DE102017101954A1 - Membrane electrode assembly and fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung (14) für einen Brennstoffzellenstapel (10) umfassend eine Membran (152), zwei beidseitig daran anschließende katalytische Elektroden (143) und eine an zumindest einer Kante der Membran (152) angeordnete Stütz- und/oder Dichtungsschicht (150), sowie einen Brennstoffzellenstapel (10), in dem eine Mehrzahl solcher Membran-Elektroden-Anordnungen (14) und Bipolarplatten (16) abwechselnd gestapelt sind.Es ist vorgesehen, dass ein Rand (151) der Membran-Elektroden-Anordnung (14), der an der Kante verläuft, im Querschnitt eine größere Höhe (h) aufweist als eine Höhe (h) des Stapels aus Membran (152) und katalytischen Elektroden (143).The invention relates to a membrane electrode arrangement (14) for a fuel cell stack (10) comprising a membrane (152), two catalytic electrodes (143) adjoining on both sides and a supporting and / or arranged on at least one edge of the membrane (152). or sealing layer (150), and a fuel cell stack (10) in which a plurality of such membrane-electrode assemblies (14) and bipolar plates (16) are stacked alternately. It is provided that an edge (151) of the membrane electrodes Arrangement (14) extending at the edge, in cross section has a greater height (h) than a height (h) of the stack of membrane (152) and catalytic electrodes (143).

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung für einen Brennstoffzellenstapel umfassend eine Membran, zwei beidseitig daran anschließende katalytische Elektroden und eine die Membran rahmenartig umgebende und Randbereiche ausbildende Stütz- und/oder Dichtungsschicht, wobei in den Randbereichen Versorgungsöffnungen zur Zu- und Abführung von Betriebsmedien vorhanden sind. Die Erfindung betrifft ferner einen Brennstoffzellenstapel mit einer solchen Membran-Elektroden-Anordnung sowie ein Brennstoffzellensystem, das einen solchen Brennstoffzellenstapel beziehungsweise eine solche Membran-Elektroden-Anordnung aufweist.The invention relates to a membrane-electrode assembly for a fuel cell stack comprising a membrane, two catalytic electrodes adjoining on both sides and a supporting and / or sealing layer surrounding the membrane and forming peripheral regions, wherein supply openings for supplying and discharging operating media are provided in the peripheral regions available. The invention further relates to a fuel cell stack having such a membrane electrode assembly and a fuel cell system having such a fuel cell stack or such a membrane-electrode assembly.

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-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged catalytic electrode (anode and cathode). The latter mostly comprise supported noble metals, in particular platinum. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up. As a rule, bipolar plates (also called flow field plates or separator plates) are arranged between the individual membrane electrode assemblies, which ensure that the individual cells are supplied with the operating media, ie the reactants, and are usually also used for cooling. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.

Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu Protonen H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 → 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 2 O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O2 + 2 e → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2- + 2 H+ → H2O).During operation of the fuel cell, the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode via an anode-side open flow field of the bipolar plate, where an electrochemical oxidation of H 2 to protons H + takes place with release of electrons (H 2 → 2 H + + 2 e - ). Via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of the protons from the anode compartment into the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied via a cathode-side open flow field of the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example, air) as a cathode operating medium, so that a reduction of O 2 to 2 O 2- taking up the electrons takes place (½ O 2 + 2 e → O 2 - ). At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water (O 2- + 2 H + → H 2 O).

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 durch entsprechende in den Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten vorhandenen Versorgungsöffnungen ausgebildet werden und den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen. Von den Hauptversorgungskanälen werden die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.The supply of the fuel cell stack with its operating media, ie the anode operating gas (for example hydrogen), the cathode operating gas (for example air) and the coolant, via main supply channels, which are formed by corresponding present in the membrane electrode assemblies and bipolar plates supply openings and the Enforce stack in its entire stacking direction. From the main supply channels, the operating media are supplied to the individual cells via the bipolar plates. For each operating medium at least two such main supply channels are present, namely one for feeding and one for discharging the respective operating medium.

Innerhalb eines Brennstoffzellenstapels müssen die einzelnen Zellen elektrisch voneinander isoliert sein, um einen elektrischen Kurzschluss oder Funkenüberschlag zu verhindern. Im Zuge immer höher werdender Stromdichten von Brennstoffzellen werden aber die Zellhöhen der Einzelzellen zunehmend verringert. Hierdurch reduziert sich jedoch das Spaltmaß zwischen zwei Einzelzellen, insbesondere zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten, wodurch die Kriechstrecke verkürzt und somit die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses oder Funkenüberschlags zunimmt.Within a fuel cell stack, the individual cells must be electrically isolated from each other to prevent electrical shorting or sparking. In the course of ever-increasing current densities of fuel cells, however, the cell heights of the individual cells are increasingly reduced. As a result, however, reduces the gap between two individual cells, in particular between two adjacent bipolar plates, whereby the creepage distance shortened and thus increases the risk of electrical short circuit or sparkover.

Eine bekannte Maßnahme, dieser Problematik entgegenzuwirken, ist, die Plattengrößen der Membran-Elektroden-Einheiten geringfügig gegenüber denen der Bipolarplatten zu vergrößern, sodass Randbereiche der Membran-Elektroden-Anordnungen über die Ränder der Bipolarplatten etwas hinausragen. Auf diese Weise wird die Kriechstrecke erhöht. Nachteilig an dieser Lösung ist jedoch, dass durch die Vergrößerung der MEA eine Vergrößerung des Bauvolumens des gesamten Stapels einhergeht. Somit sind dem Ausmaß des Überhangs der MEA gegenüber den Bipolarplatten Grenzen gesetzt. Zudem ist eine Zentrierung mittels Anschlag aufgrund fehlender Steifigkeit der Membran nicht oder nur schwer möglich.A known measure to counteract this problem is to increase the plate sizes of the membrane-electrode units slightly opposite to those of the bipolar plates, so that edge regions of the membrane-electrode assemblies protrude beyond the edges of the bipolar plates something. In this way, the creepage distance is increased. A disadvantage of this solution, however, is that an enlargement of the overall volume of the entire stack is accompanied by the enlargement of the MEA. Thus, the extent of the overhang of the MEA over the bipolar plates are limited. In addition, a centering by means of stop due to lack of rigidity of the membrane is not possible or only with difficulty.

Darüber hinaus ist aus EP 1 612 877 B1 bekannt, die Randbereiche der Membran-Elektroden-Anordnung zu imprägnieren und den nicht imprägnierten Bereich stärker zu komprimieren.In addition, is off EP 1 612 877 B1 It is known to impregnate the edge regions of the membrane-electrode assembly and to compress the non-impregnated region more strongly.

Zur Erhöhung der Kriechstrecke schlägt die US 7,033,694 A weiter vor, die Membran-Elektroden-Anordnung nach außen hin spitz zulaufen zu lassen, um den Außenumfang zu vergrößern. Insbesondere hierbei ist eine Zentrierung mittels Anschlag jedoch unmöglich.To increase the creepage distance beats the US 7,033,694 A further, to make the membrane-electrode assembly taper to the outside, to increase the outer circumference. In this case, however, centering by means of a stop is impossible.

