathodenseitige Diffusionsschicht jeweils den zentralen Bereich der protonenleitenden Schicht überdecken, während der Randbereich der protonenleitenden Schicht ausgespart ist,
– die anodenseitige Separatorplatte und die kathodenseitige Separatorplatte jeweils den zentralen Bereich und den Randbereich der protonenleitenden Schicht überdecken, wobei die Brennstoffzelle weiter umfasst:
– einen zwischen der kathodenseitigen Separatorplatte und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht angeordneten formbeständigen Rahmen, der einen Raum für die kathodenseitige Diffusionsschicht definiert, wobei die kathodenseitige Diffusionsschicht in Stapelrichtung relativ zu dem Rahmen beweglich ist, und
– ein zwischen der anodenseitigen Separatorplatte und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht angeordnetes elastisches Dichtelement, das durch den Anpressdruck gestaucht und gegen den Randbereich der protonenleitenden Schicht gepresst ist, so dass es einen Raum für die anodenseitige Diffusionsschicht dichtend umschließt und über den Randbereich der protonenleitenden Schicht mit dem Rahmen zusammenwirkt, so dass durch die Dicke des Rahmens und die Dicke des gestauchten Dichtelements die Ausdehnung der vom Rahmen und vom Dichtelement umschlossenen Diffusionsschichten in Stapelrichtung der Brennstoffzelle definiert wird.

Der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle umfassend die in Stapelrichtung aufeinanderfolgend angeordneten und in Stapelrichtung mit einem Anpressdruck beaufschlagten Komponenten

– kathodenseitige Separatorplatte,
– kathodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht, die mit Mitteln zur Versorgung mit einem Oxidationsmittel verbunden ist,
– kathodenseitige Katalysatorschicht,
– protonenleitende Schicht, die eine kathodenseitige und eine anodenseitige Oberfläche aufweist,
– anodenseitige Katalysatorschicht,
– anodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht, die mit Mitteln zur Versorgung mit einem Brennstoff verbunden sind,
– anodenseitige Separatorplatte sowie die Funktionen der einzelnen Komponenten und geeignete Materialien zu ihrer Herstellung sind dem Fachmann bekannt.

Dabei ist die erfindungsgemäße Brennstoffzelle so ausgebildet, dass

– die protonenleitende Schicht einen zentralen Bereich aufweist und einen diesen zentralen Bereich umschließenden Randbereich,
– die anodenseitige Katalysatorschicht und die kathodenseitige Katalysatorschicht jeweils mindestens den zentralen Bereich der protonenleitenden Schicht überdecken,
– die anodenseitige Diffusionsschicht und die kathodenseitige Diffusionsschicht jeweils den zentralen Bereich der protonenleitenden Schicht überdecken, während der Randbereich der protonenleitenden Schicht ausgespart ist,
– die anodenseitige Separatorplatte und die kathodenseitige Separatorplatte jeweils den zentralen Bereich und den Randbereich der protonenleitenden Schicht überdecken.

Die protonenleitende Schicht weist einen zentralen Bereich auf und einen Randbereich, wobei der Randbereich den zentralen Bereich umschließt, d.h. der Randbereich umgibt den zentralen Bereich rahmenartig. Die Flächenausdehnung des zentralen Bereichs der protonenleitenden Schicht entspricht der Flächenausdehnung der anodenseitigen Diffusionsschicht sowie der Flächenausdehnung der kathodenseitigen Diffusionsschicht. Die anodenseitig und kathodenseitig sich an die jeweilige Katalysatorschicht anschließenden Diffusionsschichten erstrecken sich somit nicht über den Randbereich der protonenleitenden Schicht, d.h. der Randbereich der protonenleitenden Schicht ist bei den Diffusionsschichten ausgespart. Somit wird die Flächenausdehnung des zentralen Bereichs der protonenleitenden Schicht durch die Flächenausdehnung der anodenseitigen sowie der kathodenseitigen Diffusionsschicht definiert.
Unter der Flächenausdehnung einer Komponente der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle wird hier die durch die beiden sich senkrecht zur Dicke (Ausdehnung in Stapelrichtung) erstreckenden Dimensionen (Länge und Breite) definierte Ausdehnung der jeweiligen Komponente verstanden. Die Flächenausdehnung der anodenseitigen Diffusionsschicht ist deckungsgleich mit der Flächenausdehnung der kathodenseitigen Diffusionsschicht.
Innerhalb des zentralen Bereichs finden jeweils an der Grenzfläche zwischen Katalysator und protononenleitender Schicht die Elektrodenreaktionen statt. An der Grenzfläche zwischen protonenleitender Schicht und anodenseitiger Katalysatorschicht wird der durch die anodenseitige Diffusionsschicht herantransportierte Brennstoff oxidiert unter Freisetzung von Protonen, die über die protonenleitende Schicht abfließen, und von Elektronen, die über die elektronisch leitfähige anodenseitige Diffusionsschicht abfließen. An der Grenzfläche zwischen protonenleitender Schicht und kathodenseitiger Katalysatorschicht wird das durch die kathodenseitige Diffusionsschicht herantransportierte Oxidationsmittel oxidiert unter Aufnahme von Protonen, die über die protonenleitende Schicht heranfließen, und von Elektronen, die über die elektronisch leitfähige kathodenseitige Diffusionsschicht heranfließen.
Die anodenseitig und kathodenseitig sich an die jeweilige Diffusionsschicht anschließenden Separatorplatten erstrecken sich über den zentralen Bereich und den Randbereich der protonenleitenden Schicht. Somit weisen die Separatorplatten analog zur protonenleitenden Schicht einen zentralen Bereich und einen den zentralen Bereich umschließenden Randbereich auf.
