DE102016121614A1

DE102016121614A1 - Einzelzell-Anordnung für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102016121614A1
Application number: DE102016121614.3A
Authority: DE
Inventors: Emerson R. Gallagher
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-11-11
Filing date: 2016-11-11
Publication date: 2018-05-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einzelzell-Anordnung (10) für eine Brennstoffzelle (100). Die Einzelzell-Anordnung (10) umfassteine Membran-Elektroden-Anordnung (12) mit einer Membran (14) und beidseitig flächig an der Membran (14) angeordneten Elektroden (16), wobei die Membran-Elektroden-Anordnung (12) einen aktiven Bereich (18) aufweist,einen nichtleitenden Rahmen (20), welcher die Membran-Elektroden-Anordnung (12) einseitig überlappend umrahmt,eine stoffschlüssige Verbindung (22), welche den aktiven Bereich (18) der Membran-Elektroden-Anordnung (12) umschließt und den nichtleitenden Rahmen (20) mit der Membran-Elektroden-Anordnung (12) umlaufend dichtend verbindet, undeine erste Gasdiffusionslage (24), welche sich einseitig der Membran-Elektroden-Anordnung (12) entlang des aktiven Bereichs (18) erstreckt.Es ist vorgesehen, dass die erste Gasdiffusionslage (24) zwischen die Membran-Elektroden-Anordnung (12) und einen inneren Randbereich (26) des nichtleitenden Rahmens (20) hineinragt.Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel (100) mit mehreren erfindungsgemäßen, gestapelten Einzelzell-Anordnungen (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Einzelzell-Anordnung für eine Brennstoffzelle. Die Einzelzell-Anordnung umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Membran und beidseitig flächig an der Membran angeordneten Elektroden, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung einen aktiven Bereich aufweist. Ferner umfasst die Einzelzell-Anordnung einen nichtleitenden Rahmen, welcher die Membran-Elektroden-Anordnung einseitig überlappend umrahmt, eine stoffschlüssige Verbindung, welche den aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung umschließt und den nichtleitenden Rahmen mit der Membran-Elektroden-Anordnung umlaufend dichtend verbindet. Zudem umfasst die Einzelzell-Anordnung eine erste Gasdiffusionslage, welche sich einseitig der Membran-Elektroden-Anordnung entlang des aktiven Bereichs erstreckt. Die Erfindung betrifft ferner einen Brennstoffzellenstapel, welcher eine Mehrzahl solcher Einzelzell-Anordnung aufweist.
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 MEAs 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 → 2 H⁺ + 2 e^-). 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 (½ O₂ + 2 e^- → O^2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2- + 2 H⁺ → 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. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.
Typischerweise ist eine Membran-Elektroden-Anordnung beidseitig von Folien eingerahmt. Dies erlaubt es, die Membran-Elektroden-Anordnung auf den aktiven Bereich zu beschränken, um Materialkosten für die relativ teure Membran-Elektroden-Anordnung zu sparen. Die zumeist thermoplastischen Folien sind jedoch anfällig für Kriechen und engen deshalb Kanäle von sogenannten Verteilerbereichen und Sammelbereichen der Bipolarplatten ein. Es können zwar auch duroplastische Folien (Rahmen) verwendet werden, jedoch sind diese komplexer zu verarbeiten.
Die DE 10 2014 205 081 A1 offenbart eine Membran-Anordnung mit einer Randverstärkungsfolie, welche einen aktiven Bereich der Membran-Anordnung umlaufend umschließt. Eine Gasdiffusionslage ist einseitig der Membran-Anordnung aus dem aktiven Bereich heraus in einen Verteiler- oder Sammelbereich verlängert, um dort eine Abstützung der Randverstärkungsfolie zu realisieren. Die Abstützung kann mit der Membran-Anordnung verklebt sein, um ein Loslösen der Membran-Anordnung von der Abstützung zu verhindern.
Ferner ist bekannt, dass sich die Membran-Elektroden-Anordnung bis zum Rand der Bipolarplatte erstreckt und Dichtungen auf den angrenzenden Bipolarplatte gegen die Membran-Elektroden-Anordnung dichten oder die Dichtungen direkt auf der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet sind und gegen die Bipolarplatten dichten.
US 2015/0357656 A1 beschreibt eine Brennstoffzelle mit Einzelzell-Anordnungen, bei denen ein Folienrahmen eine Membran-Elektroden-Anordnung einseitig überlappend umschließt und mit der Membran-Elektroden-Anordnung verklebt ist. Ein innerer Rand des Folienrahmens ist dabei zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und einer ersten Gasdiffusionslage angeordnet. Der Folienrahmen ist ferner mit einer über die Membran-Elektroden-Anordnung stehenden zweiten Gasdiffusionslage und einer Bipolarplatte verklebt. Durch die Klebungen sind Übergänge des Folienrahmens zur Membran-Elektroden-Anordnung und zur Bipolarplatte hin abgedichtet. Ferner ist der Folienrahmen mit Erhöhungen der Bipolarplatte in einem Verteilerbereich der Bipolarplatte verklebt, wodurch eine geringe Bauhöhe realisiert wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Einzelzell-Anordnung vorzuschlagen, welche bei der Herstellung des Brennstoffzellenstapels leichter zu handhaben ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Einzelzell-Anordnung für eine Brennstoffzelle und einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die Einzelzell-Anordnung für eine Brennstoffzelle umfasst

- eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Membran und beidseitig flächig an der Membran angeordneten Elektroden, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung einen aktiven Bereich aufweist,
- einen nichtleitenden Rahmen, welcher die Membran-Elektroden-Anordnung einseitig überlappend umrahmt,
- eine stoffschlüssige Verbindung, welche den aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung umschließt und den nichtleitenden Rahmen mit der Membran-Elektroden-Anordnung umlaufend dichtend verbindet,
- eine erste Gasdiffusionslage, welche sich einseitig der Membran entlang des aktiven Bereichs erstreckt.

