DE102016205043A1

DE102016205043A1 - Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem mit einem solchen Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102016205043A1
Application number: DE102016205043.5A
Authority: DE
Inventors: Ian Steward; Sebastian Voigt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-03-24
Filing date: 2016-03-24
Publication date: 2017-09-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend eine erste Bipolarplatte und eine zweite Bipolarplatte (26b), eine zwischen der ersten Bipolarplatte (26a) und der zweiten Bipolarplatte (26b) angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (28) mit einer ersten Hauptoberfläche (30), einer der ersten Hauptoberfläche (30) gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche (32) und einen die erste Hauptoberfläche (30) und die zweite Hauptoberfläche (32) umlaufend verbindenden Randbereich (34), wobei in einem Querschnitt von dem Randbereich (34) des Brennstoffzellenstapels (12) die erste Bipolarplatte (26a) bis zu einem ersten Kontaktendpunkt (36) an der ersten Hauptoberfläche (30) der Membran-Elektroden-Anordnung (28) anliegt und die zweite Bipolarplatte (26b) bis zu einem zweiten Kontaktendpunkt (38) an der zweiten Hauptoberfläche (38) der Membran-Elektroden-Anordnung (28) anliegt.
Es ist vorgesehen, dass der Randbereich (34) der Membran-Elektroden-Anordnung (28) entlang eines zwischen dem ersten Kontaktendpunkt (36) und dem zweiten Kontaktendpunkt (38) angeordneten Oberflächenabschnitts zumindest eine Verdickung (40) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Membran-Elektroden-Anordnung mit einem zumindest eine Verdickung aufweisenden Randbereich. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Brennstoffzellenstapel sowie ein Fahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen elektrischer Energie. Hierfür weisen Brennstoffzellen als Kernkomponente eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA – membrane electrode assembly) mit einer Membran-Elektroden-Einheit auf. Letztere wird durch eine protonenleitende Membran gebildet, an der beidseitig Elektroden angeordnet sind. Dabei trennt die Membran den der Anode zugeordneten Anodenraum und den der Kathode zugeordneten Kathodenraum gasdicht voneinander und isoliert diese Räume elektrisch. Auf den nicht der Membran zugewandten Seiten der Elektroden können zudem Gasdiffusionslagen angeordnet sein.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird ein wasserstoffhaltiger Brennstoff der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen erfolgt. Über die elektrolytische Membran erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird ein sauerstoffhaltiges Betriebsmedium zugeführt, sodass dort eine Reduktion von O₂ zu O₂ ^– unter Aufnahme der Elektronen erfolgt. Diese Sauerstoffanionen reagieren im Kathodenraum mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie ist nicht durch den Carnot-Faktor limitiert und weist daher gegenüber anderen Wärmekraftmaschinen einen verbesserten Wirkungsgrad auf.
Eine Brennstoffzelle ist in der Regel durch eine Vielzahl in einem Brennstoffzellenstapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen sind üblicherweise Bipolarplatten angeordnet, die eine Versorgung der einzelnen MEA mit den Reaktanten und einer Kühlflüssigkeit sicherstellen sowie als elektrisch leitfähiger Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen fungieren.
Ein Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik ist in 1 schematisch dargestellt. Dieser Brennstoffzellenstapel 12 weist mehrere Einzelzellen 14, zwei Endplatten 16 und Zugelemente 18 auf. Die Einzelzellen 14 weisen jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit 20 mit einer protonenleitenden Membran 22 (Polymerelektrolytmembran) und beidseitig an dieser angeordneten Elektroden (Anode und Kathode; nicht dargestellt) auf. Die Elektroden sind jeweils zwischen der Membran 22 und einer Gasdiffusionslage 24 angeordnet. Die Elektroden sind entweder beidseitig auf die Membran 22 beschichtet oder mit den Gasdiffusionslagen 24 zu sogenannten Gasdiffusionselektroden verbunden. Jede Membran-Elektroden-Einheit 20 ist zwischen zwei Bipolarplatten 26 angeordnet. Die Bipolarplatten 26 versorgen die Membran-Elektroden-Einheiten 20 durch die Gasdiffusionslagen 24 hindurch mit den Betriebsmedien und weisen hierfür in der Regel geeignete Kanäle auf. Zudem werden zwei angrenzende Membran-Elektroden-Einheiten 20 durch die dazwischen liegende Bipolarplatte 26 elektrisch leitfähig verbunden und in Reihe geschaltet. Die beiden endständigen Bipolarplatten 26, auch als Monopolarplatten bezeichnet, sind nur einseitig zur Versorgung einer ebenfalls nur einseitig anliegenden Membran-Elektroden-Einheit 20 mit einem Betriebsmedium ausgebildet.
Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 20 und den Bipolarplatten 26 sind in 1 nicht sichtbare Dichtungen angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume nach außen abdichten und ein Austreten der Betriebsmedien aus dem Brennstoffzellenstapel 12 verhindern. Diese Dichtungen sind auf den Membran-Elektroden-Einheiten 20, den Bipolarplatten 26 oder diesen beiden Komponenten vorgesehen. Die Gesamtheit aus Membran-Elektroden-Einheit 20 und Dichtungen wird als Membran-Elektroden-Anordnung 28 bezeichnet.
Zum Abdichten des Stapels und zum Gewährleisten des elektrischen Kontakts zwischen Bipolarplatten 26 und Membran-Elektroden-Anordnungen 28 wird der Brennstoffzellenstapel 12 vor der Inbetriebnahme verpresst. In der Regel sind dazu die zwei an den Enden des Brennstoffzellenstapels 12 angeordneten Endplatten 16 mittels der Zugelemente 18 verbunden. Durch Einleiten von Zugkräften über die Zugelemente 18 in die Endplatten 16 wird der Brennstoffzellenstapel 12 zusammengepresst.
Innerhalb eines Brennstoffzellenstapels müssen die Einzelzellen elektrisch voneinander isoliert sein, um einen elektrischen Kurzschluss oder Funkenüberschlag zu verhindern. Die elektrische Isolation zweier benachbarter Bipolarplatten wird in der Fläche über die Durchschlagsfestigkeit der zwischenliegenden Membran-Elektroden-Anordnung, insbesondere der Membran-Elektroden-Einheit, gewährleistet. Hingegen müssen am Rand der Membran-Elektroden-Anordnung zusätzlich elektrische Isolationselemente vorgesehen werden, um eine Mindestkriechstrecke (DIN-EN 60664-1) einzuhalten.
Im Zuge immer höher werdender Stromdichten von Brennstoffzellen werden die Zellhöhen der Einzelzellen zunehmend verringert. Hierdurch reduziert sich das Spaltmaß zwischen zwei Einzelzellen, insbesondere zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten, wodurch ein überhaupt zur Isolation zur Verfügung stehender Abstand verkürzt wird und somit die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses oder Funkenüberschlags zunimmt. Es ist bekannt, die Plattengrößen der Membran-Elektroden-Anordnungen geringfügig gegenüber denen der Bipolarplatten zu vergrößern, um dieser Problematik entgegenzuwirken. Die über die Ränder der Bipolarplatten hinausragenden Randbereiche der Membran-Elektroden-Anordnungen tragen dann zur Kriechstrecke zwischen den Bipolarplatten bei. Gleichzeitig führt jedoch jede Vergrößerung der Membran-Elektroden-Anordnung zu einer Vergrößerung des Bauvolumens des Brennstoffzellenstapels, wodurch dem Ausmaß des Überhangs der Membran-Elektroden-Anordnung gegenüber den Bipolarplatten Grenzen gesetzt sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte interne elektrische Isolierung der Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels zu ermöglichen, ohne eine exzessive Bauraumvergrößerung des Stapels in Kauf nehmen zu müssen.
Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel für ein Brennstoffzellensystem weist eine erste Bipolarplatte, eine zweite Bipolarplatte und eine zwischen der ersten Bipolarplatte und der zweiten Bipolarplatte angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung auf. Die Membran-Elektroden-Anordnung weist eine erste Hauptoberfläche, eine der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche und einen die erste Hauptoberfläche und die zweite Hauptoberfläche umlaufend verbindenden Randbereich auf. In einem Querschnitt von dem Randbereich des Brennstoffzellenstapels, insbesondere in einem Querschnitt entlang (im Wesentlichen parallel) zur Stapelrichtung, liegt die erste Bipolarplatte bis zu einem ersten Kontaktendpunkt an der ersten Hauptoberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung an und liegt die zweite Bipolarplatte bis zu einem zweiten Kontaktendpunkt an der zweiten Hauptoberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung an. Erfindungsgemäß weist der Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung entlang eines zwischen dem ersten Kontaktendpunkt und dem zweiten Kontaktendpunkt angeordneten Oberflächenabschnitts zumindest eine Verdickung auf.
Erfindungsgemäß ist zumindest eine Verdickung peripher von einem Kontaktendpunkt der Bipolarplatte im Randbereich einer Hauptoberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet. Von einem innenliegenden Bereich in Richtung des Randbereichs des Brennstoffzellenstapels ist der Kontaktendpunkt im Querschnitt des Brennstoffzellenstapels dabei der Punkt, bis zu dem eine Bipolarplatte an einer Hauptoberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung anliegt. Das heißt in Richtung des Randbereichs des Brennstoffzellenstapels berührt die Bipolarplatte die Membran-Elektroden-Anordnung hinter diesem Punkt nicht mehr. Der Kontaktendpunkt im Querschnitt des Brennstoffzellenstapels korrespondiert dabei mit einer Kontaktendlinie im Brennstoffzellenstapel, wobei die Kontaktendlinie einen ersten Abschnitt der Bipolarplatte von zumindest einem zweiten Abschnitt der Bipolarplatte trennt. Dabei liegt der erste Abschnitt der Bipolarplatte an der Membran-Elektroden-Anordnung an und berührt der zumindest zweite Abschnitt der Bipolarplatte die Membran-Elektroden-Anordnung nicht.
