DE102015223040A1 - Fuel cell and fuel cell system with such - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (10), umfassend – eine Membran-Elektroden-Anordnung (14) und eine Bipolarplatte (15), die aufeinander angeordnet sind, – ein elastisches Dichtungselement (17), das zwischen der Bipolarplatte (15) und der Membran-Elektroden-Anordnung (14) angeordnet ist, und – eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung, die ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement (18) umfasst, welches die Bipolarplatte (15) kontaktierend zwischen der Bipolarplatte (15) und dem Dichtungselement (17) angeordnet ist und zumindest durch elastische Verformung des elastischen Dichtungselements (17) fixiert ist.The invention relates to a fuel cell (10), comprising - a membrane electrode assembly (14) and a bipolar plate (15), which are arranged on one another, - an elastic sealing element (17) between the bipolar plate (15) and the membrane -Electrode arrangement (14) is arranged, and - a single-cell voltage measuring device comprising an electrically conductive contact element (18), the bipolar plate (15) arranged in contact between the bipolar plate (15) and the sealing element (17) and at least is fixed by elastic deformation of the elastic sealing element (17).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel), ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Brennstoffzelle sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem. The invention relates to a fuel cell (or a fuel cell stack), a fuel cell system with such a fuel cell and a vehicle having such a fuel cell system.

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-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung 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. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen. Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged catalytic electrode (anode and cathode). The latter mostly comprise supported noble metals, in particular platinum. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up. As a rule, bipolar plates (also called flow field plates or separator plates) are arranged between the individual membrane electrode assemblies, which ensure that the individual cells are supplied with the operating media, ie the reactants, and are usually also used for cooling. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.

Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu Protonen H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 → 2H+ + 2e). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O2 + 2e → O2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2– + 2H+ → H2O). During operation of the fuel cell, the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode via an anode-side open flow field of the bipolar plate, where an electrochemical oxidation of H 2 to protons H + takes place with release of electrons (H 2 → 2H + + 2e - ). Via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of the protons from the anode compartment into the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied via a cathode-side open flow field of the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example air) as a cathode operating medium, so that a reduction of O 2 to O 2- with absorption of the electrons takes place (½O 2 + 2e - → O 2-) , At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water (O 2- + 2H + → H 2 O).

Aufgrund der elektrischen Reihenschaltung der Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels fließt durch jede Einzelzelle der gleiche Strom (IStapel = IZelle) und sollte idealerweise über jede Einzelzelle die gleiche Einzelzellspannung vorliegen, wobei sich die Gesamtspannung des Stapels aus der Summe der Einzelzellenspannungen sämtlicher Zellen ergibt (UStapel = N·UZelle). Dementsprechend kann die Einzelzellenspannung in einem ersten Ansatz aus der gemessenen Gesamtspannung des Stapels dividiert durch die Anzahl N der Zellen ermittelt werden. In der Praxis existieren jedoch teilweise gravierende Abweichungen der Einzelzellspannungen untereinander. Dies resultiert beispielsweise aus reversiblen oder irreversiblen Degenerationserscheinungen einzelner Zellen, ungleichmäßiger Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, unterschiedliche Temperaturen der Einzelzellen usw. Aus verschiedenen Gründen ist die genaue Kenntnis der Einzelzellspannungen jedoch wünschenswert, beispielsweise um zu vermeiden, dass diese einen kritischen Höchstwert überschreiten. Due to the electrical series connection of the individual cells of a fuel cell stack, the same current flows through each individual cell (I stack = I cell ) and ideally should be the same single cell voltage across each individual cell, the total voltage of the stack resulting from the sum of the single cell voltages of all cells (U stack = N × U cell ). Accordingly, the single-cell voltage can be determined in a first approach from the measured total voltage of the stack divided by the number N of cells. In practice, however, there are sometimes serious deviations of the individual cell voltages among one another. This results, for example, from reversible or irreversible degeneration phenomena of individual cells, uneven supply of the individual cells with the operating media, different temperatures of the individual cells, etc. However, for various reasons, the exact knowledge of the single cell voltages is desirable, for example, to avoid that these exceed a critical maximum.

Aus diesem Grund sind Brennstoffzellenstapel bekannt, deren Einzelzellen oder Pakete von Einzelzellen mit einer Einzelzellspannungsüberwachung ausgestattet sind (CVM für cell voltage monitor). Beispielsweise sind ringförmige Einzelzellspannungs-Messeinrichtungen bekannt, die um den gesamten Außenumfang der Bipolarplatte gespannt werden, um deren Spannung abzugreifen. Dieses System hat den Vorteil, für eine große Anzahl unterschiedlicher Plattengestaltungen eingesetzt werden zu können. Nachteilig ist jedoch, dass die Montage der Messeinrichtung aufwendig ist. For this reason, fuel cell stacks are known whose single cells or packets of single cells are equipped with a single cell voltage monitor (CVM for cell voltage monitor). For example, annular single-cell voltage measuring devices are known, which are stretched around the entire outer periphery of the bipolar plate in order to tap their voltage. This system has the advantage of being able to be used for a large number of different plate designs. The disadvantage, however, is that the assembly of the measuring device is expensive.

JP 2004288426 A offenbart einen Brennstoffzellenstapel mit einer Einzelzellspannungsüberwachung, die einen Messstecker umfasst, welcher in einer Aussparung zwischen zwei Karbon-Separatoren des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Der Messstecker umfasst zwei elektrische Flachkabel, die beidseits eines isolierenden elastischen Körpers angeordnet sind. Der elastische Körper wird beim Einführen des Messsteckers komprimiert, um ein Herausfallen des Steckers zu verhindern. Der elastische Körper kann konkave Abschnitte aufweisen, in welchen konvexe Abschnitte der Separatoren eingreifen. JP 2004288426 A discloses a fuel cell stack having a single cell voltage monitor that includes a sensing plug disposed in a recess between two carbon separators of the fuel cell stack. The measuring plug comprises two flat electrical cables, which are arranged on both sides of an insulating elastic body. The elastic body is compressed during insertion of the measuring plug to prevent falling out of the plug. The elastic body may have concave portions in which convex portions of the separators engage.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle vorzuschlagen, die eine Einzelzellspannungsüberwachung zumindest ausgewählter Zellen erlaubt, welche einfach aufgebaut ist und sich leicht montieren lässt. The invention is based on the object to propose a fuel cell that allows a single cell voltage monitoring at least selected cells, which is simple and easy to assemble.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle (beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel), ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Brennstoffzelle sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. This object is achieved by a fuel cell (or a fuel cell stack), a fuel cell system with such a fuel cell and a vehicle having such a fuel cell system with the features of the independent claims.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle, umfasst:

