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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, der aus einer Mehrzahl an in einer Stapelrichtung übereinandergestapelten Einheitszellen („unit cell“) gebildet ist. Jede der Einheitszellen weist einen oder mehrere Medienkanäle und eine Membranelektrodenanordnung (MEA) auf. Die Membranelektrodenanordnung umfasst eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Membran. Die Brennstoffzellenvorrichtung weist außerdem eine im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung verlaufende Medienführung auf.
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Bekannte Brennstoffzellenvorrichtungen besitzen Kanäle, die innerhalb des Brennstoffzellenstapels entlang der Stapelrichtung ausgebildet sind. Um zu gewährleisten, dass die Reaktionsmedien sich nicht durchmischen, ist eine aufwändige Dichtungsstruktur von Nöten. Beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels ist außerdem sicherzustellen, dass die Medien nicht nach außen an die Umwelt gelangen.
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In der
DE 10 2007 023 544 A1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gezeigt. Sammelleitungen für die Betriebsmedien und/oder für das Kühlmedium werden durch eine Umfangsdichtung umschlossen. Dabei muss gewährleistet sein, dass jede der Einheitszellen des Brennstoffzellenstapels die Sammelleitung entsprechend abdichtet oder einen entsprechenden Durchgang vorsieht für das jeweils dem aktiven Bereich zuzuführende Medium. Eine derartige Dichtungsstruktur ist aufwändig in der Herstellung.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, bei der die Medienzufuhr zum Brennstoffzellenstapel vereinfacht ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 gelöst. Insbesondere ist dabei die Medienführung derart mit dem Brennstoffzellenstapel verbindbar oder verbunden, um ein Medium im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen der Einheitszellen des Brennstoffzellenstapels zu führen.
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Eine derartige Anordnung ist vorteilhaft, da für die Medienführung ein anderes Material gewählt werden kann als für die Einheitszellen bzw. für die Bipolarplatten der Einheitszellen. Außerdem lässt sich die Anzahl der Dichtungsspuren reduzieren, die für eine Abdichtung der Medienführungen hergestellt werden müssen. Dadurch ist auch die Fertigungskomplexität reduziert.
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Es ist von Vorteil, wenn die Medienführung einen Führungssteg sowie mit diesem verbundene Führungsschenkel umfasst. Die Führungsschenkel sind dabei mit dem Brennstoffzellenstapel verbindbar oder verbunden. Damit lässt sich eine U-Form beschreiben, wobei das offene Ende des „U“ zum Brennstoffzellenstapel zeigt und damit die Medien von außen an den Brennstoffzellenstapel herangeführt werden. Die Medien strömen also innerhalb der Medienführungen im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung. In den Brennstoffzellenstapel gelangen sie in einer lateralen oder seitlichen Richtung (x-y-Richtung) bezüglich der Stapelrichtung.
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Für eine verbesserte Abdichtung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Medienführung mit dem Brennstoffzellenstapel mittels Fügelinien verbunden ist. Diese Fügelinien verlaufen im Wesentlichen in Stapelrichtung und sind beidseitig der Medienkanäle angeordnet. Vorzugsweise erstrecken sich die Fügelinien - wie auch die Medienführung - in Stapelrichtung (z-Richtung) über die gesamte Länge des Brennstoffzellenstapels. Durch die an der Außenkante des Brennstoffzellenstapels vorgesehenen Fügelinien lässt sich eine Abdichtung der Medienführung gegenüber der Umgebung erreichen.
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Vorzugsweise ist das Material der Fügelinien ausgewählt, um die Medienführung mit dem Brennstoffzellenstapel stoffschlüssig zu verbinden; mithin die Medienführung mit dem Brennstoffzellenstapel zu verkleben.
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Zur Realisierung eines Brennstoffzellenstapels mit einem hohen Wirkungsgrad, ist es sinnvoll, wenn die Einheitszellen einen aktiven Bereich und einen außerhalb des aktiven Bereichs liegenden Randbereich aufweisen, in welchem der eine oder die mehreren Medienkanäle ausgebildet sind zur Führung des mindestens einen Mediums in den oder aus dem aktiven Bereich. Der aktive Bereich ist im Wesentlichen derjenige Bereich, in welchem die elektrochemische Reaktion einer Brennstoffzelle erfolgt. Insbesondere wird der aktive Bereich umfangsseitig durch den nicht aktiven Randbereich begrenzt. Der Randbereich ist im Wesentlichen dafür vorgesehen, um eine Abdichtung zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten zu erzeugen und insbesondere die Medienkanäle zur Zuführung von Medien, wie Reaktionsmedien oder Kühlmedien bereitzustellen.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Einheitszellen eine erste Bipolarplatte mit einem ersten Medieneintrittskanal und einem ersten Medienaustrittskanal, sowie ein den ersten Medieneintrittskanal mit dem ersten Medienaustrittskanal verbindendes erstes Flussfeld umfassen. Über dieses Flussfeld kann beispielsweise ein Reaktionsmedium einer sich im aktiven Bereich befindlichen Membranelektrodenanordnung zugeführt werden.
