DE102014221351A1

DE102014221351A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102014221351A1
Application number: DE102014221351.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Zillich; Friedhelm Walkling
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2016-04-21
Also published as: WO2016062550A1; US20170317361A1; CN107078317B; US10790520B2; CN107078317A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (10) mit einem Stapel umfassend eine Bipolarplatte (20) die ein Flussfeld (22) aufweist, welches durch eine Profilierung der Bipolarplatte (20) ausgebildet ist, sowie ein sich längserstreckendes Dichtungselement (21), welches das Flussfeld (22) zumindest teilweise umschließt, und eine Membran-Elektroden-Einheit (30). Es ist vorgesehen, dass innerhalb eines Hohlraums (25), der zwischen der Membran-Elektroden-Einheit (30) und der Bipolarplatte (20) in einem Bereich zwischen Dichtungselement (21) und Flussfeld (22) ausgebildet ist, ein Füllkörper (24) angeordnet ist, der sich in Erstreckungsrichtung des Hohlraums (25) erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle aus einem Stapel von zumindest einer Bipolarplatte und eine durch einen Rahmen stabilisierte Membran-Elektroden-Einheit. Dabei weist die Bipolarplatte ein Flussfeld auf, welches durch eine Profilierung der Bipolarplatte ausgebildet ist Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer ionenleitenden, insbesondere protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionsschichten (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H* unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den, über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die Brennstoffzelle wird durch eine Vielzahl, im Stapel angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass auch von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten sind Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanden und einer Kühlflüssigkeit, sicherstellen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Bipolarplatten sind zumeist aus einem Paar profilierter Platten aufgebaut, die jeweils eine Kühlmittelseite und eine Zellseite aufweisen und die beiden Platten derart einander gegenüber angeordnet und verbunden sind, dass sich zwischen den einander zugewandten Kühlmittelseiten Kanäle zum Transport von Kühlmittel ausbilden. Die Platten besitzen in ihrem aktiven Bereich eine Gruppierung aus Nuten oder Kanälen, die auf ihren Zellseiten offene Fluss- oder Strömungsfelder zur Verteilung der Reaktanden über die Oberflächen der jeweiligen Anoden und Kathoden bilden. Zwischen den Platten innerhalb der Bipolarplatte sind Kühlmittelkanäle geformt und verteilen Kühlmittel über den Brennstoffzellenstapel zur Kühlung desselben.
Um den Anoden beziehungsweise den Kathodenraum physikalisch von der Umgebung der Brennstoffzelle zu isolieren, weisen die Zellstapel in einem Randbereich der Bipolarplatten Dichtungselemente auf. Diese dienen der Versiegelung und der elektrischen Isolierung und sind typischerweise in Form eines den aktiven und inaktiven Bereich umlaufenden Rahmens auf der Bipolarplatte angeordnet.
Bei bekannten Brennstoffzellenstapeln sind das Dichtungselement und das Flussfeld voneinander beabstandet, um Herstellertoleranzen der Membran-Elektroden-Einheit aufzunehmen, eine Schweißnaht anzubringen und eine Überlappung der Diffusionsschicht und der Membran mit dem Dichtungselement zu vermeiden. Einer Überlappung von Diffussionsschicht und Dichtungselement kann zu einer unerwünschten Leckage von gasförmigen Betriebsmedien führen. Das Dichtungselement und das davon beabstandete Flussfeld bilden daher einen Spalt, welcher im Stapel zur Ausbildung eines Hohlraums führt. Dieser verursacht, dass eine Menge der Reaktandengase den aktiven Bereich der Bipolarplatten umgeht, was auch als Reaktandenbypassströmung bezeichnet wird. Die Reaktandenbypassströmung ist unwirtschaftlich, da das Reaktandengas nicht an das aktive Gebiet des Brennstoffzellenstapels geführt wird und somit der elektrochemischen Reaktion nicht zur Verfügung steht. Zudem führt die Reaktandenbypassströmung zu einem Druckverlust im aktiven Bereich, dem mit einer erhöhten Zufuhr des jeweiligen Reaktandengases begegnet werden muss. Die Reaktandenbypassströmung kann ferner infolge von Reaktandenmangel einen unerwünschten Einfluss auf die Haltbarkeit, Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels haben.
