DE102016116536A1

DE102016116536A1 - Dichtungselement mit Einzelzellspannungs-Messeinrichtung für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102016116536A1
Application number: DE102016116536.0A
Authority: DE
Inventors: Bevan Hoskyn Moss; Ian Stewart
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-09-05
Filing date: 2016-09-05
Publication date: 2018-03-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Dichtungselement (16) zur Anordnung zwischen einer ersten und einer zweiten Bipolarplatte (15, 15‘) oder zwischen einer ersten Bipolarplatte (15) und einer Membran-Elektroden-Anordnung (14) einer Brennstoffzelle (10) und zur fluiddichten Abdichtung derselben. Das Dichtungselement (16) umfasst einen umlaufenden Rahmen (160), der eine erste Hauptfläche (161) zur Kontaktierung der ersten Bipolarplatte (15) und eine zweite Hauptfläche (162) zur Kontaktierung der zweiten Bipolarplatte (15‘) oder der Membran-Elektroden-Anordnung (14) aufweist, sowie ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement (17) für eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung. Erfindungsgemäß ist ein erstes Ende des Kontaktelements (17) innerhalb des umlaufenden Rahmens (160) eingebettet, wobei ein Abschnitt (171) des ersten Endes des Kontaktelements (17) derart an der ersten Hauptfläche (161) freiliegt, dass in einer zusammengebauten Brennstoffzelle (10) der freiliegende Abschnitt (171) die erste Bipolarplatte (15) kontaktiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Dichtungselement zur Anordnung in einer Brennstoffzelle, eine Membran-Elektroden-Dichtungs-Anordnung mit einem solchen Dichtungselement sowie eine Brennstoffzelle beziehungsweise ein Brennstoffzellenstapel mit einem solchen Dichtungselement.
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 O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ → H₂O).
Aufgrund der elektrischen Reihenschaltung der Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels fließt durch jede Einzelzelle der gleiche Strom (I_Stapel = I_Zelle) und sollte idealerweise über jede Einzelzelle die gleiche Einzelzellspannung vorliegen, wobei sich die Gesamtspannung des Stapels aus der Summe der Einzelzellenspannungen sämtlicher Zellen ergibt (U_Stapel = N·U_Zelle). 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.
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.
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.
GB 2494879 B beschreibt eine Dichtung für eine Brennstoffzelle. Die Dichtung weist ein elektrisch leitfähiges Material und einen integral mit der Dichtung geformten Verbindungs-Streifen auf. Der Verbindungs-Streifen kann alternativ auch an einer vorgeformten Dichtung angebracht worden sein.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Dichtungselement für eine Brennstoffzelle vorzuschlagen, das eine Einzelzellspannungsüberwachung zumindest ausgewählter Zellen erlaubt, welches einfach aufgebaut ist und sich leicht montieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch ein Dichtungselement für eine Brennstoffzelle (beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel), eine Membran-Elektroden-Dichtungs-Anordnung sowie eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Dichtungselement ist bestimmt und gestaltet, zwischen einer ersten und einer zweiten Bipolarplatte einer Brennstoffzelle oder zwischen einer ersten Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden-Anordnung einer Brennstoffzelle und zum Zwecke ihrer fluiddichten Abdichtung angeordnet zu werden. Das Dichtungselement umfasst einen umlaufenden Rahmen aus einem elastischem oder nicht-elastischem Material, der eine erste Hauptfläche zur Kontaktierung der ersten Bipolarplatte und eine zweite Hauptfläche aufweist. Die zweite Hauptfläche kann abhängig von der konkreten Ausgestaltung ausgebildet sein, die zweite Bipolarplatte oder die Membran-Elektroden-Anordnung zu kontaktieren. Ferner umfasst das Dichtungselement ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement für eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung, wobei ein erstes Ende des Kontaktelements innerhalb des umlaufenden Rahmens eingebettet ist und ein zweites Ende seitlich aus dem Rahmen hervorragt. Ein Abschnitt des ersten Endes des Kontaktelements liegt dabei derart an der ersten Hauptfläche frei, dass in der zusammengebauten Brennstoffzelle dieser freiliegende Abschnitt die erste Bipolarplatte (elektrisch leitend) kontaktiert.