Die Membran-Elektroden-Anordnung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels weist in ihrem Randbereich zumindest eine Verdickung auf. Die zumindest eine Verdickung ist insbesondere entlang der Stapelrichtung, das heißt entlang der Richtung einer Flächennormalen von Membran-Elektroden-Anordnung und Bipolarplatten, stärker ausgedehnt als andere Abschnitte der Membran-Elektroden-Anordnung. Mit anderen Worten weist die Verdickung eine größere Dicke auf als andere Bereiche der Membran-Elektroden-Anordnung, insbesondere als innenliegende Bereiche der Membran-Elektroden-Anordnung, wie beispielsweise ein aktiver Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung.
Die erfindungsgemäße zumindest eine Verdickung kann sich entlang des gesamten Umfangs eines Randbereichs einer Membran-Elektroden-Anordnung oder nur abschnittsweise entlang eines solchen Randbereichs erstrecken. Bei den Randbereichen handelt es sich bevorzugt um außenliegende, periphere Kantenbereiche der Membran-Elektroden-Anordnung. Alternativ kann es sich jedoch auch um innenliegende Randbereiche der Membran-Elektroden-Anordnung, beispielsweise um Versorgungsöffnungen herum, handeln. In diesem Fall ist der Begriff peripher gleichbedeutend mit in Richtung der Versorgungsöffnung.
Die zumindest eine Verdickung kann eine Mehrzahl von Verdickungen, bevorzugt eine Vielzahl von Verdickungen, umfassen. Beispielsweise kann eine erste Verdickung auf der ersten Hauptoberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung gegenüberliegend zu einer zweiten Verdickung auf der zweiten Hauptoberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet sein. Weisen die erste und die zweite Verdickung dabei halbkreisförmige Querschnitte auf, kann sich eine Gesamtverdickung mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt ergeben. Ebenfalls bevorzugt ist zumindest eine Verdickung beliebigen Querschnitts auf der ersten Hauptoberfläche unabhängig von zumindest einer Verdickung beliebigen Querschnitts auf der zweiten Hauptoberfläche angeordnet.
Aufgrund der zumindest einen Verdickung weist der Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung in dessen Oberflächenabschnitt zwischen einem ersten Kontaktendpunkt und einem zweiten Kontaktendpunkt vorteilhaft eine vergrößerte Oberfläche auf. Mit anderen Worten weist ein Querschnitt des Randbereichs der Membran-Elektroden-Anordnung zwischen dem ersten Kontaktendpunkt und dem zweiten Kontaktendpunkt vorteilhaft eine vergrößerte Kriechstrecke und folglich eine verbesserte elektrische Isolation zwischen benachbarten Bipolarplatten auf. Durch die Anordnung von zumindest einer in Stapelrichtung erhabenen Verdickung im Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung kann die Kriechstrecke zwischen benachbarten Bipolarplatten deutlich erhöht werden, ohne dass die Membran-Elektroden-Anordnung im Ergebnis weit über die Kanten von den Bipolarplatten übersteht.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels berührt die zumindest eine Verdickung weder die erste Bipolarplatte noch die zweite Bipolarplatte. Dies gilt insbesondere auch nach dem Verpressen des Brennstoffzellenstapels. Dies stellt sicher, dass der gesamte Oberflächenabschnitt zwischen einem ersten Kontaktendpunkt und einem zweiten Kontaktendpunkt zur Kriechstrecke beiträgt. Im Querschnitt erstreckt sich die Kriechstrecke somit vorteilhaft von dem ersten Kontaktendpunkt zu dem zweiten Kontaktendpunkt. In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform weist die Membran-Elektroden-Anordnung zusätzliche Verdickungen auf, welche die erste und/oder die zweite Bipolarplatte berühren. Die erfindungsgemäße zumindest eine Verdickung ist dabei peripher außerhalb von einer solchen zusätzlichen Verdickung angeordnet, wobei die zusätzliche Verdickung ein Kontaktendpunkt sein kann und die Kriechstrecke nicht verkürzt.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist die Membran-Elektroden-Anordnung zumindest peripher des ersten Kontaktendpunkts und zumindest peripher des zweiten Kontaktendpunkts als dielektrisches Element, bevorzugt teilweise oder vollständig aus dielektrischem Material, ausgebildet. Mit anderen Worten definiert stets der weiter innen liegende Kontaktendpunkt im Querschnitt den Punkt, zwischen dem und dem Rand der Membran-Elektroden-Anordnung die MEA elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist.
