DE102018204816A1

DE102018204816A1 - The fuel cell assembly

Info

Publication number: DE102018204816A1
Application number: DE102018204816.9A
Authority: DE
Inventors: Nico Riede
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2019-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenaufbau mit einer Membranelektrodenanordnung (1), welche eine Membran (2) und eine erste Elektrode (3) umfasst, die an einer ersten Seite (4) der Membran (2) angeordnet ist und der eine erste Gasdiffusionslage (7) zugeordnet ist, sowie mit einem Rahmen. Der Rahmen (11) ist zwischen der ersten Elektrode (3) und der ersten Gasdiffusionslage (7) angeordnet. Weiterhin ist an einem Randbereich (9) der Membranelektrodenanordnung (1) eine die Membranelektrodenanordnung (1) lateral umschließende und diese mit dem Rahmen (11) verbindende Haftschicht (10) vorgesehen.The invention relates to a fuel cell assembly having a membrane electrode assembly (1) which comprises a membrane (2) and a first electrode (3) which is arranged on a first side (4) of the membrane (2) and which has a first gas diffusion layer (7). is assigned, as well as with a frame. The frame (11) is arranged between the first electrode (3) and the first gas diffusion layer (7). Furthermore, at an edge region (9) of the membrane electrode assembly (1), an adhesive layer (10) laterally surrounding the membrane electrode assembly (1) and connecting it to the frame (11) is provided.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenaufbau mit einer Membranelektrodenanordnung, welche eine Membran und eine erste Elektrode umfasst, die an einer ersten Seite der Membran angeordnet ist und der eine erste Gasdiffusionslage zugeordnet ist. Zudem umfasst der Brennstoffzellenaufbau einen Rahmen.The invention relates to a fuel cell assembly having a membrane electrode assembly comprising a membrane and a first electrode disposed on a first side of the membrane and associated with a first gas diffusion layer. In addition, the fuel cell assembly includes a frame.

Ein derartiger Brennstoffzellenaufbau ist aus der WO 2005/006473 A2 bekannt. Diese zeigt einen Brennstoffzellenaufbau mit einer Membranelektrodeneinheit und zwei Gasverteilersubstraten, die jeweils in einem ersten Rahmen und in einem zweiten Rahmen angeordnet sind. Nachteilig ist hierbei der hohe Materialverbrauch, der zur Herstellung eines stabilen Brennstoffzellenaufbaus notwendig ist, wobei der Herstellungsprozess teuer und aufwendig ist.Such a fuel cell assembly is known from WO 2005/006473 A2 known. This shows a fuel cell assembly with a membrane electrode assembly and two gas distribution substrates, each arranged in a first frame and in a second frame. The disadvantage here is the high material consumption, which is necessary for the production of a stable fuel cell assembly, the production process is expensive and expensive.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Brennstoffzellenaufbau dahingehend weiterzuentwickeln, dass die oben genannten Nachteile reduziert werden.It is therefore the object of the present invention to further develop a fuel cell structure in such a way that the abovementioned disadvantages are reduced.

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.The object of the present invention is achieved by a fuel cell assembly according to the feature set of claim 1. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Bei der Erfindung ist insbesondere genau ein Rahmen zwischen der ersten Elektrode und der ersten Gasdiffusionslage angeordnet. Zudem ist an einem Randbereich der Membranelektrodenanordnung eine die Membranelektrodenanordnung lateral zumindest zum Teil umschließende und diese mit dem Rahmen verbindende Haftschicht vorgesehen. Der genau eine Rahmen reduziert das für den Brennstoffzellenaufbau benötigte Material und die für den Brennstoffzellenaufbau benötigten Lagen, so dass die Herstellung vereinfacht wird. Gleichzeitig ermöglicht die Haftschicht 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.In the invention, in particular, exactly one frame is arranged between the first electrode and the first gas diffusion layer. In addition, an adhesive layer which laterally surrounds the membrane electrode assembly at least partially and connects it to the frame is provided at an edge region of the membrane electrode assembly. The just one frame reduces the material needed for fuel cell assembly and the layers needed for the fuel cell assembly, thus simplifying manufacturing. At the same time, the adhesive layer allows a stable connection of the membrane electrode assembly to the frame, wherein the amount of material is also reduced by being arranged only in an edge region of the membrane electrode assembly.