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 zu nehmen.The present invention is therefore based on the object to enable improved internal electrical insulation of the individual cells of a fuel cell stack, without taking an excessive space expansion of the stack in purchasing.

Diese Aufgabe wird durch eine Membran-Elektroden-Anordnung, einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.This object is achieved by a membrane electrode assembly, a fuel cell stack and a fuel cell system with the features of the independent claims.

Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung eine Membran-Elektroden-Anordnung für einen Brennstoffzellenstapel umfassend eine Membran, zwei beidseitig daran anschließende katalytische Elektroden und eine an zumindest einer Kante der Membran angeordnete Stütz- und/oder Dichtungsschicht, wobei Versorgungsöffnungen zur Zu- und Abführung von Betriebsmedien vorhanden sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein Rand der Membran-Elektroden-Anordnung, der an ihrer Kante verläuft, im Querschnitt eine größere Höhe (hD) aufweist als eine Höhe (hMEA) des Stapels aus Membran und katalytischen Elektroden.Thus, a first aspect of the invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell stack comprising a membrane, two catalytic electrodes adjoining on both sides and a supporting and / or sealing layer arranged on at least one edge of the membrane, wherein supply openings for the supply and discharge of Operating media are available. According to the invention, it is provided that an edge of the membrane-electrode arrangement which runs along its edge has a greater height (h D ) in cross-section than a height (h MEA ) of the stack of membrane and catalytic electrodes.

Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung weist gegenüber Membran-Elektroden-Anordnungen aus dem Stand der Technik verbesserte Isolationseigenschaften auf. Insbesondere ist eine Kriechstrecke erhöht und so die Durchschlagfestigkeit einer in einer Brennstoffzelle angeordneten erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung erhöht. Die Kriechstrecke wird im Randbereich durch die Anordnung der Stütz- und/oder Dichtungsschicht erhöht, da diese Schicht einen größeren Umfang aufweist als die Membran im Randbereich. Dies ist insbesondere durch die Höhe hD gewährleistet, die erfindungsgemäß größer ist als die Höhe hMEA des Stapels aus katalytischer Schicht/ Membran/katalytischer Schicht. Je nach Ausgestaltung der Stütz- und/oder Isolationsschicht entspricht die Kriechstrecke mindestens der Höhe hD. Da die Isolationseigenschaften der Membran-Elektroden-Anordnung proportional zur Länge der Kriechstrecke sind, sind diese bei der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung erhöht.The membrane-electrode arrangement according to the invention has improved insulation properties compared with membrane-electrode arrangements of the prior art. In particular, a creepage distance is increased, thus increasing the dielectric strength of a membrane-electrode arrangement according to the invention arranged in a fuel cell. The creepage distance is increased in the edge region by the arrangement of the support and / or sealing layer, since this layer has a larger circumference than the membrane in the edge region. This is ensured in particular by the height h D , which according to the invention is greater than the height h MEA of the stack of catalytic layer / membrane / catalytic layer. Depending on the configuration of the support and / or insulation layer, the creepage distance corresponds at least to the height h D. Since the insulation properties of the membrane electrode assembly are proportional to the length of the creepage distance, these are increased in the membrane electrode assembly according to the invention.

Mit anderen Worten ragt erfindungsgemäß die Stütz- und/oder Dichtungsschicht bezogen auf einen Querschnitt um ein Maß hÜ über die Oberfläche der katalytischen Schicht herüber. Dieser Überstand ist vorzugsweise als Kante beziehungsweise als Stufe ausgebildet. Je nach Ausgestaltung der Stütz- und/oder Dichtungsschicht kann die Höhe hD der Summe aus anoden- und kathodenseitigem Überstand hÜ und Dicke des Stapels aus Membran und katalytischer Beschichtung entsprechen oder diese noch übersteigen.In other words, according to the invention, the supporting and / or sealing layer projects over based on a cross section by an amount h Ü over the surface of the catalytic layer. This supernatant is preferably formed as an edge or as a step. Depending on the configuration of the supporting and / or sealing layer, the height h D may correspond to the sum of anode and cathode-side projection h Ü and thickness of the stack of membrane and catalytic coating or even exceed this.

Zudem zeigt die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit im Vergleich zu bekannten Membran-Elektroden-Einheiten eine erhöhte Steifigkeit. Je nach Ausgestaltung der Stütz- und/oder Isolationsschicht ist die Membran an zumindest einer Kante durch die Stütz- und/oder Isolationsschicht verstärkt. Da die Höhe der Schicht hD die des Stapels hMEA übersteigt, ist die Steifigkeit zumindest entlang der Kante erhöht. Mit der erhöhten Steifigkeit sind eine bessere Zentrierbarkeit und eine bessere Stabilität der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden. Die äußere Kante der Stütz- und/oder Dichtungsschicht bildet dabei eine Zentrierkante aus, die als Anschlag nutzbar ist. Eine herkömmliche Membran, die keinerlei Stützelement aufweist, lässt sich nicht mittels Anschlag zentrieren, insbesondere dann nicht, wenn zur Erreichung einer festgesetzten Mindestkriechstrecke die Membran über den Rand einer angrenzenden Bipolarplatte hinausragt.In addition, the membrane-electrode assembly according to the invention exhibits an increased rigidity compared to known membrane-electrode assemblies. Depending on the design of the support and / or insulation layer, the membrane is reinforced on at least one edge by the support and / or insulation layer. Since the height of the layer h D exceeds that of the stack h MEA , the rigidity is increased at least along the edge. With the increased stiffness better centerability and better stability of the membrane-electrode assembly are connected. The outer edge of the support and / or sealing layer forms a centering edge, which can be used as a stop. A conventional membrane, which has no support element, can not be centered by means of a stopper, especially not when, to achieve a set minimum creepage distance, the membrane projects beyond the edge of an adjacent bipolar plate.

Der Stütz- und/oder Dichtungsschicht kommt stützende und/oder dichtende Funktion zu. In besonders bevorzugter Ausführung kommen ihr beide Eigenschaften gleichzeitig zu. Die Stütz- und/oder Dichtungsschicht ist an zumindest einer Kante der Membran angeordnet. Dabei erstreckt sie sich entlang der Kante und umschließt den äußeren Rand der Membran entlang der Kante, sodass die Stütz- und/oder Dichtungsschicht auf einer dem aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung abgewandten Seite über die Membran hinaus ragt. Somit ist die Stütz- und/oder Dichtungsschicht (S-/D-Schicht) bevorzugt beidseits der Membran angeordnet. Bevorzugt ist die S-/D-Schicht auf der katalytischen Beschichtung angeordnet. Alternativ weist die Membran-Elektroden-Anordnung im Bereich der S-/D-Schicht keine katalytische Beschichtung auf.The support and / or sealing layer has a supporting and / or sealing function. In a particularly preferred embodiment, both properties come to you simultaneously. The support and / or sealing layer is arranged on at least one edge of the membrane. In this case, it extends along the edge and encloses the outer edge of the membrane along the edge, so that the support and / or sealing layer on a side facing away from the active region of the membrane-electrode assembly extends beyond the membrane. Thus, the support and / or sealing layer (S / D layer) is preferably arranged on both sides of the membrane. Preferably, the S / D layer is disposed on the catalytic coating. Alternatively, the membrane-electrode assembly has no catalytic coating in the region of the S / D layer.