Die Bipolarplatten des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels weisen bevorzugt jeweils eine erste Plattenoberfläche, eine der ersten Plattenoberfläche gegenüberliegende zweite Plattenoberfläche und einen die erste und die zweite Plattenoberfläche verbindenden Plattenrand auf. Der Plattenrand ist dabei bevorzugt in einer Richtung senkrecht zu den Plattenoberflächen orientiert.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels steht die Membran-Elektroden-Anordnung über den Plattenrand der ersten Bipolarplatte und über den Plattenrand der zweiten Bipolarplatte über und ist die zumindest eine Verdickung in dem über die Plattenränder der Bipolarplatten überstehenden Abschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung ausgebildet. In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform bildet die zumindest eine Verdickung den peripheren Abschluss der Membran-Elektroden-Anordnung. Mit anderen Worten weist die Membran-Elektroden-Anordnung einen allseitig über die Bipolarplatten überstehenden Abschnitt auf, der in einer umlaufenden Verdickung, insbesondere einer wulstartigen umlaufenden Verdickung, endet.
In einer Ausgestaltung der Ausführungsform mit überstehender Membran-Elektroden-Anordnung fallen die Kontaktendpunkte der Bipolarplatten mit den Plattenrändern der Bipolarplatten zusammen. Mit anderen Worten kann der erste Kontaktendpunkt Teil des Plattenrands der ersten Bipolarplatte sein beziehungsweise mit diesem fluchten und kann der zweite Kontaktendpunkt Teil des Plattenrandes der zweiten Bipolarplatte sein beziehungsweise mit diesem fluchten. Diese Ausgestaltung erfordert vorteilhaft keine Modifikation der verwendeten Bipolarplatten. In einer alternativen Ausgestaltung der Ausführungsform mit überstehender Membran-Elektroden-Anordnung fallen die Kontaktendpunkte der Bipolarplatten und die Plattenränder der Bipolarplatten auseinander. Mit anderen Worten kann in einem Querschnitt des Brennstoffzellenstapels bei zumindest einer der ersten Bipolarplatte und der zweiten Bipolarplatte der Kontaktendpunkt nicht Teil des Plattenrandes sein beziehungsweise nicht mit diesem fluchten. Gemäß der zweiten Ausgestaltung ist vorteilhaft die Kriechstrecke zusätzlich um die Abschnitte zwischen den Plattenrändern und den Kontaktendpunkten erhöht.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltung der Ausführungsform mit überstehender Membran-Elektroden-Anordnung weist die Membran-Elektroden-Anordnung in einem zwischen den Plattenrändern der Bipolarplatten und der zumindest einen Verdickung der Membran-Elektroden-Anordnung angeordneten Abschnitt zumindest eine Einschnürung auf. Zum einen kann mittels dieser Einschnürung der Materialmehraufwand für die zumindest eine Verdickung ausgeglichen werden. Zudem wird durch die zumindest eine Einschnürung, insbesondere durch eine Mehrzahl solcher Einschnürungen, die Kriechstrecke zwischen benachbarten Bipolarplatten im Abschnitt zwischen Plattenrand und Verdickung zusätzlich erhöht.
In einer Ausgestaltung der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels, gemäß der für zumindest eine der ersten Bipolarplatte und der zweiten Bipolarplatte der Kontaktendpunkt nicht mit dem Plattenrand fluchtet, weist diese Bipolarplatte zwischen ihrem Kontaktendpunkt und ihrem Plattenrand einen verdünnt ausgebildeten Kantenbereich auf. Aufgrund des Auseinanderfallens von Plattenrand und Kontaktendpunkt ist die Kriechstrecke zwischen benachbarten Bipolarplatten um die Entfernung der Hinterschneidung des Kontaktendpunkts, das heißt um den Abstand von Plattenrand und Kontaktendpunkt, erhöht. Gleichzeitig bleibt vorteilhaft die Zentrierbarkeit des Brennstoffzellenstapels, beispielsweise durch Anlegen eines Zentrierelements an die Außenkanten der Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen, entlang des gesamten Umfangs des Brennstoffzellenstapels erhalten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist in einem zu dem verdünnt ausgebildeten Kantenbereich der ersten Bipolarplatte korrespondierenden Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung zumindest eine Verdickung ausgebildet. Mit anderen Worten ist die zumindest eine Verdickung der Membran-Elektroden-Anordnung in einer durch den verdünnt ausgebildeten Kantenbereich gebildeten Aussparung angeordnet. Ebenfalls bevorzugt ist alternativ oder zusätzlich in einem zu dem verdünnt ausgebildeten Kantenbereich der zweiten Bipolarplatte korrespondierenden Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung zumindest eine Verdickung ausgebildet. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Kriechstrecke zwischen auseinanderfallendem Plattenrand und Kontaktendpunkt mittels der mindestens einen Verdickung weiter erhöht. Auch gemäß dieser Ausführungsform ist es wesentlich, dass die zumindest eine Verdickung die angrenzende Bipolarplatte nicht berührt. Besonders bevorzugt steht die Membran-Elektroden-Anordnung bei einem Brennstoffzellenstapel gemäß dieser Ausführungsform nicht über die angrenzenden Bipolarplatten über. Somit wird vorteilhaft eine deutlich erhöhte Kriechstrecke zwischen benachbarten Bipolarplatten erreicht und gleichzeitig die Zentrierbarkeit des Brennstoffzellenstapels umlaufend erhalten. Alternativ kann auch bei dieser Ausführungsform die Membran-Elektroden-Anordnung über die Plattenränder der Bipolarplatten überstehen und zumindest eine weitere Verdickung auf dem überstehenden Abschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung aufweisen. Somit wird vorteilhaft eine deutliche erhöhte Kriechstrecke zwischen benachbarten Bipolarplatten erreicht.