Zur Lösung dieses Problems ist in DE 10 2009 017 906 A1 vorgeschlagen, eine Barriereschicht an dem Dichtungselement anzuordnen, die sie sich nach Innen zum aktiven Bereich der Bipolarplatte hin erstreckt und somit die Reaktandenbypassströmung reduziert.
Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass ein Spalt vorgesehen werden muss, um zu gewährleisten, dass die Membran-Elektroden-Einheit von der unflexiblen Bipolarplatte bei einer Kompression der Zelle nicht zerstört wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine alternative Lösung der Probleme des Standes der Technik bereitzustellen und insbesondere die Reaktandenbypassströmung weiter zu reduzieren beziehungsweise zu unterbinden.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Somit betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle mit einem Stapel umfassend eine Bipolarplatte, die ein Flussfeld aufweist, welches durch eine Profilierung der Bipolarplatte ausgebildet ist, sowie ein sich längs erstreckendes Dichtungselement, welches das Flussfeld zumindest teilweise umschließt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass innerhalb eines Hohlraums, der zwischen Dichtungselement und Flussfeld ausgebildet ist, ein Füllkörper angeordnet ist, der sich in Erstreckungsrichtung des Hohlraums erstreckt.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle liegt darin, dass das freie Volumen innerhalb des Hohlraums reduziert wird. Somit wird ebenfalls das Volumen der Reaktandenbypassströmung reduziert. Dies führt dazu, dass der Reaktandenverbrauch deutlich reduziert wird und einem Verlust an Reaktandengas infolge von Reaktandenbypassströmungen nicht durch Druckerhöhung oder einen erhöhten Massentransport an Reaktandengas entgegengewirkt werden muss. Zudem bleibt im Vergleich zu herkömmlichen Methoden zur Reduzierung der Reaktandenbypassströmungen die Membran-Elektroden-Einheit weitestgehend unbeschädigt. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle ermöglicht es, die Reaktandenbypassströmung unabhängig von einzuhaltenden Fertigungstoleranzen der Membran-Elektroden-Einheit zu reduzieren.
Vorliegend wird unter Hohlraum ein Spalt oder Hohlraum verstanden, welcher sich zwischen Bipolarplatte und einer im Stapel angrenzenden Schicht, also der Membran-Elektroden-Einheit und/oder einer Gasdiffusionsschicht derselben, im Bereich zwischen Dichtungselement und Flussfeld der Bipolarplatte ausbildet. Der Hohlraum ergibt sich im Allgemeinen aus der Profilstruktur der Bipolarplatte und wird einerseits durch die Höhe der Profilstruktur im Bereich des Flussfeldes und andererseits durch die Höhe des Dichtelements definiert. Der Hohlraum erstreckt sich parallel entlang des Flussfeldes. Somit ergeben sich auf jeder Seite einer Bipolarplatte, also auf der Anoden- und auf der Kathodenseite, jeweils zwei Hohlräume, die zwischen dem Dichtungselement und dem Flussfeld verlaufen. Mit Vorteil sind beide Hohlräume insbesondere beider Bipolarplattenseiten mit dem Füllkörper versehen.
Bei dem Dichtungselement handelt es sich um eine am äußeren Rand der Bipolarplatte verlaufende Dichtungseinheit, welche beispielsweise als Sickendichtung und/oder Polymerdichtung ausgeführt ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich der Füllkörper entlang einer Länge des Flussfelds erstreckt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass die Reaktandenbypassströmung bei der Anordnung über die Länge des Flussfelds großflächig und somit effektiv verdrängt wird. Dabei nimmt der Füllkörper bevorzugt mehr als die Hälfte, insbesondere mehr als zwei Drittel, vorzugsweise mehr als Dreiviertel des Volumens des Hohlraums ein. Der Füllkörper kann dabei einen runden, eine ellipsoiden, einen rechteckigen, quadratischen oder einen vieleckigen Querschnitt aufweisen.
