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Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenaufbau mit einer Membranelektrodenanordnung, welche eine Membran mit einer ersten Elektrode auf ihrer ersten Seite und einer zweiten Elektrode auf ihrer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite umfasst. Der ersten Elektrode ist eine erste Gasdiffusionslage zugeordnet und der zweiten Elektrode ist eine zweite Gasdiffusionslage zugeordnet, sowie mit einem Rahmen, der eine Aussparung aufweist, in der die erste Gasdiffusionslage oder die Membranelektrodenanordnung zumindest teilweise aufgenommen ist.
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Ein derartiger Brennstoffzellenaufbau ist aus der
DE 10 2010 049 549 A1 bekannt, wobei eine Gasdiffusionsschicht in einer Aussparung des Rahmens aufgenommen ist. Nachteilig ist hierbei der vergleichsweise hohe Materialverbrauch für die Membranelektrodenanordnung, insbesondere in deren nicht-aktivem Bereich, in der die zweite Elektrode nicht mit der zweiten Gasdiffusionslage sondern mit dem Rahmen verbunden ist.
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Brennstoffzellenaufbau der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass der Materialverbrauch reduziert wird bei gleichzeitig hoher Stabilität des Brennstoffzellenaufbaus.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen Brennstoffzellenaufbau gemäß dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Insbesondere ist dabei an zumindest einem Randbereich der Membranelektrodenanordnung eine die Membranelektrodenanordnung lateral umschließende und mit den Gasdiffusionslagen verbindendende Haftschicht vorgesehen.
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Die die Membranelektrodenanordnung umschließende Haftschicht ermöglicht ein stabiles Verbinden der Membranelektrodenanordnung mit dem Rahmen, wobei die Materialmenge ebenfalls dadurch reduziert wird, dass sie lediglich in einem Randbereich der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist.
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Unter dem Randbereich der Membranelektrodenanordnung wird ein die Membranelektrodenanordnung außenumfangsseitig umgebender mit einem sich parallel zur Stapelrichtung und sich teilweise orthogonal zur Stapelrichtung erstreckenden Bereich der Membranelektrodenanordnung verstanden. Die Erstreckung des Randbereichs orthogonal zur Stapelrichtung entspricht dabei jeweils weniger als 30 Prozent, vorzugsweise weniger als 20 Prozent, weiterhin vorzugsweise weniger als 10 Prozent und ganz besonders bevorzugt weniger als 5 Prozent der lateralen Gesamterstreckung der Membranelektrodenanordnung.
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Der Querschnitt der Haftschicht ist dabei bevorzugt U-förmig oder C-förmig gebildet. Dadurch dient die Haftschicht sowohl als zusätzliche laterale Schutzschicht und zur Erhöhung der Stabilität, zudem auch zur Isolierung und/oder Abdichtung der Membranelektrodenanordnung. In einer alternativen Ausführungsform kann der Querschnitt der Haftschicht auch L-förmig gebildet sein. Durch die Aufnahme der ersten Gasdiffusionslage oder der Membranelektrodenanordnung in die Aussparung des Rahmens wird die Dicke des Brennstoffzellenaufbaus reduziert und der Aufbau somit insgesamt kompakter.
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Zur Verbesserung der Stabilität des Brennstoffzellenaufbaus ist es insbesondere vorgesehen, dass sich die Haftschicht zwischen der Membranelektrodenanordnung und einem Innenrandbereich des Rahmens in lateraler Richtung erstreckt, und dass die Haftschicht den Rahmen mit der Membranelektrodenanordnung verbindet. Der Innenrandbereich des Rahmens ist dabei vorzugsweise definiert als ein innenumfangsseitiger Teilbereich des Rahmens, der von einer der Aussparung zugewandten, offenen Rahmenfläche des Rahmens in Richtung einer Rahmenaußenseite erstreckt. In einer ersten Ausführungsform, in der die Membranelektrodenanordnung in der Aussparung des Rahmens aufgenommen ist, umschließt die Haftschicht sowohl die Membranelektrodenanordnung in ihrem Randbereich, als auch den Rahmen in seinem Innenrandbereich. Die Querschnitt der Haftschicht ist in dieser Ausführungsform folglich bevorzugt H-förmig gebildet.