Durch die erfindungsgemäßen Merkmale wird erreicht, dass die Gasdiffusionslage zwischen dem nichtleitenden Rahmen und der Membran gehalten wird, also fixiert ist. Dadurch kann ein nachträgliches Positionieren und gegebenenfalls Verbinden der Gasdiffusionslage mit der Membran-Elektroden-Anordnung entfallen. Die Handhabung der Einzelzell-Anordnung bei der Herstellung eines Brennstoffzellenstapels wird somit wesentlich vereinfacht und somit die Kosten gesenkt. Der nichtleitende Rahmen ist ein isolierender Rahmen, typischerweise ein elektrisch nichtleitender, also ein elektrisch isolierender Rahmen. Der Rahmen kann ferner ein Protonen-nichtleitender Rahmen, also ein Protonen-isolierender Rahmen sein.
Insbesondere ist der nichtleitende Rahmen ein Folienrahmen, welcher besonders bevorzugt (lediglich) eine einzelne (also nicht mehr als eine) Folie aufweist. Somit ist der nichtleitende Rahmen einlagig ausgeführt. Dass der nichtleitende Rahmen die Membran-Elektroden-Anordnung einseitig überlappend umrahmt, bedeutet, dass der nichtleitende Rahmen die Membran-Elektroden-Anordnung lediglich einseitig überlappend umrahmt, also nur auf einer einzigen Seite (und nicht auf beiden Seiten) die Membran-Elektroden-Anordnung überlappend umrahmt. Dadurch werden ebenfalls Kosten und auch Bauhöhe gespart.
Die erste Gasdiffusionslage erstreckt sich bevorzugt aus dem aktiven Bereich heraus, um zwischen die Membran-Elektroden-Anordnung und den wenigstens einen inneren Randbereich des nichtleitenden Rahmens hineinzuragen. Dadurch wird im Randbereich des nichtleitenden Rahmens der aktive Bereich nicht durch den nichtleitenden Rahmen abgedeckt.
Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst zwei Elektroden, welche typischerweise flächig mit einer Membran verbunden sind. Insbesondere ist die Membran mit den Elektroden beschichtet (englisch: catalytic coated membrane, kurz: CCM). Aus Kostengründen ist es dabei zweckmäßig, die Elektroden lediglich im (chemisch) aktiven Bereich vorzusehen. Durch die Erfindung bedeckt die Membran-Elektroden-Anordnung insbesondere nicht einen Verteilerbereich oder Sammelbereich einer angrenzenden Bipolarplatte.
Der nichtleitende Rahmen, welcher eine Folie, insbesondere eine Kunststofffolie ist, weist eine zentrale Aussparung auf, welche es einem Reaktanten, typischerweise Wasserstoff oder in Luft enthaltener Sauerstoff, ermöglicht, zum aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung zu gelangen.
Unter stoffschlüssigen Verbindungen werden allgemein Verbindungen verstanden, bei denen die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden.
Beispiele wären zum Beispiel Kleben oder Verschmelzen. Dadurch, dass die stoffschlüssige Verbindung den nichtleitenden Rahmen mit der Membran-Elektroden-Anordnung umlaufend (gasdicht) dichtend verbindet, wird durch den nichtleitenden Rahmen in Kombination mit der Membran-Elektroden-Anordnung eine durchgehend dichte Fläche geschaffen, durch welche im Betrieb die Reaktanten beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung getrennt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich die Membran der Membran-Elektroden-Anordnung umlaufend über einen (äußeren) Rand der ersten Gasdiffusionslage hinaus erstreckt. Die sich umlaufend (also an allen Rändern der ersten Gasdiffusionslage) über den Rand der ersten Gasdiffusionslage hinaus erstreckende Membran ermöglicht eine flächige stoffschlüssige Verbindung des nichtleitenden Rahmens mit der Membran-Elektroden-Anordnung, insbesondere mit deren Membran. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Membran-Elektroden-Anordnung nur so weit über den Rand der ersten Gasdiffusionslage hinaus, dass die stoffschlüssige Verbindung des nichtleitenden Rahmens mit der Membran-Elektroden-Anordnung ermöglicht wird, wodurch Membran-Material gespart wird.
Insbesondere umschließt jener Bereich, in welchem die stoffschlüssige Verbindung den nichtleitenden Rahmen mit der Membran-Elektroden-Anordnung umlaufend dichtend verbindet jenen Bereich, in welchem die erste Gasdiffusionslage zwischen die Membran-Elektroden-Anordnung und den inneren Randbereich des nichtleitenden Rahmens hineinragt. Somit weist der Folienrahmen räumlich getrennte Bereiche auf, wobei er in einem ersten Bereich die erste Gasdiffusionslage an der Membran-Elektroden-Anordnung hält und in dem anderen Bereich die stoffschlüssige Verbindung zu der Membran-Elektroden-Anordnung aufweist. Somit wird eine besonders zuverlässig dichtende Verbindung sowie ein sicherer Halt der ersten Gasdiffusionslage gewährleistet. Die Verbindung könnte auch erfolgen, wenn der Rahmen mit einer Elektrode stoffschlüssig verbunden ist, wobei die Elektrode ihrerseits mit der Membran (fest) verbunden ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Gasdiffusionslage umlaufend zwischen die Membran und den inneren Randbereich des nichtleitenden Rahmens hineinragt. Somit wird die erste Gasdiffusionslage an allen ihren Rändern von dem nichtleitenden Rahmen an der Gasdiffusionslage gehalten.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die erste Gasdiffusionslage an zwei gegenüberliegenden Randbereichen des nichtleitenden Rahmens zwischen die Membran-Elektroden-Anordnung und den inneren Randbereichen des nichtleitenden Rahmens hineinragt. Somit wird die erste Gasdiffusionslage lediglich an zwei gegenüberliegenden Rändern von dem nichtleitenden Rahmen an der Membran-Elektroden-Anordnung gehalten. Die beiden Ränder der ersten Gasdiffusionslage welche die gehaltenen, gegenüberliegenden Ränder verbinden, werden somit nicht von dem nichtleitenden Rahmen bedeckt, wodurch ein Reaktantentransport zum aktiven Bereich verbessert wird.
