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DE102014203150B4 - Fuel cell and method for producing a fuel cell stack - Google Patents

Fuel cell and method for producing a fuel cell stack Download PDF

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DE102014203150B4
DE102014203150B4 DE102014203150.8A DE102014203150A DE102014203150B4 DE 102014203150 B4 DE102014203150 B4 DE 102014203150B4 DE 102014203150 A DE102014203150 A DE 102014203150A DE 102014203150 B4 DE102014203150 B4 DE 102014203150B4
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DE
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cathode
layer
anode
proton
diffusion layer
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Stefan Heidemann
Matthias Mischke
Stephan Möller
Bastian Ruffmann
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Balticfuelcells GmbH
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Balticfuelcells GmbH
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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. Comprising fuel cell arranged consecutively in the stacking direction and acted upon in the stacking direction with a contact pressure:
A cathode-side separator plate,
A cathode-side electronically conductive diffusion layer, which is connected to means for supplying an oxidizing agent,
A cathode-side catalyst layer,
A proton-conducting layer having a cathode-side and an anode-side surface,
An anode-side catalyst layer,
An anode-side electronically conductive diffusion layer, which is connected to means for supplying a fuel,
An anode-side separator plate,
in which
The proton-conducting layer has a central region and an edge region enclosing this central region,
The anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer each cover at least the central region of the proton-conducting layer,
The anode-side diffusion layer and the cathode-side diffusion layer each cover the central area of the proton-conducting layer, while the edge area of the proton-conducting layer is recessed,
The anode-side separator plate and the cathode-side separator plate each cover the central region and the edge region of the proton-conducting layer,
wherein the fuel cell further comprises:
A dimensionally stable frame arranged between the cathode-side separator plate and the edge region of the proton-conducting layer, which defines a space for the cathode-side diffusion layer, the cathode-side diffusion layer being movable in the stacking direction relative to the frame,
and
- An arranged between the anode-side separator plate and the edge region of the proton conductive layer elastic sealing element, which is compressed by the contact pressure and pressed against the edge region of the proton conductive layer, so that it surrounds a space for the anode-side diffusion layer sealing and over the edge region of the proton-conducting layer cooperates with the frame, so that is defined by the thickness of the frame and the thickness of the compressed sealing element, the expansion of the enclosed by the frame and the sealing element diffusion layers in the stacking direction of the fuel cell.

Figure DE102014203150B4_0001
Figure DE102014203150B4_0001

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. The present invention relates to a fuel cell having a structure that allows the compensation of inhomogeneities of the thickness of individual components, as well as a corresponding fuel cell stack and a method for its production.

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. To generate electrical energy, a plurality of fuel cells is usually connected to one another vertically or horizontally arranged fuel cell stack (also referred to as fuel cell stack or fuel cell stack), in which the individual fuel cells are electrically connected in series. In order to ensure the reliable functioning of such a fuel cell stack, the requirements for the manufacturing accuracy of the individual components are very high, because even small inhomogeneities in the thickness of individual components can lead to leaks, uneven mechanical load and / or excessive electrical contact resistance between the individual components of the fuel cell stack to lead.

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. However, inhomogeneities in the thickness of the components of fuel cells can be reduced only with very high technical effort and never completely ruled out. In addition, excessively stringent requirements with regard to manufacturing accuracy lead to a high reject rate and thus to high costs.

Im Stand der Technik wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, um eine Brennstoffzelle so auszubilden, dass in einem Brennstoffzellenstapel eventuell vorhandene Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden. In the prior art, various solutions have been proposed to form a fuel cell so that any existing manufacturing tolerances in a fuel cell stack can be compensated.

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. DE 102 03 612 C1 discloses a bipolar plate for a fuel cell stack (ie, a fuel cell stack), the bipolar plate having a frame open in the central region and an inner part disposed in the central region. Frame and inner part are elastically coupled together. In a fuel cell stack which contains such bipolar plates in an axial stratification between individual fuel cells, separate means for axial compression of the fuel cell stack are provided for the central region and the region of the frame. The bipolar plate according to DE 102 03 612 C1 is thus constructed so that for the area of the frame as well as for the central area (ie all components that are within the frame) separate axial contact pressure can be applied. Here, the pressure on the frame is primarily used to compress the seals surrounding the passage openings arranged in the frame so that no leakage occurs in the region of the passage openings. The tension in the central area serves to achieve a uniform support or a uniform contact pressure of the polymer electrolyte membrane and the gas diffusion layer on the flowfield. As a result, a uniform gas distribution over the flow field and thus to the polymer electrolyte membrane and a homogeneous current distribution is made possible. A disadvantage of this structure is the bipartite design of the bipolar plate, whereby the manufacturing and assembly costs is increased. In addition, the two-part structure of the bipolar plate generates a further interface between two components (namely between frame and inner part), which requires a tailor-made production, so that the number of manufacturing tolerances to be considered increased and - if not accurate production - a potential weak and leak point is generated.