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Weiterhin ist es zur Erhöhung der Stabilität vorgesehen, dass ein Strömungsquerschnitt der Aussparung einen geringeren Flächeninhalt als der Flächeninhalt eines Strömungsquerschnitts oder eines senkrecht zur Stapelrichtung orientierten Querschnitts der zweiten Gasdiffusionslage aufweist.
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In einer zweiten Ausführungsform, in der die Gasdiffusionslage in die Aussparung des Rahmens aufgenommen ist, ist es insbesondere vorgesehen, dass eine randseitige Abmessung der ersten Gasdiffusionslage angepasst ist an eine randseitige Abmessung der Aussparung.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn ein Strömungsquerschnitt oder ein orthogonal zur Stapelrichtung orientierter Querschnitt der ersten Gasdiffusionslage einen geringeren Flächeninhalt aufweist als der Flächeninhalt eines Strömungsquerschnitts der zweiten Gasdiffusionslage. Dies reduziert den Materialverbrauch bei der zweiten Gasdiffusionslage derart, dass der durch den Flächeninhalt des Strömungsquerschnitts der Aussparung vorgegebene aktive Bereich der Membranelektrodenanordnung gleich oder geringer ist als derjenige der zweiten Gasdiffusionslage.
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Um die Stabilität des Brennstoffzellenaufbaus zu erhöhen, kann es vorgesehen sein, dass die Haftschicht einen ersten Haftschichtabschnitt und einen zweiten Haftschichtabschnitt umfasst, dass der erste Haftschichtabschnitt die erste Elektrode mit der ersten Gasdiffusionslage verbindet, und dass der zweite Haftschichtabschnitt die zweite Elektrode mit der zweiten Gasdiffusionslage verbindet. Der Querschnitt der Haftschicht ist dabei bevorzugt U-förmig, C-förmig oder U-ähnlich gebildet.
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In diesem Zusammenhang ist es insbesondere bevorzugt, wenn der erste Haftschichtabschnitt die erste Elektrode mit einem Innenrandbereich des Rahmens verbindet, und dass der erste Haftschichtabschnitt die erste Gasdiffusionslage mit dem Innenrandbereich des Rahmens verbindet. Der erste Haftschichtabschnitt weist folglich bevorzugt eine längere Erstreckung auf als der zweite Haftschichtabschnitt.
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Zur Verbesserung des Brennstoff- oder Kathodengastransports in den Brennstoffzellenaufbau ist es vorteilhaft, wenn die erste Gasdiffusionslage auf ihrer der ersten Elektrode zugewandten Seite eine erste mikroporöse Lage umfasst oder dieser zugeordnet ist und/oder dass die zweiten Gasdiffusionslage auf ihrer der zweiten Elektrode zugewandten Seite eine zweite mikroporöse Lage umfasst oder dieser zugeordnet ist.
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Im Rahmen der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine die erste Gasdiffusionslage umfangsseitig abdichtende erste Dichtungslage dem Rahmen auf einer ersten Rahmenseite zugeordnet ist und eine die zweite Gasdiffusionslage und die Membran umfangsseitig abdichtende zweite Dichtungslage dem Rahmen auf einer der ersten Rahmenseite gegenüberliegenden zweiten Rahmenseite zugeordnet ist. Dabei sind die Dichtungslagen bevorzugt als komprimierbare, insbesondere axial komprimierbare, Dichtungslippen gebildet.
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Um die umfangsseitige Abdichtung zu verbessern sind die Dichtungslippen lateral jeweils mehrfach vorgesehen, insbesondere zweifach oder dreifach. Die Dichtungslippen der ersten Dichtungslage weisen dabei bevorzugt einen größeren Durchmesser auf als die Dichtungslippen der zweiten Dichtungslage. Dies ermöglicht, dass die Gasdiffusionslagen und die Membranelektrodenanordnung lateraler Richtung flüssigkeits- und/oder gasdicht bzw. fluiddicht abgedichtet sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
- 1 eine Schnittdarstellung eines ersten Brennstoffzellenaufbaus und
- 2 eine Schnittdarstellung eines zweiten Brennstoffzellenaufbaus.