  • – eine Membran-Elektroden-Anordnung und eine Bipolarplatte, die aufeinander angeordnet sind,
  • – ein elastisches Dichtungselement, das zwischen der Bipolarplatte und der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet ist, und
  • – eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung, die ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement umfasst, welches die Bipolarplatte kontaktierend zwischen der Bipolarplatte und dem Dichtungselement angeordnet ist und zumindest durch elastische Verformung des elastischen Dichtungselements fixiert ist.
The fuel cell according to the invention, comprising:
  • A membrane-electrode assembly and a bipolar plate arranged on top of each other,
  • An elastic sealing element disposed between the bipolar plate and the membrane-electrode assembly, and
  • - An individual cell voltage measuring device comprising an electrically conductive contact element, which is arranged in contact between the bipolar plate and the sealing element between the bipolar plate and is fixed at least by elastic deformation of the elastic sealing element.

Durch die Anordnung des Kontaktelements zwischen Bipolarplatte und dem Dichtungselement wird erreicht, dass durch elastische Verformung des Dichtungselements eine reibschlüssige Fixierung des Kontaktelements hergestellt wird. Vorteilhaft ist ferner, dass die fixierende Kompressionskraft in der Stapelrichtung wirkt und Beschädigungen der Bauteile der Brennstoffzelle infolge anderer Krafteinwirkungen vermieden werden. Es ist zu bemerken, dass die Verspannung von Brennstoffzellenstapeln grundsätzlich auch ohne Einzelzellspannungs-Messeinrichtung erfolgt, sodass die gewünschte elastische Verformung des Dichtungselements ohnehin üblicherweise vorliegt. Dieser Aufbau erfordert daher in der einfachsten Ausführung der Erfindung keinerlei konstruktive Anpassungen des Stapels oder seiner Komponenten, der Bipolarplatte oder der Membran-Elektroden-Anordnung. Schließlich zeichnet sich die erfindungsgemäße Brennstoffzelle durch eine hohe Robustheit gegen Erschütterungen sowie durch einfache Montage aus. The arrangement of the contact element between the bipolar plate and the sealing element ensures that a frictional fixing of the contact element is produced by elastic deformation of the sealing element. It is also advantageous that the fixing compressive force acts in the stacking direction and damage to the components of the fuel cell due to other forces are avoided. It should be noted that the tensioning of fuel cell stacks basically also takes place without a single cell voltage measuring device, so that the desired elastic deformation of the sealing element is usually present anyway. Therefore, in the simplest embodiment of the invention, this construction does not require any structural adaptations of the stack or its components, the bipolar plate or the membrane-electrode arrangement. Finally, the fuel cell according to the invention is characterized by a high level of robustness against shocks and by simple assembly.

Unter dem Begriff „Brennstoffzelle“ wird im Rahmen dieser Erfidnung sowohl eine einzelne Brennstoffzelle als auch ein Stapel mehrerer Einzelzellen verstanden, das heißt eine alternierende Anordnung von Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen. Ferner wird unter dem Begriff „Bipolarplatte“ (auch Flussfeld- oder Separatorplatte genannt) eine elektrisch leitfähige Platte verstanden, welche ausgebildet ist, zumindest eines der Betriebsmedien den katalytischen Elektroden zuzuführen. Bipolarplatten in diesem Sinne umfassen auch Monopolarplatten, welche üblicherweise an den beiden Enden eines Brennstoffzellestapels anageordnet sind. In the context of this invention, the term "fuel cell" is understood to mean both an individual fuel cell and a stack of several individual cells, that is to say an alternating arrangement of bipolar plates and membrane-electrode arrangements. Furthermore, the term "bipolar plate" (also called a flow field or separator plate) is understood to mean an electrically conductive plate which is designed to supply at least one of the operating media to the catalytic electrodes. Bipolar plates in this sense also include monopolar plates, which are usually anageordnet at the two ends of a fuel cell stack.

Das Dichtungselement dient der fluiddichten Abdichtung der Brennstoffzelle, insbesondere der Elektrodenräume, nach außen, sodass die Anoden- und Kathodenbetriebsmedien nicht nach außen entweichen können. The sealing element serves for the fluid-tight sealing of the fuel cell, in particular the electrode chambers, to the outside, so that the anode and cathode operating media can not escape to the outside.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elastische Dichtungselement eine Flachdichtung umfasst, welche zumindest einen Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung flächig umlaufend kontaktiert beziehungsweise auf diesem flächig aufliegt. Flachdichtungen haben den Vorteil, dass die auf das Kontaktelement einwirkende Presskraft sehr gleichmäßig über die Fläche verteilt wird und somit einerseits eine gute Fixierung des Kontaktelements und andererseits ein sicherer elektrischer Kontakt zwischen dem Kontaktelement und der Bipolarplatte erzielt wird. Alternativ kann das Dichtungselement eine Wulstdichtung umfassen, welche zumindest einen Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung umlaufend kontaktiert. Es können auch mehrere Flach- und/oder Wulstdichtungen vorhanden sein, welche ausgebildet sind, einzelne Versorgungsöffnungen, die in inaktiven Bereichen der Membran-Elektroden-Anordnung vorgesehen sind, umlaufend abzudichten. In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the elastic sealing element comprises a flat gasket which contacts at least one edge region of the membrane-electrode assembly in a circumferential manner or rests flatly on it. Flat gaskets have the advantage that the force acting on the contact element pressing force is distributed very evenly over the surface and thus on the one hand a good fixation of the contact element and on the other hand a secure electrical contact between the contact element and the bipolar plate is achieved. Alternatively, the sealing element may comprise a bead seal, which circumferentially contacts at least one edge region of the membrane-electrode assembly. There may also be a plurality of flat and / or bead seals, which are designed to circumferentially seal individual supply openings, which are provided in inactive areas of the membrane electrode assembly.