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Zur Zuführung eines zweiten Mediums an die Membranelektrodenanordnung, ist es sinnvoll, wenn die Einheitszellen eine zweite Bipolarplatte mit einem zweiten Medieneintrittskanal und einen zweiten Medienaustrittskanal umfassen. Der zweiten Medieneintrittskanal und der zweiten Medienaustrittskanal sind über ein zweites Flussfeld miteinander verbunden.
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Zur zusätzlichen Abdichtung der Kathode gegenüber der Anode der Membranelektrodenanordnung ist es vorteilhaft, wenn die Dichtungsstruktur einen die Membranelektrodenanordnung lateral abdichtenden Dichtungsrand aufweist.
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Eine einfach herzustellende Brennstoffzellenvorrichtung ist außerdem dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Medienführungen vorgesehen sind. Diese untergliedern sich vorzugsweise in eine erste Medienzuführung zur Zuführung eines ersten Reaktionsmediums und eine erste Medienabführung zur Abführung des zumindest teilverbrauchten ersten Reaktionsmediums. Weiterhin untergliedern sich die mehreren Medienführungen in eine zweite Medienzuführung zur Zuführung eines zweiten Reaktionsmediums und eine zweite Medienabführung zur Abführung des zumindest teilverbrauchten zweiten Reaktionsmediums. Somit sind also die beiden Reaktionsmedien seitlich entlang des Brennstoffzellenstapels, d.h. stapelextern, in den Medienführungen geführt, wobei sie senkrecht zur Stapelrichtung, mithin lateral in die Einheitszellen des Brennstoffzellenstapels eintreten können bzw. oder aus diesen austreten können.
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Um zusätzlich ein Kühlmittel stapelextern entlang dem Brennstoffzellenstapel zu führen, und um das Kühlmittel lateral in die Einheitszellen oder zwischen zwei Einheitszellen in den Brennstoffzellenstapel zu führen, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn sich die Medienführungen außerdem in eine Kühlmittelzuführung und eine Kühlmittelabführung untergliedern.
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Im Folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigen:
- 1 eine Brennstoffzellenvorrichtung in einer Perspektivansicht,
- 2 eine (erste) Bipolarplatte einer Einheitszelle in einer Draufsicht,
- 3 den Schnitt III-III aus 2,
- 4 die (erste) Bipolarplatte aus 2 mit aufgebrachter Verbundschicht, in einer Draufsicht gezeigt,
- 5 den Schnitt V-V aus 4 (unverpresster Zustand),
- 6 die (erste) Bipolarplatte aus 4 mit einer darauf aufgelegten Brennstoffzellenanordnung,
- 7 den Schnitt VII-VII aus 6 (unverpresster Zustand),
- 8 die Konfiguration aus 6 mit einer aufgebrachten Verbindungsschicht,
- 9 den Schnitt IX-IX aus 8 (unverpresster Zustand),
- 10 eine Einheitszelle des Brennstoffzellenstapels mit einer (zweiten) Bipolarplatte, in einer Draufsicht gezeigt,
- 11 die (zweite) Bipolarplatte in einer Unteransicht, d.h. in einer Ansicht auf die der Membranelektrodenanordnung zugewandten Fläche der zweiten Bipolarplatte,
- 12 ein aus mehreren Einheitszellen entsprechend 10 gebildeter Brennstoffstoffzellenstapel in einer Perspektivansicht,
- 13 die Schnittansicht XIII-XIII aus 10 durch eine Mehrzahl an übereinander gestapelten Einheitszellen (verpresster Zustand),
- 14 die Schnittansicht XIV-XIV aus 10 durch eine Mehrzahl an übereinander gestapelten Einheitszellen (verpresster Zustand),
- 15 einen senkrecht zur Stapelrichtung verlaufenden Querschnitt durch den Brennstoffzellenstapel aus 12 mit daran angebrachten Fügelinien, und
- 16 einen senkrecht zur Stapelrichtung verlaufenden Querschnitt durch die Brennstoffzellenvorrichtung aus 1,
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Es sei vorab darauf hingewiesen, dass die Dimensionen, die Größenverhältnisse und der Maßstab der gezeigten Darstellungen nicht festgelegt sind und variieren können. Insbesondere bei den Schnittdarstellungen sind die einzelnen Schichten so dargestellt, dass nachvollziehbar ist, in welcher gegenseitigen Lage und in welcher Reihenfolge die Einzelschichten aufeinander gestapelt sind.
