DE102020207918A1 - Fuel cell assembly and method for manufacturing a fuel cell assembly - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (10) mit in einer Stapelrichtung (z) gestapelten Brennstoffzellen (20), die sich plattenförmig in ersten und zweiten Querrichtungen (x, y) erstrecken und jeweils aufweisen: eine Bipolar-Halbplatte (22) mit einer Kanalstruktur (24) zur Führung eines Brennstoffes; eine Gasdiffusionslage (26); eine Membran-Elektroden-Einheit (28), aufweisend eine Elektrolytmembran (30) und beiderseits davon angeordnete Elektrodenschichten (32, 34); eine weitere Gasdiffusionslage (36); eine weitere Bipolar-Halbplatte (38) mit einer Kanalstruktur (40) zur Führung des Oxidationsmittels, die an zwei in der ersten Querrichtung (x) einander entgegengesetzten Seiten offen ist, um eine Oxidationsmittelströmung in der ersten Querrichtung (x) durch die Brennstoffzellenanordnung (10) zu ermöglichen. Erfindungsgemäß weist jede der Brennstoffzellen (20) an wenigstens einer von zwei in der zweiten Querrichtung (y) einander entgegengesetzten Seiten in ihrem seitlichen Randbereich eine Dichtung (50) auf, die an den Bipolar-Halbplatten (22, 38) und der Membran-Elektroden-Einheit (28) anliegt, wobei die Dichtungen (50) jeweils in der zweiten Querrichtung (y) über seitliche Ränder (23, 39) der Bipolar-Halbplatten (22, 38) herausragen und diese Ränder (23, 39) derart umgreifen, dass die Dichtungen (50) von in Stapelrichtung (z) einander benachbarten Brennstoffzellen (20) aneinander anliegen.The invention relates to a fuel cell arrangement (10) with fuel cells (20) stacked in a stacking direction (z), which extend in plate form in first and second transverse directions (x, y) and each have: a bipolar half plate (22) with a channel structure ( 24) for carrying a fuel; a gas diffusion layer (26); a membrane-electrode unit (28) having an electrolyte membrane (30) and electrode layers (32, 34) arranged on both sides thereof; another gas diffusion layer (36); a further bipolar half-plate (38) with a channel structure (40) for guiding the oxidant, which is open on two opposite sides in the first transverse direction (x) in order to allow an oxidant flow in the first transverse direction (x) through the fuel cell arrangement (10 ) to allow. According to the invention, each of the fuel cells (20) has a seal (50) on at least one of two opposite sides in the second transverse direction (y) in its lateral edge region, which is attached to the bipolar half plates (22, 38) and the membrane electrodes - the unit (28) rests, the seals (50) each protruding in the second transverse direction (y) over lateral edges (23, 39) of the bipolar half-plates (22, 38) and embracing these edges (23, 39) in such a way, that the seals (50) of fuel cells (20) that are adjacent to one another in the stacking direction (z) bear against one another.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.The present invention relates to a fuel cell arrangement according to the preamble of
Eine derartige Brennstoffzellenanordnung wird im Stand der Technik auch als Brennstoffzellenstapel bezeichnet und weist in einer Stapelrichtung gestapelt angeordnete Brennstoffzellen auf, die jeweils plattenförmig ausgebildet sind und sich orthogonal zur Stapelrichtung betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung erstrecken.Such a fuel cell arrangement is also referred to as a fuel cell stack in the prior art and has fuel cells stacked in a stacking direction, each of which is plate-shaped and, viewed orthogonally to the stacking direction, extends in a first transverse direction and a second transverse direction orthogonal thereto.
Die einzelnen Brennstoffzellen weisen jeweils in der Stapelrichtung gestapelt auf:
- - eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer Kanalstruktur zur Führung eines Brennstoffes,
- - eine anodenseitige Gasdiffusionslage,
- - eine Membran-Elektroden-Einheit, aufweisend eine Elektrolytmembran und in Stapelrichtung beiderseits davon angeordnete Elektrodenschichten, die eine Anode und eine Kathode für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel ausbilden,
- - eine kathodenseitige Gasdiffusionslage,
- - eine kathodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer Kanalstruktur zur Führung des Oxidationsmittels.
- - an anode-side bipolar half-plate with a channel structure for guiding a fuel,
- - a gas diffusion layer on the anode side,
- - A membrane-electrode unit, comprising an electrolyte membrane and electrode layers arranged on both sides thereof in the stacking direction, which form an anode and a cathode for an electrochemical reaction of the fuel with an oxidizing agent,
- - a cathode-side gas diffusion layer,
- - A cathode-side bipolar half-plate with a channel structure for guiding the oxidizing agent.
Zum Stand der Technik derartiger Brennstoffzellenstapel sei beispielhaft auf die Veröffentlichungen
Mit einer Brennstoffzellenanordnung kann durch eine elektrochemische Reaktion die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes (z. B. Wasserstoff) und eines kontinuierlich zugeführten Oxidationsmittels (z. B. Sauerstoff oder Luft) in elektrische Energie gewandelt werden.With a fuel cell arrangement, the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel (e.g. hydrogen) and a continuously supplied oxidizing agent (e.g. oxygen or air) can be converted into electrical energy by means of an electrochemical reaction.
Im Betrieb der über die (elektrisch leitfähigen) Bipolar-Halbplatten in elektrischer Reihenschaltung angeordneten Brennstoffzellen müssen die Reaktanten der elektrochemischen Reaktion, also der Brennstoff (z. B. Wasserstoff) und das Oxidationsmittel (z. B. Luft), auf in Stapelrichtung betrachtet unterschiedlichen Seiten der Membran-Elektroden-Einheit innerhalb jeder Brennstoffzelle zugeführt werden.During operation of the fuel cells arranged in an electrical series connection via the (electrically conductive) bipolar half-plates, the reactants of the electrochemical reaction, i.e. the fuel (e.g. hydrogen) and the oxidizing agent (e.g. air), must be different when viewed in the stacking direction Sides of the membrane-electrode assembly are fed within each fuel cell.
Zu diesem Zweck sind die Bipolar-Halbplatten jeder Brennstoffzelle auf ihren der Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Seiten jeweils mit der oben erwähnten Kanalstruktur ausgebildet, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel auf den jeweiligen Seiten der Membran-Elektroden-Einheit über diese Kanalstrukturen in die dort angrenzende jeweilige Gasdiffusionslage einzubringen und somit über die jeweilige Gasdiffusionslage an die jeweilige Elektrodenschicht auf der entsprechenden Seite der Elektrolytmembran heranzuführen.For this purpose, the bipolar half-plates of each fuel cell are each designed with the above-mentioned channel structure on their sides facing the membrane-electrode unit in order to transfer the fuel and the oxidizing agent on the respective sides of the membrane-electrode unit via these channel structures into the there to introduce adjacent respective gas diffusion layer and thus to bring it up to the respective electrode layer on the corresponding side of the electrolyte membrane via the respective gas diffusion layer.