Vorzugsweise ist zwischen dem Folienrahmen und der ersten Gasdiffusionslage keine stoffschlüssige Verbindung vorgesehen. Somit werden Verwerfungen, welche durch unterschiedliche Wärmedehnungskoeffizienten des Rahmens und der ersten Gasdiffusionslage oder durch Alterungsvorgänge auftreten können verhindert, da der Rahmen auf der ersten Gasdiffusionslage nur aufliegt ohne z. B. zu kleben.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass eine stoffschlüssige Verbindung vorgesehen ist, welche den nichtleitenden Rahmen mit der ersten Gasdiffusionslage verbindet. Somit wird der Halt der ersten Gasdiffusionslage zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und dem nichtleitenden Rahmen verbessert, sodass auch bei relativ nachgiebigen nichtleitenden Rahmen die Gasdiffusionslage sicher gehalten wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Einzelzell-Anordnung eine zweite Gasdiffusionslage umfasst, welche an einer der ersten Gasdiffusionslage gegenüberliegenden Seite der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet ist. Somit umfasst die Einzelzell-Anordnung beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung eine Gasdiffusionslage.
Insbesondere ist eine stoffschlüssige Verbindung vorgesehen, welche den nichtleitenden Rahmen mit der zweiten Gasdiffusionslage verbindet. Somit ist eine Einzelzell-Anordnung geschaffen, welche eine Membran-Elektroden-Anordnung und zwei beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnete Gasdiffusionslagen als eine leicht handhabbare Einheit ausbildet.
Ferner bevorzugt ist vorgesehen, dass die Einzelzell-Anordnung eine Bipolarplatte umfasst, welche an einer der ersten Gasdiffusionslage gegenüberliegenden Seite der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet ist. Die Bipolarplatte dient dabei zur Versorgung der Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Reaktanten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einzelzell-Anordnung eine stoffschlüssige Verbindung aufweist, welche den nichtleitenden Rahmen mit der Bipolarplatte (entlang deren Randbereich) umlaufend dichtend verbindet. Somit ist ein Zwischenraum zwischen der Bipolarplatte und dem nichtleitenden Rahmen mitsamt der Membran-Elektroden-Anordnung umlaufend gedichtet, sodass ein Arbeitsraum für einen der Reaktanten bereitgestellt wird. Dadurch wird eine notwenige Dicke der Einzelzell-Anordnung in einer Dichtungsregion minimiert, was eine robuste Einzelzell-Dichtung bei einem gegebenen Bipolarplatten-Abstand erlaubt.
Vorzugsweise weist die Einzelzell-Anordnung auf der Bipolarplatte an einer dem nichtleitenden Rahmen abgewandten Seite eine umlaufende Dichtung auf, welche insbesondere im Betrieb einen Reaktantenraum zwischen der Bipolarplatte und einem nichtleitenden Rahmen einer benachbarten Einzelzell-Anordnung abdichtet. Somit können zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels einfach mehrere Einzelzell-Anordnungen (ohne zusätzlich dazwischen angeordnete Bauelemente) gestapelt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die zweite Gasdiffusionslage aus dem aktiven Bereich (und somit über einen Rand der Membran-Elektroden-Anordnung hinaus) in einen Verteilerbereich oder Sammelbereich der Bipolarplatte erstreckt. Der Verteilerbereich oder Sammelbereich verbindet ein Flussfeld der Bipolarplatte im aktiven Bereich mit einer die Bipolarplatte durchdringenden Versorgungsöffnung und wird von der zweiten Gasdiffusionslage insbesondere bedeckt. Die zweite Gasdiffusionslage ist also zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und der Bipolarplatte angeordnet und erstreckt sich aus dem aktiven Bereich heraus in einen Verteilerbereich oder Sammelbereich der Bipolarplatte hinein. Insbesondere erstreckt sich die zweite Gasdiffusionslage auf einer (einzigen) Seite der Membran in den Verteilerbereich und den Sammelbereich. Dies erfolgt insbesondere an zwei gegenüberliegenden Seiten des aktiven Bereichs. Somit ist eine Abstützung des nichtleitenden Rahmens im Verteilerbereich und/oder Sammelbereich gegeben, welche durch die relativ hohe Steifigkeit der zweiten Gasdiffusionslage ein Kriechen des nichtleitenden Rahmens in eine Strömungsstruktur des Verteilerbereichs oder Sammelbereichs verhindert. Wenn zwischen der zweiten Gasdiffusionslage und dem nichtleitenden Rahmen auch eine stoffschlüssige Verbindung vorgesehen ist, so wird auch ein Kriechen des nichtleitenden Rahmens in einen Verteilerbereich oder Sammelbereich einer zweiten Bipolarplatte verhindert, welche an die erste Gasdiffusionslage angrenzt. Insgesamt ist durch diese Ausgestaltung eine robuste und formstabile Reaktanten-Separation im Verteilerbereich und/oder Sammelbereich gegeben. Durch die eingesparte Bauhöhe im Verteiler- und/oder Sammelbereich ist es nun leichter möglich, Kühlmäntel und Klebeverbindungen zu realisieren.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein thermoplastischer Klebstoff die stoffschlüssige Verbindung ausbildet. Insbesondere ist die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem nichtleitenden Rahmen und der Bipolarplatte derart ausgebildet. Der thermoplastische Klebstoff kann einen Schmelzklebstoff umfassen. Derartige Klebstoffe werden durch Erwärmen geschmolzen und verbinden sich mit ihrem Klebepartner.