Gemäß einer speziellen Ausführung umfasst das elastische Dichtungselement eine Netzstruktur, die ausgebildet ist, zumindest einen Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung zu überdecken. Alternativ kann das Netzdichtungselement aufgrund seiner Stoffdurchlässigkeit die Membran-Elektroden-Anordnung vollflächig überdecken. Dabei hält die Netzstruktur die einzelnen Flach- und/oder Wulstdichtungen des Dichtungselements zusammen. Ein eine Netzstruktur umfassendes Dichtungselement hat den Vorteil, als eine eigene Lage, die sämtliche Dichtungen umfasst, sehr einfach auf die Membran-Elektroden-Anordnung oder Bipolarplatte aufgelegt werden zu können, sodass sich die Montage des Brennstoffzellenstapels vereinfacht. According to a special embodiment, the elastic sealing element comprises a mesh structure which is designed to cover at least one edge region of the membrane-electrode arrangement. Alternatively, the mesh sealing element can cover the entire surface area of the membrane-electrode arrangement due to its material permeability. The net structure holds the individual flat and / or bead seals of the sealing element together. A sealing element comprising a network structure has the advantage that it can be easily placed on the membrane electrode arrangement or bipolar plate as a separate layer comprising all seals, so that the assembly of the fuel cell stack is simplified.

Das Dichtungselement kann stoffschlüssig mit der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden sein oder als separate Lage ausgebildet sein, die zwischen jeweils einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer Bipolarplatte gestapelt angeordnet ist. The sealing element may be materially connected to the membrane electrode assembly or be formed as a separate layer, which is arranged stacked between each of a membrane-electrode assembly and a bipolar plate.

Obwohl durch die elastische Verformung des Dichtungselements bereits ein hoher Anpressdruck und eine sehr gute Fixierung des Kontaktelements erzielt wird, können weitere Maßnahmen vorgesehen sein, diese noch weiter zu verbessern. Although a high contact pressure and a very good fixation of the contact element is already achieved by the elastic deformation of the sealing element, further measures can be provided to further improve it.

In vorteilhafter Ausführung der Erfindung weist die Bipolarplatte eine Vertiefung auf, in der das Kontaktelement einliegt. Vorzugsweise entspricht die Kontur der Vertiefung im Wesentlichen der Kontur des Kontaktelements. Durch die Vertiefung wird das Kontaktelement noch besser fixiert und ein Verrutschen innerhalb der Plattenebene vermieden. Zudem erlaubt eine solche Vertiefung die Verwendung vergleichsweiser dicker Kontaktelemente. Vorzugsweise ist die Höhe der Vertiefung geringer als die Dicke des Kontaktelements, um somit weiterhin einen hohen Anpressdruck zu gewährleisten. In an advantageous embodiment of the invention, the bipolar plate has a recess in which rests the contact element. Preferably, the contour of the recess substantially corresponds to the contour of the contact element. Through the depression, the contact element is even better fixed and prevents slipping within the plane of the plate. In addition, such a recess allows the use of comparatively thick contact elements. Preferably, the height of the recess is less than the thickness of the contact element, so as to continue to ensure a high contact pressure.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Bipolarplatte und/oder das Dichtungselement Fixiermittel zur formschlüssigen Fixierung des Kontaktelements auf. Diese ergänzen die reibschlüssige Fixierung durch die elastische Deformation des Dichtungselements. Hierzu kann das Kontaktelement der Einzelzellspannungs-Messeinrichtung mit korrespondierenden Fixiermitteln ausgestattet sein, die einen Formschluss mit den Fixiermitteln der Bipolarplatte und/oder des Dichtungselements einzugehen vermögen. Beispielsweise umfassen die Fixiermittel zumindest einen Vorsprung der Bipolarplatte und/oder des Dichtungselements, die in zumindest eine hiermit korrespondierende Aussparung des Kontaktelements formschlüssig eingreift. In one embodiment of the invention, the bipolar plate and / or the sealing element has fixing means for the positive fixing of the contact element. These supplement the frictional fixing by the elastic deformation of the sealing element. For this purpose, the contact element of the single-cell voltage measuring device can be equipped with corresponding fixing means, which are capable of forming a positive connection with the fixing means of the bipolar plate and / or of the sealing element. For example, the fixing means comprise at least one projection of the bipolar plate and / or of the sealing element, which engages in a form-fitting manner in at least one recess of the contact element corresponding thereto.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Dichtungselement Druckverstärkungsmittel zur Verstärkung einer auf das Kontaktelement wirkenden Anpresskraft auf. Beispielsweise sind die Druckverstärkungsmittel als zumindest eine Erhebung ausgebildet, die in Richtung des Kontaktelements weist. Durch die zumindest eine Erhebung wird eine örtliche Verdickung des Dichtungselements erzielt und damit eine punktuelle Verstärkung der Anpresskraft. Auf diese Weise wird ein noch sicherer elektrischer Kontakt zwischen Kontaktelement und Bipolarplatte erzielt. In one embodiment of the invention, the sealing element on pressure amplifying means for reinforcing acting on the contact element pressing force. For example, the pressure amplifying means are formed as at least one elevation facing in the direction of the contact element. By at least one survey, a local thickening of the sealing element is achieved and thus a selective reinforcement of the contact pressure. In this way, a more secure electrical contact between the contact element and bipolar plate is achieved.

Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelle eine Mehrzahl einander abwechselnd gestapelter Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten, das heißt, es handelt sich um einen Brennstoffzellenstapel. Dabei können sämtliche Paare aus Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Anordnung eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung aufweisen. In dieser Ausgestaltung kann die Spannung jeder einzelnen Zelle mit hoher Genauigkeit direkt gemessen werden. Preferably, the fuel cell comprises a plurality of alternately stacked membrane-electrode assemblies and bipolar plates, that is, it is a fuel cell stack. In this case, all pairs of bipolar plate and membrane electrode assembly may have a single-cell voltage measuring device. In this embodiment, the voltage of each individual cell can be measured directly with high accuracy.