Im Querschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung ergeben sich drei zueinander benachbarte Bereiche, die von innen nach außen (also vom aktiven Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung hin zur Kante) wie folgt als Schichtstapel ausgebildet sind: katalytische Beschichtung/ Membran/ katalytische Beschichtung, S-/D-Schicht/ katalytische Beschichtung/ Membran/ katalytische Beschichtung/ S-/D-Schicht und S-/D-Schicht.In the cross-section of the membrane-electrode assembly, there are three mutually adjacent regions which are formed from the inside to the outside (ie from the active region of the membrane-electrode assembly to the edge) as a layer stack as follows: catalytic coating / membrane / catalytic coating, S / D layer / catalytic coating / membrane / catalytic coating / S / D layer and S / D layer.

Die S-/D-Schicht ist als elektrischer Isolator ausgestaltet und umfasst vorzugsweise einen Kunststoff beziehungsweise ein Polymer, welches flüssig aufbringbar, insbesondere spritzbar ist. Die S-/D-Schicht ist vorzugsweise mittels Spritzguss an der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet.The S / D layer is designed as an electrical insulator and preferably comprises a plastic or a polymer which can be applied liquid, in particular can be sprayed. The S / D layer is preferably arranged by injection molding on the membrane-electrode assembly.

In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft die Stütz- und/oder Dichtungsschicht an zumindest zwei, insbesondere benachbarten Kanten der Membran. Diese Ausführungsform erhöht die Steifigkeit der gesamten Membran-Elektroden-Anordnung.In a preferred embodiment, the support and / or sealing layer runs on at least two, in particular adjacent edges of the membrane. This embodiment increases the rigidity of the entire membrane-electrode assembly.

Mit besonderem Vorteil verläuft die Stütz- und/oder Dichtungsschicht rahmenartig entlang aller Kanten der Membran. Diese Ausführungsform weist unter den genannten die größte Steifigkeit der Membran-Elektroden-Anordnung auf. Im Vergleich zur Ausführungsform, in der zwei oder weniger Kanten eine S-/D-Schicht aufweisen, erhöht eine rahmenartige S-/D-Schicht bereits bei geringeren Ausmaßen die Steifigkeit und Stabilität der Membran-Elektroden-Anordnung. Mit anderen Worten ragt die S-/D-Schicht bei geringer Anzahl der beschichteten Kanten weiter über die Membran. Bezogen auf die oben beschriebenen angrenzenden Bereiche heißt das, dass der Bereich, in dem der Schichtstapel S-/D-Schicht/ katalytische Beschichtung/ Membran/ katalytische Beschichtung/ S-/D-Schicht ausgebildet ist, bezogen auf eine Membranoberfläche schmaler ausgebildet ist, je mehr Kanten der Membran-Elektroden-Anordnung eine S-/D-Schicht aufweisen. Besonders bevorzugt weist der Bereich eine Breite im Bereich von 5 bis 30 mm auf.With particular advantage, the support and / or sealing layer extends like a frame along all edges of the membrane. This embodiment has the greatest rigidity of the membrane-electrode arrangement among those mentioned. Compared to the embodiment in which two or less edges have an S / D layer, a frame-like S / D layer increases the rigidity and stability of the membrane-electrode assembly even at smaller dimensions. In other words, with a small number of coated edges, the S / D layer continues to project over the membrane. With respect to the adjacent regions described above, this means that the region in which the layer stack S / D layer / catalytic coating / membrane / catalytic coating / S / D layer is formed is narrower relative to a membrane surface, the more edges of the membrane-electrode assembly have an S / D layer. Particularly preferably, the range has a width in the range of 5 to 30 mm.

In bevorzugter Ausführungsform ist weiter vorgesehen, dass die Stütz- und/oder Dichtungsschicht im Querschnitt ein einseitig oder beidseitig abgeflachtes Profil aufweist und der Rand ein sich nach außen verjüngendes, insbesondere trapezoidales Profil aufweist. In dieser Ausführungsform ist die Kriechstrecke weiter erhöht und damit die Isolationseigenschaften der Membran-Elektroden-Anordnung weiter verbessert. Wird eine Membran-Elektroden-Anordnung in einer Brennstoffzelle zu einer Bipolarplatte angeordnet, so grenzt die S-/D-Schicht aufgrund des verjüngten Profils nicht über die gesamte benachbarte Fläche an die benachbarte Bipolarplatte an. Die trapezoidale Form gewährleistet die Ausbildung einer Zentrierkante, wie in 5 deutlich wird.In a preferred embodiment it is further provided that the support and / or sealing layer in cross-section has a profile flattened on one or both sides and the edge has an outwardly tapered, in particular trapezoidal profile. In this embodiment, the creepage distance is further increased and thus further improves the insulation properties of the membrane electrode assembly. If a membrane-electrode arrangement is arranged in a fuel cell to form a bipolar plate, the S / D layer does not adjoin the adjacent bipolar plate over the entire adjacent area due to the tapered profile. The trapezoidal shape ensures the formation of a centering edge, as in 5 becomes clear.

Bevorzugt verläuft das sich nach außen verjüngende Profil bezogen auf den Querschnitt der Membran-Elektroden-Anordnung symmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch, wobei eine Mittelebene der Membran in Erstreckungsrichtung die Spiegelebene bildet.Preferably, the outwardly tapering profile is symmetrical relative to the cross section of the membrane-electrode assembly, in particular mirror-symmetrical, wherein a median plane of the membrane in the extension direction forms the mirror plane.

Ein weiterer Aspekt betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl abwechselnd gestapelter Bipolarplatten und einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung aufweist. Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel zeichnet sich auch bei reduzierter Zellhöhe durch eine erhöhte Lebensdauer und gute Isolation der Einzelzellen aus.Another aspect relates to a fuel cell stack having a plurality of alternately stacked bipolar plates and a membrane electrode assembly according to the invention. The fuel cell stack according to the invention is characterized even with reduced cell height by an increased life and good isolation of the individual cells.

Mit Vorteil reicht die Stütz- und/oder Dichtungsschicht zumindest teilweise zwischen zwei Bipolarplatten hinein und die Bipolarplatten weisen in diesem Bereich einen Rücksprung auf, der sich vom Rand ausgehend über einen Teil der Stütz- und/oder Dichtungsschicht erstreckt. Diese Ausgestaltung der Bipolarplatte ermöglicht, dass die Höhe hD der S-/D-Schicht, insbesondere der Überstandshöhe hÜ, größer ist als die des Stapels hMEA, ohne dass beim Verpressen des Stapels eine Druckerhöhung in den Randbereichen auftritt.Advantageously, the support and / or sealing layer extends at least partially between two bipolar plates and the bipolar plates have a recess in this region, which extends from the edge over a part of the support and / or sealing layer. This embodiment of the bipolar plate makes it possible that the height h D of the S / D layer, in particular the projection height h Ü , is greater than that of the stack h MEA , without a pressure increase occurring in the edge regions during the pressing of the stack.