Die protonenleitende Schicht und die beiden Separatorplatten sind in ihrer Flächenausdehnung deckungsgleich. Die beiden Diffusionsschichten haben jeweils eine Flächenausdehnung, die kleiner ist als die der protonenleitenden Schicht und der Separatorplatten, da bei den beiden Diffusionsschichten jeweils der Randbereich der protonenleitenden Schicht ausgespart ist.
Die anodenseitige Katalysatorschicht hat eine Flächenausdehnung, die mindestens der Flächenausdehnung der anodenseitigen Diffusionsschicht (und somit der Flächenausdehnung des zentralen Bereichs der protonenleitenden Schicht) entspricht und höchstens der Flächenausdehnung der protonenleitenden Schicht einschließlich dem Randbereich. Die kathodenseitige Katalysatorschicht hat eine Flächenausdehnung, die mindestens der Flächenausdehnung der kathodenseitigen Diffusionsschicht (und somit der Flächenausdehnung des zentralen Bereichs der protonenleitenden Schicht) entspricht und höchstens der Flächenausdehnung der protonenleitenden Schicht einschließlich dem Randbereich.
In einer ersten bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle entspricht die Flächenausdehnung der anodenseitigen Katalysatorschicht sowie die Flächenausdehnung der kathodenseitigen Katalysatorschicht jeweils der Flächenausdehnung des zentralen Bereichs der protonenleitenden Schicht. Somit steht der Randbereich der protonenleitenden Schicht mit keiner der beiden Katalysatorschichten in Berührung. Dies wird z.B. erreicht, indem ausschließlich der zentrale Bereich der protonenleitenden Schicht anodenseitig und kathodenseitig mit einer Katalysatorschicht ausgerüstet ist, oder alternativ, indem die der protonenleitenden Schicht zugewandten Oberflächen der Diffusionsschichten mit einer Katalysatorschicht ausgerüstet sind. Diese Variante hat den Vorteil, dass der Einsatz der relativ teuren Katalysatormaterialien auf den Bereich der Brennstoffzelle beschränkt ist, wo sie für die Elektrodenreaktionen genutzt werden.
In einer alternativen bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle entspricht die Flächenausdehnung der anodenseitigen Katalysatorschicht sowie der kathodenseitigen Katalysatorschicht jeweils der Flächenausdehnung des zentralen Bereichs und zumindest eines Teils des Randbereichs der protonenleitenden Schicht, vorzugsweise der gesamten Flächenausdehnung der protonenleitenden Schicht. Somit steht die protonenleitende Schicht zwar in ihrem Randbereich mit einer oder beiden Katalysatorschichten in Berührung, wobei im Randbereich der protonenleitenden Schicht die Katalysatorschichten jedoch nicht mit der jeweiligen Diffusionsschicht in Berührung stehen, denn der Randbereich der protonenleitenden Schicht ist bei den Diffusionsschichten ausgespart. Bei dieser alternativen bevorzugten Variante ist üblicherweise die gesamte anodenseitige Oberfläche und/oder die gesamte kathodenseitige Oberfläche der protonenleitenden Schicht mit einer Katalysatorschicht ausgerüstet, Diese Variante ist in produktionstechnischer Hinsicht vorteilhaft, denn es können großflächige katalysatorbeschichtete protonenleitende Schichten als Rohmaterial eingesetzt werden, d.h. es ist kein Aufwand für eine selektive (auf bestimmte Bereiche beschränkte) Beschichtung der Oberfläche der protonenleitenden Schicht mit Katalysatoren erforderlich.
Zusätzlich zu den oben genannten Komponenten umfasst die erfindungsgemäße Brennstoffzelle:

– einen zwischen der kathodenseitigen Separatorplatte und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht angeordneten formbeständigen Rahmen, der einen Raum für die kathodenseitige Diffusionsschicht definiert, wobei die kathodenseitige Diffusionsschicht in Stapelrichtung relativ zu dem Rahmen beweglich ist und
– ein zwischen der anodenseitigen Separatorplatte und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht angeordnetes elastisches Dichtelement, das durch den Anpressdruck gestaucht und gegen den Randbereich der protonenleitenden Schicht gepresst ist, so dass es einen Raum für die anodenseitige Diffusionsschicht dichtend umschließt und über den Randbereich der protonenleitenden Schicht mit dem Rahmen zusammenwirkt, so dass durch die Dicke des Rahmens und die Dicke des gestauchten Dichtelements die Ausdehnung der vom Rahmen und vom Dichtelement umschlossenen Diffusionsschichten in Stapelrichtung der Brennstoffzelle definiert wird.

Nachstehend wird die „Ausdehnung in Stapelrichtung“ als Dicke der jeweiligen Komponente bezeichnet.
Durch die Dicke des Rahmens und die Dicke des gestauchten Dichtelements wird die Ausdehnung der vom Rahmen und vom Dichtelement umschlossenen Diffusionsschichten in Stapelrichtung der Brennstoffzelle vorgegeben (definiert).