Insbesondere ist bevorzugt, dass eine Höhe h_F des Füllkörpers in nicht komprimierter Form, also vor Zusammenbau des Stapels, größer ist als eine Höhe h_P der Profilierung des Flussfeldes. Diese Ausgestaltung führt vorteilhafter Weise dazu, dass es zwischen Füllkörper und der zur Bipolarplatte benachbarten Schicht, also der Membran-Elektroden-Einheit und/oder der Gasdiffusionsschicht, zu einem Kontakt kommt, dieser Bereich somit gasdicht verschlossen ist, und die Reaktandenbypassströmung unterbunden wird. Darüber hinaus kommt es zu einer Verpressung der Gasdiffusionsschicht und der Membran-Elektroden-Einheit und somit bei gasdichtem Kontakt zu einer Stabilisierung derselben.
Ferner ist bevorzugt, wenn der Füllkörper ein Polymer, insbesondere ein Elastomer oder ein thermoplastisches Elastomer (TPE) ist. Diese Materialien, insbesondere Elastomere oder TPE zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich durch äußeren Druck leicht und reversibel verformen lassen. Somit können sich diese besonders gut an die äußere Form des Hohlraums anpassen, sind dabei leicht in der Handhabung und in Bezug auf Reaktanden gasdicht. Mit besonderem Vorteil werden derartige elastomere Materialien verwendet, welche sich bereits bei einem Druck verformen, bei welchem die Membran-Elektroden-Einheit nicht beschädigt wird. Somit wird erreicht, dass auch ein Bereich zwischen Membran-Elektroden-Einheit und Bipolarplatte beziehungsweise zwischen dem Rahmen der Membran-Elektroden-Einheit und der Bipolarplatte gasdicht durch den Füllkörper abgedichtet wird, und kein Abstand eingehalten werden muss um die Membran-Elektroden-Einheit nicht zu beschädigen.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Füllkörper mit der Bipolarplatte verbunden. Mit Vorteil ist dieser dabei auf der Bipolarplatte fixiert. Diese Ausgestaltung bietet insbesondere einen Produktionsvorteil. Der Füllkörper wird dabei bevorzugt an der Bipolarplatte angeordnet, bevor die Anordnung der Membran-Elektroden-Einheit an der Bipolarplatte erfolgt. Somit kann die Anordnung des Füllkörpers an der Bipolarplatte unabhängig von den einzuhaltenden Toleranzen der Membran-Elektroden-Einheit erfolgen, ohne dass letztere beschädigt wird. Der Füllkörper wird in dieser Ausgestaltung entweder als ausgehärtetes Material auf die Bipolarplatte aufgeklebt oder aber mittels Dispenser in nicht ausgehärteter Form auf die Bipolarplatte aufgebracht.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Füllkörper (bezogen auf eine Lage) mehrteilig ausgeführt ist. Dies führt vorteilhafter Weise zu einer Materialersparnis bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Flexibilität insbesondere in Bezug auf die Form der Bipolarplatte und der an sie angrenzenden Schichten. Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Anordnung des Füllkörpers im Hohlraum mit weiteren Maßnahmen zur Reduzierung der Reaktandenbypassströmung kombiniert werden. Wird der Füllkörper mehrteilig ausgeführt, ist bevorzugt, wenn zumindest ein Teil des Füllkörpers jeweils an die Grenzen des Flussfeldes, also an den beiden Enden des sich längs erstreckenden Hohlraums, angeordnet ist.