Weiterhin bevorzugt steht eine Membran-Elektroden-Anordnung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels zumindest abschnittsweise nicht über den Plattenrand der ersten Bipolarplatte und nicht über den Plattenrand der zweiten Bipolarplatte über, wobei der erste Plattenrand und der zweite Plattenrand zumindest in diesen Abschnitten als Zentrierbereiche ausgebildet sind. Vorteilhaft kann somit auch in Ausführungsformen mit ansonsten über die Plattenränder der Bipolarplatten überstehender Membran-Elektroden-Anordnung die Zentrierbarkeit des Brennstoffzellenstapels gewährleistet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Membran-Elektroden-Anordnung ferner eine Polymerelektrolytmembran mit einer der ersten Hauptoberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten ersten Oberfläche und einer der zweiten Hauptoberfläche der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten zweiten Oberfläche auf. Eine Mittellage der Membran-Elektroden-Anordnung ist somit zumindest abschnittsweise durch diese Polymerelektrolytmembran gebildet. Bevorzugt ist ein katalytisches Anodenmaterial außerhalb des ersten Randbereichs der Membran-Elektroden-Anordnung über der ersten Oberfläche der Polymerelektrolytmembran angeordnet und ist ein katalytisches Kathodenmaterial außerhalb des zweiten Randbereichs über der zweiten Oberfläche der Polymerelektrolytmembran angeordnet. Folglich befinden sich chemisch aktive Bereiche der Membran-Elektroden-Anordnung, welche im Betrieb des Brennstoffzellenstapels mit Betriebsmedien beaufschlagt werden, nicht in den Randbereichen. Besonders bevorzugt ist Elektrodenmaterial in einem chemisch aktiven Bereich beidseitig der Polymerelektrolytmembran aufgebracht.
Bevorzugt weist die Membran-Elektroden-Anordnung zumindest eine Öffnung zum Durchführen beziehungsweise Durchleiten von Betriebsmedien auf, durch die der Brennstoffzellenstapel kompakt und platzsparend mit den Betriebsmedien versorgt werden kann. Die Betriebsmedien umfassen Reaktanten, also Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) und Oxidationsmittel (zum Beispiel Sauerstoff oder Luft) sowie Kühlmedien, insbesondere Kühlflüssigkeit. Ferner können Reaktionsprodukte (zum Beispiel Wasser) über die Kanäle der Membran-Elektroden-Anordnung abgeführt werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die chemisch aktiven Bereiche und die zumindest eine Öffnung auf beiden Hauptoberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung umlaufend von Dichtungen umschlossen, die in einer Richtung parallel zur jeweiligen Flächennormalen der Membran-Elektroden-Anordnung vorstehen. Die Dichtungen hindern Reaktanten und Reaktionsprodukte daran, unkontrolliert aus dem Brennstoffzellenstapel auszutreten. Bevorzugt dichtet eine äußerste periphere Dichtung die Randbereiche der Hauptoberflächen von den restlichen Oberflächen der Membran-Elektroden-Anordnung ab.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Elektroden der Membran-Elektroden-Anordnung zumindest im Wesentlichen innerhalb des von der Dichtung umlaufend umschlossenen, chemisch aktiven Bereichs angeordnet. Durch diese Ausgestaltung beschränkt sich eine Ausdehnung der Elektroden zumindest im Wesentlichen auf den chemisch aktiven Bereich, wodurch Material und Kosten gespart werden. Im Wesentlichen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Fläche der Elektroden außerhalb des chemisch aktiven Bereichs bevorzugt weniger als 30%, ferner bevorzugt weniger als 15% einer Fläche der Elektroden innerhalb des chemisch aktiven Bereichs entspricht. Insbesondere sind die Elektroden vollständig von der Dichtung ringsum umschlossen, das heißt, außerhalb der Dichtung liegen keine Elektroden vor.