Die Elektrodenschichten sind üblicherweise aus einem Kohlenstoffmaterial gebildet und mit einem geeigneten Katalysator beschichtet bzw. durchsetzt. Die brennstoffseitige Elektrodenschicht bildet hierbei eine Anode und die oxidationsmittelseitige Elektrodenschicht eine Kathode der Membran-Elektroden-Einheit.The electrode layers are usually formed from a carbon material and coated or interspersed with a suitable catalyst. The electrode layer on the fuel side forms an anode and the electrode layer on the oxidizing agent side forms a cathode of the membrane-electrode unit.
Bei einer Brennstoffzellenanordnung der hier interessierenden Art ist bei den einzelnen Brennstoffzellen die zur Führung des Oxidationsmittels vorgesehene Kanalstruktur an zwei in der ersten Querrichtung betrachtet einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzelle offen, um im Betrieb eine Strömung des Oxidationsmittels in der ersten Querrichtung durch die Brennstoffzellenanordnung hindurch zu ermöglichen.In a fuel cell arrangement of the type of interest here, in the individual fuel cells, the channel structure provided for guiding the oxidant is open on two opposite sides of the fuel cell viewed in the first transverse direction in order to enable the oxidant to flow through the fuel cell arrangement in the first transverse direction during operation .
Bei einer derartigen Brennstoffzellenanordnung kann das Oxidationsmittel beispielsweise mit einem Gebläse in der ersten Querrichtung durch die Brennstoffzellenanordnung hindurchgetrieben werden und hierbei zugleich für eine Kühlung der Brennstoffzellenanordnung sorgen. In einer Ausführungsform wird Luft (z. B. aus der Umgebung) über die Kanalstruktur der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte zugeführt bzw. durchströmt diese Kanalstruktur und dient somit sowohl als Oxidationsmittel als auch Kühlmittel (luftgekühlter Brennstoffzellenstapel).In such a fuel cell arrangement, the oxidizing agent can be driven through the fuel cell arrangement in the first transverse direction, for example with a fan, and at the same time ensure cooling of the fuel cell arrangement. In one embodiment, air (e.g. from the environment) is supplied via the channel structure of the cathode-side bipolar half-plate or flows through this channel structure and thus serves both as an oxidizing agent and a coolant (air-cooled fuel cell stack).
In dieser Hinsicht kann bei dieser Anordnung auch von „Brennstoffzellen mit offener Kathode“ gesprochen werden, da der Oxidationsmittel-führende Bereich, d.h. kathodenseitige Kanalstruktur, Gasdiffusionslage, Elektrodenschicht (Kathode) nicht zur Umgebung hin abgedichtet sind. Vielmehr ist lediglich der (anodenseitige) Brennstoff-führende Bereich gegen die Umgebung gedichtet, um einen Verlust von Brennstoff aus diesem Brennstoffzellenbereich in die Umgebung sowie einen Eintrag eines Mediums (z. B. Luft) aus der Umgebung in diesen Brennstoffzellenbereich hinein zu verhindern.In this regard, this arrangement can also be referred to as “fuel cells with an open cathode”, since the area carrying the oxidizing agent, i.e. the channel structure on the cathode side, gas diffusion layer, electrode layer (cathode) are not sealed off from the environment. Rather, only the (anode-side) fuel-carrying area is sealed against the environment in order to prevent a loss of fuel from this fuel cell area into the environment and an entry of a medium (e.g. air) from the environment into this fuel cell area.
Das Produkt der in den einzelnen Brennstoffzellen ablaufenden elektrochemischen Reaktion, beispielsweise Wasser, kann über den Oxidationsmittel (z. B. Luft)-führenden Brennstoffzellenbereich abgeführt werden.The product of the electrochemical reaction taking place in the individual fuel cells, for example water, can be discharged via the fuel cell area carrying the oxidizing agent (for example air).
Sämtliche vorstehend mit Bezug auf den Stand der Technik erläuterten Merkmale von Brennstoffzellenanordnungen können einzeln oder in beliebiger Kombination auch bei der unten noch beschriebenen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung vorgesehen sein.All of the features of fuel cell assemblies explained above with reference to the prior art can also be provided individually or in any combination in the fuel cell assembly according to the invention described below.
Nachteilig ist bei bekannten Brennstoffzellenanordnungen der eingangs genannten Art, dass bei deren Verwendung bzw. in deren Installationsumgebung (z. B. A disadvantage of known fuel cell arrangements of the type mentioned at the beginning is that when they are used or in their installation environment (e.g.
Brennstoffzellenstapel in einem Gehäuse) oftmals keine besondere Abdichtung zwischen einer Einlassseite und einer Auslassseite für das Oxidationsmittel (z. B. Luft) vorgesehen ist, mit der Folge, dass parasitäre Oxidationsmittelströme z. B. von der Einlassseite zur Auslassseite strömen und somit den Systemwirkungsgrad der Brennstoffzellenanordnung verschlechtern.Fuel cell stacks in a housing) often no special seal is provided between an inlet side and an outlet side for the oxidizing agent (e.g. air), with the result that parasitic oxidizing agent flows e.g. B. flow from the inlet side to the outlet side and thus worsen the system efficiency of the fuel cell arrangement.
Eine weitere nachteilige Folge besteht in diesem Zusammenhang oftmals darin, dass eine die Energieumsetzungseffizienz und die Kühleffizienz steigernde so genannte Druckaufladung der gestapelten Brennstoffzellen zur Schaffung eines erhöhten Drucks von Oxidationsmittel in den Brennstoffzellen bei gleichzeitig hoher Durchströmungsrate erschwert ist, da durch die erwähnten parasitären Oxidationsmittelströme in unerwünschter Weise der Druck auf der Auslassseite erhöht wird.Another disadvantageous consequence in this context is that a so-called pressure charging of the stacked fuel cells, which increases the energy conversion efficiency and the cooling efficiency, in order to create an increased pressure of oxidizing agent in the fuel cells with a high flow rate at the same time, is made more difficult, since the aforementioned parasitic oxidizing agent flows are undesirable Way the pressure on the outlet side is increased.