Der zwischen dem Randbereich der kathodenseitigen Separatorplatte und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht angeordnete Rahmen ist formbeständig, d.h. durch die Beaufschlagung mit einem Anpressdruck beim Einbau in die Brennstoffzelle ändert sich seine Dicke nahezu nicht. Das zwischen der anodenseitigen Separatorplatte und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht angeordnete elastische Dichtelement hingegen wird durch die Beaufschlagung mit einem Anpressdruck beim Einbau in die Brennstoffzelle gestaucht, so dass seine Dicke verringert wird. In Stapelrichtung befindet sich zwischen dem Rahmen und dem Dichtungselement der Randbereich der protonenleitenden Schicht. Bei Beaufschlagung mit dem Anpressdruck wirken der formbeständige Rahmen und das elastische Dichtelement über den Randbereich der protonenleitenden Schicht miteinander zusammen, so dass durch die Dicke des Rahmens und die Dicke des durch den Anpressdruck gestauchten Dichtelements der Abstand zwischen der anodenseitigen und der kathodenseitigen Separatorplatte und somit die Dickenausdehnung der vom Rahmen und vom Dichtelement umschlossenen Diffusionsschichten in Stapelrichtung der Brennstoffzelle definiert wird. Unter der Wirkung des von den Separatorplatten übertragenen Anpressdrucks werden die Diffusionsschichten also soweit zusammengepresst, wie dies die Dicke des formstabilen Rahmens und die Dicke und Kompressibilität des elastischen Dichtelements zulassen. Durch die Wahl der Dicke des Rahmenelements und der Dicke und Kompressibilität des Dichtelementes wird somit vorgegeben, auf welche Dicke die Diffusionsschichten zusammengepresst werden. Dabei wird üblicherweise angestrebt, durch den Anpressdruck die Dicke der Diffusionsschichten um 4 % bis 20 %, bevorzugt um ca. 10 % zu reduzieren. Die protonenleitende Schicht ist im Vergleich zu den durch poröse Materialien gebildeten Diffusionsschichten kaum kompressibel, so dass ihre Dickenänderung bei Beaufschlagung mit dem Anpressdruck vernachlässigbar ist.
Das elastische Dichtelement ist in der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle die Komponente mit der höchsten Kompressibilität und dadurch in der Lage, Inhomogenitäten in der Dicke der anderen Komponenten auszugleichen. Dabei ist das elastische Dichtelement in der Lage, sowohl Plustoleranzen als auch Minustoleranzen auszugleichen, indem das Dichtelement entweder weniger oder mehr gestaucht wird..
Im verpressten Zustand ist die Summe der Dicken der Diffusionsschichten größer als die Dicke des Rahmens. Dadurch wirkt die von den Separatorplatten ausgeübte Anpresskraft direkt auf die Diffusionsschichten, und es wird gewährleistet, dass diese so gegen die Katalysatorschichten und die protonenleitende Schicht gedrückt werden, dass im zentralen Bereich der Brennstoffzelle der Kontaktwiderstand minimiert wird. Der erfindungsgemäße Aufbau wirkt somit wie eine Kolben-Zylinder-Einheit, wobei die kathodenseitige Diffusionsschicht als Kolben relativ zu dem als Zylinder fungierenden Rahmen beweglich ist und so den Anpressdruck auf die Schichtfolge aus den Katalysatorschichten und de protonenleitenden Schicht überträgt.
Dadurch, dass die kathodenseitige Diffusionsschicht in Stapelrichtung relativ zu dem Rahmen beweglich ist, ist sie in der Lage, in dem von dem Rahmen definierten Raum ihre Dicke zu ändern und so z.B. durch Quellung bedingte Änderungen der Dicke der protonenleitenden Schicht auszugleichen.
Das elastische Dichtungselement ist bevorzugt aus einem Material gebildet, das eine Shore-A Härte im Bereich von 0,2 bis 0,65 aufweist. Besonders bevorzugt ist dieses Material ausgewählt aus der Gruppe der Silikon-Elastomere.
Für die protonenleitende Schicht der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind alle üblichen, dem Fachmann bekannten Materialien geeignet. Bevorzugt ist die protonenleitende Schicht eine protonenleitende Polymerelektrolytmembran. Besonders bevorzugt ist eine Polymerelektrolytmembran mit mechanischer Verstärkung.
Besonders bevorzugt ist eine protonenleitende Polymerelektrolytmembran, die auf ihrer anodenseitigen Oberfläche und/oder auf ihrer kathodenseitigen Oberfläche eine Versteifungsschicht aufweist, wobei sich die Versteifungsschicht über die jeweilige Oberfläche des Randbereichs der Polymerelektrolytmembran und die Oberfläche eines sich unmittelbar an den Randbereich anschließenden umlaufenden Streifen des zentralen Bereichs der Polymerelektrolytmembran erstreckt, wobei der von der Versteifungsschicht überdeckte Streifen des zentralen Bereichs eine Breite von 0,5 bis 2 mm, bevorzugt 1 bis 1,5 mm hat. Eine solche Versteifungsschicht erhöht die mechanische Stabilität der Polymerelektrolytmembran und erleichtert ihre Handhabung bei der Herstellung der Brennstoffzelle. Da bei der oben beschriebenen Anordnung die Kanten der Diffusionsschicht jeweils mit der auf der Oberfläche der Polymerelektrolytmembran angeordneten Versteifungsschicht in Berührung stehen, wird das empfindliche Membranmaterial vor mechanischen Beschädigungen durch die Kanten der Diffusionsschicht geschützt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Diffusionsschicht Carbonfasern enthält. An den Kanten derartiger Diffusionsschichten befinden sich nämlich häufig herausstehende Carbonfasern, welche die Polymerelektrolytmembran mechanisch schädigen und sogar durchstoßen könnten.
Die kathodenseitige Katalysatorschicht und die anodenseitige Katalysatorschicht der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle enthalten einen oder mehrere für die jeweilige Elektrodenreaktion geeignete Katalysatoren in fein verteilter Form. Für die Katalysatorschichten der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind alle üblichen, dem Fachmann bekannten Katalysatormaterialien geeignet. Typischerweise werden Platinmetalle und deren Legierungen eingesetzt, die auf elektronisch leitfähigen Trägerpartikeln, z.B. Ruß, abgeschieden sind, um eine feine Verteilung des Katalysators zu erreichen.