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. In the DE 10 2009 039 903 A1 For example, a fuel cell stacking section is described having at least one bipolar plate and at least one membrane-electrode assembly (MEA) plate arranged in the stacking direction adjacent to the bipolar plate so as to form an electrode region having a seal for sealing the electrode region and a interval section. The spacer portion is supported in the stacking direction on one side by the bipolar plate and supported in the stacking direction on the other side of the MEA plate. The spacer section inserted between the bipolar plate and the MEA plate ensures a defined thickness (expansion in the stacking direction) for the electrode region. The compensation of manufacturing tolerances is done by the adaptable sealing material and by the advantageous elastic formation of the spacer sections. A disadvantage of this structure is that seal and spacers are spatially separated. If the seal is no longer able to completely fill the space between the membrane and the bipolar plate, as determined by the spacers, due to manufacturing errors, set effects or fatigue, sealing performance is no longer guaranteed.

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. The object of the present invention is to provide a structure for a fuel cell, which allows the compensation of inhomogeneities of the thickness of individual components in a simple and efficient manner.

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. By "inhomogeneity" of the thickness of a component of a fuel cell is meant that the corresponding component does not have the same thickness at all points. The largest deviation of the actual thickness from the target thickness upward (ie to higher thicknesses) is referred to as a positive tolerance, the largest deviation of the actual thickness of the target thickness down (ie, to lower thickness) as negative tolerance.

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.
This object is achieved according to the invention by a fuel cell arranged in succession in the stacking direction and acted upon in the stacking direction with a contact pressure:
  • A cathode-side separator plate,
  • A cathode-side electronically conductive diffusion layer, which is connected to means for supplying an oxidizing agent,
  • A cathode-side catalyst layer,
  • A proton-conducting layer having a cathode-side and an anode-side surface,
  • An anode-side catalyst layer,
  • An anode-side electronically conductive diffusion layer, which is connected to means for supplying a fuel,
  • - An anode-side separator plate, wherein
  • The proton-conducting layer has a central region and an edge region enclosing this central region,
  • The anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer each cover at least the central region of the proton-conducting layer,
  • The anode-side diffusion layer and the cathode-side diffusion layer each cover the central area of the proton-conducting layer, while the edge area of the proton-conducting layer is recessed,
  • The anode-side separator plate and the cathode-side separator plate each cover the central region and the edge region of the proton-conducting layer, wherein the fuel cell further comprises:
  • A dimensionally stable frame arranged between the cathode-side separator plate and the edge region of the proton-conducting layer, which defines a space for the cathode-side diffusion layer, the cathode-side diffusion layer being movable in the stacking direction relative to the frame, and
  • - An arranged between the anode-side separator plate and the edge region of the proton conductive layer elastic sealing element, which is compressed by the contact pressure and pressed against the edge region of the proton conductive layer, so that it surrounds a space for the anode-side diffusion layer sealing and over the edge region of the proton-conducting layer cooperates with the frame, so that is defined by the thickness of the frame and the thickness of the compressed sealing element, the expansion of the enclosed by the frame and the sealing element diffusion layers in the stacking direction of the fuel cell.

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.
The basic structure of a fuel cell comprising the successively arranged in the stacking direction and acted upon in the stacking direction with a contact pressure components
  • Cathode-side separator plate,
  • Cathode-side electronically conductive diffusion layer, which is connected to means for supplying an oxidizing agent,
  • Cathode-side catalyst layer,
  • Proton-conducting layer having a cathode-side and an anode-side surface,
  • Anode-side catalyst layer,
  • - anode-side electronically conductive diffusion layer, which are connected to means for supplying a fuel,
  • - anode-side separator plate and the functions of the individual components and suitable materials for their preparation are known in the art.

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.
In this case, the fuel cell according to the invention is designed so that
  • The proton-conducting layer has a central region and an edge region enclosing this central region,
  • The anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer each cover at least the central region of the proton-conducting layer,
  • The anode-side diffusion layer and the cathode-side diffusion layer each cover the central area of the proton-conducting layer, while the edge area of the proton-conducting layer is recessed,
  • - The anode-side separator plate and the cathode-side separator plate each cover the central region and the edge region of the proton-conducting layer.

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. The proton conductive layer has a central region and a peripheral region, wherein the peripheral region encloses the central region, i. The border area surrounds the central area like a frame. The areal extent of the central region of the proton-conducting layer corresponds to the areal extent of the anode-side diffusion layer as well as the areal extent of the cathode-side diffusion layer. The diffusion layers adjoining the respective catalyst layer on the anode side and on the cathode side therefore do not extend beyond the edge region of the proton-conducting layer, ie. the edge region of the proton-conducting layer is recessed in the diffusion layers. Thus, the surface area of the central region of the proton-conducting layer is defined by the surface area of the anode-side and the cathode-side diffusion layer.

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. The surface extent of a component of the fuel cell according to the invention is understood to mean the extent of the respective component defined by the two dimensions (length and width) extending perpendicularly to the thickness (expansion in the stacking direction). The surface area of the anode-side diffusion layer is congruent with the surface area of the cathode-side diffusion layer.