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In 1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 12 gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 12 ist aus einer Mehrzahl an in einer Stapelrichtung (z-Richtung) übereinander gestapelten Einheitszellen 11 gebildet ist. Die Einheitszellen 11 weisen jeweils einen oder mehrere Medienkanäle 8 und eine Membranelektrodenanordnung 2 auf. Jede der Membranelektrodenanordnungen 2 in den Einheitszellen 11 umfasst eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete ionenleitfähige Membran.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 weist außerdem parallel zur Stapelrichtung verlaufende Medienführungen 22 auf, die derart mit dem Brennstoffzellenstapel 12 verbunden sind, um ein Medium im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen 8 der Einheitszellen 11 des Brennstoffzellenstapels 12 zu führen. Die vorliegende Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst hierfür mehrere Medienführungen 22, die sich in eine erste Medienzuführung 22a zur Zuführung eines ersten Reaktionsmediums (z.B. Wasserstoff) an die Anoden und in eine erste Medienabführung 22b zur Abführung des in den Einheitszellen 11 (teil-)verbrauchten ersten Reaktionsmediums untergliedern. Außerdem untergliedern sich die Medienführungen 22 in eine zweite Medienzuführung 22c zur Zuführung eines zweiten Reaktionsmediums (z.B. Sauerstoff oder Luft) an die Kathoden und in eine zweite Medienabführung 22d zur Abführung des in den Einheitszellen 11 (teil-)verbrauchten zweiten Reaktionsmediums. Letztlich untergliedern sich die Medienführungen zudem in eine Kühlmittelzuführung 22e zur Zuführung eines Kühlmittels (z.B. flüssiges Wasser) und in eine Kühlmittelabführung 22f zur Abführung von (teil-)erwärmten Kühlmittel.
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Beispielhaft sei nachstehend die Herstellung bzw. der Aufbau der gezeigten Einheitszellen 11 des Brennstoffzellenstapels 12 anhand der 2 bis 11 erläutert.
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In 2 ist eine Bipolarplatte 7 von einer der Einheitszellen 11 gezeigt. Diese erste Bipolarplatte 7a weist einen inneren, gestrichelt dargestellten aktiven Bereich 3 und einen äußeren, gestrichelt dargestellten Randbereich 5 auf. Im Randbereich 5 sind mehrere Medienkanäle 8 ausgebildet, die sich in die in der Zeichnung links dargestellten ersten Medieneintrittskanäle 8a und die in der Zeichnung rechts dargestellten ersten Medienaustrittskanäle 8b untergliedern lassen.
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Vorliegend sind fünf der ersten Medieneintrittskanäle 8a und fünf der ersten Medienaustrittskanäle 8b in der ersten Bipolarplatte 7a ausgebildet. Eine andere Anzahl ist möglich. Die ersten Medieneintrittskanäle 8a sind mit den ersten Medienaustrittskanälen 8b über ein erstes Flussfeld 13a miteinander strömungsverbunden. Dieses Flussfeld 13a befindet sich im aktiven Bereich 3 und kann einer benachbarten Membranelektrodenanordnung 2 ein Reaktionsmedium zur Verfügung stellen. Im Beispiel nach 2 weist das Flussfeld 13a mehrere Führungen oder Wände 14 auf zur gleichmäßigen Verteilung eines Reaktionsmediums über die Oberfläche der Membranelektrodenanordnung 2. Es ist allerdings auch möglich, andersartige Flussfelder 13a einzusetzen, zum Beispiel solche, bei denen die Strömung des Reaktionsmediums meanderförmig über den Bereich der aktiven Fläche geführt ist. Außerdem kann auch der Abstand der Wände 14, der Wandungen oder der Stege variieren. Auch die Tiefe des durch benachbarte Wände 14 gebildeten Kanals kann unterschiedlich tief ausgeführt sein und variieren.
