DE102015223640A1 - Brennstoffzellenstapel - Google Patents

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Brian Dickson
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der einen Stapel zwischen zwei Endplatten (16) angeordneter Paare von je einer Membran-Elektroden-Anordnung (14) und einer zugehörigen Bipolarplatte (15) umfasst. Dabei umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung (14) ein Elastomer zur Versiegelung. Es ist vorgesehen, dass bei jedem Paar die Membran-Elektroden-Anordnung (14) aus dem Elastomer geformte Vorsprünge (41) umfasst, die so in zugehörigen Aussparungen (51) der zugehörigen Bipolarplatte (15) angeordnet sind, dass die Membran-Elektroden-Anordnung (14) konsistent zur Bipolarplatte (15) ausgerichtet ist. Dadurch kann eine verlässliche und reproduzierbare Ausrichtung von Membran-Elektroden-Anordnung zu Bipolarplatte erfolgen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel.
  • 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.
  • 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).
  • Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden.
  • Membran-Elektroden-Anordnungen können als eine Ionenaustauschmembran zwischen zwei porösen, elektrisch leitenden Elektrodenschichten realisiert sein. Dann ist oft ein Elastomer, beispielsweise Silikon, in die porösen Elektrodenschichten hineinimprägniert, um eine Versiegelung zu realisieren. Solche Membran-Elektroden-Anordnungen weisen eine sehr geringe Bauhöhe auf. Sie besitzen keine oder kaum Rigidität. Aufgrund des hohen Reibungskoeffizienten des Elastomers ist es zudem schwierig, die Membran-Elektroden-Anordnung auf der Bipolarplatte zu verschieben. Daher ist die konsistente Ausrichtung von Membran-Elektroden-Anordnung zu Bipolarplatte zeitaufwendig.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellenstapel vorzuschlagen, in dem auch dünne Membran-Elektroden-Anordnungen ohne Rigidität und mit hohem Reibungskoeffizienten schnell konsistent zu zugehörigen Bipolarplatten ausrichtbar sind und ausgerichtet bleiben.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Der Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung umfasst einen Stapel zwischen zwei Endplatten angeordneter Paare von je einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer zugehörigen Bipolarplatte. Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst ein Elastomer zur Versiegelung. Bei jedem Paar umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung aus dem Elastomer geformte Vorsprünge, die so in zugehörigen Aussparungen der zugehörigen Bipolarplatte angeordnet sind, dass die Membran-Elektroden-Anordnung konsistent zur Bipolarplatte ausgerichtet ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Vorsprünge je mindestens ein Rastelement, welches mit einem entsprechenden Gegenrastelement des zugehörigen Lochs verrastet ist. Dadurch wird noch besser die konsistente Ausrichtung sichergestellt.
  • Die Vorsprünge können Kegelstümpfe sein. Die Kegelstümpfe können mit sich vergrößerndem Querschnitt vorspringen. Zusätzlich oder alternativ können die Vorsprünge presspassend zu den zugehörigen Aussparungen sein. Die Vorsprünge können zumindest teilweise hohl ausgebildet sein. Dadurch kann das Verrasten oder das Einführen der Vorsprünge in die presspassenden Aussparungen vereinfacht werden.
  • Die Membran-Elektroden-Anordnung kann durch die Anordnung der Vorsprünge in den Aussparungen in eine Position gedehnt sein, in der die Membran-Elektroden-Anordnung konsistent zur Bipolarplatte ausgerichtet ist. Die Ausrichtung wird so noch stabiler und konsistenter.
  • Das Elastomer der Membran-Elektroden-Anordnung kann um 1%–10% kleiner als die zugehörige Bipolarplatte sein. Insbesondere kann die Membran-Elektroden-Anordnung um 2%–5% kleiner als die zugehörige Bipolarplatte sein.
  • Die Membran-Elektroden-Anordnung kann eine Ionenaustauschmembran zwischen zwei porösen, elektrisch leitenden Elektrodenschichten umfassen. Das Elastomer kann in die porösen Elektrodenschichten hineinimprägniert sein, um die Versiegelung zu realisieren. Das Elastomer kann Silikon umfassen.