Schließlich besteht ein weiterer Nachteil z. B. darin, dass die Brennstoffzellen bzw. der daraus gebildete Brennstoffzellenstapel nicht (zumindest bereichsweise) gasdicht und elektrisch isoliert in ein die gestapelten Brennstoffzellen umgebendes Gehäuse eingebracht werden kann. Zu bedenken ist hierbei, dass der Brennstoffzellenstapel keine „glatten“ Seitenflächen besitzt und dass die Bipolar-Halbplatten aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sind.Finally, there is another disadvantage e.g. B. in the fact that the fuel cells or the fuel cell stack formed therefrom cannot (at least in some areas) be introduced gas-tight and electrically insulated into a housing surrounding the stacked fuel cells. It should be noted here that the fuel cell stack does not have any “smooth” side surfaces and that the bipolar half-plates are made from an electrically conductive material.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und bei einer Brennstoffzellenanordnung der eingangs genannten Art deren Anwendungsbereich zu erweitern und/oder deren Leistungseigenschaften im Betrieb zu verbessern.It is an object of the present invention to avoid the disadvantages mentioned above and, in the case of a fuel cell arrangement of the type mentioned at the beginning, to expand its field of application and / or to improve its performance properties during operation.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gemäß eines ersten Aspekts durch eine Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.According to the invention, this object is achieved according to a first aspect by a fuel cell arrangement according to
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass jede der Brennstoffzellen an wenigstens einer von zwei in der zweiten Querrichtung betrachtet einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzellenanordnung in ihrem entsprechenden seitlichen Randbereich ferner eine Dichtung aufweist, die in diesem seitlichen Randbereich an der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte, der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte und der Membran-Elektroden-Einheit anliegt, um von der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte zur Membran-Elektroden-Einheit hin und von der Membran-Elektroden-Einheit zur kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte hin abzudichten, und dass diese Dichtungen jeweils in der zweiten Querrichtung über seitliche Ränder der Bipolar-Halbplatten herausragen und diese seitlichen Ränder derart umgreifen, dass die Dichtungen von in Stapelrichtung einander benachbarten Brennstoffzellen aneinander anliegen.The fuel cell arrangement according to the invention is characterized in that each of the fuel cells on at least one of two sides of the fuel cell arrangement which are opposite to one another when viewed in the second transverse direction also has a seal in its corresponding lateral edge area, which in this lateral edge area is attached to the anode-side bipolar half-plate and the cathode-side Bipolar half-plate and the membrane-electrode-unit rests in order to seal from the anode-side bipolar-half-plate to the membrane-electrode-unit and from the membrane-electrode-unit to the cathode-side bipolar half-plate, and that these seals in each case in the second Project transversely over lateral edges of the bipolar half-plates and encompass these lateral edges in such a way that the seals of fuel cells adjacent to one another in the stacking direction rest against one another.
Die in der zweiten Querrichtung über die seitlichen Ränder der Bipolar-Halbplatten herausragenden Dichtungen und insbesondere deren Anlage an jeweils im Brennstoffzellenstapel benachbarten Dichtungen führt an den beiden betreffenden Seiten der Brennstoffzellenanordnung zu einer von den Dichtungen gebildeten gemeinsamen einhüllenden Dichtstruktur, die viele Vorteile besitzt.The seals protruding beyond the lateral edges of the bipolar half-plates in the second transverse direction and in particular their contact with seals adjacent to each other in the fuel cell stack leads to a common enveloping sealing structure formed by the seals on the two relevant sides of the fuel cell assembly, which has many advantages.
So können mit der Erfindung z. B. die erwähnten parasitären Luftströme vermieden werden. Damit verbessert diese Dichtstruktur vorteilhaft die Leistungseigenschaften der Brennstoffzellenanordnung, insbesondere im Falle eines Betriebs mit Druckaufladung des Brennstoffzellenstapels. Außerdem kann mittels aus elektrisch nichtleitendem Material gebildeten Dichtungen vorteilhaft eine elektrische Isolation zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einer in der Installationsumgebung den Brennstoffzellenstapel umgebenden Komponente wie insbesondere z. B. einem Gehäuse geschaffen werden. Ferner kann mittels aus elastischem Material gebildeten Dichtungen vorteilhaft eine verbesserte mechanische Stabilität des Brennstoffzellenstapels in einem Gehäuse erzielt werden, was z. B. insbesondere für mobile Anwendungen (in einem Fahrzeug) von Vorteil ist.So with the invention z. B. the mentioned parasitic air currents can be avoided. This sealing structure thus advantageously improves the performance properties of the fuel cell arrangement, in particular in the case of operation with pressure charging of the fuel cell stack. In addition, an electrical insulation between the fuel cell stack and a component surrounding the fuel cell stack in the installation environment, such as in particular z. B. a housing can be created. Furthermore, improved mechanical stability of the fuel cell stack in a housing can advantageously be achieved by means of seals formed from elastic material, which z. B. is particularly advantageous for mobile applications (in a vehicle).
Bevorzugt besitzen die einzelnen Brennstoffzellen jeweils eine plattenförmige Gestalt mit wenigstens annähernd rechteckiger Kontur, so dass sich ein dementsprechend etwa quaderförmiger Brennstoffzellenstapel ergibt.The individual fuel cells preferably each have a plate-like shape with an at least approximately rectangular contour, so that a corresponding roughly cuboid fuel cell stack results.
In einer Ausführungsform sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung für einen Betrieb mit Wasserstoff als Brennstoff geeignet ausgebildet, z. B. mit einer als Protonenleitmembran ausgebildeten Elektrolytmembran.In one embodiment, the fuel cells of the fuel cell arrangement are designed to be suitable for operation with hydrogen as the fuel, e.g. B. with an electrolyte membrane designed as a proton conducting membrane.
Alternativ kommt jedoch auch z. B. eine Ausbildung der Brennstoffzellenanordnung für einen Betrieb mit einem anderen Brennstoff wie z. B. einer organischen Verbindung (z. B. Methan oder Methanol) oder z. B. Erdgas in Betracht.Alternatively, however, also z. B. a design of the fuel cell assembly for operation with a different fuel such. B. an organic compound (z. B. methane or methanol) or z. B. natural gas into consideration.
In einer Ausführungsform ist die Brennstoffzellenanordnung für einen Betrieb mit Luft als Oxidationsmittel geeignet ausgebildet, insbesondere wobei eine aktiv (z. B. mittels eines Gebläses) durch die Kanalstrukturen der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatten geführte Luft (z. B. aus der Umgebung) auch als Kühlmittel zum Kühlen der einzelnen Brennstoffzellen und somit der Brennstoffzellenanordnung eingesetzt wird.In one embodiment, the fuel cell arrangement is designed to be suitable for operation with air as the oxidizing agent, in particular with air (e.g. from the environment) actively guided (e.g. by means of a fan) through the channel structures of the cathode-side bipolar half-plates also as Coolant is used to cool the individual fuel cells and thus the fuel cell arrangement.