In bevorzugter Ausgestaltung hat der Rücksprung eine Höhe, die mindestens dem Überstand hÜ der S-/D-Schicht über die Oberfläche der katalytischen Beschichtung entspricht. Ferner erstreckt sich der Rücksprung ausgehend vom äußeren Rand der Bipolarplatte bis zu einer Kante der S-/D-Schicht, also bis zu einer Grenzfläche der Bereiche katalytische Beschichtung/ Membran/ katalytische Beschichtung/ und S-/D-Schicht/ katalytische Beschichtung/ Membran/ katalytische Beschichtung/ S-/D-Schicht.In a preferred embodiment, the recess has a height which corresponds at least to the supernatant h Ü of the S / D layer over the surface of the catalytic coating. Furthermore, the recess extends from the outer edge of the bipolar plate to an edge of the S / D layer, that is to say to an interface of the areas of catalytic coating / membrane / catalytic coating / and S / D coating / catalytic coating / membrane / catalytic coating / S / D layer.

Bevorzugt grenzt die S-/D-Schicht zumindest in diesem Bereich an die Bipolarplatte an.The S / D layer preferably adjoins the bipolar plate at least in this area.

Davon ausgehend grenzt in einer bevorzugten Ausgestaltung die S-/D-Schicht nicht mehr an die Bipolarplatte an. Mit anderen Worten ist dann im Rücksprung zumindest bereichsweise zwischen Bipolarplatte und der S-/D-Schicht eine Fuge ausgebildet, die sich, je nach Ausgestaltung der S-/D-Schicht, nach innen, also zur aktiven Fläche hin, verjüngt. Dies wird insbesondere durch die Anordnung einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung in der Ausführungsform mit einem sich nach außen verjüngenden Profil erreicht, wenn der Rücksprung der Bipolarplatte bezogen auf einen Querschnitt im Wesentlichen rechteckig ausgebildet ist. Diese Ausführungsformen haben den Vorteil, dass die Kriechstrecke um die Länge der Fuge vergrößert ist und tragen somit zu einer weiter erhöhten Isolation bei.On this basis, in a preferred embodiment, the S / D layer is no longer adjacent to the bipolar plate. In other words, a gap is then formed in the recess at least partially between the bipolar plate and the S / D layer, which, depending on the design of the S / D layer, tapers inwards, ie towards the active surface. This is achieved in particular by the arrangement of a membrane electrode assembly according to the invention in the embodiment with an outwardly tapering profile, when the return of the bipolar plate is formed with respect to a cross section substantially rectangular. These embodiments have the advantage that the creepage distance is increased by the length of the joint and thus contribute to a further increased insulation.

In alternativer Ausführungsform ist der Rücksprung von der Stütz- und/oder Dichtungsschicht ausgefüllt. Mit anderen Worten ist keine Fuge zwischen S-/D-Schicht und Bipolarplatte ausgebildet, vielmehr grenzen deren Oberflächen stoffschlüssig aneinander an.In an alternative embodiment, the recess is filled by the support and / or sealing layer. In other words, no gap is formed between the S / D layer and the bipolar plate, but instead their surfaces adjoin one another in a material-locking manner.

In beiden Fällen ist bevorzugt, dass die Stütz- und/oder Dichtungsschicht um eine Länge (L) aus dem Brennstoffzellenstapel hervorragt. Der sich ergebende Außenumfang der S-/D-Schicht ist gegenüber einem bündigen Abschluss deutlich vergrößert, womit auch die Kriechstrecke und damit die Isolation weiter vergrößert sind.In both cases, it is preferred that the supporting and / or sealing layer protrudes from the fuel cell stack by a length (L). The resulting outer circumference of the S / D layer is significantly increased compared to a flush conclusion, whereby the creepage distance and thus the insulation are further increased.

Mit besonderem Vorteil umschließt die S-/D-Schicht einen Teil der Kante der Bipolarplatte, ist also mit der Bipolarplatte nicht nur im Bereich des Rücksprungs, sondern auch bereichsweise mit einer an den Rücksprung angrenzenden Außenkante der Bipolarplatte schlüssig verbunden. Dies ist insbesondere dann bevorzugt, wenn der Rücksprung von der S-/D-Schicht ausgefüllt ist. Dies erfolgt einseitig der Membran-Elektroden-Anordnung, also entweder an der anodenseitigen oder der kathodenseitigen Bipolarplatte. Bezogen auf einen Querschnitt ergibt sich eine L-Form der S-/D-Schicht, wie in 7 exemplarisch gezeigt. Alternativ bildet sich eine T-Form beziehungsweise Doppel-L-Form der S-/D-Schicht aus, das heißt, die S-/D-Schicht überlappt sowohl mit der anodenseitigen als auch mit der kathodenseitigen Bipolarplatte (exemplarisch in 6 gezeigt).With particular advantage, the S / D layer encloses a part of the edge of the bipolar plate, so is with the bipolar plate not only in the region of the recess, but also partially with a on the return adjacent the outer edge of the bipolar plate connected conclusively. This is particularly preferred when the return from the S / D layer is filled. This is done on one side of the membrane-electrode assembly, ie either on the anode-side or the cathode-side bipolar plate. Based on a cross-section results in an L-shape of the S / D layer, as in 7 shown as an example. Alternatively, a T-shape or double-L shape of the S / D layer is formed, that is, the S / D layer overlaps both with the anode-side and with the cathode-side bipolar plate (by way of example in FIG 6 shown).

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

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

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
  • 2 eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Einheit;
  • 3 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte;
  • 4 eine Schnittansicht einer Einzelzelle eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer bekannten Ausführung;
  • 5 eine Schnittansicht einer Einzelzelle eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung;
  • 6 eine Schnittansicht einer Einzelzelle eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung;
  • 7 eine Schnittansicht einer Einzelzelle eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung; und
  • 8 eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Einheit in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a block diagram of a fuel cell system according to a preferred embodiment;
  • 2 a plan view of a membrane electrode assembly;
  • 3 a plan view of a bipolar plate;
  • 4 a sectional view of a single cell of a fuel cell stack according to a known embodiment;
  • 5 a sectional view of a single cell of a fuel cell stack according to a first embodiment of the invention;
  • 6 a sectional view of a single cell of a fuel cell stack according to another embodiment of the invention;
  • 7 a sectional view of a single cell of a fuel cell stack according to another embodiment of the invention; and
  • 8th a plan view of a membrane-electrode assembly in a preferred embodiment of the invention.

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

Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 16 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 16 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 16 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 16 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 16 angeordnet sein.The fuel cell system 100 comprises as a core component a fuel cell stack 10 containing a plurality of stacked single cells 11 having alternately stacked membrane-electrode assemblies (MEAs) 14 and bipolar plates 16 be formed (see detail). Every single cell 11 thus includes one MEA each 14 , which has an ion-conducting polymer electrolyte membrane (not shown in more detail here) and catalytic electrodes arranged on both sides, namely an anode and a cathode, which catalyze the respective partial reaction of the fuel cell conversion and in particular can be formed as coatings on the membrane. The anode and cathode electrodes comprise a catalytic material, such as platinum, supported on an electrically conductive high surface area support material, such as a carbon based material. Between a bipolar plate 16 and the anode thus becomes an anode compartment 12 formed and between the cathode and the next bipolar plate 16 the cathode compartment 13 , The bipolar plates 16 serve to supply the operating media in the anode and cathode rooms 12 . 13 and further provide the electrical connection between the individual fuel cells 11 ago. Optionally, gas diffusion layers may be interposed between the membrane-electrode assemblies 14 and the bipolar plates 16 may be arranged.