In alternativer Ausgestaltung weisen nur einzelne Paare aus Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Anordnung eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung auf, insbesondere in regelmäßiger Verteilung. Beispielsweise kann jedes fünfte, zehnte oder zwanzigste Paar mit jeweils einer Einzelzellspannungs-Messeinrichtung ausgestattet sein, sodass die mittlere Zellspannung für Pakete mehrerer Einzelzellen erfasst werden kann. Die Ausstattung nur ausgewählter Einzelzellen mit einer Einzelzellspannungs-Messeinrichtung ist kostengünstiger und mit einem geringeren Verkabelungsaufwand verbunden. In an alternative embodiment, only individual pairs of bipolar plate and membrane electrode assembly on a single-cell voltage measuring device, in particular in a regular distribution. For example, each fifth, tenth or twentieth pair can each be equipped with a single-cell voltage measuring device so that the average cell voltage can be detected for packets of several individual cells. The equipment only selected individual cells with a single cell voltage measuring device is cheaper and less cabling.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung aufweist. Insbesondere weist das Brennstoffzellensystem neben der Brennstoffzelle eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung mit den entsprechenden Peripheriekomponenten auf. Another aspect of the invention relates to a fuel cell system comprising a fuel cell or a fuel cell stack according to the invention. In particular, in addition to the fuel cell, the fuel cell system has an anode supply and a cathode supply with the corresponding peripheral components.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie bedient. Another aspect of the invention relates to a vehicle having a fuel cell system with a fuel cell according to the invention. The vehicle is preferably an electric vehicle in which an electrical energy generated by the fuel cell system serves to supply an electric traction motor and / or a traction battery.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung; 1 a block diagram of a fuel cell system according to a preferred embodiment;

2 eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Anordnung mit Dichtungselement; 2 a plan view of a membrane-electrode assembly with sealing element;

3 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte, 3 a plan view of a bipolar plate,

4 ein Detailausschnitt eines Randabschnitts einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit Kontaktelement gemäß einer Ausgestaltung, und 4 a detail of an edge portion of a fuel cell according to the invention with contact element according to an embodiment, and

5 ein Detailausschnitt eines Randabschnitts eines Dichtungselements mit Kontaktelement gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung. 5 a detail of an edge portion of a sealing element with contact element according to an embodiment of the invention.

1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird. 1 shows a total of 100 designated fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention. The fuel cell system 100 is part of a not further illustrated vehicle, in particular an electric vehicle having an electric traction motor, by the fuel cell system 100 is supplied with electrical energy.

Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzelle) 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein. The fuel cell system 100 comprises as a core component a fuel cell stack (fuel cell) 10 containing a plurality of stacked single cells 11 having alternately stacked membrane-electrode assemblies (MEAs) 14 and bipolar plates 15 be formed (see detail). Every single cell 11 thus includes one MEA each 14 , which has an ion-conducting polymer electrolyte membrane, not shown here in detail, and catalytic electrodes arranged thereon on both sides, namely an anode and a cathode, which carry out the respective partial reaction of the fuel cell conversion catalyze and in particular can be formed as coatings on the membrane. The anode and cathode electrodes comprise a catalytic material, such as platinum, supported on an electrically conductive high surface area support material, such as a carbon based material. Between a bipolar plate 15 and the anode thus becomes an anode compartment 12 formed and between the cathode and the next bipolar plate 15 the cathode compartment 13 , The bipolar plates 15 serve to supply the operating media in the anode and cathode rooms 12 . 13 and further provide the electrical connection between the individual fuel cells 11 ago. Optionally, gas diffusion layers may be interposed between the membrane-electrode assemblies 14 and the bipolar plates 15 be arranged.

Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf. To the fuel cell stack 10 to supply with the operating media, the fuel cell system 100 on the one hand, an anode supply 20 and on the other hand, a cathode supply 30 on.

Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 kann ein weiteres Stellmittel angeordnet sein, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist. The anode supply 20 includes an anode supply path 21 which feeds an anode operating medium (the fuel), for example hydrogen, into the anode spaces 12 of the fuel cell stack 10 serves. For this purpose, the anode supply path connects 21 a fuel storage 23 with an anode inlet of the fuel cell stack 10 , The anode supply 20 further includes an anode exhaust path 22 containing the anode exhaust gas from the anode chambers 12 via an anode outlet of the fuel cell stack 10 dissipates. The anode operating pressure on the anode sides 12 of the fuel cell stack 10 is about an actuating means 24 in the anode supply path 21 adjustable. In addition, the anode supply can 20 as shown, a fuel recirculation line 25 comprising the anode exhaust path 22 with the anode supply path 21 combines. The recirculation of fuel is common in order to return and utilize the fuel, which is mostly used in excess of stoichiometry, in the stack. In the fuel recirculation line 25 can be arranged another adjusting means with which the recirculation rate is adjustable.

Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden. The cathode supply 30 includes a cathode supply path 31 which is the cathode spaces 13 of the fuel cell stack 10 supplying an oxygen-containing cathode operating medium, in particular air which is drawn in from the environment. The cathode supply 30 further includes a cathode exhaust path 32 , which the cathode exhaust gas (in particular the exhaust air) from the cathode compartments 13 of the fuel cell stack 10 dissipates and optionally this feeds an exhaust system, not shown. For conveying and compressing the cathode operating medium is in the cathode supply path 31 a compressor 33 arranged. In the illustrated embodiment, the compressor 33 designed as a mainly electric motor driven compressor whose drive via a with a corresponding power electronics 35 equipped electric motor 34 he follows. The compressor 33 may also be through a in the cathode exhaust path 32 arranged turbine 36 (optionally with variable turbine geometry) are supported by a common shaft (not shown) driven.

Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können. The cathode supply 30 may also according to the illustrated embodiment, a wastegate line 37 having the cathode supply line 31 with the cathode exhaust gas line 32 connects, so a bypass of the fuel cell stack 10 represents. The wastegate pipe 37 allows excess air mass flow at the fuel cell stack 10 to pass without the compressor 33 shut down. One in the wastegate pipe 37 arranged adjusting means 38 serves to control the amount of the fuel cell stack 10 immediate cathode operating medium. All adjusting means 24 . 26 . 38 of the fuel cell system 100 can be designed as controllable or non-controllable valves or flaps. Corresponding further actuating means can be in the lines 21 . 22 . 31 and 32 be arranged to the fuel cell stack 10 isolate from the environment.