Das erfindungsgemäße Dichtungselement mit eingebettetem Kontaktelement erlaubt die Integration einer Einzelzellspannungs-Messeinrichtung (CVM für cell voltage monitoring), die in einfacher Weise beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels in das System eingebracht werden kann. Durch elastische Verformung des Dichtungselements beziehungsweise seines Rahmens durch die im zusammengebauten Brennstoffzellenstapel einwirkende Anpresskraft wird eine elektrische Kontaktierung zwischen der ersten Bipolarplatte und dem Kontaktelement erreicht. Vorteilhaft ist ferner, dass die fixierende Kompressionskraft in 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 der Bipolarplatten oder Membran-Elektroden-Anordnungen. Schließlich zeichnet sich die erfindungsgemäße Brennstoffzelle durch eine hohe Robustheit gegen Erschütterungen sowie durch einfache Montage aus.
Unter dem Begriff „eingebettet“ wird im Rahmen dieser Erfindung verstanden, dass das erste Ende des Kontaktelements zumindest abschnittsweise von dem elastischen Material umlaufend umhüllt wird und insbesondere formschlüssig, also lückenlos eingefasst wird.
Das Dichtungselement ist vorzugsweise aus zwei Lagen ausgebildet, die im Wesentlichen den gleichen Zuschnitt wie die Flachseiten der Bipolarplatten aufweisen und zwischen denen die Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet werden kann. Dabei bildet die erste Lage die erste Hauptfläche und die zweite Lage die zweite Hauptfläche des Dichtungselements aus. Neben dem umlaufenden Rahmen weist das Dichtungselement beziehungsweise jeweils seine Lagen in bevorzugter Ausgestaltung Dichtungswulste auf, welche die eigentliche Dichtungsfunktion übernehmen, indem sie die abzudichtenden Bereiche der benachbarten Bauteile dichtend umschließen. Die abzudichtenden Bereiche umfassen insbesondere den aktiven Bereich sowie die Hauptversorgungsöffnungen von Bipolarplatte und/oder Membran-Elektroden-Anordnung. Die Membran-Elektroden-Anordnung kann somit sandwichartig von den zwei Lagen des Dichtungselements eingeschlossen sein, an denen wiederum jeweils eine Bipolarplatte angrenzt. Sofern die Membran-Elektroden-Anordnung einen Zuschnitt aufweist, welcher im Wesentlichen demjenigen der Bipolarplatten und somit dem Dichtungselement entspricht, schließt die erste Lage beziehungsweise die erste Hauptfläche des umlaufenden Rahmens an die erste Bipolarplatte an und der freiliegende Abschnitt des Kontaktelements kontaktiert diese elektrisch leitfähig, um die Spannung zu messen. Die zweite Lage beziehungsweise die zweite Hauptfläche des umlaufenden Rahmens kontaktiert dabei die zweite Bipolarplatte, ohne jedoch einen elektrischen Kontakt mit dem Kontaktelement herzustellen. Sofern – bevorzugt – die Membran-Elektroden-Anordnung einen kleineren Zuschnitt bezüglich ihrer Flachseite als die Bipolarplatten und somit als die Lagen des Dichtungselements aufweist, ragt der umlaufende Rahmen über die Ränder der Membran-Elektroden-Anordnung hinaus und bildet einen zweilagigen Rahmen aus, wobei das erste Ende des Kontaktelements zwischen beiden Lagen eingebettet ist. Wiederum kontaktiert die erste Hauptfläche des umlaufenden Rahmens und der freiliegende Anschnitt des Kontaktelements die erste Bipolarplatte und die zweite Hauptfläche des umlaufenden Rahmens die zweite Bipolarplatte.
Das Dichtungselement kann als ein eigenständiges Bauteil der Brennstoffzelle ausgebildet sein oder als ein mit der Membran-Elektroden-Anordnung verbundenes Element. Auch in diesem Fall setzt sich das Dichtungselement bevorzugt aus zwei Lagen zusammen, zwischen denen die Membran-Elektroden-Anordnung und das Kontaktelement sandwichartig angeordnet sind. Vorzugsweise ist hier das Dichtungselement stoffschlüssig mit der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden, insbesondere indem es an diese angespritzt ist. Eine solche Membran-Elektroden-Dichtungs-Anordnung ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung.
Das Dichtungselement kann somit als separate Lage/n ausgebildet sein, die zwischen jeweils einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer Bipolarplatte angeordnet wird/werden, oder das Dichtungselement kann mit der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden sein und im Verbund mit dieser zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet werden.