Vorzugsweise umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung Gasdiffusionslagen, welche innerhalb des von der Dichtung ringsum umschlossenen, chemisch aktiven Bereichs angeordnet sind. Nach dieser Ausgestaltung liegen somit auf dem Randbereich außerhalb der Dichtung keine Gasdiffusionslagen vor. Durch diese Ausgestaltung beschränken sich die Gasdiffusionslagen auf den chemisch aktiven Bereich innerhalb der Dichtung, wodurch Kosten gespart werden können, da die Dichtung außerhalb der vergleichsweise starkwandigen Gasdiffusionslagen angeordnet ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Membran-Elektroden-Anordnung eine innerhalb des Randbereichs über der ersten Oberfläche der Polymerelektrolytmembran angeordnete erste Randverstärkung und eine innerhalb des Randbereichs über der zweiten Oberfläche der Polymerelektrolytmembran angeordnete zweite Randverstärkung auf. Die Randverstärkung kann zum Beispiel eine auflaminierte Trägerfolie aus Kunststoff sein. Somit weist ein Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung als Ganzes die Membran und beidseitig darauf aufgebrachte Randverstärkungen auf. Die Randverstärkungen beziehungsweise die Trägerfolie selbst können dabei aus einem dielektrischen Material gebildet sein und die zumindest eine Verdickung gemäß der Erfindung aufweisen.
In einer alternativen Ausführungsform erstreckt sich das Laminat, bestehend aus Polymerelektrolytmembran und darauf beidseitig aufgebrachtem Elektrodenmaterial, nahezu über die gesamte flächige Ausdehnung der Membran-Elektroden-Anordnung. Bevorzugt bildet dann ein mit den Hauptoberflächen verbundenes dielektrisches Isolationselement den Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung. Bevorzugt ist das Isolationselement an die Membran-Elektroden-Anordnung angeformt, wobei das Anformen bevorzugt durch Anspritzen und Erzeugen einer stoffschlüssigen Verbindung erfolgt. Ebenfalls bevorzugt erfolgt das Anformen kraft- und/oder formschlüssig, beispielsweise durch Aufschieben einer geschlitzten Wulst auf eine Laminatkante. Ebenfalls bevorzugt werden dabei zusätzliche Haftvermittler eingesetzt. Im Ergebnis umschließt ein Isolationselement eine Kante eines Laminats der Membran-Elektroden-Anordnung und bildet dessen Randbereich. Dies ermöglicht vorteilhaft das Nachrüsten eines erfindungsgemäßen Randbereichs mit zumindest einer Verdickung an bereits produzierten Membran-Elektroden-Anordnungen. Das Isolationselement rahmt dabei bevorzugt den gesamten Umfang der Membran-Elektroden-Anordnung oder ist nur abschnittsweise entlang des Umfangs der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet.
In einer ebenfalls bevorzugten alternativen Ausführungsform ist die Membran-Elektroden-Anordnung über den Randbereich hinaus durch ein dielektrisches Isolationsmaterial gebildet. Mit anderen Worten liegt die Membran-Elektroden-Anordnung außerhalb des aktiven Bereichs im Ganzen nicht als Laminat sondern als Isolationsschicht vor. Eine dielektrische Schicht ist dabei seitlich an ein, beispielsweise in einem chemisch aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung vorliegendes, Laminat angeformt. Mit dieser Ausgestaltung können vorteilhaft weite Teile des Laminats durch günstiges Isolationsmaterial ersetzt werden.
In ebenfalls bevorzugter Ausführung der Erfindung ist der Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung durch eine Stütz- und/oder Dichtungsschicht, welche die Membran rahmenartig umgibt, ausgebildet. Auf diese Weise erhält der Randbereich seine notwendige mechanische Stabilität und Biegesteifigkeit. Grundsätzlich dient die Stütz- und/oder Dichtungsschicht der mechanischen Stabilisierung der fragilen Membran und erleichtert ihre Handhabung beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels. Darüber hinaus kann sie eine Dichtungswirkung aufweisen. Zu diesem Zweck ist sie vorzugsweise aus einem elastischen Material, beispielsweise Silikon oder dergleichen, ausgebildet. Die Stütz- und/oder Dichtungsschicht kann eine ein- oder beidseitig auf die Membran laminierte Schicht sein oder ein den Membranrand im Querschnitt U-förmig einschließendes einstückiges Gebilde, welches beispielsweise angespritzt werden kann.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, wie vorstehend beschrieben. Insbesondere weist das Brennstoffzellensystem neben dem Brennstoffzellenstapel eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung mit den entsprechenden Peripheriekomponenten auf.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel 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 einen Brennstoffzellenstapel in einer bevorzugten Ausgestaltung,
2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Stand der Technik,
3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
5 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Auf 1 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle kann grundsätzlich einen Aufbau gemäß 1 aufweisen.