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Wie sich aus 3, dem Schnitt III-III aus 2 ergibt, ist auch auf der der Membranelektrodenanordnung 2 abgewandten Seite der ersten Bipolarplatte 7a ein Flussfeld 13c ausgebildet, das dem Durchströmen eines anderen Mediums, zum Beispiel eines Kühlmittels dient.
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Wie 4 zeigt, wird auf die erste Bipolarplatte 7a im Randbereich 5 eine Verbundschicht 15, insbesondere eine Fügeschicht aufgetragen. Diese Verbundschicht 15 ist mehrteilig gebildet bzw. weist im Bereich der Medienkanäle 8a, 8b Aussparungen 16 auf. Die Aussparungen 16 gewährleisten, dass die Medieneintrittskanäle 8a und die Medienaustrittskanäle 8b nicht abgedichtet sind und später eine Durchführung von Medien zulassen.
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Die im Randbereich 5 angebrachte Verbundschicht 15 erstreckt sich entlang der langen Kante 17a der ersten Bipolarplatte 7a, so dass ein bündiger Abschluss mit dem durch die Abmessungen der Bipolarplatte 7 vorgegebenen Randbereich 5 entsteht. Durch diese Verbundschicht 15 wird die aktive Fläche bzw. der aktive Bereich 3 gegenüber der Umwelt abgedichtet, wobei die Wahl des Materials der Verbundschicht 15 so zu treffen ist, dass diese Dichtfunktion gewährleistet ist. In 5, dem Schnitt V-V aus 4 ist der bündige Abschluss der Verbundschicht 15 bzw. des Fügematerials mit der Bipolarplatte 7 entlang ihren langen Kanten 17a zu erkennen. Auch die Abschnitte der Verbundschicht 15, die sich an den kurzen Kanten 17b befinden, schließen vorzugsweise bündig mit der Bipolarplatte 7 ab. Die gewählte Darstellung der Verbundschicht 15 ist exemplarisch. Sie kann sehr viel dünner als die erste Bipolarplatte 7a ausgestaltet sein.
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Bei 6 wurde eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Membranelektrodenanordnung 2 auf die mit der Verbundschicht 15 bedeckte erste Bipolarplatte 7a nach 4 aufgebracht oder aufgelegt. Im Wesentlichen wird der aktive Bereich 3 durch die Abmessungen der Membranelektrodenanordnung 2 vorgegeben, welcher in der Figur wiederum durch die innere gestrichelte Linie skizziert ist. Der aktive Bereich 3 erstreckt sich aber nicht nur in einer Ebene (x-y-Ebene) sondern auch in der Stapelrichtung (z-Richtung), die aus der Papierebene heraus- oder hineingerichtet ist.
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Der aktive Bereich 3 ist derjenige Bereich, in welchem die elektrochemische Reaktion der durch die Membranelektrodenanordnung 2 gebildeten Brennstoffzelle erfolgt. Bei der elektrochemischen Reaktion wird ein Brennstoff (z.B. Wasserstoff) an die Anode geführt, wo er katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert wird. Diese Protonen werden durch die Ionen-Austausch-Membran zur Kathode transportiert. Die aus der Brennstoffzelle abgeleiteten Elektronen fließen über einen elektrischen Verbraucher, vorzugsweise zu einem Elektromotor zum Antrieb eines Fahrzeugs oder zu einer Batterie. Anschließend werden die Elektronen zur Kathode geführt. An der Kathode wird das Oxidationsmedium (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) durch die Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert, die unmittelbar mit den Protonen zu Wasser reagieren.
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Um zu gewährleisten, dass der Brennstoff unmittelbar an die Anode gelangt, oder dass das Oxidationsmedium unmittelbar zur Kathode gelangt, ist der Membranelektrodenanordnung 2 eine Dichtungsstruktur 4 lateral zugeordnet. Die Kombination aus der Membranelektrodenanordnung 2 und der Dichtungsstruktur 4 bildet dabei eine gemeinsame Brennstoffzellenanordnung. Die Dichtungsstruktur 4 umfasst dabei Bestandteile, die sich in den Randbereich 5 erstrecken oder sogar über den Randbereich 5 hinausragen. Diese Bestandteile sind damit also außerhalb des aktiven Bereichs 3 angeordnet. Mit anderen Worten begrenzt der Randbereich 5 den aktiven Bereich 3 in radialer oder lateraler Richtung bzw. umfangsseitig.