Unter dem Randbereich der Membranelektrodenanordnung wird ein die Membranelektrodenanordnung außenumfangsseitig umgebender mit einem sich parallel zur Stapelrichtung und sich teilweise orthogonal zur Stapelrichtung erstreckender Bereich 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.Under the edge region of the membrane electrode assembly, a region surrounding the membrane electrode assembly on the outer peripheral side is understood to be a region extending parallel to the stacking direction and partially orthogonal to the stacking direction. The extent of the edge region orthogonal to the stacking direction corresponds in each case to less than 30 percent, preferably less than 20 percent, more preferably less than 10 percent and most preferably less than 5 percent of the total lateral extension of the membrane electrode assembly.

Der Querschnitt der Haftschicht ist dabei vorzugsweise U-förmig oder C-förmig gebildet. Dadurch dient die Haftschicht sowohl als zusätzliche laterale Schutzschicht, als auch der Isolierung und/oder Abdichtung der Membranelektrodenanordnung. In einer alternativen Ausführungsform kann der Querschnitt der Haftschicht auch L-förmig gebildet sein.The cross section of the adhesive layer is preferably U-shaped or C-shaped. As a result, the adhesive layer serves both as an additional lateral protective layer, as well as the insulation and / or sealing of the membrane electrode assembly. In an alternative embodiment, the cross section of the adhesive layer may also be formed in an L-shape.

Insbesondere ist es sinnvoll, dass die Membranelektrodenanordnung eine zweite Elektrode umfasst, die auf einer der erste Seite gegenüberliegenden zweiten Seite angeordnet ist, dass der zweiten Elektrode eine zweite Gasdiffusionslage zugeordnet ist, und dass die die Membranelektrodenanordnung lateral umschließende Haftschicht einen die Membranelektrodenanordnung an dem Randbereich mit dem Rahmen verbindenden ersten Haftschichtabschnitt und einen die Membranelektrodenanordnung an dem Randbereich mit der zweiten Gasdiffusionslage verbindenden zweiten Haftschichtabschnitt aufweist.In particular, it makes sense that the membrane electrode assembly comprises a second electrode which is arranged on a first side opposite the second side, that the second electrode is associated with a second gas diffusion layer, and that the membrane electrode assembly laterally enclosing adhesive layer with the membrane electrode assembly at the edge region Having the first adhesive layer portion connecting the frame and a second adhesive layer portion connecting the membrane electrode assembly at the edge region with the second gas diffusion layer.

Zur weiteren Reduzierung des Materials ist es bevorzugt, dass eine der Membran zugewandte erste Elektrodenfläche der ersten Elektrode und/oder eine der Membran zugewandte zweite Elektrodenfläche der zweiten Elektrode einen geringeren Flächeninhalt aufweist als die den Elektroden zugewandten Flächen der Membran. Bevorzugt ist die laterale Erstreckung - also die Erstreckung der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung - reduziert. Dies ermöglicht eine erhebliche Material- und Kostenersparnis.To further reduce the material, it is preferred that a first electrode surface of the first electrode facing the membrane and / or a second electrode surface of the second electrode facing the membrane have a smaller surface area than the areas of the membrane facing the electrodes. Preferably, the lateral extension - that is, the extent of the first electrode and / or the second electrode substantially perpendicular to the stacking direction - reduced. This allows a significant material and cost savings.

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn der Rahmen eine Aussparung mit einem Strömungsquerschnitt aufweist, dessen Flächeninhalt demjenigen der ersten Elektrodenfläche und/oder demjenigen der zweite Elektrodenfläche entspricht oder geringer ist. Durch den Strömungsquerschnitt der Aussparung wird ein aktiver Bereich der Membranelektrodenanordnung vorgegeben, so dass an den Bereichen der Membranelektrodenanordnung, die durch die Haftschicht bedeckt sind und an denen keine Reaktion oder nur eine Reaktion in ganz geringen Maße abläuft, kein Elektrodenmaterial aufgebracht ist.In this context, it is advantageous if the frame has a recess with a flow cross-section, the surface area of which corresponds to or is smaller than that of the first electrode area and / or that of the second electrode area. An active region of the membrane electrode assembly is predetermined by the flow cross section of the recess, so that no electrode material is applied to the regions of the membrane electrode assembly which are covered by the adhesive layer and on which no reaction or only one reaction takes place to a very small extent.