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. Within the central region, the electrode reactions take place at the interface between catalyst and protonone-conducting layer. At the interface between the proton-conducting layer and the anode-side catalyst layer, the fuel transported by the anode-side diffusion layer is oxidized to release protons which flow off via the proton-conducting layer and electrons which flow off via the electronically conductive anode-side diffusion layer. At the interface between the proton-conducting layer and the cathode-side catalyst layer, the oxidant transported by the cathode-side diffusion layer is oxidized by taking up protons which flow over the proton-conducting layer and electrons which flow over the electronically conductive cathode-side diffusion layer.

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. The separator plates adjoining the respective diffusion layer on the anode side and on the cathode side extend over the central region and the edge region of the proton-conducting layer. Thus, the separator plates have, analogously to the proton-conducting layer, a central region and an edge region enclosing the central region.

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. The proton-conducting layer and the two separator plates are congruent in their surface area. The two diffusion layers each have an areal extent which is smaller than that of the proton-conducting layer and the separator plates, since in each case the edge area of the proton-conducting layer is recessed in the two diffusion layers.

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. The anode-side catalyst layer has an areal extent which corresponds at least to the areal extent of the anode-side diffusion layer (and thus to the areal extent of the central area of the proton-conducting layer) and at most to the areal extent of the proton-conducting layer including the edge area. The cathode-side catalyst layer has an areal extent which corresponds at least to the areal extent of the cathode-side diffusion layer (and thus to the areal extent of the central area of the proton-conducting layer) and at most to the areal extent of the proton-conducting layer including the edge area.

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 a first preferred variant of the fuel cell according to the invention, the surface area of the anode-side catalyst layer and the surface area of the cathode-side catalyst layer respectively correspond to the surface area of the central region of the proton-conducting layer. Thus, the edge region of the proton-conducting layer is in contact with neither of the two catalyst layers. This is e.g. achieved by only the central region of the proton-conducting layer on the anode side and the cathode side is equipped with a catalyst layer, or alternatively, by the proton-conducting layer facing surfaces of the diffusion layers are equipped with a catalyst layer. This variant has the advantage that the use of the relatively expensive catalyst materials is limited to the area of the fuel cell, where they are used for the electrode reactions.

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. In an alternative preferred variant of the fuel cell according to the invention, the surface area of the anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer corresponds in each case to the surface area of the central area and at least part of the edge area of the proton-conducting layer, preferably the entire areal extent of the proton-conducting layer. Thus, although the proton-conducting layer is in contact with one or both catalyst layers in its edge region, the catalyst layers are not in contact with the respective diffusion layer in the edge region of the proton-conducting layer, because the edge region of the proton-conducting layer is recessed in the diffusion layers. In this alternative preferred variant, the entire anode-side surface and / or the entire cathode-side surface of the proton-conducting layer is usually equipped with a catalyst layer. This variant is advantageous in terms of production technology since large-area catalyst-coated proton-conducting layers can be used as the raw material, ie it is not Cost of a selective (limited to certain areas) coating the surface of the proton-conducting layer with catalysts required.

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.
In addition to the above-mentioned components, the fuel cell according to the invention comprises:
  • A dimensionally stable frame arranged between the cathode-side separator plate and the edge region of the proton-conducting layer, which defines a space for the cathode-side diffusion layer, the cathode-side diffusion layer being movable in the stacking direction relative to the frame, and
  • - An arranged between the anode-side separator plate and the edge region of the proton conductive layer elastic sealing element, which is compressed by the contact pressure and pressed against the edge region of the proton conductive layer, so that it surrounds a space for the anode-side diffusion layer sealing and over the edge region of the proton-conducting layer cooperates with the frame, so that is defined by the thickness of the frame and the thickness of the compressed sealing element, the expansion of the enclosed by the frame and the sealing element diffusion layers in the stacking direction of the fuel cell.

Nachstehend wird die „Ausdehnung in Stapelrichtung“ als Dicke der jeweiligen Komponente bezeichnet. Hereinafter, the "expansion in the stacking direction" will be referred to as the thickness of each component.

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). The thickness of the frame and the thickness of the compressed sealing element predetermines (defines) the extent of the diffusion layers enclosed by the frame and the sealing element in the stacking direction of the fuel cell.

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. The frame arranged between the edge region of the cathode-side separator plate and the edge region of the proton-conducting layer is dimensionally stable, i. by applying a contact pressure during installation in the fuel cell, its thickness does not change almost. By contrast, the elastic sealing element arranged between the anode-side separator plate and the edge region of the proton-conducting layer is compressed by the application of a contact pressure during installation into the fuel cell, so that its thickness is reduced. In the stacking direction, the edge region of the proton-conducting layer is located between the frame and the sealing element. When subjected to the contact pressure of the dimensionally stable frame and the elastic sealing element over the edge region of the proton conductive layer together, so that the distance between the anode side and the cathode side separator plate and thus the. By the thickness of the frame and the thickness of the compressed by the contact pressure sealing element Thickness expansion of the enclosed by the frame and the sealing element diffusion layers in the stacking direction of the fuel cell is defined. Under the effect of the contact pressure transmitted by the separator plates, the diffusion layers are thus pressed together as far as the thickness of the dimensionally stable frame and the thickness and compressibility of the elastic sealing element allow. By choosing the thickness of the frame member and the thickness and compressibility of the sealing element is thus predetermined, to which thickness the diffusion layers are pressed together. The aim is usually to reduce the thickness of the diffusion layers by 4% to 20%, preferably by about 10%, by the contact pressure. The proton-conducting layer is hardly compressible compared to the diffusion layers formed by porous materials, so that their change in thickness is negligible when subjected to the contact pressure.