Die stoffschlüssige Verbindung kann ferner die Verbindung des nichtleitenden Rahmens mit der ersten Gasdiffusionslage, der Membran-Elektroden-Anordnung und/oder der zweiten Gasdiffusionslage sein. So ist insbesondere vorgesehen, dass die stoffschlüssige Verbindung den nichtleitenden Rahmen mit der ersten Gasdiffusionslage, der Membran-Elektroden-Anordnung (insbesondere deren Membran) und der zweiten Gasdiffusionslage auf derselben Seite des nichtleitenden Rahmens verbindet. Es muss somit die stoffschlüssige Verbindung auf nur einer einzigen Seite des Rahmens vorgesehen sein um den Rahmen mit der Membran-Elektroden-Anordnung und den beiden Gasdiffusionslagen zu verbinden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der nichtleitende Rahmen eine selbstklebende Folie ist. Vorzugsweise ist der nichtleitende Rahmen einseitig vollständig mit einem Klebstoff beschichtet. Durch diese besonders bevorzugte Ausgestaltung kann der nichtleitende Rahmen einfach aus einem selbstklebenden Folien-Rohling hergestellt, insbesondere ausgestanzt werden. Ein aufwendiger Schritt des Beschichtens der Komponenten der stoffschlüssigen Verbindung (oder der stoffschlüssigen Verbindungen) mit Klebstoff entfällt somit. Alternativ könnte aber auch ein separat aufgebrachter Klebstoff verwendet werden, um eine oder mehrere der stoffschlüssigen Verbindungen (insbesondere zwischen dem nichtleitenden Rahmen und der Bipolarplatte) herzustellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine Einzelplatte der Bipolarplatte so geformt ist, dass Kanäle eines Verteilerbereichs und/oder Sammelbereichs derart ausgestaltet sind, dass sie eine größere Tiefe als im aktiven Bereich aufweisen. Somit wird ein zur Verfügung stehendes Volumen für den Verteilerbereich und Sammelbereich maximiert, was einen verringerten Druckverlust bewirkt. Ein Höhengewinn, welcher aus der nur einseitig im Verteilerbereich oder Sammelbereich angeordneten Gasdiffusionslage resultiert, kann dabei einer größeren Tiefe der Kanäle der Verteilerbereiche und/oder Sammelbereiche beidseitig der Bipolarplatte zugute kommen.
Ferner wird eine Einzelzell-Anordnung für eine Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt. Die Einzelzell-Anordnung umfasst

- eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Membran und beidseitig flächig an der Membran angeordneten Elektroden, wobei die Membran-Elektroden-Anordnung einen aktiven Bereich aufweist,
- einen nichtleitenden Rahmen, welcher die Membran-Elektroden-Anordnung einseitig überlappend umrahmt,
- eine stoffschlüssige Verbindung , welche den aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung umschließt und den nichtleitenden Rahmen mit der Membran-Elektroden-Anordnung umlaufend dichtend verbindet, und
- eine erste Gasdiffusionslage, welche sich einseitig der Membran-Elektroden-Anordnung entlang des aktiven Bereichs erstreckt, wobei sich die erste Gasdiffusionslage zwischen die Membran-Elektroden-Anordnung (insbesondere den aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung) und einen inneren Randbereich des nichtleitenden Rahmens erstreckt,
- eine zweite Gasdiffusionslage, welche sich entlang einer der ersten Gasdiffusionslage gegenüberliegenden Seite der Membran (des aktiven Bereichs) erstreckt, wobei sich die zweite Gasdiffusionslage wenigstens bis zu einem (äußeren) Rand der Membran erstreckt.

Die folgenden Ausgestaltungen sind bevorzugt mit allen obenstehenden Ausgestaltungen kombinierbar.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der nichtleitende Rahmen sich in allen Richtungen (umlaufend) über die Membran hinaus erstreckt und mit einer Bipolarplatte mittels einer stoffschlüssigen Verbindung dichtend verbunden ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die zweite Gasdiffusionslage in wenigstens einer Richtung (bis) zu einer umrandenden stoffschlüssigen Verbindung, welche den nichtleitenden Rahmen und die Bipolarplatte dichtend verbindet, über die Membran hinausragt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der nichtleitende Rahmen und die zweite Gasdiffusionslage mittels einer stoffschlüssigen Verbindung verbunden sind.
Vorzugsweise erstreckt sich der nichtleitende Rahmen über den Verteilerbereich der Bipolarplatte.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Bereich der zweiten Gasdiffusionslage, welcher über den aktiven Bereich hinausragt einen Verteilerbereich der Bipolarplatte bedeck.