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Es ist zu erkennen, dass die Dichtungsstruktur 4 eine sich in den oder über den Randbereich 5 erstreckende Dichtungszunge 6 zur axialen gasdichten Abdeckung eines in einer benachbarten Bipolarplatte 7 ausgebildeten und im Randbereich 5 befindlichen Medienkanals 8 umfasst. Die hier gezeigte Brennstoffzellenanordnung weist insgesamt vier Dichtungszungen 6 auf. Zwei der Dichtungszungen 6 sind an der kürzeren Kante 9a der Membranelektrodenanordnung 2 sich gegenüberliegend angeordnet. Die anderen beiden Dichtungszungen 6 sind an der langen Kante 9b der Membranelektrodenanordnung 2 sich gegenüberliegend und versetzt zueinander angeordnet. Die Dichtungszungen 6 weisen vorliegend alle eine rechteckige Form auf. Mehreckige Formen der Dichtungszungen sind aber möglich, wobei auch abgerundete Dichtungszungen 6 in Betracht kommen.
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Die Dichtungsstruktur 4 und insbesondere die Dichtungszungen 6 sind formstabil gebildet hinsichtlich einer auf diese axial einwirkenden Druck-und/oder Zugbeanspruchung. Weiterhin ist zu erkennen, dass sich die Dichtungszungen 6 über den Randbereich 5 hinaus erstrecken. Es ist allerdings auch möglich, dass eine oder mehrere der Dichtungszungen 6 sich lediglich in den Randbereich 5 hinein erstrecken, ihn aber nicht vollständig bedecken oder seitlich über ihn hinausstehen.
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Weiterhin ist zu erkennen, dass die Dichtungsstruktur 4 einen die Membranelektrodenanordnung 2 lateral abdichtenden Dichtungsrand 10 aufweist. Die durch den Dichtungsrand 10 gebildete Dichtungslinie dichtet die Membranelektrodenanordnung 2 gegen den seitlichen Austritt von Medien ab.
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Die Dichtungszunge 6 der Brennstoffzellenanordnung an der linken Seite deckt dabei die linken Medienkanäle 8 der ersten Bipolarplatte 7a axial gasdicht ab. Die rechte Dichtungszunge 6 der Brennstoffzellenanordnung deckt die rechten Medienkanäle 8 der ersten Bipolarplatte 7a axial gasdicht ab. Mit anderen Worten ist also die linke Dichtungszunge 6 als eine erste Eintrittsdichtungszunge 6a zur axialen gasdichten Abdeckung des ersten Medieneintrittskanals 8a links gebildet. Dementsprechend ist die rechte Dichtungszunge 6 als eine erste Austrittsdichtungszunge 6b zur axialen gasdichten Abdeckung des rechten ersten Medienaustrittskanal 8b geformt. Die an der langen Kante 17a der Bipolarplatte 7a vorgesehenen Dichtungszungen 6 liegen auf der Verbundschicht 15 auf. Sie lassen sich untergliedern in eine zweite Eintrittsdichtungszunge 6c und eine zweite Austrittsdichtungszunge 6d.
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Als Material der Verbundschicht 15 kann ein Kunststoff oder eine Kunststoffmischung Verwendung finden, die vorzugsweise eine geringere thermische Stabilität gegenüber dem Kunststoff oder Kunststoffmischung der Dichtungsstruktur 4 bzw. der Dichtungszungen 6 aufweist. Somit können also die Dichtungszungen 6 bei einem (Heiß-)Pressvorgang in die Verbundschicht 15 einsinken und vorzugsweise mit dieser verschmelzen, wobei die Dichtungszungen 6 ihre Formstabilität bewahren. Mit anderen Worten liegt der Schmelzpunkt des Materials der Dichtungsstruktur 4 oberhalb des Schmelzpunktes des Materials der Verbundschicht 15.
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Im zentralen Bereich, also dort, wo sich der aktive Bereich 3 befindet, ist die Dichtungsstruktur 4 der Brennstoffzellenanordnung hinsichtlich ihrer Außenkontur angepasst an die durch die Verbundschicht 15 vorgegebene Innenkontur. Dabei bilden die dichtungszungenfreien Abschnitte der Dichtungsstruktur 4 Kontaktpunkte, Kontaktlinien 18 oder Kontaktflächen mit der Verbundschicht 15 aus, so dass eine Dichtfunktion zusätzlich gewährleistet ist.