In einer bevorzugten Verwendung der Brennstoffzellenanordnung ist ein Betrieb mit Druckaufladung des Brennstoffzellenstapels mit dem Oxidationsmittel vorgesehen, wobei in diesem Fall die Zufuhr des Oxidationsmittels unter einem gegenüber atmosphärischem Umgebungsdruck erhöhten Druck (Zufuhrdruck) auf einer Einlassseite für das Oxidationsmittel erfolgt. Dieser Einlassdruck kann z. B. größer als 1,2 bar, insbesondere größer als 1,5 bar, bemessen sein. Andererseits ist bei einer Druckaufladung ein Einlassdruck von weniger als 5 bar, insbesondere weniger als 4 bar, zumeist ausreichend.In a preferred use of the fuel cell arrangement, operation with pressure charging of the fuel cell stack with the oxidizing agent is provided, in which case the oxidizing agent is supplied under a pressure higher than atmospheric ambient pressure (supply pressure) on an inlet side for the oxidizing agent. This inlet pressure can e.g. B. greater than 1.2 bar, in particular greater than 1.5 bar, be dimensioned. On the other hand, in the case of pressure charging, an inlet pressure of less than 5 bar, in particular less than 4 bar, is usually sufficient.
In einer spezielleren Ausgestaltung erfolgt eine Abfuhr des Oxidationsmittels an einer Auslasseite, an welcher ein Unterdruck herrscht, der unterhalb atmosphärischem Umgebungsdruck liegt. Dieser Auslassdruck kann z. B. kleiner als 0,8 bar, insbesondere kleiner als 0,6 bar, bemessen sein. Andererseits ist zumeist ein Auslassdruck von mindestens 0,1 bar, insbesondere mindestens 0,2 bar, vorteilhaft.In a more specific embodiment, the oxidizing agent is discharged at an outlet side at which there is a negative pressure that is below the ambient atmospheric pressure. This outlet pressure can e.g. B. less than 0.8 bar, in particular less than 0.6 bar, be dimensioned. On the other hand, an outlet pressure of at least 0.1 bar, in particular at least 0.2 bar, is usually advantageous.
Die im Rahmen der Erfindung vorgesehenen Kanalstrukturen der einzelnen Brennstoffzellen können jeweils mehrere, z. B. mehr als 10, oder z. B. mehr als 50, parallel zueinander verlaufende Kanäle aufweisen.The channel structures of the individual fuel cells provided in the context of the invention can each have several, e.g. B. more than 10, or z. B. have more than 50, parallel channels.
Jede der Kanalstrukturen kann z. B. insbesondere jeweils geradlinig und parallel zueinander verlaufende Kanäle aufweisen, was z. B. insbesondere für die anodenseitigen Kanalstrukturen (an den anodenseitigen Bipolar-Halbplatten) eine bevorzugte Ausgestaltung darstellt. Insbesondere die Kanäle der anodenseitigen Bipolar-Halbplatten können z. B. allesamt in der ersten Querrichtung orientiert verlaufen.Each of the channel structures can e.g. B. in particular each have rectilinear and parallel channels, which z. B. in particular for the anode-side channel structures (on the anode-side bipolar half-plates) represents a preferred embodiment. In particular, the channels of the anode-side bipolar half-plates can, for. B. all run oriented in the first transverse direction.
In einer Ausführungsform verlaufen geradlinige Kanäle der anodenseitigen Bipolar-Halbplatten und der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatten allesamt in einer gemeinsamen (gleichen) Richtung orthogonal zur Stapelrichtung der Brennstoffzellenanordnung. In einer anderen Ausführungsform verlaufen solche geradlinigen Kanäle einerseits der anodenseitigen Bipolar-Halbplatten und andererseits der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatten in unterschiedlichen Richtungen orthogonal zur Stapelrichtung. Insbesondere können diese verschiedenen Richtungen der Kanäle orthogonal zueinander orientiert vorgesehen sein und somit z. B. in erster bzw. zweiter Querrichtung verlaufen.In one embodiment, straight channels of the anode-side bipolar half-plates and the cathode-side bipolar half-plates all run in a common (same) direction orthogonal to the stacking direction of the fuel cell arrangement. In another embodiment, such straight channels run on the one hand the anode-side bipolar half-plates and on the other hand the cathode-side bipolar half-plates in different directions orthogonal to the stacking direction. In particular, these different directions of the channels can be provided oriented orthogonally to one another and thus z. B. extend in the first or second transverse direction.
Alternativ zu geradlinig verlaufenden Kanälen können für die anodenseitigen Kanalstrukturen und/oder die kathodenseitigen Kanalstrukturen jedoch prinzipiell auch kompliziertere Verläufe der jeweiligen Kanäle vorgesehen sein, wie z. B. Verläufe beinhaltend Abwinkelungen und/oder Krümmungen, z. B. mäanderförmige Verläufe in der der von erster und zweiter Querrichtung aufgespannten „Brennstoffzellenebene“. Dies kann z. B. insbesondere für die kathodenseitigen Kanalstrukturen (an den kathodenseitigen Bipolar-Halbplatten) eine bevorzugte Ausgestaltung darstellen.As an alternative to rectilinear channels, more complicated courses of the respective channels can in principle also be provided for the anode-side channel structures and / or the cathode-side channel structures, such as, for. B. Gradients containing bends and / or curvatures, z. B. meandering courses in the "fuel cell plane" spanned by the first and second transverse directions. This can e.g. B. represent a preferred embodiment in particular for the cathode-side channel structures (on the cathode-side bipolar half-plates).
Die Kanäle der Kanalstrukturen können z. B. einen rechteckigen oder abgerundet-rechteckigen Querschnitt besitzen und können z. B. durch ein Einfräsen, ein Stanzen, ein Prägen oder ein Ätzen im Rahmen der Fertigung der Bipolar-Halbplatten bzw. Bipolarplatten ausgebildet worden sein.The channels of the channel structures can, for. B. have a rectangular or rounded-rectangular cross-section and can, for. B. have been formed by milling, punching, embossing or etching in the course of manufacturing the bipolar half-plates or bipolar plates.
In einer Ausführungsform sind die Bipolar-Halbplatten aus einem metallischen Material gebildet. Alternativ können die Bipolar-Halbplatten insbesondere z. B. aus einem Kohlenstoffmaterial oder z. B. aus einem elektrisch leitenden Kunststoffmaterial (z. B. entsprechend dotiert, z. B. mit Ruß) gebildet sein, oder aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material.In one embodiment, the bipolar half-plates are formed from a metallic material. Alternatively, the bipolar half-plates can in particular, for. B. of a carbon material or z. B. be formed from an electrically conductive plastic material (z. B. appropriately doped, z. B. With carbon black), or from another electrically conductive material.
Gemäß einer Ausführungsform werden die bei der Erfindung vorgesehenen Bipolar-Halbplatten jeweils separat voneinander vorgefertigt und bei der Herstellung der Brennstoffzellenanordnung durch ein Stapeln der einzelnen Komponenten entsprechend in den Stapel eingefügt.According to one embodiment, the bipolar half-plates provided in the invention are each prefabricated separately from one another and inserted into the stack during the production of the fuel cell arrangement by stacking the individual components.
