DE10107789A1 - Brennstoffzelle - Google Patents

Abstract

Bei einer Brennstoffzelle oder einem aus mehreren elektrochemischen Zellen gebildeten Brennstoffzellenstack sind an den Rahmenelementen (3) der Membran-Elektroden-Einheit (1), den Stromabnahmeplatten und Bipolarplatten (2) sowie den Endplatten bei der Montage an- oder ineinander geführte Führungs- und Fixierungsmittel (8, 9) mit abgeschrägten Seitenflächen zum schnellen und positionsgenauen Zusammenfügen der Brennstoffzellenteile vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft einer Brennstoffzelle oder ein aus mehreren hintereinandergeschalteten elektrochemischen Zellen gebildetes Brennstoffzeilenstack, bestehend aus mindestens einer im nicht aktiven seitlichen Randbereich in einem Rahmenelement gehaltenen Membran-Elektroden- Einheit und beidseitig zu dieser angeordneten Stromabneh­ merplatten bzw. Bipolarplatten zur Weiterleitung des er­ zeugten Stroms sowie Endplatter.

Eine elektrochemische Zelle oder Brennstoffzelle umfaßt üblicherweise eine ionenleitende Membran, die auf der ei­ nen Seite mit einer Kathode und auf der anderen Seite mit einer Anode beschichtet ist und in dieser Form als Mem­ bran-Elektroden-Einheit bezeichnet wird. Auf den Elektro­ den, bzw. in diese integriert, sind Mittel zur Verteilung der flüssigen oder gasförmigen Reaktionsmedien vorgese­ hen. Diese Membran-Elektroden-Einheit ist gemäß der DE 199 26 026 A1 derart in einem Rahmenelement gehalten, daß sich der nicht aktive Randbereich der Membran-Elektroden- Einheit zwischen zwei das Rahmenelement bildenden und durch eine Schmelzkleberschicht verbundenen, im wesentli­ chen steifen Platten befindet. Die Platten ragen allsei­ tig über den Rand der Membran-Elektroden-Einheit hinaus. Damit wird ein Versteifungsabschnitt geschaffen, der eine innige, homogene Verbindung mit der Membran-Elektroden- Einheit bewirkt und deren Handhabung bei der Montage von Brennstoffzellenstacks vereinfacht. Dennoch bereitet das Zusammenfügen des aus einer Mehrzahl im Wechsel angeord­ neter Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten so­ wie Stromabnehmerplatten und Endplatten bestehenden Brennstoffzellenstacks insofern Schwierigkeiten, als die Membranen und Platten genau (deckungsgleich) übereinander liegen müssen und die Öffnungen zur Ausbildung der Zufüh­ rungs- und Abführungskanäle für die beiden Reaktanden und der Durchführungen für die Spannelemente zum gasdichten Zusammenhalten des Brennstoffzellenstacks exakt in einer Flucht liegen müssen. Selbst wenn die Membran-Elektroden- Einheiten und Stromübergabe- bzw. Stromabnahmeplatten ge­ ringfügig zueinander versetzt montiert werden oder sich nachträglich zueinander verschieben, kann die Abdichtung der Kathoden- und Anodenräume der einzelnen Zellen mit den diese durchströmenden Reaktanden und damit auch die Funktion der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellen­ stacks beeinträchtigt werden. Abgesehen davon ist die Montage aufgrund der Notwendigkeit einer exakten Ausrich­ tung der Bestandteile des Brennstoffzellenstacks mit ei­ nem erheblichen Zeit- und Kostenaufwand verbunden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Mon­ tagebedingungen bei der Herstellung von Brennstoffzellen bzw. Brennstoffzellenstacks der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, daß die Membran-Elektroden-Einheiten und die Stromübergabe- und -abnahmeplatten sowie die Endplat­ ten genau deckungsgleich zueinander montiert werden und auch in dieser Lage verbleiben und der Montageaufwand verringert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Brennstoffzel­ le bzw. einem durch eine Mehrzahl elektrochemischer Zel­ len gebildeten Brennstoffzellenstack gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht mit anderen Worten darin, daß an den einzelnen Bauteilen der Brenn­ stoffzelle, nämlich den Rahmenelementen der Membran- Elektroden-Einheit, den Bipolarplatten, Stromabnehmer­ platten und Endplatten, während des Zusammenfügens und in montiertem Zustand miteinander korrespondierende, zu­ nächst eine Führungsfunktion und danach eine Haltefunkti­ on ausübende Mittel in Form von Ausnehmungen an dem einen Teil und von in diese eingreifenden Erhöhungen an dem an­ deren Teil oder auch von den Außenrand des benachbarten Teils übergreifenden Erhöhungen ausgebildet sind. Die plattenförmigen Bauteile nehmen somit bei der Montage so­ fort ihre richtige und nicht mehr selbsttätig veränderba­ re Position in dem Brennstoffzellenstapel ein. Dadurch wird die lagerichtige Montage wesentlich vereinfacht und die ordnungsgemäße Abdichtung und Funktion der Brenn­ stoffzelle gewährleistet.