Das Brennstoffzellensystem 100 kann ferner ein Befeuchtermodul 39 aufweisen. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird. The fuel cell system 100 may also be a humidifier module 39 exhibit. The humidifier module 39 on the one hand is in the cathode supply path 31 arranged so that it can be flowed through by the cathode operating gas. On the other hand, it is so in the cathode exhaust path 32 arranged so that it can be flowed through by the cathode exhaust gas. The humidifier 39 typically has a plurality of water vapor permeable membranes formed either flat or in the form of hollow fibers. In this case, one side of the membranes is overflowed by the comparatively dry cathode operating gas (air) and the other side by the comparatively moist cathode exhaust gas (exhaust gas). Driven by the higher partial pressure of water vapor in the cathode exhaust gas, there is a transfer of water vapor across the membrane in the cathode operating gas, which is moistened in this way.

Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden. Various other details of the anode and cathode supply 20 . 30 are in the simplified 1 not shown for reasons of clarity. Thus, in the anode and / or cathode exhaust path 22 . 32 a water separator may be installed to condense and drain the product water resulting from the fuel cell reaction. Finally, the Anode exhaust gas line 22 into the cathode exhaust gas line 32 lead, so that the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas are discharged via a common exhaust system.

Die 2 und 3 zeigen jeweils eine beispielhafte Membran-Elektroden-Anordnung 14 und Bipolarplatte 15 gemäß der Erfindung in einer Draufsicht. The 2 and 3 each show an exemplary membrane electrode assembly 14 and bipolar plate 15 according to the invention in a plan view.

Beide Bauteile unterteilen sich in einen aktiven Bereich AA und inaktive Bereiche IA. Der aktive Bereich AA zeichnet sich dadurch aus, dass in diesem Bereich die Brennstoffzellreaktionen stattfinden. Zu diesem Zweck weist die Membran-Elektroden-Anordnung 14 im aktiven Bereich AA beidseits der Polymerelektrolytmembran eine katalytische Elektrode 143 auf. Die inaktiven Bereiche IA, lassen sich jeweils in Versorgungsbereiche SA und Verteilerbereiche DA unterteilen. Innerhalb der Versorgungsbereiche SA sind Versorgungsöffnungen 144 bis 147 seitens der Membran-Elektroden-Anordnung 14 beziehungsweise 154 bis 159 seitens der Bipolarplatte 15 angeordnet, die im gestapelten Zustand im Wesentlichen miteinander fluchten und Hauptversorgungskanäle innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 ausbilden. Die Anodeneinlassöffnungen 144 beziehungsweise 154 dienen der Zuführung des Anodenbetriebsgases, also des Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff. Die Anodenauslassöffnungen 145 beziehungsweise 155 dienen der Abführung des Anodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kathodeneinlassöffnungen 146 beziehungsweise 156 dienen der Zuführung des Kathodenbetriebsgases, das insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gemisch, vorzugsweise Luft ist. Die Kathodenauslassöffnungen 147 beziehungsweise 157 dienen der Abführung des Kathodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kühlmitteleinlassöffnungen 148 beziehungsweise 158 dienen der Zuführung und die Kühlmittelauslassöffnungen 149 beziehungsweise 159 der Ableitung des Kühlmittels. Both components are subdivided into an active area AA and inactive areas IA. The active area AA is characterized by the fact that the fuel cell reactions take place in this area. For this purpose, the membrane electrode assembly 14 in the active region AA on both sides of the polymer electrolyte membrane, a catalytic electrode 143 on. The inactive areas IA can be subdivided into supply areas SA and distribution areas DA. Within the service areas SA are service openings 144 to 147 from the membrane electrode assembly 14 respectively 154 to 159 from the bipolar plate 15 arranged in the stacked state substantially aligned with each other and main supply channels within the fuel cell stack 10 form. The anode inlet openings 144 respectively 154 serve to supply the anode operating gas, so the fuel, for example hydrogen. The anode outlet openings 145 respectively 155 serve the discharge of the anode exhaust after overflow of the active area AA. The cathode inlet openings 146 respectively 156 serve to supply the cathode operating gas, which is in particular oxygen or an oxygen-containing mixture, preferably air. The cathode outlet openings 147 respectively 157 serve the discharge of the cathode exhaust gas after overflow of the active area AA. The coolant inlet openings 148 respectively 158 serve the supply and the coolant outlet 149 respectively 159 the discharge of the coolant.

Die MEA 14 weist eine Anodenseite 141 auf, die in 2 sichtbar ist. Somit ist die dargestellte katalytische Elektrode 143 als Anode ausgebildet, beispielsweise als Beschichtung auf der Polymerelektrolytmembran. Die in 2 nicht sichtbare Kathodenseite 142 weist eine entsprechende katalytische Elektrode, hier die Kathode auf. Die Polymerelektrolytmembran kann sich über die gesamte Ausbreitung der Membran-Elektroden-Anordnung 14 erstrecken, mindestens aber über den aktiven Bereich AA. In den inaktiven Bereichen IA kann eine verstärkende Trägerfolie angeordnet sein, welche die Membran einfasst. The MEA 14 has an anode side 141 on that in 2 is visible. Thus, the illustrated catalytic electrode is 143 formed as an anode, for example as a coating on the polymer electrolyte membrane. In the 2 invisible cathode side 142 has a corresponding catalytic electrode, here the cathode. The polymer electrolyte membrane can spread over the entire spread of the membrane-electrode assembly 14 extend, but at least over the active area AA. In the inactive regions IA, a reinforcing carrier foil can be arranged, which encloses the membrane.