Zumeist bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der die Bipolar-Halbplatten für das Innere des Brennstoffzellenstapels jeweils separat voneinander vorgefertigt, jedoch vor deren Einfügung in die Brennstoffzellenanordnung paarweise miteinander verbunden wurden, z. B. durch eine Verklebung oder Verschweißung, so dass bei der Herstellung des Brennstoffzellenstapels Bipolarplatten verwendet werden (die jeweils aus zwei Bipolar-Halbplatten zusammengesetzt sind). An den beiden in Stapelrichtung betrachteten Enden können auch bei dieser Ausführungsform jeweils einzelne Bipolar-Halbplatten angeordnet werden („Endplatten“).Mostly preferred, however, is an embodiment in which the bipolar half-plates for the interior of the fuel cell stack are each prefabricated separately from one another, but have been connected to one another in pairs before they are inserted into the fuel cell assembly, e.g. B. by gluing or welding, so that bipolar plates are used in the manufacture of the fuel cell stack (which are each composed of two bipolar half-plates). In this embodiment, too, individual bipolar half-plates (“end plates”) can be arranged at the two ends viewed in the stacking direction.
Im Inneren des Brennstoffzellenstapels kann bei den einzelnen Brennstoffzellen eine Außenseite (d.h. die der Kanalstruktur abgewandte Seite) der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte z. B. direkt an einer Außenseite (d.h. der Kanalstruktur abgewandt) der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte einer in Stapelrichtung benachbarten (angrenzenden) Brennstoffzelle anliegen, wobei dann dementsprechend die Außenseite der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte einer Brennstoffzelle direkt an der Außenseite der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte einer in Stapelrichtung benachbarten Brennstoffzelle anliegt (sei es mit oder ohne fester Verbindung wie z. B. Verklebung, Verschweißung etc.).In the interior of the fuel cell stack, in the case of the individual fuel cells, an outside (ie the side facing away from the channel structure) of the anode-side bipolar half-plate z. B. directly on an outside (ie facing away from the channel structure) of the cathode-side bipolar half-plate of an adjacent (adjoining) in the stacking direction The fuel cell, with the outside of the cathode-side bipolar half-plate of a fuel cell correspondingly in contact with the outside of the anode-side bipolar half-plate of an adjacent fuel cell in the stacking direction (be it with or without a fixed connection such as gluing, welding, etc.).
Im Rahmen der Erfindung soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass zwischen derart im Stapel benachbarten Bipolar-Halbplatten z. B. eine weitere Kanalstruktur zur Führung eines Kühlmediums (z. B. Kühlwasser) ausgebildet ist.In the context of the invention, however, it should not be ruled out that between such adjacent bipolar half-plates in the stack, for. B. another channel structure for guiding a cooling medium (z. B. cooling water) is formed.
In einer Ausführungsform sind die Gasdiffusionslagen aus einem Kohlenstoff-Vlies gebildet. Alternativ kommen, je nach vorgesehenem Brennstoff und Oxidationsmittel, auch andere Materialien in Betracht.In one embodiment, the gas diffusion layers are formed from a carbon fleece. Alternatively, depending on the intended fuel and oxidizing agent, other materials can also be considered.
In einer Ausführungsform sind die Anode und Kathode ausbildenden Elektrodenschichten der Membran-Elektroden-Einheit der Brennstoffzellen mit einem Katalysator wie insbesondere z. B. einem Material enthaltend Platin oder Palladium beschichtet. Die Elektrodenschichten können den Katalysator insbesondere auf ihrer der zugehörigen Gasdiffusionslage zugewandten Seite aufweisen.In one embodiment, the anode and cathode forming electrode layers of the membrane-electrode unit of the fuel cells with a catalyst such as in particular z. B. coated a material containing platinum or palladium. The electrode layers can have the catalyst in particular on their side facing the associated gas diffusion layer.
Wie bereits erwähnt, sind bei der Erfindung die Dichtungen in den betreffenden seitlichen Randbereichen der Brennstoffzellen an einer oder an beiden der in der zweiten Querrichtung betrachtet einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzellenanordnung vorgesehen, wobei die Dichtungen von in Stapelrichtung einander benachbarten Brennstoffzellen aneinander anliegen.As already mentioned, in the invention the seals are provided in the relevant lateral edge regions of the fuel cells on one or both of the opposite sides of the fuel cell arrangement viewed in the second transverse direction, the seals of adjacent fuel cells in the stacking direction bearing against one another.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Dichtungen aus einem elastischen Kunststoffmaterial gebildet. Bevorzugt handelt es sich bei dem Material der Dichtungen um ein dauerhaft elastisches Material, wobei insbesondere auch in diesem Fall in Betracht kommt, bei der Herstellung der Brennstoffzellenanordnung das Material zur Ausbildung der Dichtungen in einem flüssigen bis zähflüssigen Zustand zu applizieren und nachfolgend auszuhärten (in den bevorzugt dauerelastischen Zustand). In einer Ausführungsform sind die Dichtungen aus einem Polymermaterial gebildet.In one embodiment of the invention, the seals are formed from an elastic plastic material. The material of the seals is preferably a permanently elastic material, whereby in this case too, in particular, it is possible to apply the material for forming the seals in a liquid to viscous state during the production of the fuel cell arrangement and then to harden it (in the preferably permanently elastic state). In one embodiment, the seals are formed from a polymer material.
In einer Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung sind die Dichtungen an der wenigstens einen betreffenden Seite (der beiden in der zweiten Querrichtung einander entgegengesetzten Seiten) der Brennstoffzellenanordnung derart ausgebildet und angeordnet, dass damit an der betreffenden Seite eine Abdichtung erzielt wird, welche es im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung verhindert oder zumindest behindert, dass Oxidationsmittel (z. B. Luft), das an einer für das Oxidationsmittel vorgesehenen Einlassseite der Brennstoffzellenanordnung zu Öffnungen der Kanalstrukturen für das Oxidationsmittel hin strömt, parasitär teilweise auch seitlich an den gestapelten Brennstoffzellen vorbei und somit bis zu einer Auslassseite strömen kann.In one embodiment of the fuel cell arrangement, the seals on the at least one relevant side (the two opposite sides in the second transverse direction) of the fuel cell arrangement are designed and arranged in such a way that a seal is achieved on the relevant side which prevents it from operating the fuel cell arrangement or at least prevents the oxidizing agent (e.g. air), which flows on an inlet side of the fuel cell arrangement provided for the oxidizing agent to openings in the channel structures for the oxidizing agent, parasitically in part also laterally past the stacked fuel cells and thus to an outlet side can.