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.. The elastic sealing element in the fuel cell according to the invention is the component with the highest compressibility and thereby able to compensate for inhomogeneities in the thickness of the other components. In this case, the elastic sealing element is able to compensate for both plus tolerances and negative tolerances by the sealing element is either less or more compressed ..

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. In the compressed state, the sum of the thicknesses of the diffusion layers is greater than the thickness of the frame. As a result, the pressing force exerted by the separator plates acts directly on the diffusion layers, and it is ensured that they are pressed against the catalyst layers and the proton-conducting layer so that in the central region of the fuel cell, the contact resistance is minimized. The structure of the invention thus acts as a piston-cylinder unit, wherein the cathode-side diffusion layer is movable as a piston relative to acting as a cylinder frame and so transmits the contact pressure on the layer sequence of the catalyst layers and de proton-conducting layer.

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. By virtue of the fact that the cathode-side diffusion layer is movable in the stacking direction relative to the frame, it is able to change its thickness in the space defined by the frame, and so e.g. compensate for swelling caused by changes in the thickness of the proton-conducting layer.

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.The elastic sealing member is preferably formed of a material having a Shore A hardness in the range of 0.2 to 0.65. This material is particularly preferably selected from the group of silicone elastomers.

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. For the proton-conducting layer of the fuel cell according to the invention, all customary materials known to the person skilled in the art are suitable. The proton-conducting layer is preferably a proton-conducting polymer electrolyte membrane. Particularly preferred is a polymer electrolyte membrane with mechanical reinforcement.

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. Particularly preferred is a proton-conducting polymer electrolyte membrane which has a stiffening layer on its anode-side surface and / or on its cathode-side surface, wherein the stiffening layer over the respective surface of the edge region of the polymer electrolyte membrane and the surface of a immediately adjacent to the edge region circumferential strip of the central region of the polymer electrolyte membrane, wherein the strip of the central region covered by the stiffening layer has a width of 0.5 to 2 mm, preferably 1 to 1.5 mm. Such a stiffening layer increases the mechanical stability of the polymer electrolyte membrane and facilitates its handling in the manufacture of the fuel cell. In the arrangement described above, since the edges of the diffusion layer are respectively in contact with the stiffening layer disposed on the surface of the polymer electrolyte membrane, the sensitive membrane material is protected from mechanical damage by the edges of the diffusion layer. This is particularly advantageous if the diffusion layer contains carbon fibers. Namely, at the edges of such diffusion layers are often exposed carbon fibers, which mechanically damage the polymer electrolyte membrane and could even pierce.

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. The cathode-side catalyst layer and the anode-side catalyst layer of the fuel cell according to the invention contain one or more catalysts suitable for the respective electrode reaction in finely divided form. For the catalyst layers of the fuel cell according to the invention, all customary, known to those skilled catalyst materials are suitable. Typically, platinum metals and their alloys are used which are supported on electronically conductive carrier particles, e.g. Carbon black deposited to achieve a fine distribution of the catalyst.

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. The cathode-side and the anode-side electronically conductive diffusion layer of the fuel cell according to the invention are each formed by a porous electronically conductive material. The cathode-side electronically conductive diffusion layer is connected to means for supplying an oxidant, and the anode-side electronically conductive diffusion layer is connected to means for supplying a fuel. The pores allow the diffusion of a fluid to the catalyst layer, i. in the anode-side diffusion layer, the diffusion of a fuel and in the cathode-side diffusion layer, the diffusion of an oxidizing agent. Suitable diffusion layers for the fuel cell according to the invention are all customary diffusion layers known to those skilled in the art, e.g. Carbon fiber paper and fabrics comprising carbon fibers, e.g. Carbon fiber webs.

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. The cathode-side diffusion layer of the fuel cell according to the invention is formed in a first preferred variant by a single layer of a porous electronically conductive material. In a second preferred variant, the cathode-side diffusion layer of the fuel cell according to the invention is formed by a stack comprising two or more successive layers in the stacking direction of a porous electronically conductive material. In this case, all layers may be formed of the same porous electronically conductive material, or each of the successive layers of another porous electronically conductive material. The anode-side diffusion layer of the fuel cell according to the invention is usually formed by a single layer of a porous, electronically conductive material.

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. In a preferred embodiment of the fuel cell according to the invention, the anode-side and the cathode-side separator plate are each formed as a bipolar plate, ie when installed in a fuel cell stack, the anode-side separator plate of a fuel cell also acts as a cathode-side separator plate of the preceding fuel cell, and the cathode-side separator plate of a fuel cell also acts as an anode-side separator the subsequent fuel cell.

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. Alternatively, the cathode-side and the anode-side separator plate of the fuel cell according to the invention are designed so that they cooperate in each case with the anode-side or cathode-side separator plate of the previous or subsequent fuel cell. In this design, the facing surfaces of the cooperating separator plates surround, for example, a flow channel structure (flowfield) for the flow of a coolant.