2 zeigt ferner ein Dichtungselement 17. Vorzugsweise ist auf beiden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung 14 ein solches Dichtungselement 17 angeordnet. Das Dichtungselement 17 weist eine Flachdichtung auf, die flächig auf dem Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung 14 und diesen umlaufend aufliegt. Zusätzlich kann das Dichtungselement 17 weitere Flachdichtungen aufweisen (nicht dargestellt), welche die einzelnen Versorgungsöffnungen 144 bis 147 umlaufen und abdichten. Das Dichtungselement 17 umfasst vorzugsweise ferner eine Netzstruktur, welche die gesamte Membran-Elektroden-Anordnung 14 überspannt und die einzelnen Dichtungen zusammenhält. Das Dichtungselement 17 ist aus einem elastisch deformierbaren Material, insbesondere einem Elastomer ausgebildet. Hier kommen insbesondere synthetische und natürliche Gummis oder Kautschuke infrage. Besonders bevorzugt sind Silikone, da diese besonders resistent gegenüber chemischen und thermischen Einflüssen sind. Vorzugsweise besteht sowohl die zumindest eine (Flach-)dichtung als auch die Netzstruktur aus dem gleichen Material und ist einstückig ausgebildet. Das Dichtungselement 17 ist vorzugsweise stoffschlüssig mit der Membran-Elektroden-Anordnung 14 verbunden. Dies kann durch eine Klebstoffschicht oder bevorzugt durch direktes Anformen des Dichtungselements 17 an die Stützschicht der Membran-Elektroden-Anordnung 14 beispielsweise durch einen Spritzprozess erfolgen. 2 further shows a sealing element 17 , Preferably, on both sides of the membrane-electrode assembly 14 such a sealing element 17 arranged. The sealing element 17 has a flat gasket which is flat on the edge region of the membrane-electrode assembly 14 and it rests all around. In addition, the sealing element 17 have further flat gaskets (not shown), which the individual supply openings 144 to 147 revolve and seal. The sealing element 17 preferably further comprises a mesh structure which covers the entire membrane-electrode assembly 14 spans and holds the individual seals together. The sealing element 17 is formed of an elastically deformable material, in particular an elastomer. Synthetic and natural rubbers or rubbers are particularly suitable here. Particularly preferred are silicones, since these are particularly resistant to chemical and thermal influences. Preferably, both the at least one (flat) seal and the network structure of the same material and is integrally formed. The sealing element 17 is preferably cohesively with the membrane-electrode assembly 14 connected. This can be achieved by an adhesive layer or preferably by direct molding of the sealing element 17 to the support layer of the membrane-electrode assembly 14 for example, by an injection process.

Die in 3 dargestellte Bipolarplatte 15 weist ebenfalls eine in der Darstellung sichtbare Kathodenseite 152 auf sowie eine nicht sichtbare Anodenseite 151. In typischen Ausführungen ist die Bipolarplatte 15 aus zwei zusammengefügten Plattenhälften, der Anodenplatte und der Kathodenplatte, aufgebaut. Auf der dargestellten Kathodenseite 152 sind Betriebsmittelkanäle 153 als offene rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet, welche die Kathodeneinlassöffnung 156 mit der Kathodenauslassöffnung 157 verbinden. Dargestellt sind lediglich fünf exemplarische Betriebsmittelkanäle 153, wobei üblicherweise eine wesentlich größere Anzahl vorhanden ist. Desgleichen weist die hier nicht sichtbare Anodenseite 151 entsprechende Betriebsmittelkanäle auf, welche die Anodeneinlassöffnung 154 mit der Anodenauslassöffnung 155 verbinden. Auch diese Betriebsmittelkanäle für das Anodenbetriebsmedium sind als offene, rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet. Im Inneren der Bipolarplatte 15, insbesondere zwischen den beiden Plattenhälften, verlaufen eingeschlossene Kühlmittelkanäle, welche die Kühlmitteleinlassöffnung 158 mit der Kühlmittelauslassöffnung 151 verbinden. Mit den unterbrochenen Linien sind in 3 optionale zusätzliche Dichtungen angedeutet, die aufgrund des Dichtungselements 17 aber auch wegfallen können, In the 3 illustrated bipolar plate 15 also has a visible cathode side in the illustration 152 on and an invisible anode side 151 , In typical embodiments, the bipolar plate is 15 composed of two joined plate halves, the anode plate and the cathode plate. On the illustrated cathode side 152 are resource channels 153 formed as open channel-like channel structures, which the cathode inlet opening 156 with the cathode outlet opening 157 connect. Only five exemplary resource channels are shown 153 , where usually a much larger number is available. Likewise, the not visible here anode side 151 corresponding resource channels, which the anode inlet opening 154 with the anode outlet opening 155 connect. These operating medium channels for the anode operating medium are also designed as open, channel-like channel structures. Inside the bipolar plate 15 , in particular between the two plate halves, extend enclosed coolant channels, which the coolant inlet opening 158 with the coolant outlet opening 151 connect. With the broken lines are in 3 optional additional seals indicated, due to the sealing element 17 but can also fall away,

In 3 ist ferner eine Vertiefung 150 angedeutet, die im Randbereich der Bipolarplatte 15 ausgebildet ist. Die Vertiefung 150 dient der Aufnahme eines Kontaktelements einer Einzelzellspannungs-Messeinrichtung, wie in den nachfolgenden Figuren dargestellt. In 3 is also a recess 150 indicated in the edge region of the bipolar plate 15 is trained. The depression 150 serves the Recording a contact element of a single cell voltage measuring device, as shown in the following figures.

Üblicherweise werden in einem Brennstoffzellenstapel 10 eine Vielzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und Bipolarplatten 15 derart einander abwechselnd aufeinander angeordnet und in Stapelrichtung beispielsweise über Spannelemente verpresst. Dabei ist jeweils eine Anodenseite 151 einer Bipolarplatte 15 einer Anodenseite 141 einer Membran-Elektroden-Anordnung 14 zugewandt und eine Kathodenseite 152 einer Bipolarplatte 15 einer Kathodenseite 141 einer Membran-Elektroden-Anordnung 14. Usually, in a fuel cell stack 10 a variety of membrane-electrode assemblies 14 and bipolar plates 15 so alternately arranged one another and pressed in the stacking direction, for example via clamping elements. In each case one anode side 151 a bipolar plate 15 an anode side 141 a membrane electrode assembly 14 facing and a cathode side 152 a bipolar plate 15 a cathode side 141 a membrane electrode assembly 14 ,

4 zeigt einen Ausschnitt einer Brennstoffzelle 10, der einen Randbereich einer Bipolarplatte 15 und einer mit einem Dichtungselement 17 ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 14 zeigt. Zur besseren Erkennbarkeit ist die Membran-Elektroden-Anordnung 14 als Explosionsdarstellung beabstandet zur Bipolarplatte 15 dargestellt. 4 shows a section of a fuel cell 10 , the one border area of a bipolar plate 15 and one with a sealing element 17 equipped membrane-electrode assembly 14 shows. For better visibility, the membrane-electrode assembly 14 as an exploded view spaced from the bipolar plate 15 shown.