  • Die Membran-Elektroden-Anordnung kann vier oder mehr Vorsprünge und die Bipolarplatte die entsprechende Zahl zugehöriger Aussparungen aufweisen.
  • Die Membran-Elektroden-Anordnung kann insbesondere vier Vorsprünge an Ecken der Membran-Elektroden-Anordnung und die Bipolarplatte kann vier zugehörige Aussparungen an Ecken der Bipolarplatte aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Bipolarplatte jeweils zwei oder mehr Aussparungen an Ein- und/oder Auslässen, die ein Flussfeld der der Bipolarplatte mit Hauptkanälen in der Bipolarplatte verbinden, umfassen. Das konsistente Ausrichten der Membran-Elektroden-Anordnung zur Bipolarplatte ist an den Hauptkanälen besonders wichtig, insbesondere an Einlasshauptkanälen.
  • 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 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung,
  • 2 ein Paar mit einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer zugehörigen Bipolarplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 3 ein Detail der in 2 dargestellten Membran-Elektroden-Anordnung in Draufsicht auf eine Bipolarplatte,
  • 4 ein Detail der in 2 dargestellten Bipolarplatte,
  • 5 ein weiteres Detail des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels,
  • 6 eine weitere Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels, und
  • 7 ein Paar mit einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer zugehörigen Bipolarplatte in Draufsicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • 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.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 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 porösen Elektrodenschichten, 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. Ein Elastomer, beispielsweise Silikon, ist in die porösen Elektrodenschichten hineinimprägniert. Bei konsistenter Anordnung der MEA 14 zur Bipolarplatte 15 realisiert das Elastomer eine Versiegelung.
  • Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
  • 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. In einigen Ausführungsformen ist der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 über ein optionales Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar, andere Ausführungsformen weisen dieses Stellmittel nicht auf. 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 26 angeordnet sein, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.
  • 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 kann in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet sein. 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.
  • 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 kann der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums dienen. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 2 zeigt ein Paar mit einer Membran-Elektroden-Anordnung 14 und einer zugehörigen Bipolarplatte 15, wie es in einem Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgebildet sein kann. 3, 4, und 5 zeigen Details aus der 2. Die Bipolarplatte 15 hat dabei eine im Wesentlichen rechteckige Form mit einem sechseckigen Flussfeld. Zwei gegenüberliegende längere Seiten des Flussfeldes sind dabei parallel zu Langseiten der Bipolarplatte 15. Die MEA 14 ist entsprechend dem Flussfeld sechseckig ausgebildet. Die MEA umfasst eine Ionenaustauschmembran zwischen zwei porösen, elektrisch leitenden Elektrodenschichten, wobei ein Elastomer, beispielsweise Silikon, in die porösen Elektrodenschichten hineinimprägniert ist, um eine Versiegelung des Flussfeldes zu realisieren.
  • Die Membran-Elektroden-Anordnung 14 weist Vorsprünge 40, 41 auf. Dabei sind die Vorsprünge 41 im Ausführungsbeispiel an den längeren Seiten der MEA 14 angeordnet und als teilweise hohle Halbzylinder ausgebildet. Dies ist beispielhaft in 5 dargestellt. Entsprechend den Vorsprüngen 41 weist die Bipolarplatte 15 an ihren Längsseiten durch die Bipolarplatte 15 durchgehende Aussparungen 51 auf. Die Aussparungen 51 des in 5 gezeigten Ausführungsbeispiels sind presspassend zu den Vorsprüngen 41, andere Ausführungsformen sind jedoch möglich. Eine Vorsprunghöhe H der Vorsprünge 41 ist dabei höchstens gleich, bevorzugt jedoch geringer als eine Dicke D der Bipolarplatte 15, sodass sie in den Aussparungen 51 zumindest nicht überstehen oder sogar ein Freiraum F verbleibt. Die Vorsprünge 41 weisen optional eine Aushöhlung 42 in ihrer Mitte auf. Dadurch lässt sich ein Querschnitt der Vorsprünge an ihrem vorspringenden Ende verringern, sodass die Vorsprünge 41 trotz Presspassung problemlos in die Aussparungen 51 einführbar sind.