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

Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.The anode supply 20 includes an anode supply path 21 which feeds an anode operating medium (the fuel), for example hydrogen, into the anode spaces 12 of the fuel cell stack 10 serves. For this purpose, the anode supply path connects 21 a fuel storage 23 with an anode inlet of the fuel cell stack 10 , The anode supply 20 further includes an anode exhaust path 22 that removes the anode exhaust gas from the anode spaces 12 via an anode outlet of the fuel cell stack 10 dissipates. The anode operating pressure on the anode sides 12 of the fuel cell stack 10 is about an actuating means 24 in the anode supply path 21 adjustable. In addition, the anode supply can 20 as shown, a fuel recirculation line 25 comprising the anode exhaust path 22 with the anode supply path 21 combines. The recirculation of fuel is common in order to return and utilize the fuel, which is mostly used in excess of stoichiometry, in the stack. In the fuel recirculation line 25 is another adjusting agent 26 arranged, with which the recirculation rate is adjustable.

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

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, den Betriebsdruck des Kathodenbetriebsmediums kurzfristig im Brennstoffzellenstapel 10 zu reduzieren, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.The cathode supply 30 may also according to the illustrated embodiment, a wastegate line 37 having the cathode supply line 31 with the cathode exhaust gas line 32 connects, so a bypass of the fuel cell stack 10 represents. The wastegate pipe 37 allows the operating pressure of the cathode operating medium in the fuel cell stack in the short term 10 reduce without the compressor 33 shut down. One in the wastegate pipe 37 arranged adjusting means 38 allows control of the amount of the fuel cell stack 10 immediate cathode operating medium. All adjusting means 24, 26, 38 of the fuel cell system 100 can be designed as controllable or non-controllable valves or flaps. Corresponding further actuating means can be in the lines 21 , 22, 31 and 32 to the fuel cell stack 10 isolate from the environment.

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

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

Die 2 und 3 zeigen jeweils in einer Draufsicht eine beispielhafte Membran-Elektroden-Anordnung 14 beziehungsweise Bipolarplatte 16, welche den Brennstoffzellenstapel 10 konstituieren.The 2 and 3 each show in a plan view of an exemplary membrane-electrode assembly 14 or bipolar plate 16 which the fuel cell stack 10 constitute.

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 164 bis 169 seitens der Bipolarplatte 16 angeordnet, die im gestapelten Zustand im Wesentlichen miteinander fluchten und Hauptversorgungskanäle im Brennstoffzellenstapel ausbilden. Die Anodeneinlassöffnungen 144 beziehungsweise 164 dienen der Zuführung des Anodenbetriebsgases, also des Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff. Die Anodenauslassöffnungen 145 beziehungsweise 165 dienen der Abführung des Anodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kathodeneinlassöffnungen 146 beziehungsweise 166 dienen der Zuführung des Kathodenbetriebsgases, das insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gemisch, vorzugsweise Luft ist. Die Kathodenauslassöffnungen 147 beziehungsweise 167 dienen der Abführung des Kathodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kühlmitteleinlassöffnungen 148 beziehungsweise 168 dienen der Zuführung und die Kühlmittelauslassöffnungen 149 beziehungsweise 169 der Ableitung des Kühlmittels.Both components are subdivided into an active area AA and inactive areas IA , The active area AA is characterized by the fact that fuel cell reactions take place in this area. For this purpose, the membrane electrode assembly 14 in the active region AA on both sides of the polymer electrolyte membrane, a catalytic electrode 143 on. The inactive areas IA , each can be divided into service areas SA and distribution areas THERE divide. Within the service areas SA are supply openings 144 to 147 from the membrane electrode assembly 14 respectively 164 to 169 from the bipolar plate 16 arranged in the stacked state substantially aligned with each other and form main supply channels in the fuel cell stack. The anode inlet openings 144 and 164 serve to supply the anode operating gas, ie the fuel, for example hydrogen. The anode outlet openings 145 or 165 serve the discharge of the anode exhaust gas after overflow of the active area AA , The cathode inlet openings 146 respectively 166 serve to supply the cathode operating gas, which is in particular oxygen or an oxygen-containing mixture, preferably air. The cathode outlet openings 147 respectively 167 serve the discharge of the cathode exhaust gas after overflow of the active area AA , The coolant inlet openings 148 respectively 168 serve the supply and the coolant outlet 149 respectively 169 the discharge of the coolant.

Die MEA 14 weist eine Anodenseite 141 auf, die in 2 sichtbar ist. Somit ist die dargestellte katalytische Elektrode 143 als Anode ausgebildet, beispielsweise als Beschichtung auf der Polymerelektrolytmembran. Die in 2 nicht sichtbare Kathodenseite 142 weist eine entsprechende katalytische Elektrode, hier die Kathode auf. Die Polymerelektrolytmembran kann sich über die gesamte Ausbreitung der Membranelektrodeneinheit 14 erstrecken, mindestens aber über den aktiven Bereich AA.The MEA 14 has an anode side 141 on that in 2 is visible. Thus, the illustrated catalytic electrode 143 formed as an anode, for example as a coating on the polymer electrolyte membrane. In the 2 invisible cathode side 142 has a corresponding catalytic electrode, here the cathode. The polymer electrolyte membrane can spread over the entire spread of the membrane electrode assembly 14 extend, but at least over the active area AA ,

Die MEA 14 weist ferner eine, die Membran einfassende und diese rahmenartig umgebende Stütz- und Dichtungsschicht 150 auf, die im dargestellten Beispiel sich über den gesamten inaktiven Bereich IA erstreckt, diesen gleichsam ausbildet, und die Elektroden 143 umlaufend einschließt. Die Stütz- und Dichtungsschicht 150 bildet auch einen Randbereich 151 aus, der die MEA 14 entlang ihres gesamten Umfangs umläuft und ein abgeflachtes Profil aufweist, was später noch genauer erläutert wird. Zusätzlich können auch die Versorgungsöffnungen 144 bis 149 mit einem solchen abgeflachten Rand ausgebildet sein (hier nicht dargestellt).The MEA 14 also has a, the membrane enclosing and this frame-like surrounding support and sealing layer 150 in the example shown, over the entire inactive area IA extends, as it were formed, and the electrodes 143 enclosing all around. The support and sealing layer 150 also forms a border area 151 out, the MEA 14 along its entire circumference revolves and has a flattened profile, which will be explained later in more detail. In addition, also the supply openings 144 to be formed 149 with such a flattened edge (not shown here).