Ferner wird ein Brennstoffzellenstapel mit mehreren gestapelten, also an deren Flachseiten aneinandergereihten, Einzelzell-Anordnungen gemäß der Erfindung zur Verfügung gestellt. Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel ist durch die verbesserte Handhabbarkeit der Einzelzell-Anordnung besonders einfach herstellbar und somit kostengünstiger als aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffzellenstapel. Insbesondere ist der Brennstoffzellenstapel Teil eines Brennstoffzellensystems, welches neben dem Brennstoffzellenstapel eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung mit den entsprechenden Peripheriekomponenten aufweist.
Ferner wird ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, welches einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel umfasst. 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.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Schnittdarstellung einer Einzelzell-Anordnung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
2 eine Draufsicht auf die Einzelzell-Anordnung;
3 eine schematische Draufsicht auf eine Bipolarplatte gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung; und
4 eine schematische Schnittdarstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung.

1 und 2 zeigen schematisch eine Einzelzell-Anordnung 10 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, wobei 1 die Einzelzell-Anordnung 10 in einer Schnittdarstellung und 2 die Einzelzell-Anordnung 10 in einer Draufsicht darstellt.
Die Einzelzell-Anordnung 10 umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung 12 (MEA) mit einer Membran 14 und beidseitig der Membran 14 flächig angeordneten Elektroden 16. Die Membran-Elektroden-Anordnung 12 weist einen aktiven Bereich 18 auf, welcher durch seine chemisch aktive Funktion gekennzeichnet ist.
Ferner weist die Einzelzell-Anordnung 10 einen nichtleitenden Rahmen 20 auf, welcher die Membran-Elektroden-Anordnung 12 einseitig überlappend umrahmt. Mittels einer stoffschlüssigen Verbindung 22, zum Beispiel einer Klebung, welche den aktiven Bereich 18 der Membran-Elektroden-Anordnung 12 umschließt, ist der nichtleitende Rahmen 20 mit der Membran-Elektroden-Anordnung 12 umlaufend dichtend verbunden.
Eine erste Gasdiffusionslage 24 erstreckt sich entlang einer Flachseite der Membran-Elektroden-Anordnung 12 und entlang des aktiven Bereichs 18. Die erste Gasdiffusionslage 24 ragt erfindungsgemäß zwischen die Membran-Elektroden-Anordnung 12 und einen inneren Randbereich 26 des nichtleitenden Rahmens 20.
Die Membran 14 der Membran-Elektroden-Anordnung 12 erstreckt sich umlaufend über einen Rand der ersten Gasdiffusionslage 24 hinaus. Dadurch kann die stoffschlüssige Verbindung 22 flächig zwischen dem nichtleitenden Rahmen 20 und der Membran 14 ausgeführt sein. Außerhalb der ersten Gasdiffusionslage 24 kann dabei auf die Elektroden 16 verzichtet werden, um teures Elektrodenmaterial zu sparen.
Im dargestellten Beispiel ragt die erste Gasdiffusionslage 24 umlaufend zwischen die Membran und den inneren Randbereich 26 des nichtleitenden Rahmens 20. Dadurch wird die erste Gasdiffusionslage 24 umlaufend formschlüssig vom nichtleitenden Rahmen 20 an der Membran-Elektroden-Anordnung 12 gehalten. Dies kann leicht anhand der Darstellung des inneren Rands 28 des nichtleitenden Rahmens 20 erkannt werden.
Als Alternative dazu könnte die erste Gasdiffusionslage 24 an zwei gegenüberliegenden Randbereichen (anstatt umlaufend) zwischen die Membran-Elektroden-Anordnung 12 und den alternativen inneren Randbereichen des nichtleitenden Rahmens 20 hineinragen. Zur Verbildlichung ist ein alternativer innerer Rand 29 des nichtleitenden Rahmens in 2 gestrichelt dargestellt. Es ist ersichtlich, dass in der Draufsicht der Rand 29 nur an zwei gegenüberliegenden Seiten über die erste Gasdiffusionslage 24 verläuft und somit die erste Gasdiffusionslage 24 fixiert. Die beiden anderen gegenüberliegenden Seiten des alternativen inneren Rands 29 verlaufen in der Draufsicht außerhalb der Umrandung der ersten Gasdiffusionslage 24 und fixieren die erste Gasdiffusionslage 24 somit nicht. Dies kann durchaus von Vorteil sein, da dadurch an den nicht fixierten Seiten der ersten Gasdiffusionslage 24 eine Versorgung der ersten Gasdiffusionslage 24 und somit des aktiven Bereichs 18 mit einem Reaktanten verbessert wird.
Die Einzelzell-Anordnung 10 umfasst zweckmäßigerweise auch eine Bipolarplatte 30, welche an einer der ersten Gasdiffusionslage 24 gegenüberliegenden Seite der Membran-Elektroden-Anordnung 12 angeordnet ist. Die Bipolarplatte 30 umfasst typischerweise eine erste Einzelplatte 31 und eine zweite Einzelplatte 32.
Sowohl die Bipolarplatte 30 als auch die gesamte Einzelzell-Anordnung 10 unterteilen sich in einen aktiven Bereich 18 und inaktive Bereiche IA. Der aktive Bereich 18 zeichnet sich dadurch aus, dass in diesem Bereich die Brennstoffzellreaktionen stattfinden. Zu diesem Zweck weist die Membran-Elektroden-Anordnung 12 im aktiven Bereich 18 beidseits der Membran 12 (eine ionenleitende Polymerelektrolytmembran) die katalytischen Elektroden 16 auf. Die (elektrochemisch) inaktiven Bereiche IA, lassen sich jeweils in Versorgungsbereiche SA und Verteilerbereiche DA unterteilen. Innerhalb der Versorgungsbereiche SA sind Versorgungsöffnungen 35 bis 40 angeordnet, die im gestapelten Zustand im Wesentlichen miteinander fluchten und Hauptversorgungskanäle 102 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 ausbilden (siehe 4).