  • Die Vorsprünge 40 sind im Ausführungsbeispiel an den Ecken der MEA 14, an denen keine der längeren Seiten der MEA 14 endet, angeordnet und als teilweise hohle Zylinder ausgebildet.
  • Dies ist beispielhaft in 3 dargestellt. Entsprechend den Vorsprüngen 40 weist die Bipolarplatte 15 an ihren Schmalseiten, jeweils in einem Mittenbereich, durch die Bipolarplatte 15 durchgehende Aussparungen 50 in Form von Durchgangslöchern auf. Dies ist in 4 im Detail dargestellt.
  • Die Aussparungen 50 des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels sind presspassend zu den in 3 gezeigten Vorsprüngen 40, andere Ausführungsformen sind jedoch möglich. Eine Vorsprunghöhe der Vorsprünge 40 ist dabei gleich oder geringer als eine Dicke D der Bipolarplatte 15, sodass die Vorsprünge 40 nicht überstehen und gegebenenfalls in den Aussparungen 50 sogar ein Freiraum verbleibt. Die Vorsprünge 40 weisen optional eine Aushöhlung in ihrer Mitte auf. Dadurch lässt sich ein Querschnitt der Vorsprünge an ihrem vorspringenden Ende verringern, sodass die Vorsprünge 40 trotz Presspassung problemlos in die Aussparungen 50 einführbar sind.
  • Wenn die Vorsprünge 40, 41 in den Aussparungen 50, 51 angeordnet sind, ist die MEA 14 auf der Bipolarplatte fixiert und konsistent zu dieser angeordnet.
  • Das Elastomer der Membran-Elektroden-Anordnung 14 ist in einer bevorzugten Ausführungsform kleiner als die zugehörige Bipolarplatte 15 und dehnbar ausgeführt. Abstände zwischen den Vorsprüngen 40, 41 sind dabei geringer als entsprechende Abstände zwischen den Aussparungen 50, 51. Durch Dehnen des Elastomers der der MEA 14 lassen sich die Vorsprünge 40, 41 in den Aussparungen 50, 51 so anordnen, dass die MEA 14 durch das gedehnte Elastomer auf der Bipolarplatte fixiert und konsistent zu dieser angeordnet bleibt.
  • Bevorzugt aber nicht notwendiger Weise umfasst die MEA 14 hierfür mehr als drei, bevorzugt mindestens sechs Vorsprünge. Beispielsweise sind an gegenüberliegenden, nicht an Langseiten einer sechseckigen MEA angrenzende Ecken der MEA je mit einem Vorsprung versehen und entlang oder an den Langseiten je mindestens zwei weitere, gleichartige oder anders ausgebildete Vorsprünge angeordnet.
  • 6 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Vorsprünge 40, 41 und Aussparungen 50, 51. Die Vorsprünge sind dabei hinterschnitten und die Aussparungen sind entsprechend von zumindest einer Seite gefast. Im dargestellten Beispiel sind die Vorsprünge als sich von einem Vorsprungsende zu einem Fußende des jeweiligen Vorsprungs hin verjüngende Kegelstümpfe ausgebildet und die Aussparungen von beiden Seiten soweit gefast, dass die Fasen aneinander angrenzen. Das Vorsprungsende hat dabei im Querschnitt einen größeren Durchmesser als der Querschnitt der Aussparung, wo die Fasen aneinander angrenzen. Dadurch ist es notwendig, eine Mindestkraft aufzuwenden, um die Vorsprünge aus den Aussparungen zu ziehen, sodass die MEA konsistent zur Bipolarplatte ausgerichtet bleibt.