Die für das Oxidationsmittel vorgesehene Einlassseite der Brennstoffzellenanordnung kann von einem Raumbereich gebildet sein, der an einem in erster Querrichtung betrachteten Ende des Brennstoffzellenstapels unmittelbar an diesen angrenzt. In diesem Raumbereich kann z. B. ein Gebläse zur Zufuhr von Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel angeordnet sein. Darüber hinaus kann dieser Raumbereich auch durch eine kanalartige Struktur zur Führung des Oxidationsmittels begrenzt sein, wobei in diesem Fall ein das Oxidationsmittel zuführendes Gebläse auch an anderer Stelle innerhalb dieser kanalartigen Struktur angeordnet sein kann. Die kanalartige Struktur kann z. B. von einem zur Unterbringung des Brennstoffzellenstapels vorgesehenen Gehäuse ausgebildet sein oder z. B. an einer für das Oxidationsmittel vorgesehenen Einlassöffnung eines solchen Gehäuses angeschlossen sein.The inlet side of the fuel cell arrangement provided for the oxidizing agent can be formed by a spatial region which directly adjoins the fuel cell stack at an end of the fuel cell stack viewed in the first transverse direction. In this area z. B. a fan for supplying oxidizing agent can be arranged in the fuel cell stack. In addition, this spatial area can also be delimited by a channel-like structure for guiding the oxidizing agent, in which case a fan supplying the oxidizing agent can also be arranged elsewhere within this channel-like structure. The channel-like structure can, for. B. be formed by a provided for accommodating the fuel cell stack housing or z. B. be connected to an inlet opening of such a housing provided for the oxidizing agent.
Bevorzugt sind die Dichtungen an beiden in der zweiten Querrichtung einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzellenanordnung ausgebildet und angeordnet, so dass besonders vorteilhaft an beiden Seiten die erwähnte Abdichtung erzielt wird und somit an einer Einlassseite zu Öffnungen der Kanalstrukturen für das Oxidationsmittel hin strömendes Oxidationsmittel auf keiner der beiden Seiten des Brennstoffzellenstapels diesen parasitär bis hin zur Auslassseite umströmen kann.The seals are preferably formed and arranged on both sides of the fuel cell arrangement that are opposite to one another in the second transverse direction, so that the aforementioned seal is particularly advantageously achieved on both sides and thus, on an inlet side, oxidant flowing towards openings in the channel structures for the oxidant does not occur on either of the two Sides of the fuel cell stack can flow around this parasitically up to the outlet side.
Die Auslassseite für das Oxidationsmittel befindet sich in einem an einer Seite des Brennstoffzellenstapels angrenzenden Raumbereich, der in erster Querrichtung betrachtet dem Einlassbereich entgegengesetzt ist. Alternativ oder zusätzlich zu einem Gebläse an der Einlassseite kann ein Gebläse auch an der Auslassseite, also in dem auslassseitigen Raumbereich oder einer auslassseitigen kanalartigen Struktur vorgesehen sein, wobei diese Struktur wieder z. B. durch ein Gehäuse der Brennstoffzellenanordnung ausgebildet sein kann oder z. B. daran angeschlossen sein kann.The outlet side for the oxidizing agent is located in a space area adjoining one side of the fuel cell stack, which, viewed in the first transverse direction, is opposite to the inlet area. As an alternative or in addition to a fan on the inlet side, a fan can also be provided on the outlet side, that is to say in the outlet-side spatial area or an outlet-side channel-like structure, this structure again e.g. B. can be formed by a housing of the fuel cell assembly or z. B. can be connected to it.
In einer Ausführungsform weist die Brennstoffzellenanordnung ferner ein die gestapelten Brennstoffzellen wenigstens teilweise umgebendes Gehäuse auf, an dessen Innenseite die Dichtungen anliegen. Das Gehäuse kann z. B. eine Rahmenstruktur darstellen oder zumindest aufweisen, mittels welcher die gestapelte Anordnung der Brennstoffzellen mitsamt der Dichtungen fixiert wird.In one embodiment, the fuel cell arrangement furthermore has a housing which at least partially surrounds the stacked fuel cells and on the inside of which the seals rest. The housing can e.g. B. represent or at least have a frame structure by means of which the stacked arrangement of the fuel cells together with the seals is fixed.
Das Gehäuse kann aus elektrisch leitfähigem Material, insbesondere einem metallischen Material, gebildet sein, und ein elektrisch isolierendes Material der Dichtungen kann für eine elektrische Isolation zwischen den Brennstoffzellen und dem Gehäuse sorgen.The housing can be formed from an electrically conductive material, in particular a metallic material, and an electrically insulating material of the seals can provide electrical insulation between the fuel cells and the housing.
Das Gehäuse kann z. B. aus mehreren Gehäuseteilen zusammengesetzt sein, die bei der Herstellung (Montage) der Brennstoffzellenanordnung miteinander verbunden wurden.The housing can e.g. B. be composed of several housing parts that were connected to one another during the manufacture (assembly) of the fuel cell assembly.
Das Gehäuse kann die gestapelt angeordneten Brennstoffzellen zumindest an einer oder an beiden in der zweiten Querrichtung betrachtet einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzellenanordnung umgeben. An den betreffenden Seiten kann sich jeweils z. B. ein plattenförmiges Gehäuseteil erstrecken und z. B. vollflächig an den Dichtungen anliegen. Alternativ kann ein solches Gehäuseteil z. B. mit Durchbrechungen versehen sein und z. B. als eine „formgebende Struktur“ nur stellenweise an den Dichtungen anliegen, um diese zu fixieren und/oder durch eine Anlagekraft in einer bestimmten Form zu halten.The housing can surround the stacked fuel cells at least on one or on both sides of the fuel cell arrangement which are opposite to one another when viewed in the second transverse direction. On the respective pages, z. B. extend a plate-shaped housing part and z. B. full surface on the seals. Alternatively, such a housing part z. B. be provided with openings and z. B. as a "shape-giving structure" only in places on the seals in order to fix them and / or to keep them in a certain shape by a contact force.
An jeder der betreffenden Seiten sind die Dichtungen jeweils in einem Raumbereich angeordnet, der begrenzt wird von der betreffenden Brennstoffzelle und einer Innenseite des Gehäuses und den (in Stapelrichtung) benachbarten Dichtungen. On each of the sides in question, the seals are arranged in a space which is delimited by the fuel cell in question and an inside of the housing and the seals that are adjacent (in the stacking direction).
Besonders bevorzugt ist hierbei, wenn in einem Querschnitt jedes solchen Raumbereiches betrachtet „keine Dichtungslücken“ bestehen, d. h. das Material der Dichtungen diesen Querschnitt vollständig ausfüllt.It is particularly preferred here if, viewed in a cross section of each such spatial area, there are “no gaps in the seal”, ie. H. the material of the seals completely fills this cross-section.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Dichtungen aus elastischem Material gebildet und sind die Dichtungen an der betreffenden Seite (der in der zweiten Querrichtung betrachtet einander entgegengesetzten Seiten) der Brennstoffzellenanordnung jeweils in dem Raumbereich komprimiert, der begrenzt wird von der betreffenden Brennstoffzelle und der Innenseite des Gehäuses und den benachbarten Dichtungen. Damit lassen sich vorteilhaft die vorerwähnten Dichtungslücken vermeiden.In a preferred embodiment, the seals are made of elastic material and the seals on the relevant side (the opposite sides when viewed in the second transverse direction) of the fuel cell arrangement are compressed in the space that is delimited by the relevant fuel cell and the inside of the housing and the neighboring seals. In this way, the aforementioned gaps in the seal can advantageously be avoided.