Aus den Unteransprüchen ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Ein wichtiges Erfindungsmerkmal besteht beispielsweise darin, daß die an benachbarten Bauteilen einander zuge­ ordneten Führungs- und Fixierungsmittel schräg verlaufen­ de Seitenflächen haben, so daß die Teile bei der Montage zunächst mit großen Spiel zueinandergeführt und letztlich positionsgenau aneinandergefügt sind. Vorzugsweise können die schrägen Seitenflächen auch in Montagerichtung in gleichem Sinne gekrümmt ausgeführt sein, um das Zusammen­ fügen weiter zu erleichtern und einen festen sitz zu ge­ währleisten. Auf dieser Grundlage ist insbesondere auch eine automatische Montage der Brennstoffzellenteile mög­ lich.

Anhand der beigefügten Zeichnung werden Ausführungsbei­ spiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht eines Brennstoffzellenstacks im Schnitt, und zwar in auseinandergezogener Dar­ stellung einer Membran-Elektroden-Einheit mit an beiden Seiten angeordneter Bipolarplatte;

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Membran-Elektroden- Einheit nach Fig. 1 in einer ersten Ausführungs­ variante;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Membran-Elektroden- Einheit nach Fig. 1 in einer zweiten Ausfüh­ rungsform; und

Fig. 4 eine Teilansicht eines Brennstoffzellenstacks wie in Fig. 1, jedoch in einer dritten Ausfüh­ rungsvariante der Membran-Elektroden-Einheit und der Bipolarplatten.

In den Fig. 1 und 4 ist der Einfachheit halber ledig­ lich ein Teil eines Brennstoffzellenstacks wiedergegeben, das heißt, eine in einem Rahmenelement 3 gehaltene Mem­ bran-Elektroden-Einheit 1 mit beidseitig im Abstand von dieser dargestellten Bipolarplatten 2. Tatsächlich be­ steht das Brennstoffzellenstack aus mehreren im Wechsel und mit Hilfe von Dichtungen (nicht dargestellt) gasdicht aneinandergefügten Membran-Elektroden-Einheiten und Bipo­ larplatten, wobei sich an die äußeren Membran-Elektroden- Einheiten jeweils eine Stromabnehmerplatte (Anoden- bzw. Kathodenplatte) und eine Endplatte (jeweils nicht darge­ stellt) anschließen. Im Randbereich der Endplatten, Stromabnehmerplatten und Bipolarplatten sowie des Rah­ menelements 3 der Membran-Elektroden-Einheit 1 befinden sich Durchbrüche zur Ausbildung eines Zuführungs- und ei­ nes Abführungskanals 4 und 4a für den Anodenreaktand so­ wie eines Zuführungs- und Abführungskanals 5 und 5a für den Kathodenreaktand. Von den Zuführungskanälen 4 und 5 strömt der Anoden- bzw. Kathodenreaktand über Fluidver­ teilerkanäle 6 bzw. 6a in den Bipolarplatten 2 (und Stromabnehmerplatten) über die Anodenseite bzw. die Ka­ thodenseite der beidseitig mit einem Gasverteiler 7 belegten Membran-Elektroden-Einheit 1. Die Membran-Elektro­ den-Einheit 1 ist in ihrem äußeren, nicht aktiven Randbe­ reich in dem Rahmenelement 3 gehalten, das aus zwei über eine Schmelzkleberschicht (nicht dargestellt) zusammenge­ fügten, im wesentlichen steifen Platten besteht. In diese durch das Bezugszeichen 8 angedeutete Schmelzkleber­ schicht ist auch der nicht aktive Randbereich der Mem­ bran-Elektroden-Einheit 1 eingebettet.

Gemäß den Fig. 1 bis 4 sind an dem Rahmenelement 3 und den Bipolarplatten 2 an beiden Seiten männliche und weib­ liche Führungs- und Fixierungselemente in Form von Aus­ nehmungen 8 und diesen in dem Brennstoffzellenstack ge­ genüberliegenden Erhöhungen 9 vorgesehen. Diese Führungs- und Fixierungsmittel 8 und 9 sind jeweils im Abstand von der Außenkante oder unmittelbar an der Außenkante (Fig. 4) angeordnet. Sie können punktförmig (Fig. 2) oder lang­ gestreckt (Fig. 3) sein. Sie sind so bemessen, daß sie in dem zusammengefügten, gasdichten Brennstoffzellenstack im wesentlichen ohne Spiel ineinander oder aneinander lie­ gen. Nach der Montage ist eine gegenseitige seitliche Verschiebung nicht möglich. Die Zuführungs- und Abfüh­ rungskanäle für die Reaktanden sind in einer Flucht ange­ ordnet und die Dichtungen (nicht dargestellt) sind exakt um die Öffnungen zur Ausbildung der Zu- und Abführungska­ näle angeordnet. Selbstverständlich können die Ausnehmun­ gen 8 auch in den Rahmenelementen 3 und die Erhöhungen 9 in den Bipolarplatten 2 vorgesehen sein, oder die Bipo­ larplatte 2 und das Rahmenelement 3 können auf einer Sei­ te eine Ausnehmung (Vertiefung) und auf der anderen Seite eine Erhöhung aufweisen. Außerdem sind die Führungs- und Fixierungsmittel 8 und 9 auch in den Stromabnehmerplatten und an der Innenseite der Endplatten (jeweils nicht dar­ gestellt) ausgebildet.