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. For the anode-side or cathode-side separator plate of the fuel cell according to the invention, all customary materials known to the person skilled in the art are suitable, e.g. corrosion resistant metals or alloys, graphite in monolithic form or in the form of graphite foil, and composites comprising a polymer matrix having dispersed therein particles of an electronically conductive material, e.g. Graphite or carbon black.

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. In a preferred embodiment of the fuel cell according to the invention, the means for supplying the anode-side diffusion layer with a fuel comprise one or more flow channels, which are formed by recesses in the surface of the anode-side separator plate adjoining the anode-side diffusion layer and connected to means for supplying a fuel
and or
the means for supplying the cathode-side diffusion layer with an oxidizing agent comprise one or more flow channels which are formed by recesses on the surface of the cathode-side separator plate adjoining the cathode-side diffusion layer and are connected to means for supplying an oxidizing agent.

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. The flow channel structures formed by the flow channels on the surface of the anode-side separator plate adjoining the anode-side diffusion layer or on the surface of the cathode-side separator plate adjoining the cathode-side diffusion layer are usually referred to as "flowfields".

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. The supply of the anode-side diffusion layer with a fuel is as follows: In the surface of the anode-side separator plate, which adjoins the anode-side diffusion layer, one or more flow channels are embedded. These flow channels are traversed by fuel, which is provided in a known manner by means for supplying a fuel. From the flow channels, the fuel enters the pores of the anode-side diffusion layer. Thus, the flow channels formed on the surface of the anode-side separator plate act as means for supplying the anode-side diffusion layer with a fuel.

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. The supply of the cathode-side diffusion layer with an oxidizing agent is as follows: In the surface of the cathode-side separator plate, which adjoins the cathode-side diffusion layer, one or more flow channels are embedded. These flow channels are traversed by oxidant, which is provided in a known manner by means for supplying an oxidizing agent. From the flow channels, the oxidizing agent enters the pores of the cathode-side diffusion layer. Thus, the flow channels formed on the surface of the cathode-side separator plate act as means for supplying the cathode-side diffusion layer with an oxidizing agent.

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. In a particularly preferred embodiment of the fuel cell according to the invention, the means for supplying the cathode-side diffusion layer with an oxidizing agent comprise one or more flow channels, which are formed by recesses on the surface of the cathode-side separator plate adjoining the cathode-side diffusion layer and extend to the edge of the cathode-side separator plate and there, ie at the edge of the cathode-side separator plate, have an open cross-section. The open at the edge of the separator plate cross section of the flow channel allows the entry of air into the flow channel and thus acts as a means for supplying air from the surrounding atmosphere as the oxidant. Such embodiments are commonly referred to as "air-breathing fuel cell".

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. Another aspect of the present invention relates to a fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells according to the invention, preferably 10 to 50 fuel cells. Prefers the fuel cells according to the invention are those of the preferred embodiments described above, and more preferably fuel cells according to the invention, in which the features of several or all of the preferred embodiments described above are combined.

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. The fuel cell or the fuel cell stack according to the invention is suitable for operation with all conventional fuels known to the person skilled in the art, e.g. Hydrogen, and with all conventional, known in the art oxidizing agents, e.g. Oxygen or air, suitable. Operation with air as an air-breathing fuel cell is preferred as described above.

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.
Another aspect of the present invention relates to a method for producing a fuel cell stack according to the invention. This method comprises the steps:
  • Providing a stack comprising a multiplicity of assemblies for forming fuel cells, each assembly comprising in the stacking direction the components: a cathode-side separator plate, a cathode-side electronically conductive diffusion layer connected to means for supplying an oxidant, a cathode-side catalyst layer A proton-conducting layer having a cathode-side and an anode-side surface, an anode-side catalyst layer, an anode-side electronically conductive diffusion layer connected to means for supplying a fuel, an anode-side separator plate, a dimensionally stable frame elastic sealing element, which has a higher compressibility than the entirety of cathode-side electronically conductive diffusion layer, cathode-side catalyst layer, proton-conducting layer, anode side Kat Analyzer layer and anode-side electronically conductive diffusion layer, wherein in each module - the proton-conductive layer has a central region and an edge region enclosing this central region, - cover the anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer respectively at least the central region of the proton-conducting layer, - the anode-side diffusion layer and the cathode-side diffusion layer each cover the central region of the proton-conducting layer, while the edge region of the proton-conducting layer is recessed, the anode-side separator plate and the cathode-side separator plate respectively cover the central region and the edge region of the proton-conducting layer, the dimensionally stable frame between the cathode-side separator plate and the edge region of the proton-conducting layer is arranged so that it has a space for the cathode-side diffusion layer is defined, and the cathode-side diffusion layer is movable in the stacking direction relative to the frame, - the elastic sealing element is arranged between the anode-side separator plate and the edge region of the proton-conducting layer,
  • - Applying the stack with a contact pressure to assemble the modules provided to a fuel cell stack, wherein the elastic sealing elements are compressed by the contact pressure and pressed against the edge region of the proton conductive layer of the respective assembly that the sealing element has a space for the anode-side diffusion layer of the respective Assembly sealingly surrounds and cooperates over the edge region of the proton-conductive layer with the frame of the respective assembly, so that is defined by the thickness of the frame and the compression of the sealing element of the path by which the frame and the sealing element enclosed diffusion layers compressed during assembly of the fuel cell stack become.