Die kathodenseitige und die anodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle werden jeweils durch ein poröses elektronisch leitfähiges Material gebildet. Die kathodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht ist mit Mitteln zur Versorgung mit einem Oxidationsmittel verbunden, und die anodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht ist mit Mitteln zur Versorgung mit einem Brennstoff verbunden. Die Poren ermöglichen die Diffusion eines Fluids zur Katalysatorschicht, d.h. in der anodenseitigen Diffusionsschicht die Diffusion eines Brennstoffs und in der kathodenseitigen Diffusionsschicht die Diffusion eines Oxidationsmittels. Als Diffusionsschichten für die erfindungsgemäße Brennstoffzelle sind alle üblichen, dem Fachmann bekannten Diffusionsschichten geeignet, z.B. Carbonfaserpapier und textile Flächengebilde umfassend Carbonfasern wie z.B. Carbonfaservliese.
Die kathodenseitige Diffusionsschicht der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist in einer ersten bevorzugten Variante durch eine einzelne Lage eines porösen elektronisch leitfähigen Materials gebildet. In einer zweiten bevorzugten Variante ist die kathodenseitige Diffusionsschicht der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle durch einen Stapel umfassend zwei oder mehrere in Stapelrichtung aufeinanderfolgende Lagen jeweils eines porösen elektronisch leitfähigen Materials gebildet. Dabei können alle Lagen aus demselben porösen elektronisch leitfähigen Material gebildet sein, oder jede der aufeinanderfolgenden Lagen aus einem anderen porösen elektronisch leitfähigen Material. Die anodenseitige Diffusionsschicht der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist üblicherweise durch eine einzelne Lage eines porösen, elektronisch leitfähigen Materials gebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind die anodenseitige und die kathodenseitige Separatorplatte jeweils als Bipolarplatte ausgebildet, d.h. bei Einbau in einen Brennstoffzellenstapel wirkt die anodenseitige Separatorplatte einer Brennstoffzelle zugleich als kathodenseitige Separatorplatte der vorhergehenden Brennstoffzelle, und die kathodenseitige Separatorplatte einer Brennstoffzelle wirkt zugleich als anodenseitige Separatorplatte der nachfolgenden Brennstoffzelle.
Alternativ sind die kathodenseitige und die anodenseitige Separatorplatte der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle so ausgebildet, dass sie jeweils mit der anodenseitigen bzw. kathodenseitigen Separatorplatte der vorhergehenden bzw. nachfolgenden Brennstoffzelle zusammenwirken. Bei dieser Bauart umschließen die einander zugewandten Oberflächen der zusammenwirkenden Separatorplatten beispielsweise eine Strömungskanalstruktur (flowfield) für den Durchfluss eines Kühlmittels.
Für die anodenseitige bzw. kathodenseitige Separatorplatte der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind alle üblichen, dem Fachmann bekannten Materialien geeignet, z.B. korrosionsbeständige Metalle bzw. Legierungen, Graphit in monolithischer Form oder in Form von Graphitfolie sowie Verbundwerkstoffe umfassend eine Polymermatrix mit darin verteilten Partikeln eines elektronisch leitfähigen Materials, z.B. Graphit oder Ruß.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle umfassen die Mittel zur Versorgung der anodenseitigen Diffusionsschicht mit einem Brennstoff einen oder mehrere Strömungskanäle, die durch Ausnehmungen an der an die anodenseitige Diffusionsschicht anschließenden Oberfläche der anodenseitigen Separatorplatte gebildet und mit Mitteln zum Zuführen eines Brennstoffs verbunden sind
und /oder
die Mittel zur Versorgung der kathodenseitigen Diffusionsschicht mit einem Oxidationsmittel umfassen einen oder mehrere Strömungskanäle, die durch Ausnehmungen an der an die kathodenseitige Diffusionsschicht anschließenden Oberfläche der kathodenseitigen Separatorplatte gebildet und mit Mitteln zum Zuführen eines Oxidationsmittels verbunden sind.
Die von den Strömungskanälen auf der an die anodenseitige Diffusionsschicht anschließenden Oberfläche der anodenseitigen Separatorplatte bzw. auf der an die kathodenseitige Diffusionsschicht anschließenden Oberfläche der kathodenseitigen Separatorplatte gebildeten Strömungskanalstrukturen werden üblicherweise als „flowfields“ bezeichnet.
Die Versorgung der anodenseitigen Diffusionsschicht mit einem Brennstoff geschieht wie folgt: In die Oberfläche der anodenseitigen Separatorplatte, die sich an die anodenseitige Diffusionsschicht anschließt, sind ein oder mehrere Strömungskanäle eingelassen. Diese Strömungskanäle werden von Brennstoff durchströmt, der in bekannter Weise durch Mittel zum Zuführen eines Brennstoffs bereitgestellt wird. Aus den Strömungskanälen tritt der Brennstoff in die Poren der anodenseitigen Diffusionsschicht ein. Somit wirken die an der Oberfläche der anodenseitigen Separatorplatte gebildeten Strömungskanäle als Mittel zur Versorgung der anodenseitigen Diffusionsschicht mit einem Brennstoff.