Unter dem Begriff „Brennstoffzelle“ wird im Rahmen dieser Erfindung sowohl eine einzelne Brennstoffzelle als auch ein Stapel mehrerer Einzelzellen verstanden, das heißt eine alternierende Anordnung von Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen mit dazwischen angeordneten elastischen Dichtungselementen gemäß der Erfindung. 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 Brennstoffzellenstapels anageordnet sind.
Das Dichtungselement dient der fluiddichten Abdichtung der Brennstoffzelle, insbesondere der Elektrodenräume, nach außen, sodass die Anoden- und Kathodenbetriebsmedien nicht nach außen entweichen können.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Ende des Kontaktelements mit dem umlaufenden Rahmen stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden ist. Hierdurch werden eine besonders sichere Fixierung des Kontaktelements und ein leichter Zusammenbau des Stapels ermöglicht. Vorzugsweise wird die stoffschlüssige Verbindung durch Umspritzen des Kontaktelements mit dem umlaufenden Rahmen erzielt. Hierzu kann beispielsweise das Kontaktelement in ein entsprechendes Spritzgießwerkzeug eingelegt werden und dann eine fließfähige Kunststoffzusammensetzung eingespritzt und ausgehärtet werden. Alternativ kann eine stoffschlüssige Verbindung durch Laminieren des Kontaktelements mit dem umlaufenden Rahmen hergestellt werden. Ein Beispiel für eine formschlüssige Verbindung stellt das Verweben von Kontaktelement mit dem umlaufenden Rahmen dar.
In bevorzugter Ausführung weist der umlaufende Rahmen auf seiner ersten Hauptfläche eine Aussparung auf, durch welche der freiliegende Abschnitt des ersten Endes des Kontaktelements freigelegt ist. Durch eine solche Aussparung beziehungsweise ein solches Fenster kann das Kontaktelement im Brennstoffzellenstapel die erste Bipolarplatte kontaktieren.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der umlaufende Rahmen (oder auch das gesamte Dichtungselement) zwei Lagen des elastischen oder nicht-elastischen Materials, zwischen denen das Kontaktelement angeordnet ist. In diesem Fall weist die der ersten Hauptfläche zugewandte Lage eine Aussparung (Fenster) auf, durch welche der freiliegende Abschnitt des ersten Endes des Kontaktelements freigelegt ist. Durch die zweilagige Ausführung des Rahmens kann in einfacher Weise die Einbettung des Kontaktelements realisiert werden, auch ohne stoffschlüssige Verbindung. Jedoch ist auch bei der zweilagigen Ausführung des Rahmens möglich und von Vorteil, das Kontaktelement stoffschlüssig und/oder formschlüssig mit einer oder beiden Lagen zu verbinden.
Obwohl durch die Einbettung des Kontaktelements und durch die elastische Verformung des Dichtungselements bereits ein hoher Anpressdruck und eine sehr gute Fixierung des Kontaktelements erzielt werden, können weitere Maßnahmen vorgesehen sein, diese noch weiter zu verbessern.
In Weiterbildungen der Erfindung weist daher der umlaufende Rahmen im Bereich des ersten Endes des Kontaktelements und auf der von dem freiliegenden Abschnitt abgewandten Seite zumindest eine Erhebung zur Verstärkung einer in der Brennstoffzelle auf das Kontaktelement wirkenden Anpresskraft auf. Durch eine solche Erhebung wird im Brennstoffzellenstapel die auf das Kontaktelement einwirkende Anpresskraft verstärkt und seine Fixierung noch weiter gesichert. Auf diese Weise wird ein noch sicherer elektrischer Kontakt zwischen Kontaktelement und erster Bipolarplatte erzielt.
Im Falle einer zweilagigen Ausführung des umlaufenden Rahmens, wie oben beschrieben, ist eine solche die Anpresskraft verstärkende Erhebung in bevorzugter Ausgestaltung an der der zweiten Hauptfläche zugewandten Lage und in Richtung des Kontaktelements weisend ausgebildet. In diesem Fall kann die Erhebung in einfacher Weise an der entsprechenden Lage während ihrer Herstellung erzeugt werden, beispielsweise bei der Formgebung der Lage in einem Formwerkzeug oder durch nachträgliche Prägung oder dergleichen.