Die 2, 3, 4 und 5 zeigen einen Schnitt durch einen Randbereich einer Einzelzelle eines Brennstoffzellenstapels. 2 zeigt eine bekannte Ausgestaltung und die 3, 4 und 5 stellen jeweils eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Übereinstimmende Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Jede der Membran-Elektroden-Anordnungen 28 der 2 bis 5 weist eine Polymerelektrolytmembran 22 auf, die in einem aktiven Bereich durch die beiden katalytischen Elektroden 23 kontaktiert wird. Die Elektroden 23 können als Beschichtung der Membran vorliegen, als selbsttragende Schicht oder als eine Beschichtung von hier nicht gezeigten Gasdiffusionsschichten, die beidseitig an die Polymerelektrolytmembran 22 anschließen. In den 2 bis 5 ist ebenso erkennbar, dass ein Randbereich 34 der Membran-Elektroden-Anordnung 28 einstückig an eine Kante der Membran-Elektroden-Anordnung 28 angeformt ist. Dies kann beispielsweise durch ein Spritzgussverfahren oder dergleichen erfolgen. Beispielsweise ist der Randbereich 34 aus einem Silikonmaterial gefertigt. In einer alternativen Ausgestaltung kann der Randbereich 34 auch durch beidseitig auf die Polymerelektrolytmembran 22 laminierte Stütz- und/oder Dichtschichten beziehungsweise Trägerfolien gebildet sein (nicht dargestellt).
Gemäß der in der 2 dargestellten Ausgestaltung gemäß dem Stand der Technik steht der Randbereich 34 der Membran-Elektroden-Anordnung 28 in Form eines geraden Überhangs über die Plattenränder 46 der Bipolarplatten 26 über. Hierdurch ergibt sich eine Kriechstrecke, die sich aus den mit K bezeichneten Abständen in 2 ergibt und welche von elektrischen Ladungsträgern überwunden werden muss, um die beiden Bipolarplatten 26 kurzzuschließen. Je länger die Kriechstrecke K ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass diese durch elektrische Ladungsträger überwunden wird und desto besser sind die Bipolarplatten 26 voneinander elektrisch isoliert. Somit kann die Isolationswirkung verbessert werden, indem die Länge des Überhangs vergrößert wird. Dieses führt jedoch zu einer Vergrößerung des Volumens des Brennstoffzellenstapels, welche insbesondere in mobilen Anwendungen, in denen Bauraum begrenzt ist, unerwünscht ist.
3 zeigt eine entsprechende Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform weist die Membran-Elektroden-Anordnung 28 in einem Oberflächenabschnitt des Randbereichs 34 zwischen einem ersten Kontaktendpunkt 36 zwischen der ersten Bipolarplatte 26a und der Membran-Elektroden-Anordnung 28 und einem zweiten Kontaktendpunkt 38 zwischen der zweiten Bipolarplatte 26b und der Membran-Elektroden-Anordnung 28 zumindest eine Verdickung 40 auf. Erkennbar wird diese Verdickung 40 durch den Randbereich 34 der Membran-Elektroden-Anordnung 28 ausgebildet. Durch die Verdickung 40 wird die Länge der Kriechstrecke K gegenüber dem Rechteckprofil aus 2 deutlich erhöht und eine verbesserte Isolierung benachbarter Bipolarplatten 26 erzielt. Gleichzeitig ist es nicht notwendig, die Länge des Überhangs des Randbereichs 34 der Membran-Elektroden-Anordnung 28 deutlich zu erhöhen. Durch die wulstartige Verdickung 40 wird zudem ein verbesserter Schutz der Seitenwände des Brennstoffzellenstapels vor mechanischen Belastungen, beispielsweise Stößen, erreicht.
4 zeigt einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform weist der Randbereich 34 der Membran-Elektroden-Anordnung 28 in einem Bereich zwischen den Plattenrändern 46 der Bipolarplatten 26 und der Verdickung 40 zusätzlich eine Einschnürung 48 auf. Durch diese Einschnürung 48 wird die Kriechstrecke K zwischen den benachbarten Bipolarplatten 26 zusätzlich erhöht und wird der Materialmehraufwand für die Verdickung 40 zumindest teilweise wieder ausgeglichen.
5 zeigt einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform fallen mit Bezug auf die dargestellte Membran-Elektroden-Anordnung 28 für die erste Bipolarplatte 26a der erste Kontaktendpunkt 36 und der Plattenrand 46a auseinander. In dem Bereich zwischen dem ersten Kontaktendpunkt 36 und dem ersten Plattenrand 46a weist die erste Bipolarplatte 26a einen verdünnt ausgebildeten Kantenbereich 50 auf. Der verdünnt ausgebildete Kantenbereich 50 der ersten Bipolarplatte 26a ist der Membran-Elektroden-Anordnung 28 zugewandt, wodurch eine Aussparung zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung 28 und der ersten Bipolarplatte 26a ausgebildet ist. Auch die zweite Bipolarplatte 26b weist einen verdünnt ausgebildeten Kantenbereich auf, der jedoch von der Membran-Elektroden-Anordnung 28 abgewandt ist, weswegen der zweite Kontaktendpunkt 38 und der zweite Plattenrand 46b zueinander fluchten.