  • 7 zeigt ein Paar mit einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer zugehörigen Bipolarplatte in Draufsicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Die dargestellte Bipolarplatte 15 ist rechteckig mit rechteckigen Hauptkanälen HK an kürzeren Seiten der Bipolarplatte 15. Zwischen den Hauptkanälen HK ist ein Flussfeld der Bipolarplatte 15 angeordnet, welches durch eine Membran-Elektroden-Anordnung 14 abgedeckt ist. An den Ecken der Bipolarplatte 15 sind Aussparungen 40. Die Membran-Elektroden-Anordnung 14 umfasst zugehörige Vorsprünge 50. Zwischen den Hauptkanälen HK und dem Flussfeld weist die Bipolarplatte weitere Aussparungen 40 auf. Im dargestellten Beispiel sind je drei weitere Aussparungen pro Hauptkanal vorhanden, die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Es ist möglich, lediglich nur eine weitere Aussparung pro Hauptkanal vorzusehen, um die Herstellung und Montage nicht unnötig zu komplizieren. Zwei oder mehr weitere Aussparungen pro Hauptkanal haben jedoch den Vorteil, dass die funktionell besonders wichtige konsistente Ausrichtung im Bereich der Hauptkanäle verlässlich gewährleistet ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Brennstoffzellensystem
    10
    Brennstoffzellenstapel
    11
    Einzelzelle
    12
    Anodenraum
    13
    Kathodenraum
    14
    Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
    15
    Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
    16
    Endplatte / Medienversorgungsplatte / stromabwärtige Platte
    17
    Hauptversorgungskanal / Kathodeneinlasskanal
    18
    Hauptversorgungskanal / Kathodenauslasskanal
    19
    Betriebsmedium / Kathodenbetriebsmedium / Luft
    20
    Anodenversorgung
    21
    Anodenversorgungspfad
    22
    Anodenabgaspfad
    26
    Stellmittel
    30
    Kathodenversorgung
    31
    Kathodenversorgungspfad
    33
    Verdichter
    34
    Elektromotor
    35
    Leistungselektronik
    36
    Turbine
    37
    Wastegate-Leitung
    38
    Stellmittel
    39
    Befeuchtermodul
    40, 41
    Vorsprung
    42
    Aushöhlung
    50, 51
    Aussparung / Loch
    60
    Hauptkanal
    H
    Vorsprunghöhe
    D
    Dicke
    F
    Freiraum

Claims (10)

  1. Brennstoffzellenstapel (10), umfassend einen Stapel zwischen zwei Endplatten (16) angeordneter Paare von je einer Membran-Elektroden-Anordnung (14) und einer zugehörigen Bipolarplatte (15), wobei die Membran-Elektroden-Anordnung (14) ein Elastomer zur Versiegelung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Paar die Membran-Elektroden-Anordnung (14) aus dem Elastomer geformte Vorsprünge (40, 41) umfasst, die so in zugehörigen Aussparungen (50, 51) der zugehörigen Bipolarplatte (15) angeordnet sind, dass die Membran-Elektroden-Anordnung (14) konsistent zur Bipolarplatte (15) ausgerichtet ist.
  2. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (40, 41) je mindestens ein Rastelement umfassen, welches mit einem entsprechenden Gegenrastelement des zugehörigen Lochs (50, 51) verrastet ist.
  3. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (40) Kegelstümpfe sind, die mit sich vergrößerndem Querschnitt vorspringen.
  4. Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (40, 41) presspassend zu den zugehörigen Aussparungen (50, 51) sind.
  5. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (40, 41) zumindest teilweise hohl ausgebildet sind.
  6. Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung (14) durch die Anordnung der Vorsprünge (40, 41) in den Aussparungen (50, 51) in eine Position gedehnt ist, in der die Membran-Elektroden-Anordnung (14) konsistent zur Bipolarplatte (15) ausgerichtet ist.
  7. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer der Membran-Elektroden-Anordnung (14) um 1%–10% kleiner, vorzugsweise um 2%–5% kleiner, als die zugehörige Bipolarplatte (15) ist.
  8. Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung (14) eine Ionenaustauschmembran zwischen zwei porösen, elektrisch leitenden Elektrodenschichten umfasst, wobei das Elastomer in die porösen Elektrodenschichten hineinimprägniert ist, um die Versiegelung zu realisieren.
  9. Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung (14) vier oder mehr Vorsprünge (40, 41) und die Bipolarplatte (15) die entsprechende Zahl zugehöriger Aussparungen (50, 51) aufweist.
  10. Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer Silikon umfasst.
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