Die Versorgung der kathodenseitigen Diffusionsschicht mit einem Oxidationsmittel geschieht wie folgt: In die Oberfläche der kathodenseitigen Separatorplatte, die sich an die kathodenseitige Diffusionsschicht anschließt, sind ein oder mehrere Strömungskanäle eingelassen. Diese Strömungskanäle werden von Oxidationsmittel durchströmt, das in bekannter Weise durch Mittel zum Zuführen eines Oxidationsmittels bereitgestellt wird. Aus den Strömungskanälen tritt das Oxidationsmittel in die Poren der kathodenseitigen Diffusionsschicht ein. Somit wirken die an der Oberfläche der kathodenseitigen Separatorplatte gebildeten Strömungskanäle als Mittel zur Versorgung der kathodenseitigen Diffusionsschicht mit einem Oxidationsmittel.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle umfassen die Mittel zur Versorgung der kathodenseitigen Diffusionsschicht mit einem Oxidationsmittel einen oder mehrere Strömungskanäle, die durch Ausnehmungen an der an die kathodenseitige Diffusionsschicht anschließenden Oberfläche der kathodenseitigen Separatorplatte gebildet sind und sich bis an den Rand der kathodenseitigen Separatorplatte erstrecken und dort, d.h. am Rand der kathodenseitigen Separatorplatte, einen offenen Querschnitt aufweisen. Der am Rand der Separatorplatte offene Querschnitt des Strömungskanals erlaubt den Eintritt von Luft in den Strömungskanal und wirkt somit als Mittel zum Zuführen von Luft aus der umgebenden Atmosphäre als Oxidationsmittel. Derartige Ausführungsformen werden üblicherweise als „luftatmende Brennstoffzelle“ bezeichnet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel umfassend eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Brennstoffzellen, vorzugsweise 10 bis 50 Brennstoffzellen. Bevorzugt handelt es sich bei den erfindungsgemäßen Brennstoffzellen um solche der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen, und besonders bevorzugt um erfindungsgemäße Brennstoffzellen, in denen die Merkmale mehrerer oder aller oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen kombiniert sind.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle bzw. der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel ist für den Betrieb mit allen üblichen, dem Fachmann bekannten Brennstoffen, z.B. Wasserstoff, und mit allen im üblichen, dem Fachmann bekannten Oxidationsmitteln, z.B. Sauerstoff oder Luft, geeignet. Bevorzugt ist der Betrieb mit Luft als luftatmende Brennstoffzelle wie oben beschrieben.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels. Dieses Verfahren umfasst die Schritte:

– Bereitstellen eines Stapels umfassend eine Vielzahl von Baugruppen zur Bildung von Brennstoffzellen, wobei jede Baugruppe in Stapelrichtung die Komponenten umfasst: – eine kathodenseitige Separatorplatte, – eine kathodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht, die mit Mitteln zur Versorgung mit einem Oxidationsmittel verbunden ist, – eine kathodenseitige Katalysatorschicht, – eine protonenleitende Schicht, die eine kathodenseitige und eine anodenseitige Oberfläche aufweist, – eine anodenseitige Katalysatorschicht, – eine anodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht, die mit Mitteln zur Versorgung mit einem Brennstoff verbunden ist, – eine anodenseitige Separatorplatte, – einen formbeständigen Rahmen, – ein elastisches Dichtelement, das eine höhere Kompressibilität aufweist als die Gesamtheit aus kathodenseitiger elektronisch leitfähiger Diffusionsschicht, kathodenseitiger Katalysatorschicht, protonenleitender Schicht, anodenseitiger Katalysatorschicht und anodenseitiger elektronisch leitfähiger Diffusionsschicht, wobei in jeder Baugruppe – die protonenleitende Schicht einen zentralen Bereich aufweist und einen diesen zentralen Bereich umschließenden Randbereich, – die anodenseitige Katalysatorschicht und die kathodenseitige Katalysatorschicht jeweils mindestens den zentralen Bereich der protonenleitenden Schicht überdecken, – die anodenseitige Diffusionsschicht und die kathodenseitige Diffusionsschicht jeweils den zentralen Bereich der protonenleitenden Schicht überdecken, während der Randbereich der protonenleitenden Schicht ausgespart ist, – die anodenseitige Separatorplatte und die kathodenseitige Separatorplatte jeweils den zentralen Bereich und den Randbereich der protonenleitenden Schicht überdecken, – der formbeständige Rahmen zwischen der kathodenseitigen Separatorplatte und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht angeordnet ist, so dass er einen Raum für die kathodenseitige Diffusionsschicht definiert, und die kathodenseitige Diffusionsschicht in Stapelrichtung relativ zu dem Rahmen beweglich ist, – das elastische Dichtelement zwischen der anodenseitigen Separatorplatte und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht angeordnet ist,
– Beaufschlagen des Stapels mit einem Anpressdruck, um die bereitgestellten Baugruppen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammenzusetzen, wobei die elastischen Dichtelemente durch den Anpressdruck so gestaucht und gegen den Randbereich der protonenleitenden Schicht der jeweiligen Baugruppe gepresst werden, dass das Dichtelement einen Raum für die anodenseitige Diffusionsschicht der jeweiligen Baugruppe dichtend umschließt und über den Randbereich der protonenleitenden Schicht mit dem Rahmen der jeweiligen Baugruppe zusammenwirkt, so dass durch die Dicke des Rahmens und die Kompression des Dichtelements der Weg definiert wird, um den die vom Rahmen und vom Dichtelement umschlossenen Diffusionsschichten beim Zusammensetzen des Brennstoffzellenstapels komprimiert werden.

Die für das Verfahren bereitzustellenden Baugruppen enthalten jeweils alle Komponenten einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle in der entsprechenden Anordnung zueinander, jedoch sind diese noch nicht mit einem Anpressdruck beaufschlagt. Durch das Beaufschlagen mit einem Anpressdruck werden aus den einzelnen Baugruppen jeweils erfindungsgemäße Brennstoffzellen gebildet, die in einem Brennstoffzellenstapel miteinander verbunden sind.