Aus der Zeichnung ist weiterhin ersichtlich, daß die Aus­ nehmungen 8 und die Erhöhungen 9 mit schrägen Seitenflä­ chen, das heißt, zum Inneren der Ausnehmung 8 hin und zur Spitze der Erhöhung 9 hin sich konisch verjüngend, ausge­ bildet sind, so daß benachbarte Führungs- und Fixierungs­ elemente 8, 9 zunächst mit anfänglich großem Spiel inein­ andergeführt werden und nach dem Verspannen des Brenn­ stoffzellenstacks über die Endplatten dennoch eine dec­ kungsgleiche und lagesichere Anordnung aller Platten ge­ währleistet ist. Die Anordnung der verjüngt ausgebildeten Ausnehmungen und Erhöhungen 8 bzw. 9 verbessert insbeson­ dere die Montagebedingungen, da die mit einem Rahmenele­ ment ausgerüsteten Membran-Elektroden-Einheiten, die Bi­ polarplatten, die Stromabnehmerplatten und die Endplatten selbsttätig in die richtige Position zueinandergeführt und in dieser fixiert werden.

Bezugszeichenliste

1

Membran-Elektroden-Einheit

2

Bipolarplatte

3

Rahmenelement von

1

4

Zuführungskanal f. Anodenreaktand

4

a Abführungskanal f. Anodenreaktand

5

Zuführungskanal f. Kathodenreaktand

5

a Abführungskanal f. Kathodenreaktand

6

,

6

a Fluidverteilerkanäle

7

Gasverteiler

8

Ausnehmung (Vertiefung)

9

Erhöhung

Claims (11)

1. Brennstoffzelle oder aus mehreren hintereinanderge­ schalteten elektrochemischen Zellen gebildetes Brenn­ stoffzellenstack, bestehend aus mindestens einer im nicht aktiven seitlichen Randbereich in einem Rah­ menelement gehaltenen Membran-Elektroden-Einheit und beidseitig zu dieser angeordneten Stromabnehmerplat­ ten bzw. Bipolarplatten zur Weiterleitung des erzeug­ ten Stroms sowie Endplatter, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig an bzw. in den Rahmenelementen (3) und den Stromabnehmer- und Bipolarplatten (2) sowie ein­ seitig an den Endplatten einander zugeordnete, in montiertem Zustand an- oder ineinandergreifende Füh­ rungs- und Fixierungsmittel zum lagerichtigen Zufüh­ ren, Aneinanderfügen und gegenseitigen Fixieren die­ ser Bauteile während der Montage ausgebildet sind.

2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Führungs- und Fixierungsmittel als Aus­ nehmungen (8) und Erhöhungen (9) ausgeführt sind.

3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, das die Ausnehmungen (8) und Erhöhungen (9) im Abstand vom Außenrand des jeweiligen Brennstoffzel­ lenteils vorgesehen sind und in montiertem Zustand im wesentlichen ohne Spiel ineinandergreifen.

4. Brennstoffzelle nach Anspruch 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausnehmungen (8) zum Grund hin und die Erhöhungen (9) zur Spitze hin konisch ver­ jüngt ausgebildet sind und während der Montage mit großem Spiel ineinandergreifen.

5. Brennstoffzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß in Montagerichtung die Seitenflächen der Ausnehmungen konvex und die Seitenflächen der Erhö­ hungen entsprechend konkav gewölbt sind.

6. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (8) und die Erhöhungen (9) punktförmig gestaltet sind.

7. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (8) und die Erhöhungen (9) langgestreckt ausgebildet sind.

8. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausnehmungen (8) und die Erhöhungen (9) am Außenrand des jeweiligen Brennstoffzellenteils ausgebildet sind.

9. Brennstoffzelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die einander zugewandten Seitenflächen der Ausnehmungen (8) des einen Bauteils und der Erhöhun­ gen (9) des anderen Bauteils in gleicher Richtung ab­ geschrägt sind.

10. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß am Außenrand des einen Brennstoffzellenteils angeformte Erhöhungen den Außenrand des jeweils be­ nachbarten Bauteils übergreifen.

11. Brennstoffzelle nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die einander zugewandten Seitenflächen der Erhöhungen des einen Bauteils und des Außenrandes des anderen Bauteils in gleicher Richtung abgeschrägt sind.