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. The assemblies to be provided for the method each contain all components of a fuel cell according to the invention in the corresponding arrangement to each other, but they are not yet subjected to a contact pressure. By applying a contact pressure fuel cells according to the invention are formed from each of the individual modules, which are interconnected in a fuel cell stack.

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. In the individual assemblies, the anode-side and cathode-side catalyst layers are arranged, for example, on the respective surfaces of the proton-conducting layer, for example a proton-conducting polymer electrolyte membrane, so that the proton-conducting layer and the two catalyst layers form an integral component (catalyst-coated membrane CMM). Alternatively, the anode side and Cathodic side catalyst layer disposed on the respectively the proton conductive layer facing surface of the corresponding diffusion layer, so that the anode-side catalyst layer and the anode-side diffusion layer on the one hand and the cathode-side catalyst layer and the cathode-side diffusion layer on the other hand each form an integral component.

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. When the stack is applied with a contact pressure in order to assemble the aforementioned components into a fuel cell, the elastic sealing element is compressed by the contact pressure and pressed against the edge region of the proton-conducting layer, so that the sealing element sealingly encloses a space for the anode-side diffusion layer and over the edge region the proton-conducting layer interacts with the frame. The thickness of the frame and the compression of the sealing element define the path by which the diffusion layers enclosed by the frame and by the sealing element are compressed during assembly of the fuel cell.

Hinsichtlich bevorzugter Ausführungsformen der Brennstoffzellen des durch das erfindungsgemäße Verfahren herzustellenden Brennstoffzellenstapels gelten die obenstehenden Ausführungen entsprechend. With regard to preferred embodiments of the fuel cells of the fuel cell stack to be produced by the method according to the invention, the above statements apply correspondingly.

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. The structure of a fuel cell stack is known in principle. In the stacking direction, a current collector plate is usually arranged in each case before the first and after the last separator plate of the fuel cell stack. On the pantograph plates usually follow each from inside to outside an insulating plate and an end plate. As a means for pressurizing the fuel cells with a contact pressure, e.g. Clamping bolt used.

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.
A single fuel cell according to the invention can be produced by a method comprising the steps:
  • Providing a stack comprising the components; a cathode-side separator plate; a cathode-side electronically conductive diffusion layer connected to means for supplying an oxidant, a cathode-side catalyst layer, a proton-conducting layer having a cathode-side and an anode-side surface; anode-side catalyst layer - an anode-side electronically conductive diffusion layer, which is connected to means for supplying a fuel, - an anode-side separator plate - a dimensionally stable frame - an elastic sealing element, which has a higher compressibility than the totality of cathode-side electronically conductive diffusion layer, cathode-side catalyst layer, proton-conducting layer, anode-side catalyst layer and anode-side electronically conductive diffusion layer wherein in the stack - the protons conductive layer has a central region and an edge region enclosing this central region, the anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer each cover at least the central region of the proton-conductive layer, the anode-side diffusion layer and the cathode-side diffusion layer each cover the central region of the proton-conductive layer, while the edge region of the proton-conducting layer is recessed, the anode-side separator plate and the cathode-side separator plate each cover the central region and the edge region of the proton-conducting layer, the dimensionally stable frame is arranged between the cathode-side separator plate and the edge region of the proton-conducting layer, so that it has a space is defined for the cathode-side diffusion layer, and the cathode-side diffusion layer is movable in the stacking direction relative to the frame, - d the elastic sealing element is arranged between the anode-side separator plate and the edge region of the proton-conducting layer,
  • - Applying the stack with a contact pressure to assemble the aforementioned components to a fuel cell, wherein the elastic sealing element is compressed by the contact pressure and pressed against the edge region of the proton conductive layer, that the sealing element surrounds a space for the anode-side diffusion layer sealing and over the The edge region of the proton-conducting layer interacts with the frame, so that the thickness of the frame and the compression of the sealing element define the path by which the diffusion layers enclosed by the frame and the sealing element are compressed during assembly of the fuel cell.

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. The invention is explained below with reference to an embodiment and a figure. 1 shows a schematic representation of a section of an assembly for forming a preferred embodiment of a fuel cell according to the invention.