Gemäß einer weiteren die Fixierung verbessernde Maßnahme weist das Kontaktelement zumindest eine Vertiefung oder Aussparung auf, welche formschlüssig mit dem umlaufenden Rahmen in Eingriff steht, insbesondere durch diesen umspritzt ist. Hierdurch ist ein weiteres Beispiel eine formschlüssigen Verbindung gegeben.
In bevorzugter Ausführung weist das Dichtungselement ferner zumindest eine Dichtungswulst aus einem elastischen Material auf, die ausgebildet ist, in der zusammengebauten Brennstoffzelle einen abzudichtenden Bereich abzudichten. Insbesondere umfasst das Dichtungselement eine einen aktiven Bereich der Brennstoffzelle umlaufende Dichtungswulst und/oder zumindest eine eine Hauptversorgungsöffnung (für die Anoden- beziehungsweise Kathodenbetriebsmedien und/oder Kühlmittel) der Bipolarplatte und/oder der Membran-Elektroden-Anordnung umlaufende Dichtungswulst. Die zumindest eine Dichtungswulst wird durch den umlaufenden Rahmen des erfindungsgemäßen Dichtungselements an seiner Position gehalten. Die zumindest eine Dichtungswulst kann dabei integral einstückig mit dem Rahmen ausgebildet sein, das heißt, aus dem gleichen, in diesem Fall elastischen Material und in einem Stück hergestellt sein. Die Dichtungswulst überragt auf einer oder auf beiden Hauptseiten des umlaufenden Rahmens dessen Oberfläche.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Dichtungs-Anordnung mit einer Membran-Elektroden-Anordnung, umfassend eine Polymerelektrolytmembran und zwei beidseitig daran angeordnete katalytische Elektroden (Anode und Kathode), und mit einem erfindungsgemäßen Dichtungselement.
Vorzugsweise ist das Dichtungselement zweilagig ausgebildet und die Membran-Elektroden-Anordnung zwischen den zwei Lagen angeordnet, wobei das Kontaktelement zwischen den zweilagigen umlaufenden Rahmen angeordnet ist. Die zwei Lagen bilden zusammen ein zweilagiges Dichtungselement aus, wobei die umlaufenden Rahmen der beiden Dichtungselemente den oben beschriebenen doppellagigen umlaufenden Rahmen ausbilden. Dabei ist ein Kontaktelement zwischen den beiden Lagen angeordnet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle umfassend

– eine erste Bipolarplatte und eine zweite Bipolarplatte und eine zwischen diesen angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung,
– ein Dichtungselement gemäß der Erfindung, das zwischen der ersten und zweiten Bipolarplatte die erste Bipolarplatte kontaktierend angeordnet ist.

Wie vorstehend bereits erläutert kann das Dichtungselement als eine eigenständige Lage mit im Wesentlichen gleichem Zuschnitt wie die Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen ausgebildet sein. In diesem Fall ist die Membran-Elektroden-Anordnung beidseitig von jeweils einem elastischen Dichtungselement eingeschlossen, von denen mindestens eines in der erfindungsgemäßen Weise mit einem Kontaktelement ausgestattet ist. Wenn alternativ das Dichtungselement (zweilagig) als ein die Membran-Elektroden-Anordnung umlaufender und mit dieser verbundener Rahmen ausgebildet ist, ist ein solches Verbundbauteil jeweils zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet.
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.
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 ein elastisches Dichtungselement gemäß der Erfindung und somit eine Einzelzellen-Messeinrichtung aufweisen. In dieser Ausgestaltung kann die Spannung jeder einzelnen Zelle mit hoher Genauigkeit direkt gemessen werden.
In alternativer Ausgestaltung weisen nur einzelne Paare aus Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Anordnung ein elastisches Dichtungselement gemäß der Erfindung und damit eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung auf, insbesondere in regelmäßiger Verteilung. Beispielsweise kann jedes fünfte, zehnte oder zwanzigste Paar mit jeweils einem erfindungsgemäßen Dichtungselement 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.
Diejenigen Paare aus Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Anordnung, die nicht mit einem erfindungsgemäßen Dichtungselement mit integriertem Kontaktelement ausgestattet sind, können entsprechende Dichtungselemente ohne Kontaktelement aufweisen.
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.
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 dient.