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7, der Schnitt VII-VII aus 6, zeigt eine unverpresste Schnittdarstellung der teilweisen Einheitszelle 11. Es ist zu erkennen, dass die ersten Dichtungszungen 6a, 6b die Verbundschicht 15 überragen und Überstände 19 mit dieser ausbilden. Hierbei ist die nötige Abdichtung in seitlicher Richtung gewährleistet. Auch hier ist die gewählte Darstellung nicht maßstabsgetreu zu verstehen. Die Dicken der einzelnen Schichten können variieren, insbesondere nach einem Verbindungsvorgang oder Fügevorgang (Heißpressvorgang), nach welchem sie wie eine einzige gemeinsame Schicht anmuten oder wirken können. Auch der zwischen der Eintrittsdichtungszunge 6a und den Kanälen 8 liegende Bereich der Aussparung 16 wird dann derart minimiert, dass die Eintrittsdichtungszungen 6a die Kanäle 8 axial abdecken. Ein Medium lässt sich der Membranelektrodenanordnung 2 lateral und in Stapelrichtung unterhalb der ersten Eintrittsdichtungszunge 8a zuführen. (Teil-)Verbrauchtes Medium kann dann lateral und in Stapelrichtung unterhalb der ersten Austrittsdichtungszunge 8b die Einheitszelle 11 des Brennstoffzellenstapels 12 verlassen.
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In 8 ist auf die erste Eintrittsdichtungszunge 6a und auf die erste Austrittsdichtungszunge 6b eine Verbindungsschicht 20 aufgebracht, die als weitere Fügeschicht zu verstehen ist. Die Verbundschicht 15 und die Verbindungsschicht 20 gewährleisten eine sichere Verbindung einer ersten Bipolarplatte 7a in Stapelrichtung mit einer zweiten Bipolarplatte 7b. Die Verbundschicht 15 bildet Überlappungen 21 mit der Verbindungsschicht 20 aus, derart, dass die beiden Schichten in Stapelrichtung eine Kontaktfläche besitzen. Dadurch wird eine Dichtungsfunktion gewährleistet. Die Überlappungen 21 sind 9, dem Schnitt IX-IX aus 8, näher zu entnehmen. Auch hier ist ein unverpresster Zustand gezeigt, der nicht maßstabsgetreu ist, der aber die gestapelte Anordnung der einzelnen Lagen verdeutlichen soll.
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Auf die Verbundschicht 15 und die mit dieser verbundenen Verbindungsschicht 20 kann nun eine zweite Bipolarplatte 7b zur Vervollständigung der Einheitszelle 11 aufgebracht werden. Dies ist 10 zu entnehmen. Die erste Bipolarplatte 7a und die zweite Bipolarplatte 7b können durch die Fügeschichten miteinander verfügt werden, derart, dass eine höchstens mit geringen Überständen versehene Einheitszelle aus erster Bipolarplatte 7a, Brennstoffzellenanordnung und zweiter Bipolarplatte 7b entsteht. Vorzugsweise sind aber die einzelnen Lagen der Einheitszelle 11 kantenfrei oder versatzfrei in Stapelrichtung verbunden, so dass eine weiter unten noch zu erörternde Fügelinie 25 auf einfache Weise aufgetragen oder angebracht werden kann.
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Wie die erste Bipolarplatte 7a besitzt auch die in 10 und 11 gezeigte zweite Bipolarplatte 7b auf ihrer der Membranelektrodenanordnung 2 abgewandten Seite ein Flussfeld 13c zur Führung von einem Kühlmedium. Dieses Flussfeld 13c befindet sich im Wesentlichen im aktiven Bereich 3. Es ist strömungsverbunden mit Kühlmitteleintrittskanälen 8e und mit Kühlmittelaustrittskanälen 8f.
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Auf ihrer der Membranelektrodenanordnung 2 zugewandten Seite weist die zweite Bipolarplatte 7b aber einen oder mehrere zweite Medieneintrittskanäle 8c und einen oder mehrere zweite Medienaustrittskanäle 8d auf (11). Außerdem umfasst sie ein mit dem zweiten Medieneintrittskanal 8c und dem zweiten Medienaustrittskanal 8d strömungsverbundenes zweites Flussfeld 13b, über welches eines der Reaktionsmedien der Membranelektrodenanordnung 2 zugeführt werden kann.