Daher ist es besonders bevorzugt, wenn die erste Elektrodenfläche und/oder die zweite Elektrodenfläche dieselben randseitigen Abmessungen aufweisen wie die Aussparung.Therefore, it is particularly preferred if the first electrode surface and / or the second electrode surface have the same peripheral dimensions as the recess.

Es ist vorteilhaft, wenn die erste Gasdiffusionslage auf ihrer der ersten Elektrode zugewandten Seite eine erste mikroporöse Lage aufweist und/oder die zweite Gasdiffusionslage auf ihrer der zweiten Elektrode zugewandten Seite eine zweite mikroporöse Lage aufweist. Die mikroporöse Lage dient oder dienen der Verbesserung eines Kathoden- oder eines Brennstofftransports und erhöht die Leistung der Brennstoffzelle, indem der Wassergehalt der Membranelektrodenanordnung erhöht wird. Die mikroporösen Lagen können dabei integraler Bestandteil der jeweiligen Gasdiffusionslage sein. Sie können aber auch als getrenntes, separates Bauteil vorliegen.It is advantageous if the first gas diffusion layer has on its side facing the first electrode a first microporous layer and / or the second gas diffusion layer on its second one Electrode facing side has a second microporous layer. The microporous layer serves to improve cathode or fuel transport and increases the performance of the fuel cell by increasing the water content of the membrane electrode assembly. The microporous layers can be an integral part of the respective gas diffusion layer. But they can also be present as a separate, separate component.

Zur weiteren Materialeinsparung ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass der ersten Gasdiffusionslage auf ihrer der ersten Elektrode zugewandten Seite eine erste mikroporöse Lage zugeordnet ist, deren Flächeninhalt geringer ist als derjenige des Querschnitts der ersten Gasdiffusionslage.For further material savings, it is alternatively or additionally provided that the first gas diffusion layer is assigned on its side facing the first electrode, a first microporous layer whose surface area is less than that of the cross section of the first gas diffusion layer.

Weiterhin ist es zur Materialeinsparung alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass der zweiten Gasdiffusionslage auf ihrer der zweiten Elektrode zugewandten Seite eine zweite mikroporöse Lage zugeordnet ist, deren Flächeninhalt geringer ist als derjenige der zweiten Gasdiffusionslage.Furthermore, it is alternatively or additionally provided for material saving that the second gas diffusion layer is assigned on its side facing the second electrode, a second microporous layer whose surface area is less than that of the second gas diffusion layer.

In diesem Zusammenhang, um trotz Materialeinsparung eine hohe Effektivität/Leistung des Brennstoffzellenaufbaus zu erzielen, ist es bevorzugt, dass der Rahmen eine Aussparung mit einem Strömungsquerschnitt aufweist, dessen Flächeninhalt demjenigen des Querschnitts der ersten mikroporösen Lage und/oder des Querschnitts der zweiten mikroporösen Lage entspricht oder auch geringer ist. Der Flächeninhalt des Strömungsquerschnitt der mikroporösen Lagen entspricht somit im Wesentlichen einem durch die Aussparung vorgegebenen aktiven Bereich der Membranelektrodenanordnung. Die Materialmenge der mikroporösen Lage ist somit zwar reduziert, führt aber zu keinem Leistungsverlust des Brennstoffzellenaufbaus.In this context, in order to achieve a high efficiency / performance of the fuel cell assembly despite material savings, it is preferred that the frame has a recess with a flow cross-section whose surface area corresponds to that of the cross section of the first microporous layer and / or the cross section of the second microporous layer or less. The surface area of the flow cross section of the microporous layers therefore essentially corresponds to an active region of the membrane electrode arrangement predetermined by the recess. The amount of material of the microporous layer is thus reduced, but does not lead to any loss of power of the fuel cell assembly.

Es ist daher von Vorteil, wenn die erste mikroporöse Lage und/oder die zweite mikroporöse Lage dieselben randseitigen Abmessungen aufweisen wie die Aussparung.It is therefore advantageous if the first microporous layer and / or the second microporous layer have the same peripheral dimensions as the recess.