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 eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Anordnung mit Dichtungselement;
3 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte,
4 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Dichtungselement,
5 ein Detailausschnitt eines Randabschnitts eines erfindungsgemäßen Dichtungselements mit Kontaktelement und einer Bipolarplatte gemäß einer Ausgestaltung,
6 ein Detailausschnitt eines Randabschnitts eines erfindungsgemäßen Dichtungselements mit Kontaktelement und einer Bipolarplatte gemäß einer weiteren Ausgestaltung, und
7 ein Detailausschnitt eines Randabschnitts eines Dichtungselements mit Kontaktelement gemäß einer weiteren Ausgestaltung 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 (Brennstoffzelle) 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15, 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 der ersten Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der zweiten Bipolarplatte 15‘ der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15, 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. Ferner ist zwischen den Bipolarplatten 15, 15‘ und der Membran-Elektroden-Anordnung 14 jeweils ein elastisches Dichtungselement angeordnet (nicht dargestellt), welches der fluiddichten Abdichtung des Anoden- und Kathodenraums 12, 13 dienen. Alternativ kann auch die Membran-Elektroden-Anordnung 14 rahmenartig von einem erfindungsgemäßen elastischen Dichtungselement umgeben sein, sodass nur ein solches Dichtungselement zwischen den zwei Bipolarplatten, 15, 15‘ angeordnet ist.
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. 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.
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.
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.
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 (Abluft). 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.
Die 2 und 3 zeigen jeweils eine beispielhafte Membran-Elektroden-Anordnung 14 und Bipolarplatte 15 (beziehungsweise 15‘) in einer Draufsicht.
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.
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 verdeckte 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.
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 Dichtungen angedeutet, die aufgrund des erfindungsgemäßen, nachfolgend beschriebenen Dichtungselements aber auch wegfallen können.
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 142 einer Membran-Elektroden-Anordnung 14.
Ferner ist jeweils zwischen einer Bipolarplatte 15 und einer Membran-Elektroden-Anordnung 14 ein in einer ersten Ausgestaltung als eigenständige Lage ausgebildetes Dichtungselement 16 angeordnet, das in 4 dargestellt ist. Das Dichtungselement 16 weist eine erste Hauptfläche 161 auf, die im Brennstoffzellenstapel der Bipolarplatte 15 zugewandt ist und diese kontaktiert. Das Dichtungselement 16 weist ferner eine zweite, in 4 verdeckte Hauptfläche 162 auf, die im Brennstoffzellenstapel der Membran-Elektroden-Anordnung 14 zugewandt ist und diese kontaktiert. Ferner weist das Dichtungselement 16 mehrere Dichtungswulste 163, 164 auf, die vorzugsweise als Materialerhebung einstückig ausgebildet sind. Eine erste Dichtungswulst 163 umläuft im Brennstoffzellenstapel den aktiven Bereich AA von Bipolarplatte 15 und Membran-Elektroden-Anordnung 14. Weitere Dichtungswulste 164 umlaufen die Versorgungsöffnungen 144 bis 147 der Membran-Elektroden-Anordnung 14 beziehungsweise die Versorgungsöffnungen 154 bis 159 der Bipolarplatte 15 fluiddichtend. Im zusammenbauten Brennstoffzellenstapel 10 werden die Dichtungswulste 163, 164 durch die Anpresskraft elastisch verformt und dichten einerseits die Anoden- und Kathodenräume des aktiven Bereichs und andererseits die Versorgungsöffnungen 144 bis 147 beziehungsweise 154 bis 159 fluiddicht ab. Die Dichtungswulste 163, 164 sind durch eine ebene flächige Lage 160 des elastischen Materials eingefasst und werden durch diese zusammengehalten. Die flächige Lage bildet somit einen umlaufenden Rahmen 160 aus. Die flächige Lage 160 sowie die Dichtungswulste 163, 164 sind vorzugsweise einstückig 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.
Das Dichtungselement 16 umfasst ferner ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement 17 als Teil einer nicht weiter dargestellten Einzelzellspannungs-Messeinrichtung. Das Kontaktelement 17 dient als Messsensor zur Erfassung der Spannung. Bei dem Kontaktelement 17 kann es sich etwa um einen Draht oder einen Streifen eines elektrisch leitfähigen Metalls handeln. Das Kontaktelement 17 ist über nicht dargestellte elektrische Leitungen mit der Messeinrichtung verbunden. Im Betrieb der Brennstoffzelle 10 erfasst das Kontaktelement 17 die Spannung (Halbzellenspannung) der Einzelzelle.