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1 zeigt einen Brennstoffzellenaufbau mit einer Membranelektrodenanordnung 1, welche eine semipermeable Membran 2 mit einer ersten Elektrode 3 auf ihrer ersten Seite 4 und eine zweite Elektrode 5 auf ihrer der ersten Seite 4 gegenüberliegenden zweiten Seite 6 umfasst. Die erste Elektrode 3 ist dabei bevorzugt als eine Kathode gebildet und die zweite Elektrode 5 als eine Anode. Die Membran 2 ist vorzugsweise auf der ersten Seite 4 und auf der zweiten Seite 6 mit einer Katalysatorschicht aus Edelmetallen oder Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der Brennstoffzelle dienen.
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In einer derartigen Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der ersten Elektrode 3 (Anode) Brennstoff oder Brennstoffmoleküle, insbesondere Wasserstoff, in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran 2 lässt die Protonen (z.B. H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). Die Membran 2 ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Die Membran 2 kann alternativ auch als eine Hydrocarbon-Membran gebildet sein. An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/E lektronenabgabe).
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Während die Protonen durch die Membran 2 zur ersten Elektrode 3 (Kathode) hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. An der Kathode ist ein Kathodengas, insbesondere Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft, bereitgestellt, so dass hier die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Der ersten Elektrode 3 ist eine erste Gasdiffusionslage 7 zugeordnet und der zweiten Elektrode 5 ist eine zweite Gasdiffusionslage 8 zugeordnet. Die Gasdiffusionslagen sind bevorzugt aus Kohlenstoff-Faser-Papier (CFP=„Carbon Fiber Paper“) gebildet.
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Zur Verbesserung einer Fluid- oder Gasströmung innerhalb des Brennstoffzellenaufbaus und zur Erhöhung eines Wassergehalts in der Membran ist der ersten Gasdiffusionslage 7 auf ihrer der ersten Elektrode 3 zugewandten Seite eine erste mikroporöse Lage 20 zugeordnet. Ebenso ist der zweiten Gasdiffusionslage 8 an ihrer der zweiten Elektrode 5 zugewandten Seite eine zweite mikroporöse Lage 21 zugeordnet. Die lateralen Abmessungen der mikroporösen Lagen 20, 21 entsprechen dabei im Wesentlichen den lateralen Abmessungen der jeweiligen Gasdiffusionslagen 7, 8.
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Um die Stabilität des Brennstoffzellenaufbaus zu vergrößern ist zwischen der ersten Gasdiffusionslage 7 und der zweiten Gasdiffusionslage ein Rahmen 11 mit einer Aussparung 12 angeordnet. In der Aussparung 12 ist die Membranelektrodenanordnung 1 aufgenommen. Dabei ist der Flächeninhalt eines Strömungsquerschnitts 13 der Aussparung 12 größer als oder genauso groß wie derjenige eines Strömungsquerschnitts der Membranelektrodenanordnung 1 oder auch eines aktiven Bereichs 14 der Membranelektrodenanordnung. Durch die Anordnung der Membranelektrodenanordnung 1 in der Aussparung 12 des Rahmens 11 wird eine kompaktere und dünnere Bauweise des Brennstoffzellenaufbaus ermöglicht und das benötigte Material für die Membranelektrodenanordnung 1 reduziert.