In den einzelnen Baugruppen sind die anodenseitige und kathodenseitige Katalysatorschicht beispielsweise auf den jeweiligen Oberflächen der protonenleitenden Schicht, z.B. einer protonenleitenden Polymerelektrolytmembran, angeordnet, so dass die protonenleitende Schicht und die beiden Katalysatorschichten ein integrales Bauteil bilden (catalyst-coated membrane CMM). Alternativ sind die anodenseitige und kathodenseitige Katalysatorschicht auf der jeweils der protonenleitenden Schicht zugewandten Oberfläche der entsprechenden Diffusionsschicht angeordnet, so dass die anodenseitige Katalysatorschicht und die anodenseitige Diffusionsschicht einerseits und die kathodenseitige Katalysatorschicht und die kathodenseitige Diffusionsschicht andererseits jeweils ein integrales Bauteil bilden.
Beim Beaufschlagen des Stapels mit einem Anpressdruck, um die vorgenannten Komponenten zu einer Brennstoffzelle zusammenzusetzen, wird das elastische Dichtelement durch den Anpressdruck gestaucht und gegen den Randbereich der protonenleitenden Schicht gepresst, so dass das Dichtelement einen Raum für die anodenseitige Diffusionsschicht dichtend umschließt und über den Randbereich der protonenleitenden Schicht mit dem Rahmen zusammenwirkt. Durch die Dicke des Rahmens und die Kompression des Dichtelements wird der Weg definiert, um den die vom Rahmen und vom Dichtelement umschlossenen Diffusionsschichten beim Zusammensetzen der Brennstoffzelle komprimiert werden.
Hinsichtlich bevorzugter Ausführungsformen der Brennstoffzellen des durch das erfindungsgemäße Verfahren herzustellenden Brennstoffzellenstapels gelten die obenstehenden Ausführungen entsprechend.
Der Aufbau eines Brennstoffzellenstapels ist grundsätzlich bekannt. In Stapelrichtung ist üblicherweise vor der ersten und nach der letzten Separatorplatte des Brennstoffzellenstapels jeweils eine Stromabnehmerplatte angeordnet. Auf die Stromabnehmerplatten folgen üblicherweise jeweils von innen nach außen eine Isolierplatte und eine Endplatte. Als Mittel zum Beaufschlagen der Brennstoffzellen mit einem Anpressdruck werden z.B. Spannbolzen benutzt.
Eine einzelne erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist herstellbar durch ein Verfahren umfassend die Schritte:

– Bereitstellen eines Stapels umfassend die Komponenten – eine kathodenseitige Separatorplatte – eine kathodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht, die mit Mitteln zur Versorgung mit einem Oxidationsmittel verbunden ist, – eine kathodenseitige Katalysatorschicht, – eine protonenleitende Schicht, die eine kathodenseitige und eine anodenseitige Oberfläche aufweist, – eine anodenseitige Katalysatorschicht – eine anodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht, die mit Mitteln zur Versorgung mit einem Brennstoff verbunden ist, – eine anodenseitige Separatorplatte – einen formbeständigen Rahmen – ein elastisches Dichtelement, das eine höhere Kompressibilität aufweist als die Gesamtheit aus kathodenseitiger elektronisch leitfähiger Diffusionsschicht, kathodenseitiger Katalysatorschicht, protonenleitender Schicht, anodenseitiger Katalysatorschicht und anodenseitiger elektronisch leitfähigen Diffusionsschicht wobei in dem Stapel – die protonenleitende Schicht einen zentralen Bereich aufweist und einen diesen zentralen Bereich umschließenden Randbereich, – die anodenseitige Katalysatorschicht und die kathodenseitige Katalysatorschicht jeweils mindestens den zentralen Bereich der protonenleitenden Schicht überdecken, – die anodenseitige Diffusionsschicht und die kathodenseitige Diffusionsschicht jeweils den zentralen Bereich der protonenleitenden Schicht überdecken, während der Randbereich der protonenleitenden Schicht ausgespart ist, – die anodenseitige Separatorplatte und die kathodenseitige Separatorplatte jeweils den zentralen Bereich und den Randbereich der protonenleitenden Schicht überdecken, – der formbeständige Rahmen zwischen der kathodenseitigen Separatorplatte und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht angeordnet ist, so dass er einen Raum für die kathodenseitige Diffusionsschicht definiert, und die kathodenseitige Diffusionsschicht in Stapelrichtung relativ zu dem Rahmen beweglich ist, – das elastische Dichtelement zwischen der anodenseitigen Separatorplatte und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht angeordnet ist,
– Beaufschlagen des Stapels mit einem Anpressdruck, um die vorgenannten Komponenten zu einer Brennstoffzelle zusammenzusetzen, wobei das elastische Dichtelement durch den Anpressdruck so gestaucht und gegen den Randbereich der protonenleitenden Schicht gepresst wird, dass das Dichtelement einen Raum für die anodenseitige Diffusionsschicht dichtend umschließt und über den Randbereich der protonenleitenden Schicht mit dem Rahmen zusammenwirkt, so dass durch die Dicke des Rahmens und die Kompression des Dichtelements der Weg definiert wird, um den die vom Rahmen und vom Dichtelement umschlossenen Diffusionsschichten beim Zusammensetzen der Brennstoffzelle komprimiert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Figur näher erläutert. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einer Baugruppe zur Bildung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.