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In 12 ist ein aus mehreren Einheitszellen 11 gebildeter Brennstoffzellenstapel 12 dargestellt. Dieser Brennstoffzellenstapel 12 weist den Vorteil auf, dass die Bipolarplatte 7 gegenüber bekannten Bipolarplatten mit geringeren Abmessungen ausgestaltet sein können, so dass die Herstellkosten des Brennstoffzellenstapels 12 reduziert sind. Vorliegend sind die Bipolarplatten 7 rechteckig geformt, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf eine richtige Form der Bipolarplatten 7 angewiesen ist, sondern auch ohne Einschränkung in beliebige Formen mit zum Beispiel runden oder geschwungenen Linienführungen anwendbar ist.
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13 zeigt eine exemplarische Schnittansicht entlang des Schnittes XIII-XIII aus 10 durch einen Brennstoffzellenstapel 12. Es ist zu erkennen, dass die Verbundschicht 15 nach dem Verfüge- oder Heißpressvorgang sowohl die erste Bipolarplatte 7a als auch die zweite Bipolarplatte 7b berührt oder kontaktiert, wobei die Bipolarplatten 7 über die Verbundschicht 15 miteinander verbunden oder miteinander verfügt sind. Es ist zudem zu erkennen, dass die zweiten Medieneintrittskanäle 8c durch die sich in den oder über den Randbereich 5 erstreckenden zweiten Eintrittsdichtungszungen 6c axial gasdicht abgedeckt sind. Entsprechend verhält es sich an der gegenüberliegenden Seite an der zweiten Bipolarplatte 7b, wo sich in den oder über den Randbereich 5 erstreckende zweite Austrittsdichtungszungen 6d vorgesehen ist zur axialen gasdichten Abdeckung der zweiten Medienaustrittskanäle 8d. In 12 ist außerdem zu erkennen, dass ein zweites Reaktionsmedium lateral und in Stapelrichtung oberhalb der Dichtungsstruktur 4 an die Membranelektrodenanordnung 2 geführt wird. Entsprechend wird auch in Stapelrichtung oberhalb der Dichtungsstruktur 4 das (teil-)verbrauchte zweite Reaktionsmedium lateral wieder aus den Einheitszellen 11 bzw. aus dem Brennstoffzellenstapel 12 herausgeführt.
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Die zweite Bipolarplatte 7b einer ersten Einheitszelle 11 bildet mit einer ersten Bipolarplatte 7a einer weiteren Einheitszelle 11 dann den vollständigen Kanalquerschnitt für den Durchtritt des Kühlungsmediums. Mit anderen Worten bilden diese dann auch die Kühlmitteleintrittskanäle 8e und die Kühlmittelaustrittskanäle 8f aus. Die zweite Bipolarplatte 7b der ersten Einheitszelle 11 und die erste Bipolarplatte 7a der weiteren Einheitszelle 11 können dabei ebenfalls mit einem Fügemittel oder Fügemedium miteinander verfügt sein. Alternativ ist eine generativ gefertigte einteilige Ausgestaltung der benachbarten Bipolarplatten 7 möglich.
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14 zeigt eine exemplarische Schnittansicht entlang des Schnittes XIV-XIV aus 10 durch einen Brennstoffzellenstapel 12. Es ist zu erkennen, dass in Stapelrichtung die zweite Bipolarplatte 7a auf die Verbindungsschicht 20 und die Verbundschicht 15 aufgebracht ist. Es ist außerdem zu erkennen, dass ein erstes Reaktionsmedium in Stapelrichtung unterhalb der Dichtungsstruktur 4 an die Membranelektrodenanordnung 2 geführt wird. Die ersten Medieneintrittskanäle 8a sind hierbei durch die ersten Eintrittsdichtungszungen 6a axial gasdicht abgedeckt. Die Zufuhr eines ersten Reaktionsmediums erfolgt seitlich oder in lateraler Richtung bezüglich der Stapelrichtung. Entsprechend wird auch in Stapelrichtung unterhalb der Dichtungsstruktur 4 das (teil-)verbrauchte erste Reaktionsmedium wieder aus der Einheitszelle 11 bzw. aus dem Brennstoffzellenstapel 12 lateral oder seitlich herausgeführt.