Ferner ist bevorzugt, dass das Dichtungselement eine Sickendichtung ist, also eine Dichtung, die sich ebenfalls wie das Flussfeld aus der Profilierung der Bipolarplatte ergibt. Der Vorteil besteht insbesondere darin, dass die Dichtung, also die Sicke, während der Profilierung der Bipolarplatte ausbildbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Dichtungselement eine Polymerdichtung sein, welche nachträglich auf die Bipolarplatte aufgetragen wird. Mit Vorteil ist der Herstellungsschritt der Auftragung einer Polymerdichtung mit dem Auftragen des Füllkörpers kombinierbar.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Füllkörper mit der Membran-Elektroden-Einheit verbunden ist. Durch den direkten Kontakt zwischen Füllkörper und Membran-Elektroden-Einheit wird erreicht, dass der Abstand zwischen Membran-Elektroden-Einheit und Bipolarplatte vollständig durch den Füllkörper ausgefüllt wird und somit in diesem Bereich eine Reaktandenbypassströmung vollständig unterbunden wird.
Alternativ zu der Anordnung des Füllkörpers an der Bipolarplatte wird der Füllkörper hierzu auf das Subgasket (den Rahmen) der Membran-Elektroden-Einheit aufgeklebt.
Sowohl bei Anordnung des Füllkörpers auf der Bipolarplatte als auch auf der Membran-Elektroden-Einheit ist es von Vorteil, wenn der Füllkörper mit der Gasdiffusionsschicht der Membran-Elektroden-Einheit überlappt. Somit kommt es vorteilhafter Weise zu einem Abstützen der Membran-Elektroden-Einheit, insbesondere der Gasdiffusionsschicht, durch den Füllkörper.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches mehrere der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen umfasst und beispielsweise zur elektrischen Versorgung eines Elektromotors für ein Kraftfahrzeug Verwendung findet.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels,
2 eine schematische Darstellung der Aufsicht auf eine Bipolarplatte,
3 eine schematische Querschnittdarstellung eines Brennstoffzellenstapels,
4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels in perspektivischer Darstellung in einer ersten bevorzugten Ausgestaltung,
5 eine schematische Querschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in einer zweiten bevorzugten Ausgestaltung, und
6 eine schematische Querschnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Brennstoffzellenstapel 11. Der Brennstoffzellenstapel 11 umfasst zwei Endplatten 12. Zwischen den Endplatten 12 ist eine Vielzahl übereinander gestapelter Stapelelemente angeordnet, welche Bipolarplatten 20 und Membran-Elektroden-Einheiten 30 umfassen. Die Bipolarplatten 20 sind mit den Membran-Elektroden-Einheiten 30 abwechselnd gestapelt. Die Membran-Elektroden-Einheiten 30 umfassen jeweils eine Membran und beidseitig der Membran anschließende Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode (nicht dargestellt). An der Membran anliegend, können die Membran-Elektroden-Einheiten 30 zudem Gasdiffusionslagen 33 aufweisen. Zwischen den Endplatten 12 der Brennstoffzellenstapel 11 mittels Zugelementen 16, zum Beispiel Zugstangen oder Spannblechen, verpresst.
In 1 sind von den Bipolarplatten 20 und den Membran-Elektroden-Einheiten 30 lediglich die Schmalseiten sichtbar. Die Hauptseiten der Bipolarplatten 20 und der Membran-Elektroden-Einheiten 30 liegen aneinander an. Die Darstellung in 1 ist teilweise nicht dimensionsgetreu. Typischerweise beträgt eine Dicke einer Einzelzelle, bestehend aus einer Bipolarplatte 20 und einer Membran-Elektroden-Einheit 30, wenige mm, wobei die Membran-Elektroden-Einheit 30 die weitaus dünnere Komponente ist. Zudem ist die Anzahl der Einzelzellen üblicherweise wesentlich größer als dargestellt.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Aufsicht auf eine Bipolarplatte 20. Die Bipolarplatte 20 kann in drei Teilbereiche, nämlich zwei Verteilerbereiche 26 und einen aktiven Bereich 27 unterteilt werden. Dabei sind die Verteilerbereiche 26 jeweils, benachbart zum aktiven Bereich 27, endständig an der Bipolarplatte 20 angeordnet. Die Verteilerbereiche 26 umfassen die Versorgungskanäle für Kühlmittel und die Reaktandengase. Der aktive Bereich 27 weist ein Flussfeld 22 auf, welches sich aus einer Profilstruktur der Bipolarplatte 20 ergibt. Innerhalb des Flussfeldes 22 bilden sich durch die Profilstruktur Kanäle aus, in denen die Reaktandengase von einem Verteilerbereich 26 über den aktiven Bereich 27 zum anderen Verteilerbereich 26 geführt werden. Das Flussfeld ist durch ein Dichtungselement 21 seitlich begrenzt, also zumindest an zwei Seiten, nämlich an den Längsseiten des Flussfeldes 22 von dem Dichtungselement 21 benachbart. Zwischen Dichtungselement 21 und Flussfeld 22 ergibt sich entlang der Längsseite des Flussfeldes 22 ein Hohlraum 25. Der Hohlraum 25 stellt ebenso wie die Kanäle innerhalb der Profilstruktur des Flussfeldes 22 eine strömungstechnische Verbindung der beiden Verteilerbereiche 26 dar.