Die Anodeneinlassöffnung 35 dient der Zuführung des Anodenbetriebsgases, also des Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff. Die Anodenauslassöffnung 36 dient der Abführung des Anodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs 18. Die Kathodeneinlassöffnung 37 dient der Zuführung des Kathodenbetriebsgases, das insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gemisch, vorzugsweise Luft ist. Die Kathodenauslassöffnung 38 dient der Abführung des Kathodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs 18. Die Kühlmitteleinlassöffnung 39 dient der Zuführung und die Kühlmittelauslassöffnung 40 der Ableitung des Kühlmittels.
Die MEA 12 weist eine Anodenseite 41 auf, die in 2 sichtbar ist. Somit ist die dargestellte katalytische Elektrode 16 auf der Anodenseite 41 als Anode ausgebildet, beispielsweise als Beschichtung auf der Polymerelektrolytmembran. Die in 2 nicht sichtbare Kathodenseite 42 weist eine entsprechende katalytische Elektrode 16, hier die Kathode auf. Die Anodenseite 41 und die Kathodenseite 42 können auch vertauscht vorliegen, sodass das Bezugszeichen 41 die Kathodenseite und das Bezugszeichen 42 die Anodenseite bezeichnet.
Die in 3 dargestellte Bipolarplatte 15 weist ebenfalls eine in der Darstellung sichtbare Kathodenseite 42 auf, welche innerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 an die Kathodenseite 42 der Membran-Elektroden-Anordnung 12 angrenzt. Ferner weist die Bipolarplatte 30 eine in 3 nicht sichtbare Anodenseite auf, welche innerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 an die Anodenseite 41 der Membran-Elektroden-Anordnung 12 angrenzt. In typischen Ausführungen ist die Bipolarplatte 15 aus den zwei zusammengefügten Einzelplatten 31 und 32 aufgebaut. Auf den Flachseiten der Bipolarplatte 30 sind offene, insbesondere rinnenartige, Kanalstrukturen dargestellt, welche die Kathodeneinlassöffnung 37 mit der Kathodenauslassöffnung 38 verbinden. Dargestellt sind lediglich fünf exemplarische Kanäle 44, wobei üblicherweise eine wesentlich größere Anzahl vorhanden ist. Anstatt diskreten Kanälen 44 könnten auch andere Strukturen realisiert sein. Desgleichen weist die hier nicht sichtbare Anodenseite 41 der Bipolarplatte 30 entsprechende Kanäle auf, welche die Anodeneinlassöffnung 35 mit der Anodenauslassöffnung 36 verbinden. Auch diese Kanäle für das Anodenbetriebsmedium können als offene, insbesondere rinnenartige, Kanalstrukturen ausgebildet sein. Im Inneren der Bipolarplatte 15, insbesondere zwischen den beiden Einzelplatten 31, 32 verlaufen eingeschlossene Kühlmittelkanäle, welche die Kühlmitteleinlassöffnung 39 mit der Kühlmittelauslassöffnung 40 verbinden.
In den 2 und 3 ist ein Bereich einer stoffschlüssigen Verbindung 46 schraffiert dargestellt. Die stoffschlüssige Verbindung 46 verbindet den nichtleitenden Rahmen 20 mit der Bipolarplatte 30 umlaufend dichtend. Ferner dichtet die stoffschlüssige Verbindung 46 die Versorgungsöffnungen 35 bis 40 umlaufend ab.
Zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung 12 und der Bipolarplatte 30 ist eine zweite Gasdiffusionslage 48 angeordnet. Diese erstreckt sich aus dem aktiven Bereich 18 heraus in einen Verteilerbereich DA oder Sammelbereich DA der Bipolarplatte 30 hinein.
An einer der Membran-Elektroden-Anordnung 12 abgewandten Seite der Bipolarplatte 30 weist diese an der zweiten Einzelplatte 32 Dichtungen 50, zum Beispiel Elastomerdichtungen, auf.
Die zweite Einzelplatte 32 kann ferner so geformt sein, dass sie eine Einbuchtung aufweist, welche im Wesentlichen einer Negativform der der Bipolarplatte 30 abgewandten Seite des nichtleitenden Rahmens 20 entspricht. Dies ermöglicht es, dass die Kanäle 44 des Verteilerbereichs DA und/oder Sammelbereichs DA derart optimiert werden können, dass sie eine größere Tiefe als im aktiven Bereich 18 aufweisen - siehe Bezugszeichen 52. Dies bewirkt einen verringerten Druckverlust. Die Einzelplatten der Bipolarplatte 30 können jeweils aus einem Metallblech oder Carbon realisiert sein.
Die stoffschlüssige Verbindung 22 und/oder 46 kann durch einen thermoplastischen Klebstoff ausbildet werden, welcher zum Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung 22 und/oder 46 erwärmt wird, dabei schmilzt und beim Abkühlen die stoffschlüssige Verbindung 22 und/oder 46 herstellt. Ein Klebstoff kann generell auf dem nichtleitenden Rahmen 20 vorhanden, also der nichtleitende Rahmen 20 mit dem Klebstoff beschichtet sein. Ferner kann zusätzlich oder alternativ auch das Gegenstück der stoffschlüssigen Verbindung, also zum Beispiel die Membran-Elektroden-Anordnung 12, die Bipolarplatte 30 und/oder eine der Gasdiffusionslagen 24, 28 mit dem Klebstoff beschichtet sein.