Die aus der in 1 schematisch und ausschnittsweise dargestellten Baugruppe zur Bildung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle umfasst die Komponenten:

– anodenseitige Separatorplatte 1a und kathodenseitige Separatorplatte 1b
– anodenseitige Diffusionsschicht 2a und kathodenseitige Diffusionsschicht 2b
– eine protonenleitende Schicht in Form einer Polymerelektrolytmembran 3, die auf ihrer der anodenseitigen Diffusionsschicht 2a zugewandten Oberfläche mit einer anodenseitigen Katalysatorschicht 3a und auf ihrer der kathodenseitigen Diffusionsschicht 2b zugewandten Oberfläche mit einer kathodenseitigen Katalysatorschicht, 3b versehen ist, und an der anodenseitigen Oberfläche und an der kathodenseitigen Oberfläche der protonenleitenden Polymerelektrolytmembran 3 jeweils eine Versteifungsschicht 3c, 3d aufweist, die den Randbereich sowie einen unmittelbar an den Randbereich anschließenden, ca. 1 mm breiten Streifen des zentralen Bereichs der Polymerelektrolytmembran überdeckt,
– ein zwischen der anodenseitigen Separatorplatte 1a und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht 3 angeordnetes elastisches Dichtelement 4,
– einen zwischen der kathodenseitigen Separatorplatte 1b und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht 3 angeordneten formbeständigen Rahmen 5.

Die Polymerelektrolytmembran 3 weist einen zentralen Bereich A auf, der mit den Katalysatorschichten 3a, 3b in Berührung steht, und einen den zentralen Bereich rahmenartig umschließenden Randbereich B. Die Flächenausdehnung des zentralen Bereichs der protonenleitenden Schicht 3 entspricht der Flächenausdehnung der anodenseitigen Diffusionsschicht 2a sowie der Flächenausdehnung der kathodenseitigen Diffusionsschicht 2b. Die anodenseitig und kathodenseitig sich an die jeweilige Katalysatorschicht 3a, 3b anschließenden Diffusionsschichten 2a, 2b erstrecken sich über den zentralen Bereich A der protonenleitenden Schicht 3, jedoch nicht über den Randbereich B der protonenleitenden Schicht 3, d.h. der Randbereich B der protonenleitenden Schicht 3 ist bei den Diffusionsschichten 2a, 2b ausgespart. Die anodenseitig und kathodenseitig sich an die jeweilige Diffusionsschicht 2a, 2b anschließenden Separatorplatten 1a, 1b erstrecken sich über den zentralen Bereich A und den Randbereich B der protonenleitenden Schicht 3. In 1 ist die Grenze zwischen zentralem Bereich A und Randbereich B durch eine gestrichelte Linie markiert.
Für die Separatorplatten, die Diffusionsschichten, die protonenleitende Schicht und die Katalysatoren werden übliche, dem Fachmann bekannte Materialien eingesetzt.
Für eine beispielhafte erfindungsgemäße Brennstoffzelle mit einem Aufbau gemäß 1 sind die Dicken der einzelnen Komponenten im unverpressten sowie im verpressten Zustand sowie ihre Dickentoleranzen sind in der nachfolgenden Tabelle aufgelistet:
Tabelle 1
Wenn keines der Bauteile eine Abweichung von seiner Solldicke aufweist, dann wird die Dichtung in Dickenrichtung durch den Anpressdruck um 0,27 mm komprimiert, d.h. auf eine Dicke von 0,33 mm.
Bei Addition aller Plustoleranzen der Bauteile im zentralen Bereich ergibt sich eine um 0,09 mm vergrößerte Dicke der Bauteile im zentralen Bereich, die Dichtung wird dann in Dickenrichtung um 0,18 mm komprimiert, d.h. auf eine Dicke von 0,42 mm.
Bei Addition aller Minustoleranzen der Bauteile im zentralen Bereich ergibt sich eine um 0,09 mm verringerte Dicke der Bauteile im zentralen Bereich, die Dichtung wird dann in Dickenrichtung um 0,36 mm komprimiert, d.h. auf eine Dicke von 0,24 mm.

Claims

Brennstoffzelle umfassend in Stapelrichtung aufeinanderfolgend angeordnet und in Stapelrichtung mit einem Anpressdruck beaufschlagt: – eine kathodenseitige Separatorplatte, – eine kathodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht, die mit Mitteln zur Versorgung mit einem Oxidationsmittel verbunden ist, – eine kathodenseitige Katalysatorschicht, – eine protonenleitende Schicht, die eine kathodenseitige und eine anodenseitige Oberfläche aufweist, – eine anodenseitige Katalysatorschicht, – eine anodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht, die mit Mitteln zur Versorgung mit einem Brennstoff verbunden ist, – eine anodenseitige Separatorplatte, wobei – die protonenleitende Schicht einen zentralen Bereich aufweist und einen diesen zentralen Bereich umschließenden Randbereich, – die anodenseitige Katalysatorschicht und die kathodenseitige Katalysatorschicht jeweils mindestens den zentralen Bereich der protonenleitenden Schicht überdecken, – die anodenseitige Diffusionsschicht und die kathodenseitige Diffusionsschicht jeweils den zentralen Bereich der protonenleitenden Schicht überdecken, während der Randbereich der protonenleitenden Schicht ausgespart ist, – die anodenseitige Separatorplatte und die kathodenseitige Separatorplatte jeweils den zentralen Bereich und den Randbereich der protonenleitenden Schicht überdecken, wobei die Brennstoffzelle weiter umfasst: – einen zwischen der kathodenseitigen Separatorplatte und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht angeordneten formbeständigen Rahmen, der einen Raum für die kathodenseitige Diffusionsschicht definiert, wobei die kathodenseitige Diffusionsschicht in Stapelrichtung relativ zu dem Rahmen beweglich ist, und – ein zwischen der anodenseitigen Separatorplatte und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht angeordnetes elastisches Dichtelement, das durch den Anpressdruck gestaucht und gegen den Randbereich der protonenleitenden Schicht gepresst ist, so dass es einen Raum für die anodenseitige Diffusionsschicht dichtend umschließt und über den Randbereich der protonenleitenden Schicht mit dem Rahmen