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.
The from the in 1 schematically and fragmentary illustrated assembly to form a preferred embodiment of a fuel cell according to the invention comprises the components:
  • - anode-side separator plate 1a and cathode-side separator plate 1b
  • - anode-side diffusion layer 2a and cathode-side diffusion layer 2 B
  • A proton-conducting layer in the form of a polymer electrolyte membrane 3 on their the anode-side diffusion layer 2a facing surface with an anode-side catalyst layer 3a and on its the cathode-side diffusion layer 2 B facing surface with a cathode-side catalyst layer, 3b and on the anode-side surface and on the cathode-side surface of the proton-conductive polymer electrolyte membrane 3 one stiffening layer each 3c . 3d which covers the edge region as well as a strip of the central region of the polymer electrolyte membrane that adjoins the edge region directly and about 1 mm wide,
  • - One between the anode-side separator plate 1a and the edge region of the proton-conducting layer 3 arranged elastic sealing element 4 .
  • - One between the cathode side separator plate 1b and the edge region of the proton-conducting layer 3 arranged dimensionally stable frame 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. The polymer electrolyte membrane 3 has a central region A which is in contact with the catalyst layers 3a . 3b is in contact, and the central region of the frame-like enclosing edge region B. The surface extent of the central region of the proton-conducting layer 3 corresponds to the surface area of the anode-side diffusion layer 2a and the surface area of the cathode-side diffusion layer 2 B , The anode side and the cathode side to the respective catalyst layer 3a . 3b subsequent diffusion layers 2a . 2 B extend over the central region A of the proton-conducting layer 3 but not over the edge region B of the proton-conducting layer 3 , ie the edge region B of the proton-conducting layer 3 is at the diffusion layers 2a . 2 B spared. The anode side and the cathode side to the respective diffusion layer 2a . 2 B subsequent Separatorplatten 1a . 1b extend over the central region A and the edge region B of the proton-conducting layer 3 , In 1 the boundary between central area A and border area B is marked by a dashed line.

Für die Separatorplatten, die Diffusionsschichten, die protonenleitende Schicht und die Katalysatoren werden übliche, dem Fachmann bekannte Materialien eingesetzt. For the separator plates, the diffusion layers, the proton-conducting layer and the catalysts, customary materials known to the person skilled in the art are used.

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: For an exemplary fuel cell according to the invention with a structure according to 1 The thicknesses of the individual components in the unpressed and in the compressed state and their thickness tolerances are listed in the following table:

Tabelle 1

Figure DE102014203150B4_0002
Table 1
Figure DE102014203150B4_0002

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. If none of the components has a deviation from its desired thickness, then the seal is compressed in the thickness direction by 0.27 mm by the contact pressure, i. to a thickness of 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. Adding all the plus tolerances of the components in the central region results in a thickness of the components in the central region increased by 0.09 mm, the gasket is then compressed in the thickness direction by 0.18 mm, i. to a thickness of 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. Adding all of the minus tolerances of the components in the central region results in a 0.09 mm reduced thickness of the components in the central region, the gasket is then compressed in the thickness direction by 0.36 mm, i. to a thickness of 0.24 mm.

Claims (10)