Im vorliegenden Beispiel ist der nichtleitende Rahmen 12 durch eine selbstklebende Folie realisiert. Die selbstklebende Folie weist einseitig auf ihrer gesamten, der Membran-Elektroden-Anordnung 12 zugewandten Seite den Klebstoff auf.
4 zeigt einen insgesamt mit 100 bezeichneten Brennstoffzellenstapel gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Der Brennstoffzellenstapel kann Teil eines nicht weiter dargestellten Brennstoffzellensystems und ferner eines Brennstoffzellenfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, sein. Das Elektrofahrzeug weist einen Elektrotraktionsmotor auf, der durch den Brennstoffzellenstapel 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Um den Brennstoffzellenstapel 100 zu bilden, werden mehrere Einzelzell-Anordnungen 10 gestapelt. An dessen Enden befinden sich Monopolarplatten 106, welche nur auf einer der Stapelmitte zugewandten Seite die von den Bipolarplatten 30 bekannten Kanäle 44 ausbilden.
Durch das Stapeln der Einzelzell-Anordnungen 10 werden mehrere Hauptversorgungskanäle 101, 102 gebildet, von denen in 4 nur die Hauptversorgungskanäle für das Kühlmittel dargestellt sind.
Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 strömt durch den ersten Kühlmittel-Hauptversorgungskanal 101 das Kühlmittel ein und gelangt über die Kühlmitteleinlassöffnung 39 in das Kühlmittelflussfeld 34 innerhalb der Bipolarplatte 30. Nachdem das Kühlmittel das Kühlmittelflussfeld 34 durchströmt hat, tritt es durch die Kühlmittelauslassöffnung 40 und den zweiten Hauptversorgungskanal 102 wieder aus dem Brennstoffzellenstapel aus. Um ein ungewolltes Austreten des Kühlmittels zu verhindern, sind die Einzelplatten 31 und 32 zueinander abgedichtet.
Ein Anodengas tritt durch einen weiteren (nicht dargestellten) Hauptversorgungskanal in den Brennstoffzellenstapel 100 ein und gelangt über Anodeneinlassöffnung 35 in den Verteilerbereich DA auf der Anodenseite 41 der Bipolarplatte 30. Anschließend strömt das Anodengas in den aktiven Bereich 18, tritt durch die erste Gasdiffusionslage 24 und nimmt an der Elektrode 16 an der Brennstoffzellenreaktion teil. Rest-Anodengas strömt durch den Sammelbereich DA zur Anodenauslassöffnung 36 und verlässt durch den zugehörigen Hauptversorgungskanal (nicht dargestellt) den Brennstoffzellenstapel 100. Auf der Anodenseite 41 der Membran-Elektroden-Anordnung 10 erfolgt eine Abdichtung eines Anodenraums zur Umgebung des Brennstoffzellenstapels 100 und zu den Öffnungen 35 bis 40 hin durch die Dichtungen 50, welche innerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 auf den angrenzenden nichtleitenden Rahmen 20 gepresst werden. Dazu wird der Brennstoffzellenstapel 100 in einer Stapelrichtung S verpresst.
Auf der Kathodenseite 42 der Membran-Elektroden-Anordnung 12 tritt ein Kathodengas durch einen weiteren (nicht dargestellten) Hauptversorgungskanal in den Brennstoffzellenstapel 100 ein und gelangt über eine Kathodeneinlassöffnung 37 in den Verteilerbereich DA auf der Kathodenseite 42 der Bipolarplatte 30. Anschließend strömt das Anodengas in den aktiven Bereich 18, tritt durch die zweite Gasdiffusionslage 48 und nimmt an der Elektrode 16 an der Brennstoffzellenreaktion teil. Reaktionsprodukte und Rest-Kathodengas strömen durch den Sammelbereich DA zur Kathodenauslassöffnung 38 und verlassen durch den zugehörigen Hauptversorgungskanal (nicht dargestellt) den Brennstoffzellenstapel 100. Auf der Kathodenseite 42 der Membran-Elektroden-Anordnung 12 wird ein Kathodenraum durch die stoffschlüssige Verbindung 46 des nichtleitenden Rahmens 20 mit der Bipolarplatte 30 abgedichtet.
Untereinander werden Anoden- und Kathodenräume durch den nichtleitenden Rahmen 20, die Membran-Elektroden-Anordnung 12 und die stoffschlüssige Verbindung 22 zwischen dem nichtleitenden Rahmen 20 und der Membran-Elektroden-Anordnung 12 zueinander abgedichtet.
Dadurch dass sich die zweite Gasdiffusionslage 48 bis in den Verteiler- und Sammelbereich DA erstreckt, wird der nur einlagige nichtleitende Rahmen 20 durch die zweite Gasdiffusionslage 48 gestützt, wodurch ein Eindringen des nichtleitenden Rahmens 20 in die Kanäle 44 auf der Seite der zweiten Gasdiffusionslage 48 verhindert wird. Um ein Eindringen des nichtleitenden Rahmens 20 auch auf einer der zweiten Gasdiffusionslage 48 abgewandten Seite zu verhindern, ist die zweite Gasdiffusionslage 48 ebenfalls stoffschlüssig mit dem nichtleitenden Rahmen 20 verbunden.
Die erfindungsgemäße Einzelzell-Anordnung ist besonders einfach herzustellen, da (wie besonders gut in 1 ersichtlich ist) die erste Gasdiffusionslage 24 von dem nichtleitenden Rahmen 20 an der Membran-Elektroden-Anordnung 12 gehalten wird. Dies vereinfacht die Handhabung wesentlich. Ebenso vorteilhaft ist, dass die in 1 dargestellte Einzelzell-Anordnung 10 ohne weitere dazwischenliegende Bauelemente mehrfach gestapelt werden kann, um einen Brennstoffzellenstapel 100 zwischen den Monopolarplatten 106 zu bilden.