Wie aus 4 ersichtlich, weist der Randbereich 34 der Membran-Elektroden-Anordnung 28 drei Verdickungen 40 in einem mit dem verdünnt ausgebildeten Bereich 50 der ersten Bipolarplatte 26a korrespondierenden Bereich auf. Insbesondere sind die drei Verdickungen 40 in der zwischen der ersten Bipolarplatte 26a und der Membran-Elektroden-Anordnung 28 ausgebildeten Aussparung angeordnet. Da die Verdickungen 40 die erste Bipolarplatte 26a nicht berühren, erstreckt sich die Kriechstrecke K zwischen der ersten Bipolarplatte 26a und der zweiten Bipolarplatte 26b von dem ersten Kontaktendpunkt 36 entlang der Oberfläche des Randbereichs 34 bis zum zweiten Kontaktendpunkt 38. Durch die Verdickungen 40 ist die Kriechstrecke K deutlich erhöht. Gleichzeitig steht die Membran-Elektroden-Anordnung 28 nicht über die Plattenränder 46 der Bipolarplatten 26 über, sodass diese Plattenränder 46 zum Zentrieren des Brennstoffzellenstapels, beispielsweise durch Anlegen eines Zentrierelements, genutzt werden können. Zudem sind die Abmessungen des Brennstoffzellenstapels gegenüber der in 2 dargestellten Ausgestaltung reduziert.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzelle
12: Brennstoffzellenstapel
14: Einzelzellen
16: Endplatten
18: Zugelemente
20: Membran-Elektroden-Einheit
22: Polymerelektrolytmembran
23: Elektroden
24: Gasdiffusionslage
26a: erste Bipolarplatte
26b: zweite Bipolarplatte
28: Membran-Elektroden-Anordnung
30: erste Hauptoberfläche
32: zweite Hauptoberfläche
34: Randbereich
36: erster Kontaktendpunkt
38: zweiter Kontaktendpunkt
40: Verdickung
42: erste Plattenoberfläche
44: zweite Plattenoberfläche
46: Plattenrand
48: Einschnürung
50: Kantenbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN-EN 60664-1 [0008]

Claims

Brennstoffzellenstapel (12) für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend eine erste Bipolarplatte (26a) und eine zweite Bipolarplatte (26b); eine zwischen der ersten Bipolarplatte (26a) und der zweiten Bipolarplatte (26b) angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (28) mit einer ersten Hauptoberfläche (30), einer der ersten Hauptoberfläche (30) gegenüberliegenden zweiten Hauptoberfläche (32) und einen die erste Hauptoberfläche (30) und die zweite Hauptoberfläche (32) umlaufend verbindenden Randbereich (34), wobei in einem Querschnitt des Randbereichs (34) die erste Bipolarplatte (26a) bis zu einem ersten Kontaktendpunkt (36) an der ersten Hauptoberfläche (30) der Membran-Elektroden-Anordnung (28) anliegt und die zweite Bipolarplatte (26b) bis zu einem zweiten Kontaktendpunkt (38) an der zweiten Hauptoberfläche (38) der Membran-Elektroden-Anordnung (28) anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (34) der Membran-Elektroden-Anordnung (28) entlang eines zwischen dem ersten Kontaktendpunkt (36) und dem zweiten Kontaktendpunkt (38) angeordneten Oberflächenabschnitts zumindest eine Verdickung (40) aufweist.
Brennstoffzellenstapel (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Verdickung (40) die erste Bipolarplatte (26a) und die zweite Bipolarplatte (26b) nicht berührt.
Brennstoffzellenstapel (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung (28) zumindest peripher des ersten Kontaktendpunkts (36) und zumindest peripher des zweiten Kontaktendpunkts (38) als dielektrisches Element ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapel (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bipolarplatte (26a) und die zweite Bipolarplatte (26b) jeweils eine erste Plattenoberfläche (42), eine der ersten Plattenoberfläche (42) gegenüberliegende zweite Plattenoberfläche (44) und einen die erste und die zweite Plattenoberfläche (42, 44) verbindenden Plattenrand (46) aufweisen.
Brennstoffzellenstapel (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung (28) über den Plattenrand (46a) der ersten Bipolarplatte (26a) und über den Plattenrand (46b) der zweiten Bipolarplatte (26b) übersteht und die zumindest eine Verdickung (40) in dem über die Plattenränder (46) überstehenden Abschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung (28) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapel (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Elektroden-Anordnung (28) in einem zwischen den Plattenrändern (46) und der zumindest einen Verdickung (40) angeordneten Abschnitt zumindest eine Einschnürung (48) aufweist.
Brennstoffzellenstapel (12) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einer der ersten Bipolarplatte (26a) und der zweiten Bipolarplatte (26b) der Kontaktendpunkt (34, 36) nicht mit dem Plattenrand (46) fluchtet und ein verdünnt ausgebildeter Kantenbereich (50) zwischen dem Kontaktendpunkt (34, 36) und dem Plattenrand (46) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapel (12) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zu dem verdünnt ausgebildeten Kantenbereich (50) von der ersten Bipolarplatte (26a) und/oder von der zweiten Bipolarplatte (26b) korrespondierenden Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung (28) zumindest eine Verdickung (40) ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9 und/oder einem Brennstoffzellenstapel (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.