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. Fuel cell comprising sequentially arranged in the stacking direction and applied in the stacking direction with a contact pressure: - a cathode-side separator plate, - a cathode-side electronically conductive diffusion layer, which is connected to means for supplying an oxidant, - a cathode-side catalyst layer, - a proton-conducting layer, the cathode side and an anode-side surface, an anode-side catalyst layer, an anode-side electronically conductive diffusion layer, which is connected to means for supplying a fuel, an anode-side separator plate, wherein the proton-conductive layer has a central region and an edge region enclosing this central region - the anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer each cover at least the central region of the proton-conducting layer, - the anode the diffusion-side layer and the cathode-side diffusion layer each cover the central region of the proton-conducting layer, while the edge region of the proton-conducting layer is recessed, the anode-side separator plate and the cathode-side separator plate respectively cover the central region and the edge region of the proton-conducting layer, wherein the fuel cell further comprises: A dimensionally stable frame arranged between the cathode-side separator plate and the edge region of the proton-conducting layer, defining a space for the cathode-side diffusion layer, the cathode-side diffusion layer being movable in the stacking direction relative to the frame, and a between the anode-side separator plate and the edge region of the proton-conducting Layer arranged elastic sealing element, which is compressed by the contact pressure and pressed against the edge region of the proton conductive layer so that it sealingly encloses a space for the anode side diffusion layer and cooperates with the frame over the edge region of the proton conductive layer, so that by the thickness of the frame and the thickness of the compressed sealing element is defined as the extent of the diffusion layers enclosed by the frame and the sealing element in the stacking direction of the fuel cell. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die protonenleitende Schicht eine protonenleitende Polymerelektrolytmembran ist.  The fuel cell of claim 1, wherein the proton conductive layer is a proton conductive polymer electrolyte membrane. 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.  Fuel cell according to one of the preceding claims, wherein the elastic sealing element is formed of a material having a Shore A hardness in the range of 0.2 to 0.65. 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.  Fuel cell according to one of the preceding claims, wherein the cathode-side diffusion layer - Is formed by a layer of a porous electronically conductive material or - Is formed by a stack comprising two or more successive layers in the stacking direction each of a porous electronically conductive material. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anodenseitige Diffusionsschicht durch eine Lage eines porösen elektronisch leitfähigen Materials gebildet ist.  Fuel cell according to one of the preceding claims, wherein the anode-side diffusion layer is formed by a layer of a porous electronically conductive material. 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.  Fuel cell according to one of the preceding claims, wherein the means for supplying the anode-side diffusion layer with a fuel comprise one or more flow channels formed by recesses on the surface of the anode-side separator plate adjoining the anode-side diffusion layer and connected to means for supplying a fuel and or the means for supplying the cathode-side diffusion layer with an oxidizing agent comprise one or more flow channels formed by recesses on the surface of the cathode-side separator plate adjoining the cathode-side diffusion layer and connected to means for supplying an oxidizing agent. 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.  The fuel cell of claim 6, wherein the means for supplying the cathode side diffusion layer with an oxidant comprises one or more flow channels formed by recesses on the surface of the cathode side separator plate adjoining the cathode side diffusion layer and extending to the edge of the cathode side separator plate; Edge of the cathode-side separator plate have an open cross section, which allows the access of air as the oxidant. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die anodenseitige Separatorplatte und die kathodenseitige Separatorplatte als Bipolarplatte ausgebildet sind.  Fuel cell according to one of the preceding claims, wherein the anode-side separator plate and the cathode-side separator plate are formed as a bipolar plate. Brennstoffzellenstapel umfassend eine Vielzahl von Brennstoffzellen, vorzugsweise 10 bis 50 Brennstoffzellen, nach einem der vorhergehenden Ansprüche.  A fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells, preferably 10 to 50 fuel cells, according to one of the preceding claims. 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. A method of manufacturing a fuel cell stack according to claim 9, comprising the steps of: providing a stack comprising a plurality of assemblies for forming fuel cells, wherein each assembly in the stacking direction comprises the components: a cathode-side separator plate, a cathode-side electronically conductive diffusion layer comprising Means for supplying with an oxidizing agent is connected, - a cathode-side catalyst layer, - a proton-conducting layer having a cathode-side and an anode-side surface, - an anode-side catalyst layer, An anode-side electronically conductive diffusion layer which is connected to means for supplying a fuel, an anode-side separator plate, a dimensionally stable frame, an elastic sealing element which has a higher compressibility than the entirety of the cathode-side electronically conductive diffusion layer, cathode-side catalyst layer, proton-conducting layer, anode-side catalyst layer and anode-side electronically conductive diffusion layer, wherein in each assembly - the proton-conducting layer has a central region and an edge region enclosing this central region, - the anode-side catalyst layer and the cathode-side catalyst layer each cover at least the central region of the proton-conducting layer, - the anode-side diffusion layer and the cathode-side diffusion layer each have the central portion of the proton-conductive layer while the edge region of the proton-conducting layer is recessed, the anode-side separator plate and the cathode-side separator plate respectively cover the central region and the edge region of the proton-conducting layer, the dimensionally stable frame is arranged between the cathode-side separator plate and the edge region of the proton-conducting layer, so that it defines a space for the cathode-side diffusion layer, and the cathode-side diffusion layer is movable in the stacking direction relative to the frame, - the elastic sealing element is disposed between the anode-side separator plate and the edge region of the proton-conductive layer, - applying the pressure to the stack provided Assembly groups to form a fuel cell stack, wherein the elastic sealing elements so compressed by the contact pressure and against the edge region of the proton-conducting layer of the respective Baugru ppe be pressed, that the sealing element sealingly encloses a space for the anode-side diffusion layer of the respective assembly and cooperates with the frame of the respective assembly over the edge region of the proton-conducting layer, so that the path is defined by the thickness of the frame and the compression of the sealing element, by which the diffusion layers enclosed by the frame and the sealing element are compressed during assembly of the fuel cell stack.
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DE102018214649A1 (en) * 2018-08-29 2020-03-05 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fuel cell system
DE102023201485A1 (en) 2023-02-21 2024-08-22 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Membrane electrode assembly for an electrolysis cell, membrane structure, method for producing a membrane electrode assembly, method for producing a membrane structure and method for operating an electrolysis cell with a membrane electrode assembly
CN116516371A (en) * 2023-05-06 2023-08-01 广东卡沃罗氢科技有限公司 PEM electrolysis trough seal structure

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10203612C1 (en) * 2002-01-23 2003-06-26 Reinz Dichtungs Gmbh & Co Kg Bipolar plate, for a fuel cell packet, has electrically conductive outer surfaces and flow channels for gases/fluids, and an elastic coupling between the center section and a frame
DE102009039903A1 (en) * 2009-09-03 2011-03-10 Daimler Ag Fuel cell stack section and method for mounting the fuel cell section
DE102010049839A1 (en) * 2010-10-27 2012-05-03 Daimler Ag Fuel cell stack for vehicle, has recess that is formed in side wall of holding structure, in which edge region of bipolar plate is introduced

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10203612C1 (en) * 2002-01-23 2003-06-26 Reinz Dichtungs Gmbh & Co Kg Bipolar plate, for a fuel cell packet, has electrically conductive outer surfaces and flow channels for gases/fluids, and an elastic coupling between the center section and a frame
DE102009039903A1 (en) * 2009-09-03 2011-03-10 Daimler Ag Fuel cell stack section and method for mounting the fuel cell section
DE102010049839A1 (en) * 2010-10-27 2012-05-03 Daimler Ag Fuel cell stack for vehicle, has recess that is formed in side wall of holding structure, in which edge region of bipolar plate is introduced

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