Das Kontaktelement 17 weist ein erstes Ende (links in 4 durch die gestrichelte Kontur angedeutet) auf, das innerhalb des umlaufenden Rahmens 160 von diesem eingebettet ist. Das Kontaktelement 17 weist ferner ein zweites Ende auf (rechts in 4), das seitlich aus dem Rahmen hervorragt. Ein Abschnitt 171 (nachfolgend auch freiliegender Abschnitt genannt) des ersten Endes des Kontaktelements 17 liegt derart auf der ersten Hauptfläche 161 des umlaufenden Rahmens 160 frei, dass in der zusammengebauten Brennstoffzelle 10 der freiliegende Abschnitt 171 die erste Bipolarplatte 15 kontaktiert, um die Halbzellenspannung der Brennstoffzelle zu messen.
Die Membran-Elektroden-Anordnung 14 weist vorzugsweise einen kleineren Zuschnitt als die Bipolarplatten 15, 15‘ und als das Dichtungselement 16 auf, sodass der Rand 160 des Dichtungselements 16 teilweise den Rand der Membran-Elektroden-Anordnung 14 überlappt. Wenn in dieser Konstellation die Membran-Elektroden-Anordnung 14 zwischen zwei Lagen des Dichtungselementes 16 gleicher Gestaltung angeordnet wird, bilden die beiden überragenden Randabschnitte der Lagen einen doppellagigen Rahmen aus, der die Membran-Elektroden-Anordnung 14 umläuft. Der doppellagige Rahmen 160 des die Membran-Elektroden-Anordnung 14 einfassenden Dichtungselements 16 liegt dann mit seiner ersten, die erste Hauptfläche 161 ausbildenden Lage an der ersten Bipolarplatte 15 und diese kontaktierend an. Die zweite Hauptfläche 162, die durch die zweite Lage gebildet wird, kontaktiert die zweite Bipolarplatte 15‘. Diese Art der Anordnung ist in den nachfolgenden 5 und 6 in Ausführungen beschrieben.
5 zeigt einen Ausschnitt des umlaufenden Rahmens 160 eines zweilagigen Dichtungselements 16 gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung, das eine nicht dargestellte Membran-Elektroden-Anordnung 14 sandwichartig einschließt und rahmenartig umgibt. Angedeutet ist ferner einer darunter angeordnete Bipolarplatte 15‘. Zur besseren Erkennbarkeit sind die Lagen 166, 167 des Dichtungselements 16 als Explosionsdarstellung beabstandet zur Bipolarplatte 15‘ dargestellt. Gemäß dieser Ausgestaltung bildet der umlaufende Rahmen 160 somit einen doppellagigen, die Membran-Elektroden-Anordnung 14 umlaufenden Rahmen aus. Die erste Hauptfläche 161 des Rahmens 160 des Dichtungselements 16 ist der hier nicht dargestellten ersten Bipolarplatte 15 zugewandt und kontaktiert diese und die zweite Hauptfläche 162 des Rahmens 160 des Dichtungselements 16 ist der zweiten Bipolarplatte 15‘ zugewandt und kontaktiert diese. Das Kontaktelement 17 ist mit seinem ersten Ende zwischen den beiden Lagen 166, 167 angeordnet, sodass es von diesen eingebettet wird. Optional können die beiden Lagen 166, 167 an die Membran-Elektroden-Anordnung 14 und das Kontaktelement 17 angespritzt sein. Der Rahmen 160 weist innerhalb der ersten Lage 166 eine Aussparung 165 auf, durch die der Abschnitt 171 des Kontaktelements 17 freiliegt. Auf diese Weise kommt es im zusammengebauten Brennstoffzellenstapel 10 zu einer elektrischen Kontaktierung des freiliegenden Abschnitts 171 und der auf der ersten Hauptfläche 161 angeordneten Bipolarplatte 15, die in 5 nicht dargestellt ist. Wie in 5 ferner erkennbar ist, weist die andere Bipolarplatte 15‘, mit der keine elektrische Kontaktierung durch das Kontaktelement 17 erfolgt, eine Vertiefung 150 auf, welche das Kontaktelement 17 beziehungsweise den dieses einbettende Abschnitt des Rahmens 160‘ aufnimmt.
