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
Zur Erhöhung der Kriechstrecke schlägt die
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
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
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.
-
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.
Das Brennstoffzellensystem
Um den Brennstoffzellenstapel
Die Anodenversorgung
Die Kathodenversorgung
Die Kathodenversorgung
Das Brennstoffzellensystem
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung
Die
Beide Bauteile unterteilen sich in einen aktiven Bereich
Die MEA
Die MEA
Die in
Wie bereits erwähnt, werden die in den
Die
Jede der Membran-Elektroden-Anordnungen
Gemäß der Ausführung nach
Die
Das Profil der S-/D-Schicht 150 ist in den Ausgestaltungen der
In
Die in den
In
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
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