Im fertigen Zustand der Brennstoffzellenanordnung, z. B. nach einer Verspannung der gestapelt angeordneten Brennstoffzellen zwischen zwei so genannten Endplatten und/oder Anordnung eines Gehäuserahmens bzw. Gehäuses, können die Dichtungen z. B. durch Kompressionskräfte belastet sein, die in der zweiten Querrichtung und/oder in der Stapelrichtung wirken.In the finished state of the fuel cell assembly, e.g. B. after tensioning the stacked fuel cells between two so-called end plates and / or arrangement of a housing frame or housing, the seals can, for. B. be loaded by compression forces that act in the second transverse direction and / or in the stacking direction.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Dichtungen derart formgestaltet, dass insbesondere auch ohne Einwirkung von (z. B. durch Verspannung des Brennstoffzellenstapels hervorgerufenen) Kompressionskräften die Anordnung der Dichtungen im Querschnitt betrachtet bereits im Wesentlichen „keine Dichtungslücken“ aufweist.In one embodiment of the invention, the seals are designed in such a way that, in particular even without the action of compression forces (e.g. caused by tensioning the fuel cell stack), the arrangement of the seals already has essentially “no seal gaps” when viewed in cross section.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Dichtungen derart formgestaltet, dass die Dichtungen von in Stapelrichtung einander benachbarten Brennstoffzellen unter Ausbildung einer Formschlussverbindung aneinander anliegen. Insbesondere können die Dichtungen hierbei z. B. mit in Stapelrichtung orientierten Vorsprüngen und korrespondierenden Vertiefungen versehen sein, so dass die Vorsprünge in die korrespondierenden Vertiefungen eingreifen („Nut-Feder-Verbindung“).In one embodiment of the invention, the seals are designed in such a way that the seals of fuel cells which are adjacent to one another in the stacking direction bear against one another, forming a form-fit connection. In particular, the seals can here, for. B. be provided with projections oriented in the stacking direction and corresponding depressions, so that the projections engage in the corresponding depressions (“tongue and groove connection”).
In einer Ausführungsform der Erfindung ragen die Dichtungen jeweils in der zweiten Querrichtung über die seitlichen Ränder der Bipolar-Halbplatten um einen Betrag heraus, der mindestens das 0,25-fache, insbesondere mindestens das 0,5-fache, einer in Stapelrichtung gemessenen Dicke der Brennstoffzellen beträgt, und/oder maximal das 10-fache, insbesondere maximal das 5-fache, der in Stapelrichtung gemessenen Dicke der Brennstoffzellen beträgt.In one embodiment of the invention, the seals protrude in the second transverse direction over the lateral edges of the bipolar half-plates by an amount that is at least 0.25 times, in particular at least 0.5 times, a thickness measured in the stacking direction Fuel cells is, and / or a maximum of 10 times, in particular a maximum of 5 times, the thickness of the fuel cells measured in the stacking direction.
Gemäß eines weiteren Aspekts betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung, welches aufweist: Bilden einer Brennstoffzellenanordnung durch stapelndes Anordnen von Brennstoffzellen in einer Stapelrichtung, wobei die Brennstoffzellen jeweils plattenförmig ausgebildet sind, sich orthogonal zur Stapelrichtung betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung erstrecken, und die Brennstoffzellen jeweils in der Stapelrichtung gestapelt aufweisen: eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer Kanalstruktur zur Führung eines Brennstoffes; eine anodenseitige Gasdiffusionslage; eine Membran-Elektroden-Einheit, aufweisend eine Elektrolytmembran und in Stapelrichtung beiderseits davon angeordnete Elektrodenschichten, die eine Anode und eine Kathode für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel ausbilden; eine kathodenseitige Gasdiffusionslage; und eine kathodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer Kanalstruktur zur Führung des Oxidationsmittels, die an zwei in der ersten Querrichtung betrachtet einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzelle offen ist, um eine Strömung des Oxidationsmittels in der ersten Querrichtung durch die Brennstoffzellenanordnung hindurch zu ermöglichen.According to a further aspect, the invention relates to a method for producing a fuel cell arrangement, which comprises: Forming a fuel cell arrangement by stacking fuel cells in a stacking direction, the fuel cells each being plate-shaped, viewed orthogonally to the stacking direction, each in a first transverse direction and one to it extend in the orthogonal second transverse direction, and the fuel cells each have stacked in the stacking direction: an anode-side bipolar half-plate with a channel structure for guiding a fuel; an anode-side gas diffusion layer; a membrane-electrode unit, comprising an electrolyte membrane and electrode layers arranged on both sides thereof in the stacking direction, which form an anode and a cathode for an electrochemical reaction of the fuel with an oxidizing agent; a cathode-side gas diffusion layer; and a cathode-side bipolar half-plate with a channel structure for guiding the oxidizing agent, which is open on two opposite sides of the fuel cell, viewed in the first transverse direction, in order to enable a flow of the oxidizing agent in the first transverse direction through the fuel cell arrangement.
Gemäß der Erfindung ist bei diesem Herstellungsverfahren vorgesehen, dass jede der Brennstoffzellen an wenigstens einer von zwei in der zweiten Querrichtung betrachtet einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzellenanordnung in ihrem entsprechenden seitlichen Randbereich ferner eine Dichtung aufweist, die in diesem seitlichen Randbereich an der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte, der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte und der Membran-Elektroden-Einheit anliegt, um von der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte zur Membran-Elektroden-Einheit hin und von der Membran-Elektroden-Einheit zur kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte hin abzudichten, und dass die Dichtungen jeweils in der zweiten Querrichtung über seitliche Ränder der Bipolar-Halbplatten herausragen und diese seitlichen Ränder derart umgreifen, dass bei dem stapelnden Anordnen der Brennstoffzellen die Dichtungen von in Stapelrichtung einander benachbarten Brennstoffzellen aneinander zur Anlage kommen.According to the invention, it is provided in this production method that each of the fuel cells is located on at least one of two opposite sides of the fuel cell arrangement as viewed in the second transverse direction its corresponding lateral edge area furthermore has a seal which, in this lateral edge area, rests against the anode-side bipolar half-plate, the cathode-side bipolar half-plate and the membrane-electrode unit in order to move from the anode-side bipolar half-plate to the membrane-electrode unit from the membrane-electrode unit to the cathode-side bipolar half-plate, and that the seals protrude in the second transverse direction over the lateral edges of the bipolar half-plates and encompass these lateral edges in such a way that when the fuel cells are stacked, the seals from in Stack direction adjacent fuel cells come to rest against each other.