In der Vertiefung 150 der Bipolarplatte 15 ist ein Kontaktelement 18 einer nicht weiter dargestellten Einzelzellspannungs-Messeinrichtung angeordnet, das als Messsensor zur Erfassung der Spannung dient. Das Kontaktelement 18 weist einen streifenförmigen Zuschnitt eines elektrisch leitfähigen Materials auf. Das Kontaktelement 18 ist über nicht dargestellte elektrische Leitungen mit der Messeinrichtung verbunden. Im Betrieb der Brennstoffzelle 10 erfasst das Kontaktelement 18 die Spannung (Halbzellenspannung) der Einzelzelle. In the depression 150 the bipolar plate 15 is a contact element 18 arranged a single cell voltage measuring device, not shown, which serves as a measuring sensor for detecting the voltage. The contact element 18 has a strip-shaped blank of an electrically conductive material. The contact element 18 is connected via not shown electrical lines to the measuring device. In operation of the fuel cell 10 detects the contact element 18 the voltage (half-cell voltage) of the single cell.

Das in 4 gezeigte Dichtungselement 17 ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung an der Position des Kontaktelements 18 mit Druckverstärkungsmitteln 171 ausgestattet, die im vorliegenden Beispiel als fünf in Richtung des Kontaktelements 18 weisende Erhebungen ausgebildet sind. Durch die Druckverstärkungsmittel/Erhebungen 171 wird erreicht, dass der auf das Kontaktelement 18 wirkende Anpressdruck erhöht wird. Hierdurch wird eine besonders sichere elektrische Kontaktierung der Bipolarplatte 15 erzielt. Die Erhebungen 171 können eine beliebige Kontur aufweisen und in beliebiger Anzahl vorliegen. This in 4 shown sealing element 17 is according to an embodiment of the invention at the position of the contact element 18 with pressure boosters 171 equipped, in the present example, as five in the direction of the contact element 18 pointing surveys are formed. Through the pressure booster / elevations 171 that is achieved on the contact element 18 acting contact pressure is increased. As a result, a particularly secure electrical contacting of the bipolar plate 15 achieved. The surveys 171 can have any contour and be present in any number.

Eine weitere Ausgestaltung des Kontaktelements 18 und ein hiermit korrespondierendes Dichtungselement 14 zeigt 5, die wiederum nur einen Ausschnitt eines Randbereichs einer mit einem Dichtungselement 17 ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 14 zeigt. In dieser Ausführung sind das Dichtungselement 17 sowie das Kontaktelement 18 mit Fixierungsmitteln 172, 181 ausgestattet. Im Einzelnen weist das Kontaktelement 18 beispielsweise zwei Aussparungen 181 auf, während das Dichtungselement 17 hiermit korrespondierende Vorsprünge 172 aufweist, die insbesondere formschlüssig in die Aussparungen 181 des Kontaktelements 18 eingreifen. Durch die Fixierungsmittel 172, 181 wird zusätzlich zu der in Stapelrichtung (z-Richtung) wirkenden reibschlüssigen Fixierung eine formschlüssige Fixierung des Kontaktelements 18 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 erzielt. Diese gewährleistet, dass eine seitliche Verschiebung des Kontaktelements 18 verhindert wird und erleichtert zusätzlich den Zusammenbau des Stapels. Another embodiment of the contact element 18 and a sealing member corresponding thereto 14 shows 5 , in turn, only a section of a peripheral region of a with a sealing element 17 equipped membrane-electrode assembly 14 shows. In this embodiment, the sealing element 17 as well as the contact element 18 with fixatives 172 . 181 fitted. In detail, the contact element 18 for example, two recesses 181 on while the sealing element 17 hereby corresponding projections 172 has, in particular the form-fitting manner in the recesses 181 of the contact element 18 intervention. By the fixative 172 . 181 is in addition to the acting in the stacking direction (z-direction) frictional fixing a positive fixation of the contact element 18 inside the fuel cell stack 10 achieved. This ensures that a lateral displacement of the contact element 18 is prevented and also facilitates the assembly of the stack.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100 100
Brennstoffzellensystem The fuel cell system
10 10
Brennstoffzellenstapel fuel cell stack
11 11
Einzelzelle single cell
12 12
Anodenraum anode chamber
13 13
Kathodenraum cathode space
14 14
Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) Membrane electrode assembly (MEA)
141 141
Anodenseite anode side
142 142
Kathodenseite cathode side
143 143
katalytische Elektrode / Anode catalytic electrode / anode
144 144
Versorgungsöffnung / Anodeneinlassöffnung Supply opening / anode inlet opening
145 145
Versorgungsöffnung / Anodenauslassöffnung Supply opening / anode outlet opening
146 146
Versorgungsöffnung / Kathodeneinlassöffnung Supply opening / cathode inlet opening
147 147
Versorgungsöffnung / Kathodenauslassöffnung Supply opening / cathode outlet opening
148 148
Versorgungsöffnung / Kühlmitteleinlassöffnung Supply opening / coolant inlet opening
149 149
Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung Supply opening / coolant outlet opening
15 15
Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte) Bipolar plate (separator plate, flow field plate)
150 150
Vertiefung deepening
151 151
Anodenseite anode side
152 152
Kathodenseite cathode side
153 153
Betriebsmittelkanal (Reaktantenkanal) Resource channel (reactant channel)
154 154
Versorgungsöffnung / Anodeneinlassöffnung Supply opening / anode inlet opening
155 155
Versorgungsöffnung/ Anodenauslassöffnung Supply opening / anode outlet opening
156 156
Versorgungsöffnung / Kathodeneinlassöffnung Supply opening / cathode inlet opening
157 157
Versorgungsöffnung / Kathodenauslassöffnung Supply opening / cathode outlet opening
158 158
Versorgungsöffnung / Kühlmitteleinlassöffnung Supply opening / coolant inlet opening
159 159
Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung Supply opening / coolant outlet opening
17 17
Dichtungselement sealing element
171 171
Druckverstärkungsmittel / Erhebung Pressure intensifier / survey
172 172
Fixiermittel / Vorsprung Fixative / projection
18 18
Kontaktelement contact element
181 181
Fixiermittel / Aussparung Fixer / recess
20 20
Anodenversorgung anode supply
21 21
Anodenversorgungspfad Anode supply path
22 22
Anodenabgaspfad Anode exhaust gas path
23 23
Brennstofftank fuel tank
24 24
Stellmittel actuating means
25 25
Brennstoffrezirkulationsleitung Brennstoffrezirkulationsleitung
30 30
Kathodenversorgung cathode supply
31 31
Kathodenversorgungspfad Cathode supply path
32 32
Kathodenabgaspfad Cathode exhaust path
33 33
Verdichter compressor
34 34
Elektromotor electric motor
35 35
Leistungselektronik power electronics
36 36
Turbine turbine
37 37
Wastegate-Leitung Waste gate line
38 38
Stellmittel actuating means
39 39
Befeuchtermodul humidifier
AA AA
Aktiver Bereich (Reaktionsbereich, active area) Active area (reaction area, active area)
IA IA
Inaktiver Bereich (inactive area) Inactive area
SA SA
Versorgungsbereich (supply area) Supply area
DA THERE
Verteilerbereich (distribution area) Distribution area