6 zeigt einen Ausschnitt des umlaufenden Rahmens 160 eines zweilagigen Dichtungselements 16 gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung, das eine nicht dargestellte Membran-Elektroden-Anordnung 14 sandwichartig einschließt und rahmenartig umgibt, und einer darunter angeordneten Bipolarplatte 15. Zur besseren Erkennbarkeit sind die Lagen 166, 167 des Dichtungselements 16 als Explosionsdarstellung beabstandet zur Bipolarplatte 15 dargestellt. In dieser Darstellung weist die erste, hier unten liegende Lage 166 die Aussparung 165 auf, durch die der Abschnitt 171 des Kontaktelements 17 freiliegt und die Bipolarplatte 15 kontaktiert. Die Aussparung 165 ist in der Darstellung nicht sichtbar. Gemäß der dargestellten Ausführung weist die zweite Lage 167, die keine Aussparung enthält, mehrere Erhebungen 168 im Bereich des Kontaktelements 17 auf, die in Richtung des Kontaktelements 17 weisend ausgebildet ist. Die Erhebungen können als in Richtung des Kontaktelements 17 weisende Materialverdickungen ausgebildet sein oder in das Material eingeprägt sein. Die Erhebungen haben den Effekt, dass in der Brennstoffzelle 10 der Anpressduck auf das Kontaktelement 17 verstärkt wird und somit das Kontaktelement 17 mit seinem freiliegendem Abschnitt 171 sicher die Bipolarplatte 15 elektrisch leitfähig kontaktiert. Die Erhebungen 168 können eine beliebige Kontur aufweisen und in beliebiger Anzahl vorliegen.
Eine weitere Ausgestaltung ist in 7 gezeigt, die wiederum nur einen Ausschnitt eines Rahmens 160 eines eine Membran-Elektroden-Anordnung 14 umlaufenden Dichtungselements 16 darstellt. Hier ist lediglich die zweite Lage 167 des umlaufenden Rahmens 160 des Dichtungselements 16 gezeigt, sodass das Kontaktelement 17 sichtbar ist. In dieser Ausführung weist das Kontaktelement 17 zumindest zwei Vertiefungen oder Aussparungen 172 auf, welche mit korrespondierenden Fixierungserhebungen 169 der Lage 167 in einem formschlüssigen Eingriff stehen. Diese formschlüssige Verbindung kann insbesondere hergestellt werden, indem das Kontaktelement 17 mit dem elastischen Material des Dichtungselements 16 umspritzt wird. Durch die Aussparungen 172 und Fixierungserhebungen 169 wird zusätzliche formschlüssige Fixierung des Kontaktelements 17 innerhalb des Dichtungselements 16 und des Brennstoffzellenstapels 10 erzielt. Diese gewährleistet, dass eine seitliche Verschiebung des Kontaktelements 17 verhindert wird und erleichtert zusätzlich den Zusammenbau des Stapels.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
141: Anodenseite
142: Kathodenseite
143: katalytische Elektrode / Anode
144: Versorgungsöffnung / Anodeneinlassöffnung
145: Versorgungsöffnung / Anodenauslassöffnung
146: Versorgungsöffnung / Kathodeneinlassöffnung
147: Versorgungsöffnung / Kathodenauslassöffnung
148: Versorgungsöffnung / Kühlmitteleinlassöffnung
149: Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung
15: Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
150: Vertiefung
151: Anodenseite
152: Kathodenseite
153: Betriebsmittelkanal (Reaktantenkanal)
154: Versorgungsöffnung / Anodeneinlassöffnung
155: Versorgungsöffnung/ Anodenauslassöffnung
156: Versorgungsöffnung / Kathodeneinlassöffnung
157: Versorgungsöffnung / Kathodenauslassöffnung
158: Versorgungsöffnung / Kühlmitteleinlassöffnung
159: Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung
16: Dichtungselement
160: umlaufender Rahmen
161: erste Hauptseite
162: zweite Hauptseite
163: Dichtungswulst aktiver Bereich
164: Dichtungswulst Versorgungsöffnung
165: Aussparung / Fenster
166: erste Lage
167: zweite Lage
168: Druckverstärkungserhebungen
169: Fixierungserhebung
17: Kontaktelement
171: freiliegender Anschnitt
172: Aussparung
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Brennstofftank
24: Stellmittel
25: Brennstoffrezirkulationsleitung
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Wastegate-Leitung
38: Stellmittel
39: Befeuchtermodul
AA: Aktiver Bereich (Reaktionsbereich, active area)
IA: Inaktiver Bereich (inactive area)
SA: Versorgungsbereich (supply area)
DA: Verteilerbereich (distribution area)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2004288426 A [0006]
GB 2494879 B [0007]

Claims

Dichtungselement (16) zur Anordnung zwischen einer ersten und einer zweiten Bipolarplatte (15, 15‘) einer Brennstoffzelle (10) oder zwischen einer ersten Bipolarplatte (15) und einer Membran-Elektroden-Anordnung (14) einer Brennstoffzelle (10) und zur fluiddichten Abdichtung derselben, umfassend einen umlaufenden Rahmen (160), der eine erste Hauptfläche (161) zur Kontaktierung der ersten Bipolarplatte (15) und eine zweite Hauptfläche (162) aufweist, sowie ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement (17) für eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Ende des Kontaktelements (17) innerhalb des umlaufenden Rahmens (160) eingebettet ist und ein zweites Ende seitlich aus dem Rahmen hervorragt und dass ein Abschnitt (171) des ersten Endes des Kontaktelements (17) derart an der ersten Hauptfläche (161) des umlaufenden Rahmens (160) freiliegt, dass in einer zusammengebauten Brennstoffzelle (10) der freiliegende Abschnitt (171) die erste Bipolarplatte (15) kontaktiert.