In einer Ausführungsform sind die Dichtungen jeweils einstückig ausgebildet. Alternativ kommt in Betracht, die Dichtungen jeweils aus mehreren Dichtungsteilen zusammengesetzt auszubilden. Jede Dichtung oder jedes Dichtungsteil kann z. B. während des stapelnden Anordnens der Brennstoffzellen als ein „Einlegeteil“ im entsprechenden seitlichen Randbereich „mitgestapelt“ werden. Alternativ kommt in Betracht, jede Dichtung (oder z. B. sämtliche zur Ausbildung einer Dichtung vorgesehenen Dichtungsteile) im Rahmen einer Vorfertigung der weiteren Brennstoffzellenkomponenten auszubilden und hierbei mit der oder den betreffenden Brennstoffzellenkomponenten direkt zu verbinden, insbesondere z. B. daran anzuformen, bevor diese Brennstoffzellenkomponenten zur Bildung des Brennstoffzellenstapels gestapelt werden.In one embodiment, the seals are each formed in one piece. Alternatively, it is possible to form the seals composed of several sealing parts. Each seal or each sealing part can e.g. B. during the stacking arrangement of the fuel cells as an "insert" in the corresponding lateral edge area are "stacked". Alternatively, each seal (or, for example, all of the sealing parts provided for forming a seal) can be designed as part of a prefabrication of the further fuel cell components and connected directly to the fuel cell component (s) concerned, in particular e.g. B. to form before these fuel cell components are stacked to form the fuel cell stack.
Beispielsweise kann die Dichtung einstückig vorgesehen sein und an dem oder den betreffenden seitlichen Rändern der Membran-Elektroden-Einheit angeformt werden. Eine andere Möglichkeit wäre z. B. eine zweiteilige Ausbildung der Dichtung, wobei die zwei Dichtungsteile jeweils an einer Bipolar-Halbplatte angeformt werden (welche nach dem Stapeln die anodenseitige bzw. kathodenseitige Bipolar-Halbplatte darstellen).For example, the seal can be provided in one piece and molded onto the relevant lateral edge or edges of the membrane-electrode unit. Another possibility would be e.g. B. a two-part design of the seal, the two sealing parts are each formed on a bipolar half-plate (which represent the anode-side and cathode-side bipolar half-plate after stacking).
In einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens weist dieses ferner ein Einbringen des durch das stapelnde Anordnen der Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffzellenstapels in ein Gehäuse auf, derart, dass dadurch die Dichtungen an der Innenseite des Gehäuses zur Anlage kommen.In one embodiment of the production method, this also includes the introduction of the fuel cell stack formed by the stacking arrangement of the fuel cells into a housing in such a way that the seals come to rest against the inside of the housing.
In einer Ausführungsform werden die Dichtungen durch die Unterbringung bzw. das Einbringen der Brennstoffzellen bzw. des aus den Brennstoffzellen gebildeten Stapels in das Gehäuse komprimiert, und zwar bevorzugt derart, dass durch diese Kompression eine abdichtende Wirkung der aneinander anliegenden Dichtungen weiter verbessert wird, insbesondere z. B. die vorerwähnten „Dichtungslücken“ geschlossen werden.In one embodiment, the seals are compressed by accommodating or introducing the fuel cells or the stack formed from the fuel cells into the housing, preferably in such a way that a sealing effect of the seals resting against one another is further improved by this compression, in particular z . B. the aforementioned "sealing gaps" are closed.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen jeweils schematisch dar:
-
1 eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle gemäß eines Ausführungsbeispiels, -
2 eine Schnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung aus gestapelt angeordneten Brennstoffzellen des in1 gezeigten Beispiels, -
3 eine Schnittansicht einer in einem Gehäuse untergebrachten Brennstoffzellenanordnung des in2 gezeigten Beispiels, und -
4 eine Schnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels.
-
1 a sectional view of a fuel cell according to an embodiment, -
2 a sectional view of a fuel cell arrangement of stacked fuel cells of the FIG1 example shown, -
3 a sectional view of a housing accommodated in a housing fuel cell arrangement of FIG2 example shown, and -
4th a sectional view of a fuel cell arrangement according to a further embodiment.
Die Brennstoffzelle
Die Richtung orthogonal zu der von den Querrichtungen x, y aufgespannten Plattenebene wird als Stapelrichtung z bezeichnet.The direction orthogonal to the plate plane spanned by the transverse directions x, y is referred to as the stacking direction z.
Eine weiter unten (mit Bezug auf die
Es handelt sich dabei zunächst um eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte
An der Innenseite der Bipolar-Halbplatte
Die Membran-Elektroden-Einheit
Im Betrieb der Brennstoffzelle
Das Oxidationsmittel (Luft) wird über eine an die Elektrodenschicht
In der Stapelrichtung z an diese elektrisch leitfähige, für das Oxidationsmittel durchlässige Gasdiffusionslage
Eine erste Besonderheit der Brennstoffzelle
Nach Stapelung mehrerer derartiger Brennstoffzellen
Demgegenüber sind die Brennstoff-führenden Kanalstrukturen
Eine zweite Besonderheit der Brennstoffzelle
Zur Unterscheidbarkeit der Brennstoffzellen
Bei dem Beispiel der Brennstoffzelle
In diesem seitlichen Randbereich ragt die Elektrolytmembran
Die einstückige Dichtung
Aus
Dieser „Höhenunterschied“ zwischen einerseits den äußeren Endflächen der Bipolar-Halbplatten
Auf der in
In dem Beispiel gemäß der
Voll zum Tragen kommen diese Vorteile nach Integration des in
Bei der das Gehäuse
Hierdurch kann eine vorteilhafte Trennung (Abdichtung) von Räumen einerseits auf der Zuführungsseite (Einlassseite) und andererseits auf der Abführungsseite (Auslassseite) des Brennstoffzellenstapels erzielt werden. Mit einer derartigen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung
Falls das elektrisch leitfähige Gehäuse
In einer Ausführungsform ist das Gehäuse
Aus
Eine erste Modifikation besteht darin, dass die Dichtungen
Eine zweite Modifikation besteht darin, dass die Dichtungen
Im Beispiel besitzt jede der Dichtungen
Abweichend von dem in
Um die gestapelte Anordnung der Brennstoffzellen
Die Endplatte
Auch die in
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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- EP 3316377 A1 [0004]EP 3316377 A1 [0004]
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Legal Events
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Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: VITESCO TECHNOLOGIES GMBH, 30165 HANNOVER, DE Owner name: VITESCO TECHNOLOGIES GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: VITESCO TECHNOLOGIES GMBH, 30165 HANNOVER, DE |
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| R016 | Response to examination communication | ||
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| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: VITESCO TECHNOLOGIES GMBH, 93055 REGENSBURG, DE |