Wird die in 2 gezeigte Bipolarplatte 20 zu einem Brennstoffzellenstapel an eine Membran-Elektroden-Einheit angeordnet, so geschieht dies derart, dass die katalytischen Elektroden an den aktiven Bereich benachbart angeordnet sind, sodass die Brennstoffzellenreaktion nur im Bereich des Flussfeldes 22 stattfindet. Das heißt, lediglich die Reaktandengase, die innerhalb des Flussfeldes 22 von einem Verteilerbereich 26 zum anderen Verteilerbereich 26 geführt werden, stehen der Brennstoffzellenreaktion zur Verfügung. Der Anteil des Reaktandengases, welcher nicht über das Flussfeld 22 geführt wird, sondern über den Hohlraum 25 das Flussfeld 22 umläuft, steht der Brennstoffzellenreaktion als Reaktandenbypassströmung nicht zur Verfügung.
In 3 ist eine Querschnittzeichnung eines Brennstoffzellenstapels 11 dargestellt. Gezeigt ist ein Stapel aus Bipolarplatten 20, welche alternierend mit Membran-Elektroden-Einheiten 30 angeordnet sind. Die Membran-Elektroden-Einheiten 30 umfassen eine Membran 31, welche beispielsweise in Form einer Polymerelektrolyt-Membran ausgebildet ist sowie einen Rahmen 32, welcher die Membran 31 stabilisiert. Der Rahmen 32 ist beispielsweise in Form von Stützfolien ausgebildet, welche beidseitig der Membran 31 laminiert sind und einen aktiven Bereich 27, der an das Flussfeld 22 angrenzt, freilässt. Im aktiven Bereich 27 ist die Membran 31 von zwei katalytischen Schichten (nicht dargestellt) eingeschlossen, die auf die Membran 31 laminiert sein können. Die Membran-Elektroden-Einheit 30 umfasst ferner zwei an der Membran 31 benachbart angeordnete Gasdiffussionsschichten 33, welche in gezeigter Ausgestaltung mit dem Rahmen 32 überlappen.
Das in 3 gezeigte Dichtungselement 21 ist beispielhaft als Sickendichtung der Bipolarplatte 20 ausgeführt. Alternativ oder zusätzlich kann das Dichtungselement 21 auch als Polymerdichtung ausgebildet sein, welche beispielsweise auf die Bipolarplatte 20 oder aber auf eine Sicke der Bipolarplatte 20 aufgebracht ist. 3 zeigt, dass das Dichtungselement 21 im Wesentlichen parallel zum Flussfeld 22 verläuft.
Das Flussfeld 22 ergibt sich aus einer Profilstruktur der Bipolarplatte 20. Insbesondere ergeben sich innerhalb der Profilstruktur Kanäle 35, welche die Reaktandengase, insbesondere Sauerstoff und Wasserstoff über den aktiven Bereich der Bipolarplatte transportieren. Zur Ausbildung von Kühlmittelkanälen 34 sind zwei Platten 29 derart zu einer Bipolarplatte 20 aneinandergefügt, dass sich zwischen den Platten 29 im Bereich der Reaktandengaskanäle 35 und 36 geschlossene Kühlmittelkanäle 34 ausbilden. Zum Abdichten der Kühlmittelkanäle sind die direkt aneinander angeordneten Platten 20 einer Bipolarplatte 20 am Rande des Flussfeldes 22 durch eine Schweißnaht 28, welche parallel zum Flussfeld verläuft, abgedichtet.