zusammenwirkt, so dass durch die Dicke des Rahmens und die Dicke des gestauchten Dichtelements die Ausdehnung der vom Rahmen und vom Dichtelement umschlossenen Diffusionsschichten in Stapelrichtung der Brennstoffzelle definiert wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die protonenleitende Schicht eine protonenleitende Polymerelektrolytmembran ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elastische Dichtungselement aus einem Material gebildet ist, das eine Shore-A Härte im Bereich von 0,2 bis 0,65 aufweist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die kathodenseitige Diffusionsschicht – durch eine Lage eines porösen elektronisch leitfähigen Materials gebildet ist oder – durch einen Stapel umfassend zwei oder mehrere in Stapelrichtung aufeinanderfolgende Lagen jeweils eines porösen elektronisch leitfähigen Materials gebildet ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anodenseitige Diffusionsschicht durch eine Lage eines porösen elektronisch leitfähigen Materials gebildet ist.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Versorgung der anodenseitigen Diffusionsschicht mit einem Brennstoff einen oder mehrere Strömungskanäle umfassen, die durch Ausnehmungen an der an die anodenseitige Diffusionsschicht anschließenden Oberfläche der anodenseitigen Separatorplatte gebildet und mit Mitteln zum Zuführen eines Brennstoffs verbunden sind und /oder die Mittel zur Versorgung der kathodenseitigen Diffusionsschicht mit einem Oxidationsmittel einen oder mehrere Strömungskanäle umfassen, die durch Ausnehmungen an der an die kathodenseitige Diffusionsschicht anschließenden Oberfläche der kathodenseitigen Separatorplatte gebildet und mit Mitteln zum Zuführen eines Oxidationsmittels verbunden sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 6, wobei die Mittel zur Versorgung der kathodenseitigen Diffusionsschicht mit einem Oxidationsmittel einen oder mehrere Strömungskanäle umfassen, die durch Ausnehmungen an der an die kathodenseitige Diffusionsschicht anschließenden Oberfläche der kathodenseitigen Separatorplatte gebildet sind und sich bis an den Rand der kathodenseitigen Separatorplatte erstrecken und am Rand der kathodenseitigen Separatorplatte einen offenen Querschnitt aufweisen, der den Zutritt von Luft als Oxidationsmittel erlaubt.
Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anodenseitige Separatorplatte und die kathodenseitige Separatorplatte als Bipolarplatte ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapel umfassend eine Vielzahl von Brennstoffzellen, vorzugsweise 10 bis 50 Brennstoffzellen, nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 9, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Stapels umfassend eine Vielzahl von Baugruppen zur Bildung von Brennstoffzellen, wobei jede Baugruppe in Stapelrichtung die Komponenten umfasst: – eine kathodenseitige Separatorplatte, – eine kathodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht, die mit Mitteln zur Versorgung mit einem Oxidationsmittel verbunden ist, – eine kathodenseitige Katalysatorschicht, – eine protonenleitende Schicht, die eine kathodenseitige und eine anodenseitige Oberfläche aufweist, – eine anodenseitige Katalysatorschicht, – eine anodenseitige elektronisch leitfähige Diffusionsschicht, die mit Mitteln zur Versorgung mit einem Brennstoff verbunden ist, – eine anodenseitige Separatorplatte, – einen formbeständigen Rahmen, – ein elastisches Dichtelement, das eine höhere Kompressibilität aufweist als die Gesamtheit aus kathodenseitiger elektronisch leitfähiger Diffusionsschicht, kathodenseitiger Katalysatorschicht, protonenleitender Schicht, anodenseitiger Katalysatorschicht und anodenseitiger elektronisch leitfähiger Diffusionsschicht, wobei in jeder Baugruppe – die protonenleitende Schicht einen zentralen Bereich aufweist und einen diesen zentralen Bereich umschließenden Randbereich, – die anodenseitige Katalysatorschicht und die kathodenseitige Katalysatorschicht jeweils mindestens den zentralen Bereich der protonenleitenden Schicht überdecken, – die anodenseitige Diffusionsschicht und die kathodenseitige Diffusionsschicht jeweils den zentralen Bereich der protonenleitenden Schicht überdecken, während der Randbereich der protonenleitenden Schicht ausgespart ist, – die anodenseitige Separatorplatte und die kathodenseitige Separatorplatte jeweils den zentralen Bereich und den Randbereich der protonenleitenden Schicht überdecken, – der formbeständige Rahmen zwischen der kathodenseitigen Separatorplatte und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht angeordnet ist, so dass er einen Raum für die kathodenseitige Diffusionsschicht definiert, und die kathodenseitige Diffusionsschicht in Stapelrichtung relativ zu dem Rahmen beweglich ist, – das elastische Dichtelement zwischen der anodenseitigen Separatorplatte und dem Randbereich der protonenleitenden Schicht angeordnet ist, – Beaufschlagen des Stapels mit einem Anpressdruck, um die bereitgestellten Baugruppen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammenzusetzen, wobei die elastischen Dichtelemente durch den Anpressdruck so gestaucht und gegen den Randbereich der protonenleitenden Schicht der jeweiligen Baugruppe gepresst werden, dass das Dichtelement einen Raum für die anodenseitige Diffusionsschicht der jeweiligen Baugruppe dichtend umschließt und über den Randbereich der protonenleitenden Schicht mit dem Rahmen der jeweiligen Baugruppe zusammenwirkt, so dass durch die Dicke des Rahmens und die Kompression des Dichtelements der Weg definiert wird, um den die vom Rahmen und vom Dichtelement umschlossenen Diffusionsschichten beim Zusammensetzen des Brennstoffzellenstapels komprimiert werden.