Die in 3 dargestellte Bipolarplatte 16 weist ebenfalls eine in der Darstellung sichtbare Kathodenseite 162 auf sowie eine nicht sichtbare Anodenseite 161. In typischen Ausführungen ist die Bipolarplatte 16 aus zwei zusammengefügten Plattenhälften, der Anodenplatte und der Kathodenplatte, aufgebaut. Auf der dargestellten Kathodenseite 162 sind Betriebsmittelkanäle 163 als offene rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet, welche die Kathodeneinlassöffnung 166 mit der Kathodenauslassöffnung 167 verbinden. Dargestellt sind lediglich fünf exemplarische Betriebsmittelkanäle 163, wobei üblicherweise eine wesentlich größere Anzahl vorhanden ist. Desgleichen weist die hier nicht sichtbare Anodenseite 161 entsprechende Betriebsmittelkanäle auf, welche die Anodeneinlassöffnung 164 mit der Anodenauslassöffnung 165 verbinden. Auch diese Betriebsmittelkanäle für das Anodenbetriebsmedium sind als offene, rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet. Im Inneren der Bipolarplatte 16, insbesondere zwischen den beiden Plattenhälften, verlaufen eingeschlossene Kühlmittelkanäle, welche die Kühlmitteleinlassöffnung 168 mit der Kühlmittelauslassöffnung 161 verbinden. Mit den unterbrochenen Linien sind in 3 Dichtungen angedeutet.In the 3 illustrated bipolar plate 16 also has a visible cathode side in the illustration 162 on and an invisible anode side 161 , In typical embodiments, the bipolar plate is 16 composed of two joined plate halves, the anode plate and the cathode plate. On the illustrated cathode side 162 Operating fluid channels 163 are formed as open channel-like channel structures, which the cathode inlet opening 166 with the cathode outlet opening 167 connect. Only five exemplary resource channels are shown 163 , where usually a much larger number is available. Likewise, the not visible here anode side 161 corresponding resource channels, which the anode inlet opening 164 connect to the anode outlet port 165. These operating medium channels for the anode operating medium are also designed as open, channel-like channel structures. Inside the bipolar plate 16 , in particular between the two plate halves, extend enclosed coolant channels, which the coolant inlet opening 168 with the coolant outlet opening 161 connect. With the broken lines are in 3 Seals indicated.

Wie bereits erwähnt, werden die in den 2 und 3 gezeigten Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und Bipolarplatten 16 abwechselnd aufeinander angeordnet und zwischen zwei Endplatten fluiddicht verpresst, um so einen Brennstoffzellenstapel 10 auszubilden. Dabei werden die Bipolarplatten 16 über einen externen Stromkreis miteinander verschaltet, um den erzeugten Strom abzunehmen. Auf der anderen Seite müssen die einzelnen Zellen, insbesondere die Bipolarplatten 16, untereinander elektrisch voneinander isoliert werden.As already mentioned, those in the 2 and 3 shown membrane-electrode assemblies 14 and bipolar plates 16 alternately arranged on each other and pressed fluid-tight between two end plates, so as to form a fuel cell stack 10 train. This will be the bipolar plates 16 interconnected via an external circuit to remove the generated power. On the other hand, the individual cells, especially the bipolar plates 16 , electrically isolated from each other.

Die 4, 5, 6 und 7 zeigen einen Schnitt durch einen Randbereich einer Einzelzelle 11 eines entsprechenden Brennstoffzellenstapels 10 gemäß der in den 2 und 3 gezeigten Schnittebene. 4 zeigt eine bekannte Ausführung und die 5, 6 und 7 stellen jeweils eine Ausführung gemäß vorliegender Erfindung dar. Übereinstimmende Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.The 4 . 5 . 6 and 7 show a section through an edge region of a single cell 11 a corresponding fuel cell stack 10 according to the in 2 and 3 shown section plane. 4 shows a known embodiment and the 5 . 6 and 7 each represent an embodiment according to the present invention. Corresponding elements are designated by the same reference numerals.

Jede der Membran-Elektroden-Anordnungen 14 der 4 bis 7 weist eine Polymerelektrolytmembran 52 auf, die im aktiven Bereich AA durch die beiden katalytischen Elektroden 143 kontaktiert wird. Die Elektroden 143 können als Beschichtung der Membran vorliegen, als selbsttragende Schicht oder als eine Beschichtung von hier nicht gezeigten Gasdiffusionsschichten, die beidseitig an die MEA 14 anschließen. In den 4 bis 7 ist ebenso erkennbar, dass die Stütz- und/oder Dichtungsschicht 150 einstückig an den Rand der Membran 152 angeformt ist. Dies kann beispielsweise durch ein Spritzgussverfahren oder dergleichen erfolgen. Beispielsweise ist die Schicht 150 aus einem Silikonmaterial gefertigt. Sie kann zudem einen Wulst aufweisen (hier nicht dargestellt), der eine umlaufende Dichtung zu den Bipolarplatten 16 bildet. In alternativer Ausführung kann die Membran 152 in ihrem Randbereich auch einseitig durch eine oder beidseitig mit zwei Stütz- und/oder Dichtschichten laminiert sein (nicht dargestellt).Each of the membrane-electrode assemblies 14 of the 4 to 7 has a polymer electrolyte membrane 52 which is in the active region AA through the two catalytic electrodes 143 will be contacted. The electrodes 143 may be present as a coating of the membrane, as a self-supporting layer or as a coating of gas diffusion layers, not shown here, which are on both sides of the MEA 14 connect. In the 4 to 7 is also recognizable that the support and / or sealing layer 150 in one piece to the edge of the membrane 152 is formed. This can be done for example by an injection molding process or the like. For example, the layer 150 made of a silicone material. It may also have a bead (not shown here), which is a circumferential seal to the bipolar plates 16 forms. In an alternative embodiment, the membrane 152 in its edge region also be laminated on one side by one or both sides with two support and / or sealing layers (not shown).

Gemäß der Ausführung nach 4 überlappt die Membran-Elektroden-Anordnung 14 die Bipolarplatten 16 in Form eines Überhangs mit einer Länge L. Hierdurch ergibt sich eine Kriechstrecke, die sich aus den mit K bezeichneten Abständen in 4 ergibt und welche von elektrischen Ladungsträgern überwunden werden muss, um die beiden Bipolarplatten 16 kurzzuschließen. Je länger die Kriechstrecke K ist, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass diese durch elektrische Ladungsträger überwunden wird und desto besser sind die Einzelzellen 11 voneinander elektrisch isoliert. Somit kann die Isolationswirkung verbessert werden, indem die Überhanglänge L vergrößert wird. Dies führt jedoch zu einer Vergrößerung des Volumens des Brennstoffzellenstapels 10, welche insbesondere in mobilen Anwendungen, in denen Bauraum begrenzt ist, unerwünscht ist.According to the execution according to 4 overlaps the membrane-electrode assembly 14 the bipolar plates 16 in the form of an overhang with a length L , This results in a creepage distance, resulting from the distances designated K in 4 results and which of electrical charge carriers must be overcome to the two bipolar plates 16 short-circuit. The longer the creepage distance K is, the lower the probability that it will be overcome by electric charge carriers and the better the single cells 11 electrically isolated from each other. Thus, the insulation effect can be improved by the overhang length L is enlarged. However, this leads to an increase in the volume of the fuel cell stack 10 which is particularly undesirable in mobile applications in which space is limited.