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Um die Stabilität des Brennstoffzellenaufbaus zu erhöhen und um die Membranelektrodenanordnung 1 mit den Gasdiffusionslagen 7, 8 und mit dem Rahmen 11 zu verbinden ist eine Haftschicht 10 vorgesehen, welche die Membranelektrodenanordnung 1 an einem außenumfangseitigen Randbereich 9 zumindest teilweise umschließt. Unter dem Randbereich 9 der Membranelektrodenanordnung 1 wird ein die Membranelektrodenanordnung 1 außenumfangsseitig umgebender, sich zumindest teilweise orthogonal und parallel zur Stapelrichtung erstreckender Bereich der Membranelektrodenanordnung 1 verstanden. Die Haftschicht 10 weist dabei vorzugsweise einen H-förmigen Querschnitt auf, derart, dass sowohl der Randbereich 9 der Membranelektrodenanordnung 1 als auch ein Innenrandbereich 18 des Rahmens 11 durch die Haftschicht zumindest teilweise umschlossen sind. Der Innenrandbereich 18 des Rahmens 11 ist dabei als ein innenumfangsseitig sich zum Teil nach außen erstreckender Teilbereich des Rahmens 11 gebildet. Dadurch werden die Gasdiffusionslagen 7, 8 mit der Membranelektrodenanordnung 1 und dem Rahmen 11 verbunden.
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Dabei weist der Strömungsquerschnitt 13 der Aussparung 12 einen geringeren Flächeninhalt auf als der Flächeninhalt eines Strömungsquerschnitts 15 der zweiten Gasdiffusionslage 8. Der Strömungsquerschnitt 35 der ersten Gasdiffusionslage 7 entspricht wiederum im Wesentlichen dem Strömungsquerschnitt 15 der zweiten Gasdiffusionslage 8. Der Strömungsquerschnitt 35 kann alternativ unterschiedlich groß sein wie der Strömungsquerschnitt 15.
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Weiterhin ist der anodenseitigen, zweiten Gasdiffusionslage 8 eine zweite Bipolarplatte 29 zur Zuführung des Brennstoffgases zugeordnet, die über ein Brennstoffflussfeld 30 verfügt. Mittels des Brennstoffflussfeldes 30 wird der Brennstoff durch die zweite Gasdiffusionslage 8 hindurch der zweiten Elektrode 5 zugeführt. Kathodenseitig ist der ersten Gasdiffusionslage 7 eine ein Kathodengasflussfeld 28 umfassende erste Bipolarplatte 27 zur Zuführung des Kathodengases an die erste Elektrode 3 zugeordnet.
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Die laterale Erstreckung, d.h. die Erstreckung senkrecht zur Stapelrichtung, der Bipolarplatten 27, 28 ist größer als die der Gasdiffusionslagen 7,8 und entspricht im Wesentlichen der des Rahmens 11. Zwischen einer ersten Rahmenseite 23 des Rahmens 11 und der ersten Bipolarplatte 27 ist eine die erste Gasdiffusionslage 7 umfangsseitig abdichtende erste Dichtungslage 22 angeordnet. Zwischen einer zweiten Rahmenseite 25 des Rahmens und der zweiten Bipolarplatte 28 ist eine zweite Dichtungslage 24 vorgesehen. Die Dichtungslagen 22, 24 sind dabei als komprimierbare Dichtungslippen gebildet, die lateral jeweils mehrfach vorgesehen sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind lateral jeweils drei Dichtungslippen vorgesehen, die umfangsseitig um die erste Gasdiffusionslage 7 und die zweite Gasdiffusionslage 8 angeordnet sind. Die erste Dichtungslage 22 und die zweite Dichtungslage 24 weisen also jeweils insgesamt sechs der Dichtungslippen auf. Eine andere Anzahl ist möglich. Dabei weisen die Dichtungslippen oder Dichtungslinien der ersten Dichtungslage 22 einen größeren Durchmesser auf als die Dichtungslippen oder Dichtungslinien der zweiten Dichtungslage 24.
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Weiterhin sind lateral zur Membranelektrodenanordnung 1 jeweils ein sich in Stapelrichtung durch die erste Bipolarplatte 27, die zweite Bipolarplatte 29 und den Rahmen 11 erstreckender erster Kanal 31 zur Zuführung des Brennstoffes vorgesehen und ein zweiter Kanal 32 zur Zuführung des Kathodengases zum Brennstoffzellenaufbau. Die Kanäle 31, 32 sind dabei derart innerhalb des Brennstoffzellenaufbaus angeordnet, dass auf der zu den Gasdiffusionslagen 7, 8 zugewandten Seite jeweils zwei Dichtungslippen der ersten Dichtungslage 22 und jeweils zwei Dichtungslippen der zweiten Dichtungslage 24 innen angeordnet sind und auf der dazu gegenüberliegenden Seite jeweils eine Dichtungslippe der ersten Dichtungslage 22 und eine Dichtungslippe der zweiten Dichtungslage 24 außen angeordnet sind.