Werden derartige Bipolarplatten 20 alternierend mit der Membran-Elektroden-Einheiten 30 zu einem Brennstoffzellenstapel 11 angeordnet, so ergibt sich aufgrund der Profilstruktur der Bipolarplatte 20 zwischen Dichtungselement 21 und Flussfeld 22 der Hohlraum 25.
In 4 ist dargestellt, wie innerhalb der Hohlräume 25 jeweils ein Füllkörper 24 angeordnet ist. In der dargestellten Ausführungsform liegt der Füllkörper 24 als Streifen mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt vor, welcher über die gesamte Länge des Flussfeldes 22 einstückig ausgebildet ist. Alternativ kann der Füllkörper 24 auch mehrteilig ausgebildet sein, wobei zumindest im Randbereich des Flussfeldes 22, also in den zu den Verteilerbereichen benachbarten Bereichen des Hohlraums, Teile des Füllkörpers 24 angeordnet sind.
Bei dem Füllkörper 24 handelt es sich um ein polymeres Material. Besonders gut geeignet sind Elastomere und thermoplastische Elastomere, da sich infolge von äußerem Druck verformen. Besonders gut geeignete Materialien sind beispielsweise Silikone und/oder Fluorkautschuke. Erfindungsgemäß weist zumindest ein Hohlraum 25 je Brennstoffzelle einen derartigen Füllkörper 24 auf. Vorteilhaft ist allerdings, wenn sowohl beidseitig des Flussfeldes 22 als auch beidseitig einer Bipolarplatte 20 die Hohlräume 25 jeweils einen Füllkörper 24 aufweisen. Dabei können die Füllkörper 24 an den beiden Zellseiten, also kathodenseitig und anodenseitig, gleich ausgeführt sein, oder aber in ihrer Ausgestaltung insbesondere in ihrem Material variieren.
Der Füllkörper 24 kann entweder auf die Bipolarplatte 20 oder aber auf die Membran-Elektroden-Einheit 30 angeordnet und verbunden sein.
5 zeigt die Anordnung des Füllkörpers 24 auf der Bipolarplatte 20. Es wird deutlich, dass in dieser Ausgestaltung die Breite des Hohlraumes, also von Dichtungselement 21 bis zu Beginn des Flussfeldes 22, im Wesentlichen vollständig durch den Füllkörper 24 ausgefüllt wird. Somit wird der resultierende Hohlraum 25, welcher sich aus der Sickenform ergibt, minimiert. In dieser Ausgestaltung ist es günstig, den Füllkörper 24 entweder als ausgehärtetes Elastomer, beispielsweise von einer Weichgummirolle, selbstklebend auf der Bipolarplatte zu fixieren, oder aber mithilfe eines Dispensers ein nicht ausgehärtetes Elastomer auf der Bipolarplatte 20 innerhalb des Hohlraums 25 anzuspritzen und auszuhärten.
In 5 ist dargestellt, dass die Höhe h_F des Füllkörpers 24 in der gezeigten Ausgestaltung die Profilstruktur des Flussfeldes 22 etwas überragt, jedoch nicht die Höhe der Gasdiffusionsschicht 33 ausgleicht. Somit werden im Überlappungsbereich mit der Gasdiffusionsschicht 33 der Füllkörper 24 sowie die Gasdiffusionsschicht 33 beim Zusammensetzen des Stapels zusammengedrückt) komprimiert, wodurch eine gute Dichtwirkung erzielt wird.
Ein zwischen Füllkörper 24 und Rahmen 32 entstehender Spalt kann dadurch eliminiert werden, dass die Höhe h_F des Füllkörpers 24 weiter erhöht wird, sodass der Füllkörper 24 auch mit dem Rahmen 32 der Membran-Elektroden-Einheit 30 in Kontakt steht. Dies bringt neben der Unterbindung der Reaktandenströmung auch den Vorteil, dass die Gasdiffusionsschicht durch den Füllkörper 24 geklemmt und somit stabilisiert wird.