Dichtungselement (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ende des Kontaktelements (17) mit dem umlaufenden Rahmen (160) stoffschlüssig und/oder formschlüssig verbunden ist, insbesondere mit dem umlaufenden Rahmen (160) umspritzt, laminiert oder verwebt ist.
Dichtungselement (16) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Rahmen (160) auf seiner ersten Hauptfläche (161) eine Aussparung (165) aufweist, durch welche der freiliegende Abschnitt (171) des ersten Endes des Kontaktelements (17) freigelegt ist.
Dichtungselement (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Rahmen (160) zwei Lagen (166, 167) umfasst, zwischen denen das Kontaktelement (17) angeordnet ist, wobei die der ersten Hauptfläche (161) zugewandte Lage (166) eine Aussparung (165) aufweist, durch welche der freiliegende Abschnitt (171) des ersten Endes des Kontaktelements (17) freigelegt ist.
Dichtungselement (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Rahmen (160) im Bereich des ersten Endes des Kontaktelements (17) und auf der von dem freiliegenden Abschnitt (171) abgewandten Seite zumindest eine Erhebung (168) zur Verstärkung einer in der Brennstoffzelle auf das Kontaktelement (17) wirkenden Anpresskraft aufweist.
Dichtungselement (16) nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet dass, die Erhebung (168) an der der zweiten Hauptfläche (162) zugewandten Lage (167) und in Richtung des Kontaktelements (17) weisend ausgebildet ist.
Dichtungselement (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (17) zumindest eine Vertiefung oder Aussparung (172) aufweist, welche formschlüssig mit dem umlaufenden Rahmen (160) in Eingriff steht.
Dichtungselement (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (16) ferner zumindest eine Dichtungswulst (163, 164) aus einem elastischen Material aufweist, die ausgebildet ist, in der zusammengebauten Brennstoffzelle (10) einen abzudichtenden Bereich abzudichten, insbesondere umfassend eine einen aktiven Bereich der Brennstoffzelle (10) umlaufende Dichtungswulst (163) und/oder zumindest einen eine Hauptversorgungsöffnung (144–149, 154–159) der Bipolarplatte (15) und/oder der Membran-Elektroden-Anordnung (14) umlaufenden Dichtungswulst (164).
Membran-Elektroden-Dichtungs-Anordnung mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (14), umfassend eine Polymerelektrolytmembran und zwei beidseitig daran angeordnete katalytische Elektroden, und mit einem Dichtungselement (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Membran-Elektroden-Dichtungs-Anordnung nach Anspruch 9, wobei das Dichtungselement (16) zweilagig ausgebildet ist und die Membran-Elektroden-Anordnung (14) und das Kontaktelement (17) zwischen den zwei Lagen (166, 167) angeordnet ist.
Brennstoffzelle (10), umfassend – eine erste Bipolarplatte (15) und eine zweite Bipolarplatte (15‘) und eine zwischen diesen angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (14), – ein Dichtungselement (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das zwischen der ersten und zweiten Bipolarplatte (15, 15‘) die erste Bipolarplatte (15) kontaktierend angeordnet ist.