Die 5, 6 und 7 zeigen eine entsprechende Schnittansicht einer Einzelzelle 11 eines Brennstoffzellenstapels 10 mit einer Membran-Elektroden-Anordnung 14 gemäß je einer Ausgestaltung der Erfindung. Die Membran-Elektroden-Anordnung 14 weist an der gezeigten Kante eine Stütz-und/oder Dichtungsschicht (S-/D-Schicht) 150 auf. Diese weist eine Höhe hD auf, die größer ist als die Höhe hMEA der Membran beziehungsweise des Stapels aus katalytischer Beschichtung/ Membran/ katalytische Beschichtung. Die S-/D-Schicht 150 überragt demnach eine Oberfläche der auf der Membran 152 angeordneten katalytischen Beschichtung. Die Proportionen dienen nur der Veranschaulichung und sollen keine quantitativen Aussagen geben. Die Bipolarplatten 16 der gezeigten Einzelzellen weisen jeweils einen Rücksprung 170 auf. Dieser ist im Wesentlichen rechteckig ausgebildet und weist eine Höhe auf, die einem Maß entspricht, um das die S-/D-Schicht 150 die Oberfläche der katalytischen Beschichtung überragt. Die S-/D-Schicht 150 ragt um eine Länge L aus einer Flucht der Kanten der Bipolarplatten 16 hervor. Die Kriechstrecke K, die sich aus den mit K bezeichneten Abständen ergibt und welche von elektrischen Ladungsträgern überwunden werden muss, um die beiden Bipolarplatten 16 kurzzuschließen, ergibt sich aus der Länge L bezogen auf die anodisch angrenzende Bipolarplatte 16, aus der Höhe hD der S-/D-Schicht 152 und erneut der Länge L, bezogen auf die kathodisch an die Membran 152 angrenzende Bipolarplatte 16. Aufgrund der Differenz hD -hMEA und der spezifischen Ausgestaltung der Form der S-/D-Schicht 150 ist die sich ergebende Kriechstrecke K in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel bei definiertem Volumen im Vergleich zu dem in 4 gezeigten Brennstoffzellenstapel vergrößert.The 5 . 6 and 7 show a corresponding sectional view of a single cell 11 a fuel cell stack 10 with a membrane electrode assembly 14 according to one embodiment of the invention. The membrane electrode assembly 14 has a supporting and / or sealing layer (S / D layer) 150 on the edge shown. This has a height h D on, which is greater than the height h MEA the membrane or the stack catalytic coating / membrane / catalytic coating. The S / D layer 150 thus projects beyond a surface of the membrane 152 arranged catalytic coating. The proportions are for illustrative purposes only and are not intended to be quantitative. The bipolar plates 16 The individual cells shown each have a return 170 on. This is formed substantially rectangular and has a height corresponding to a degree to which the S / D layer 150 projects beyond the surface of the catalytic coating. The S / D layer 150 protrudes by one length L from an escape of the edges of the bipolar plates 16 out. The creepage distance K , which results from the distances indicated by K and which must be overcome by electrical charge carriers to the two bipolar plates 16 Short circuit results from the length L based on the anodically adjacent bipolar plate 16 , from the height h D the S / D layer 152 and again the length L , based on the cathodic to the membrane 152 adjacent bipolar plate 16 , Because of the difference h D - h MEA and the specific configuration of the shape of the S / D layer 150 is the resulting creepage distance K in a fuel cell stack according to the invention at a defined volume in comparison to that in FIG 4 shown enlarged fuel cell stack.

Das Profil der S-/D-Schicht 150 ist in den Ausgestaltungen der 5 und 6 symmetrisch zu einer Symmetrieebene ausgebildet, die der Mittelebene der Membran 152 entspricht.The profile of the S / D layer 150 is in the embodiments of 5 and 6 formed symmetrically to a plane of symmetry, that of the median plane of the membrane 152 equivalent.

In 5 weist die S-/D-Schicht 152 dabei einen trapezoidalen Querschnitt auf. Es entsteht eine Fuge zwischen Bipolarplatte 16 beziehungsweise der Kante des Rücksprungs 170 und der S-/D-Schicht 150.In 5 The S / D layer 152 has a trapezoidal cross section. The result is a gap between bipolar plate 16 or the edge of the return 170 and the S / D layer 150.

Die in den 6 und 7 gezeigten Ausgestaltungen zeigen eine S-/D-Schicht, die den Rücksprung 170 der Bipolarplatte 16 ausfüllt. Dabei ist in 6 eine symmetrische Ausgestaltung gezeigt, in der das Profil der Membran-Elektroden-Anordnung (14) beidseits der Membran das gleiche Profil aufweist und auch die Rücksprünge 170 der beiden angrenzenden Bipolarplatten 16 punktsymmetrisch ausgestaltet sind. Hingegen zeigt die 7 ein unsymmetrisches Profil des S-/D-Schicht 150 und unterschiedlich große Rücksprünge 170 der angrenzenden Bipolarplatten 16.The in the 6 and 7 shown embodiments show an S / D layer, the return 170 the bipolar plate 16 fills. It is in 6 3 shows a symmetrical configuration in which the profile of the membrane electrode assembly (FIG. 14 ) on both sides of the membrane has the same profile and also the recesses 170 the two adjacent bipolar plates 16 are designed point-symmetrically. On the other hand shows the 7 an asymmetrical profile of the S / D layer 150 and different sized recesses 170 the adjacent bipolar plates 16 ,