In 6 ist eine alternative Ausgestaltung der Erfindung gezeigt, bei der der Füllkörper 24 auf dem Rahmen 32 der Membran-Elektroden-Einheit sowie überlappend mit der Gasdiffusionsschicht 33 angeordnet ist. Dies kann beispielsweise durch Aufkleben eines geeigneten Polymers oder aber durch Aufspritzen oder Aufbringen des Polymers mittels eines Dispensers erfolgen. In der in 6 gezeigten Darstellung ist gezeigt, dass die Höhe h_F des Füllkörpers die Höhe h_P der Profilstruktur überragt und die Hohe des Hohlraums 25 ausfüllt. Aufgrund der Fertigungstoleranzen der Membran-Elektroden-Einheit 30 ist in der 6 gezeigten Ausgestaltung nicht die gesamte Breite des Hohlraums (zwischen Sicke und Flussfeld) mit Füllkörper 24 gefüllt. Im Vergleich zu 5 ist in 6 die Höhe des Hohlraums 25 optimal gefüllt, während in 5 die Reaktandenbypassströmung durch den Hohlraum 25 in Hinblick auf die Breite des Hohlraums 25 deutlich reduziert ist.
Die in den 4 bis 6 gezeigten Ausgestaltungen der Erfindung haben die Funktion, eine Reaktandenbypassströmung durch den Hohlraum 25 zu reduzieren, indem ein volumenfüllender Füllkörper 24 innerhalb des Hohlraums 25 angeordnet wird, das für Reaktandengase zur Verfügung stehende Volumen des Hohlraums 25 verringert und eine Strömung der Reaktandengase über die Kanäle des Flussfeldes 22 begünstigt.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzelle
11: Brennstoffzellenstapel
20: Bipolarplatte
21: Dichtungselement
22: Flussfeld
23: Profilstruktur
24: Füllkörper
25: Hohlraum
26: Verteilerbereich
27: aktiver Bereich
28: Schweißnaht
29: Platte
30: Membran-Elektroden-Einheit
31: Membran
32: Rahmen
33: Gasdiffusionsschicht
34: Kühlmittelkanal
35: erste Reaktandengaskanäle
36: zweite Reaktandengaskanäle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009017906 A1 [0006]

Claims

Brennstoffzelle (10) mit einem Stapel umfassend – eine Bipolarplatte (20) die ein Flussfeld (22) aufweist, welches durch eine Profilierung der Bipolarplatte (20) ausgebildet ist, sowie ein sich längserstreckendes Dichtungselement (21), welches das Flussfeld (22) zumindest teilweise umschließt, und – eine Membran-Elektroden-Einheit (30), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Hohlraums (25), der zwischen der Membran-Elektroden-Einheit (30) und der Bipolarplatte (20) in einem Bereich zwischen Dichtungselement (21) und Flussfeld (22) ausgebildet ist, ein Füllkörper (24) angeordnet ist, der sich in Erstreckungsrichtung des Hohlraums (25) erstreckt.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper (24) sich über eine Länge des Flussfelds (22) erstreckt.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhe h_F des Füllkörpers (24) in nicht komprimierter Form größer ist als eine Höhe h_P der Profilierung des Flussfeldes (22).
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper (24) ein Polymer, insbesondere ein Elastomer oder ein thermoplastisches Elastomer, ist.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper (24) mit der Bipolarplatte (20) verbunden ist.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper (24) auf der Bipolarplatte (20) aufgeklebt ist.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper (24) mehrteilig ausgeführt ist.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (21) der Bipolarplatte (20) eine Sickendichtung ist.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper (24) mit der Membran-Elektroden-Einheit (30) verbunden ist.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Einheit (30) einen stabilisierenden Rahmen (32) aufweist und der Füllkörper (24) mit diesem verbunden ist.