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In 15 ist eine Schnittansicht durch die Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, die im Wesentlichen der Draufsicht auf die Einheitszellen 11 nach 10 entspricht. Es ist zu erkennen, dass nun jedoch Fügelinien 25 am Brennstoffzellenstapel 12 bzw. an dessen Einheitszellen 11 angebracht sind, die im Wesentlichen in Stapelrichtung verlaufen. Die Fügelinien 25 erstrecken sich entlang des gesamten oder ganzen Brennstoffzellenstapels 12. Die Fügelinien 25 sind links- und rechtsseitig, d.h. beidseitig der Medienkanäle 8 angeordnet, so dass diese die Medienkanäle 8 gegen die Umwelt abdichten. Bei den Fügelinien 25 kommt dasselbe Material wie für die Verbundschicht 15 oder die Verbindungsschicht 20 in Betracht, so dass auch bei den Fügelinien 25 von einer Fügeschicht gesprochen werden kann. Der Einsatz eines anderen Materials für die Fügelinien 25 ist möglich. Auf diese Fügelinien 25 können nun die Medienführungen 22 aufgebracht werden, wodurch diese mit dem Brennstoffzellenstapel 12 verbunden werden.
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Dies ist in 16 näher zu erkennen. Die hier gezeigten Medienführungen 22 weisen einen Führungssteg 23 sowie zwei mit diesem endständig verbundene Führungsschenkel 24a, 24b auf. Jeder der Führungsschenkel 24a, 24b ist mittels einer der Fügelinien 25 mit dem Brennstoffzellenstapel 12 verbunden; vorzugsweise verklebt. Die offene Seite der Medienführungen 22 weist zum Brennstoffzellenstapel 12, so dass ein durch sie strömendes Medium seitlich in die Einheitszellen 12 gelangen kann. Die Medienführungen sind im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig gebildet, eine andere Formgebung ist aber möglich. Vorzugsweise sind die Medienkanäle 22 aus einem insbesondere formstabilen Kunststoff gebildet. Beim Einsatz von elektrisch isolierenden Fügelinien 25 könnte einer oder könnten mehrere der Medienkanäle 22 sogar aus einem Metall gebildet sein.
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Die vorliegende Gestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung 1 erlaubt es, den Randbereich 5 möglichst schmal zu gestalten, um teures Material der Bipolarplatten 7 einzusparen. Auch die externen Medienführungen 22 können aus einem anderen Material als die Bipolarplatten 7 und damit günstiger herstellt sein. Auf eine Umfangsdichtung um die Medienführungen 22 herum kann verzichtet werden. Durch die gewählte Konfiguration ist aber dennoch eine sichere Abdichtung jeder Einheitszelle 11 gewährleistet und erlaubt eine Maximierung des aktiven Bereichs 3 gegenüber bekannten Einheitszellen 11.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Membranelektrodenanordnung (MEA)
- 3
- aktiver Bereich
- 4
- Dichtungsstruktur
- 5
- Randbereich
- 6
- Dichtungszunge
- 6a
- erste Eintrittsdichtungszunge
- 6b
- erste Austrittsdichtungszunge
- 6c
- zweite Eintrittsdichtungszunge
- 6d
- zweite Austrittsdichtungszunge
- 7
- Bipolarplatte
- 7a
- erste Bipolarplatte
- 7b
- zweite Bipolarplatte
- 8
- Medienkanal
- 8a
- erster Medieneintrittskanal
- 8b
- erster Medienaustrittskanal
- 8c
- zweiter Medieneintrittskanal
- 8d
- zweiter Medienaustrittskanal
- 8e
- Kühlmitteleintrittskanal
- 8f
- Kühlmittelaustrittskanal
- 9a
- kurze Kante der Membranelektrodenanordnung
- 9b
- lange Kante der Membranelektrodenanordnung
- 10
- Dichtungsring
- 11
- Einheitszelle
- 12
- Brennstoffzellenstapel
- 13a
- erstes Flussfeld
- 13b
- zweites Flussfeld
- 13c
- Flussfeld (Kühlmedium)
- 14
- Wand
- 15
- Verbundschicht
- 16
- Aussparung
- 17a
- lange Kante der Bipolarplatte
- 17b
- kurze Kante der Bipolarplatte
- 18
- Kontaktlinien
- 19
- Überstand
- 20
- Verbindungsschicht
- 21
- Überlappungen
- 22
- Medienführung
- 22a
- erste Medienzuführung
- 22b
- erste Medienabführung
- 22c
- zweite Medienzuführung
- 22d
- zweite Medienabführung
- 22e
- Kühlmittelzuführung
- 22f
- Kühlmittelabführung
- 23
- Führungssteg
- 24a
- Führungsschenkel (links)
- 24b
- Führungsschenkel (rechts)
- 25
- Fügelinie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007023544 A1 [0003]