Bezugszeichenliste

10: Einzelzell-Anordnung
12: Membran-Elektroden-Anordnung
14: Membran
16: Elektrode
18: aktiver Bereich
20: nichtleitender Rahmen
22: stoffschlüssige Verbindung zwischen dem nichtleitenden Rahmen und der Membran-Elektroden-Anordnung
24: erste Gasdiffusionslage
26: innerer Randbereich des nichtleitenden Rahmens
28: innerer Rand des nichtleitenden Rahmens
29: alternativer innerer Rand des nichtleitenden Rahmens
30: Bipolarplatte
31: erste Einzelplatte
32: zweite Einzelplatte
34: Kühlmittelflussfeld
35: Anodeneinlassöffnung
36: Anodenauslassöffnung
37: Kathodeneinlassöffnung
38: Kathodenauslassöffnung
39: Kühlmitteleinlassöffnung
40: Kühlmittelauslassöffnung
41: Anodenseite
42: Kathodenseite
44: Kanal
46: stoffschlüssige Verbindung zwischen dem nichtleitenden Rahmen und der Bipolarplatte
48: zweite Gasdiffusionslage
50: Dichtung
52: optimierter Kanal
100: Brennstoffzellenstapel
101: erster Kühlmittel-Hauptversorgungskanal
102: zweiter Kühlmittel-Hauptversorgungskanal
106: Monopolarplatte
IA: Inaktiver Bereich (inactive area)
SA: Versorgungsbereich (supply area)
DA: Verteilerbereich (distribution area)
S: Stapelrichtung

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

DE 102014205081 A1 [0006]
US 2015/0357656 A1 [0008]

Claims

Einzelzell-Anordnung (10) für eine Brennstoffzelle (100), umfassend - eine Membran-Elektroden-Anordnung (12) mit einer Membran (14) und beidseitig flächig an der Membran (14) angeordneten Elektroden (16), wobei die Membran-Elektroden-Anordnung (12) einen aktiven Bereich (18) aufweist, - einen nichtleitenden Rahmen (20), welcher die Membran-Elektroden-Anordnung (12) einseitig überlappend umrahmt, - eine stoffschlüssige Verbindung (22), welche den aktiven Bereich (18) der Membran-Elektroden-Anordnung (12) umschließt und den nichtleitenden Rahmen (20) mit der Membran-Elektroden-Anordnung (12) umlaufend dichtend verbindet, und - eine erste Gasdiffusionslage (24), welche sich einseitig der Membran-Elektroden-Anordnung (12) entlang des aktiven Bereichs (18) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasdiffusionslage (24) zwischen die Membran-Elektroden-Anordnung (12) und einen inneren Randbereich (26) des nichtleitenden Rahmens (20) hineinragt.
Einzelzell-Anordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Membran (14) der Membran-Elektroden-Anordnung (12) umlaufend über einen Rand der ersten Gasdiffusionslage (24) hinaus erstreckt, wobei sich der Rand der Membran (14) insbesondere nur so weit über den Rand der ersten Gasdiffusionslage (24) hinaus erstreckt, dass die stoffschlüssige Verbindung ermöglicht wird.
Einzelzell-Anordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasdiffusionslage (24) umlaufend zwischen die Membran (14) und den inneren Randbereich (26) des nichtleitenden Rahmens (20) hineinragt.
Einzelzell-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gasdiffusionslage (24) an zwei gegenüberliegenden Randbereichen (26) des nichtleitenden Rahmens (20) zwischen die Membran-Elektroden-Anordnung (12) und den inneren Randbereichen (26) des nichtleitenden Rahmens (20) hineinragt.
Einzelzell-Anordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzell-Anordnung (10) eine Bipolarplatte (30) umfasst, welche an einer der ersten Gasdiffusionslage (24) gegenüberliegenden Seite der Membran-Elektroden-Anordnung (12) angeordnet ist.
Einzelzell-Anordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzell-Anordnung (10) eine stoffschlüssige Verbindung (46) aufweist, welche den nichtleitenden Rahmen (20) mit der Bipolarplatte (30) umlaufend dichtend verbindet.
Einzelzell-Anordnung (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzell-Anordnung (10) eine zweite Gasdiffusionslage (48) umfasst, welche zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung (12) und der Bipolarplatte (30) angeordnet ist und sich die zweite Gasdiffusionslage (48) aus dem aktiven Bereich (18) heraus in einen Verteilerbereich (DA) und/oder Sammelbereich (DA) der Bipolarplatte (30) hinein erstreckt, welcher ein Flussfeld der Bipolarplatte (30) im aktiven Bereich (18) mit einer die Bipolarplatte (30) durchdringenden Versorgungsöffnung (35, 36, 37, 38) verbindet.
Einzelzell-Anordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermoplastischer Klebstoff die stoffschlüssige Verbindung (22, 46) ausbildet, insbesondere die stoffschlüssige Verbindung (46) nach Anspruch 6 zwischen dem nichtleitenden Rahmen (20) und der Bipolarplatte (30) ausbildet.
Einzelzell-Anordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtleitende Rahmen (20) eine selbstklebende Folie ist, welche insbesondere einseitig vollständig mit einem Klebstoff beschichtet ist.
Brennstoffzellenstapel (100) umfassend mehrere gestapelte Einzelzell-Anordnungen (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.