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2 zeigt einen zweiten Brennstoffzellenaufbau. Dieser unterscheidet sich von demjenigen nach 1 dadurch, dass die erste Gasdiffusionslage 7 in der Aussparung 12 des Rahmens 11 aufgenommen ist. Insbesondere entspricht der Flächeninhalt des Strömungsquerschnitts 13 der Aussparung 12 demjenigen des Strömungsquerschnitts 35 der ersten Gasdiffusionslage 7. Die randseitigen Abmessungen der ersten Gasdiffusionslage 7, das heißt die Erstreckung der ersten Gasdiffusionslage 7 im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung, sind angepasst an diejenigen der Aussparung 12 des Rahmens 11. Der Flächeninhalt des Strömungsquerschnitts 35 der ersten Gasdiffusionslage 7 ist dabei geringer als derjenige des Strömungsquerschnitts 15 der zweiten Gasdiffusionslage 8.
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Die Verbindung der Membranelektrodenanordnung 1 mit dem Rahmen 11 und den Gasdiffusionslagen 7, 8 erfolgt ebenfalls durch die Haftschicht 10. Sie verbindet die Gasdiffusionslagen 7,8 mit dem Randbereich 9 der Membranelektrodenanordnung 1 und dem Innenrandbereich 18 des Rahmens 11. Die Haftschicht 10 ist dabei U-förmig oder C-förmig gebildet, wobei ein als erster Haftschichtabschnitt 16 gebildeter Schenkel der Haftschicht länger ausgebildet ist als ein als zweiter Haftschichtabschnitt 17 gebildeter zweiter Schenkel. Der erste Haftschichtabschnitt 16 verbindet die erste Elektrode 3 mit der ersten Gasdiffusionslage 7 und dem Innenrandbereich 18 des Rahmens 11, während der zweite Haftschichtabschnitt 17 die zweite Elektrode 5 mit der zweiten Gasdiffusionslage 8 verbindet. Analog hierzu wird die zweite Elektrode 5 der Membranelektrodenanordnung 1 mit der zweiten Gasdiffusionslage 8 verbunden, so dass auch zwischen diesen zumindest ein Teil der Haftschicht 10 vorhanden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Membranelektrodenanordnung
- 2
- Membran
- 3
- erste Elektrode
- 4
- erste Seite (Membran)
- 5
- zweite Elektrode
- 6
- zweite Seite (Membran)
- 7
- erste Gasdiffusionslage
- 8
- zweite Gasdiffusionslage
- 9
- Randbereich (Membranelektrodenanordnung)
- 10
- Haftschicht
- 11
- Rahmen
- 12
- Aussparung
- 13
- Strömungsquerschnitt (Aussparung)
- 14
- aktiver Bereich (Membranelektrodenanordnung)
- 15
- Strömungsquerschnitt (zweite Gasdiffusionslage)
- 16
- erster Haftschichtabschnitt
- 17
- zweite Haftschichtabschnitt
- 18
- Innenrandbereich des Rahmens
- 20
- erste mikroporöse Lage
- 21
- zweite mikroporöse Lage
- 22
- erste Dichtungslage
- 23
- erste Rahmenseite
- 24
- zweite Dichtungslage
- 25
- zweite Rahmenseite
- 27
- erste Bipolarplatte
- 28
- Kathodengasflussfeld
- 29
- zweite Bipolarplatte
- 30
- Anodengasflussfeld
- 31
- erster Kanal
- 32
- zweiter Kanal
- 35
- Strömungsquerschnitt (erste Gasdiffusionslage)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010049549 A1 [0002]