In 6 weist die S-/D-Schicht 150 ein L-Profil auf, wobei sich ein Schenkel entlang einer Tiefe des Rücksprungs 170 erstreckt und ein Schenkel entlang der Kante der Bipolarplatte 16 verläuft. Im gesamten Bereich grenzt die S-/D-Schicht an die Bipolarplatte 16 an. Es entsteht keine Fuge. In 7 ist das beschriebene Profil der S-/D-Schicht beidseits der Membran 152 ausgebildet, sodass ein doppel-L-Profil beziehungsweise ein T-Profil entsteht.In 6 For example, the S / D layer 150 has an L-profile with a leg along a depth of the recess 170 extends and a leg along the edge of the bipolar plate 16 runs. Throughout the area, the S / D layer is adjacent to the bipolar plate 16 at. There is no fugue. In 7 is the described profile of the S / D layer on both sides of the membrane 152 formed so that a double-L profile or a T-profile is formed.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Brennstoffzellensystem The fuel cell system
1010
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
1111
Einzelzellesingle cell
1212
Anodenraumanode chamber
1313
Kathodenraum cathode space
1414
Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)Membrane electrode assembly (MEA)
141141
Anodenseiteanode side
142142
Kathodenseitecathode side
143143
katalytische Elektrode / Anodecatalytic electrode / anode
144144
Versorgungsöffnung / AnodeneinlassöffnungSupply opening / anode inlet opening
145145
Versorgungsöffnung / AnodenauslassöffnungSupply opening / anode outlet opening
146146
Versorgungsöffnung / KathodeneinlassöffnungSupply opening / cathode inlet opening
147147
Versorgungsöffnung / KathodenauslassöffnungSupply opening / cathode outlet opening
148148
Versorgungsöffnung / KühlmitteleinlassöffnungSupply opening / coolant inlet opening
149149
Versorgungsöffnung / KühlmittelauslassöffnungSupply opening / coolant outlet opening
150150
Stütz- und/oder DichtungsschichtSupport and / or sealing layer
151151
Zentrierkantecentering edge
152152
Membran / Polymerelektrolytmembran Membrane / polymer electrolyte membrane
1616
Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)Bipolar plate (separator plate, flow field plate)
161161
Anodenseiteanode side
162162
Kathodenseitecathode side
163163
Betriebsmittelkanal (Reaktantenkanal)Resource channel (reactant channel)
164164
Versorgungsöffnung / AnodeneinlassöffnungSupply opening / anode inlet opening
165165
Versorgungsöffnung / AnodenauslassöffnungSupply opening / anode outlet opening
166166
Versorgungsöffnung / KathodeneinlassöffnungSupply opening / cathode inlet opening
167167
Versorgungsöffnung / KathodenauslassöffnungSupply opening / cathode outlet opening
168168
Versorgungsöffnung / KühlmitteleinlassöffnungSupply opening / coolant inlet opening
169169
Versorgungsöffnung / KühlmittelauslassöffnungSupply opening / coolant outlet opening
170 170
Rücksprung return
2020
Anodenversorgunganode supply
2121
AnodenversorgungspfadAnode supply path
2222
AnodenabgaspfadAnode exhaust gas path
2323
Brennstofftankfuel tank
2424
Stellmittelactuating means
2525
BrennstoffrezirkulationsleitungBrennstoffrezirkulationsleitung
2626
Stellmittel actuating means
3030
Kathodenversorgungcathode supply
3131
KathodenversorgungspfadCathode supply path
3232
KathodenabgaspfadCathode exhaust path
3333
Verdichtercompressor
3434
Elektromotorelectric motor
3535
Leistungselektronikpower electronics
3636
Turbineturbine
3737
Wastegate-LeitungWaste gate line
3838
Stellmittelactuating means
3939
Befeuchtermodul humidifier
AAAA
Aktiver Bereich (Reaktionsbereich, active area)Active area (reaction area, active area)
IAIA
Inaktiver Bereich (inactive area)Inactive area
SASA
Versorgungsbereich (supply area)Supply area
DATHERE
Verteilerbereich (distribution area)Distribution area
LL
ÜberhanglängeOverhang
KK
Kriechstreckecreepage
BB
Breite des abgeflachten RandsWidth of the flattened edge
hMEA h MEA
Höhe des Stapels aus Membran und angrenzenden katalytischen BeschichtungenHeight of the stack of membrane and adjacent catalytic coatings
hD h D
Höhe der Stütz- und/oder DichtungsschichtHeight of the support and / or sealing layer
hR h R
Höhe RücksprungHeight return

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1612877 B1 [0007]EP 1612877 B1 [0007]
  • US 7033694 A [0008]US7033694A [0008]

Claims (10)

Membran-Elektroden-Anordnung (14) für einen Brennstoffzellenstapel (10) umfassend eine Membran (152), zwei beidseitig daran anschließende katalytische Elektroden (143) und eine an zumindest einer Kante der Membran (152) angeordnete Stütz- und/oder Dichtungsschicht (150), wobei Versorgungsöffnungen (144-149) zur Zu- und Abführung von Betriebsmedien vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rand der Membran-Elektroden-Anordnung (14), der an der Kante verläuft, im Querschnitt eine Höhe (hD) aufweist, die größer ist als eine Höhe (hMEA) eines Stapels aus Membran (152) und katalytischen Elektroden (143).Membrane-electrode arrangement (14) for a fuel cell stack (10) comprising a membrane (152), two catalytic electrodes (143) adjoining on both sides and a supporting and / or sealing layer (150) arranged on at least one edge of the membrane (152) ), wherein supply openings (144-149) for supply and discharge of operating media are present, characterized in that an edge of the membrane-electrode assembly (14) extending at the edge, in cross-section has a height (h D ) greater than a height (h MEA ) of a stack of membrane (152) and catalytic electrodes (143). Membran-Elektroden-Anordnung (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stütz- und/oder Dichtungsschicht (150) an zumindest zwei, insbesondere benachbarten, Kanten der Membran (152) verläuft.Membrane electrode assembly (14) according to Claim 1 , characterized in that the support and / or sealing layer (150) extends on at least two, in particular adjacent, edges of the membrane (152). Membran-Elektroden-Anordnung (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stütz- und/oder Dichtungsschicht (150) entlang aller Kanten der Membran (152) verläuft.Membrane electrode assembly (14) according to Claim 1 , characterized in that the support and / or sealing layer (150) extends along all edges of the membrane (152). Membran-Elektroden-Anordnung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stütz- und/oder Dichtungsschicht (150) im Querschnitt ein abgeflachtes Profil aufweist und der Rand ein sich nach außen verjüngendes, insbesondere trapezoidales Profil aufweist.Membrane-electrode assembly (14) according to any one of the preceding claims, characterized in that the support and / or sealing layer (150) has a flattened profile in cross-section and the edge has an outwardly tapering, in particular trapezoidal profile. Brennstoffzellenstapel (10), umfassend eine Mehrzahl abwechselnd gestapelter Bipolarplatten (16) und Membran-Elektroden-Anordnungen (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.A fuel cell stack (10) comprising a plurality of alternately stacked bipolar plates (16) and membrane electrode assemblies (14) according to any one of Claims 1 to 4 , Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stütz- und/oder Dichtungsschicht (150) zumindest teilweise zwischen zwei Bipolarplatten (16) hineinreicht und die Bipolarplatten (16) in diesem Bereichen einen Rücksprung (170) aufweisen, der sich vom Rand ausgehend entlang eines Teils der Stütz- und/oder Dichtungsschicht (150) erstreckt.Fuel cell stack (10) after Claim 5 , characterized in that the support and / or sealing layer (150) extends at least partially between two bipolar plates (16) and the bipolar plates (16) in these areas have a recess (170) extending from the edge along a portion of the support - and / or sealing layer (150) extends. Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bereichsweise zwischen der Stütz- und/oder Dichtungsschicht (150) und der Bipolarplatte (16) eine Fuge ausgebildet ist die sich, insbesondere in Richtung eines Zentrums der Membran (152) hin, verjüngt.Fuel cell stack (10) according to one of Claims 5 or 6 , characterized in that at least in regions between the support and / or sealing layer (150) and the bipolar plate (16) is formed a gap which, in particular in the direction of a center of the membrane (152), tapers. Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücksprung (170) von der Stütz- und/oder Dichtungsschicht (150) ausgefüllt ist.Fuel cell stack (10) according to one of Claims 5 to 7 , characterized in that the recess (170) of the support and / or sealing layer (150) is filled. Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stütz- und/oder Dichtungsschicht (150) um eine Länge (L) aus einer Flucht des Brennstoffzellenstapels (10) hervorragt.Fuel cell stack (10) according to one of Claims 5 to 8th , characterized in that the support and / or sealing layer (150) protrudes by a length (L) from an alignment of the fuel cell stack (10). Brennstoffzellensystem aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 9.Fuel cell system comprising a fuel cell stack (10) according to one of Claims 5 to 9 ,
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