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • JP 2004288426 A [0006] JP 2004288426 A [0006]

Claims (10)

Brennstoffzelle (10), umfassend – eine Membran-Elektroden-Anordnung (14) und eine Bipolarplatte (15), die aufeinander angeordnet sind, – ein elastisches Dichtungselement (17), das zwischen der Bipolarplatte (15) und der Membran-Elektroden-Anordnung (14) angeordnet ist, und – eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung, die ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement (18) umfasst, welches die Bipolarplatte (15) kontaktierend zwischen der Bipolarplatte (15) und dem Dichtungselement (17) angeordnet ist und zumindest durch elastische Verformung des elastischen Dichtungselements (17) fixiert ist. Fuel cell ( 10 ), comprising - a membrane electrode assembly ( 14 ) and a bipolar plate ( 15 ), which are arranged on top of each other, - an elastic sealing element ( 17 ) sandwiched between the bipolar plate ( 15 ) and the membrane-electrode assembly ( 14 ), and - a single cell voltage measuring device, which is an electrically conductive contact element ( 18 ) comprising the bipolar plate ( 15 ) contacting between the bipolar plate ( 15 ) and the sealing element ( 17 ) is arranged and at least by elastic deformation of the elastic sealing element ( 17 ) is fixed. Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Dichtungselement (17) eine Flachdichtung oder eine Wulstdichtung umfasst, welche zumindest einen Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung (14) umlaufend kontaktiert. Fuel cell ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the elastic sealing element ( 17 ) comprises a flat gasket or a bead seal, which at least one edge region of the membrane-electrode assembly ( 14 ) contacted all around. Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Dichtungselement (17) eine Netzstruktur umfasst, die ausgebildet ist, zumindest einen Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung (14) zu überdecken oder die Membran-Elektroden-Anordnung (14) vollflächig zu überdecken. Fuel cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the elastic sealing element ( 17 ) comprises a network structure, which is formed, at least one edge region of the membrane electrode assembly ( 14 ) or the membrane electrode assembly ( 14 ) over the entire area. Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (15) eine Vertiefung (150) aufweist, in der das Kontaktelement (18) einliegt. Fuel cell ( 10 ) According to one of the preceding claims, characterized in that the bipolar plate ( 15 ) a recess ( 150 ), in which the contact element ( 18 ) is present. Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (15) und/oder das Dichtungselement (17) Fixiermittel (172, 181) zur Fixierung des Kontaktelements (18) aufweist/aufweisen, insbesondere zur formschlüssigen Fixierung. Fuel cell ( 10 ) According to one of the preceding claims, characterized in that the bipolar plate ( 15 ) and / or the sealing element ( 17 ) Fixative ( 172 . 181 ) for fixing the contact element ( 18 ), in particular for the positive fixing. Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixiermittel (172, 181) zumindest einen Vorsprung (172) der Bipolarplatte (15) und/oder des Dichtungselements (17) umfasst, der in zumindest eine hiermit korrespondierende Aussparung (181) des Kontaktelements (18) formschlüssig eingreift. Fuel cell ( 10 ) according to claim 5, characterized in that the fixing agent ( 172 . 181 ) at least one projection ( 172 ) of the bipolar plate ( 15 ) and / or the sealing element ( 17 ), which in at least one corresponding recess ( 181 ) of the contact element ( 18 ) engages positively. Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (17) Druckverstärkungsmittel (171) zur Verstärkung einer auf das Kontaktelement (18) wirkenden Anpresskraft aufweist, wobei das Druckverstärkungsmittel (171) insbesondere als zumindest eine in Richtung des Kontaktelement (18) weisende Erhebung ausgebildet ist. Fuel cell ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the sealing element ( 17 ) Pressure intensifier ( 171 ) for reinforcing one on the contact element ( 18 ) acting pressing force, wherein the pressure intensifying means ( 171 ) in particular as at least one in the direction of the contact element ( 18 ) pointing survey is formed. Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (10) eine Mehrzahl einander abwechselnd gestapelter Membran-Elektroden-Anordnungen (14) und Bipolarplatten (15) umfasst, wobei sämtliche Paare aus Bipolarplatte (15) und Membran-Elektroden-Anordnung (14) eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung () aufweisen. Fuel cell ( 10 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the fuel cell ( 10 ) a plurality of alternately stacked membrane electrode assemblies ( 14 ) and bipolar plates ( 15 ), wherein all pairs of bipolar plate ( 15 ) and membrane electrode assembly ( 14 ) comprise a single cell voltage measuring device (10). Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (10) eine Mehrzahl einander abwechselnd gestapelter Membran-Elektroden-Anordnungen (14) und Bipolarplatten (15) umfasst, wobei nur einzelne Paare aus Bipolarplatte (15) und Membran-Elektroden-Anordnung (14) eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung () aufweisen, insbesondere in regelmäßiger Verteilung. Fuel cell ( 10 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the fuel cell ( 10 ) a plurality of alternately stacked membrane electrode assemblies ( 14 ) and bipolar plates ( 15 ), wherein only individual pairs of bipolar plate ( 15 ) and membrane electrode assembly ( 14 ) comprise a single-cell voltage measuring device (10), in particular in regular distribution. Brennstoffzellensystem (100) umfassend eine Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Fuel cell system ( 100 ) comprising a fuel cell ( 10 ) according to any one of the preceding claims.
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