Im Rahmen der Erfindung kann es auch vorgesehen sein, 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 Dichtungslippen oder Dichtungslinien gebildet.In the context of the invention it can also be provided that a first gas diffusion layer circumferentially sealing first gasket layer is assigned to the frame on a first frame side and a second gas diffusion layer and the membrane circumferentially sealing second gasket layer associated with the frame on one of the first side frame opposite second frame side is. The gasket layers are preferably formed as compressible sealing lips or sealing lines.

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 in lateraler Richtung flüssigkeits- und/oder gasdicht bzw. fluiddicht abgedichtet sind.In order to improve the peripheral sealing, the sealing lips are laterally provided in each case several times, in particular twice or three times. The sealing lips of the first gasket layer preferably have a larger diameter than the sealing lips of the second gasket layer. This makes it possible for the gas diffusion layers and the membrane electrode arrangement to be sealed in the lateral direction in a liquid-tight and / or gas-tight or fluid-tight manner.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine Schnittdarstellung eines ersten Brennstoffzellenaufbaus und
2 eine Schnittdarstellung eines zweiten Brennstoffzellenaufbaus.

Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawings. Showing:

1 a sectional view of a first fuel cell assembly and
2 a sectional view of a second fuel cell assembly.

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. 1 shows a fuel cell assembly with a membrane electrode assembly 1 which is a semipermeable membrane 2 with a first electrode 3 on her first page 4 and a second electrode 5 on her first page 4 opposite second side 6 includes. The first electrode 3 is preferably formed as a cathode and the second electrode 5 as an anode. The membrane 2 is preferably on the first page 4 and on the second page 6 coated with a catalyst layer of noble metals or mixtures comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like, which serve as a reaction accelerator in the reaction of the fuel cell.

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).In such a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), at the first electrode 3 (Anode) Fuel or fuel molecules, especially hydrogen, split into protons and electrons. The membrane 2 allows the protons (eg H +) to pass through but is impermeable to the electrons (e-). The membrane 2 is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). The membrane 2 may alternatively be formed as a hydrocarbon membrane. The following reaction takes place at the anode: 2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ^- (oxidation / electron donation).

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).While the protons pass through the membrane 2 to the first electrode 3 Pass (cathode), the electrons are passed through an external circuit to the cathode or to an energy storage. At the cathode, a cathode gas, in particular oxygen or oxygen-containing air is provided, so that here the following reaction takes place: O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- → 2H ₂ O (reduction / electron uptake).

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. Zur Reduzierung des benötigten Materials weist eine der Membran 2 zugewandte erste Elektrodenfläche 33 der ersten Elektrode 3 einen geringeren Flächeninhalt auf als die den Elektroden 3, 5 zugewandten Flächen der Membran 2. Bei einem alternativen Brennstoffzellenaufbau weist eine der Membran 2 zugewandte zweite Elektrodenfläche 34 der zweiten Elektrode 5 einen geringeren Flächeninhalt auf als die den Elektroden 3, 5 zugewandten Flächen der Membran. Bei einem weiteren Brennstoffzellenaufbau sind die Flächeninhalte der ersten und der zweiten Elektrodenflächen 33, 34 geringer als diejenigen der den Elektroden 3, 5 zugewandten Flächen der Membran 2. The first electrode 3 is a first gas diffusion layer 7 assigned and the second electrode 5 is a second gas diffusion layer 8th assigned. The gas diffusion layers are preferably formed from carbon fiber paper (CFP = "Carbon Fiber Paper"). To reduce the required material has one of the membrane 2 facing first electrode surface 33 the first electrode 3 a smaller surface area than that of the electrodes 3 . 5 facing surfaces of the membrane 2 , In an alternative fuel cell construction, one of the membranes 2 facing second electrode surface 34 the second electrode 5 a smaller surface area than that of the electrodes 3 . 5 facing surfaces of the membrane. In another fuel cell assembly, the areas of the first and second electrode surfaces are 33 . 34 lower than those of the electrodes 3 . 5 facing surfaces of the membrane 2 ,

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 Gasdiffusionslage 7, 8.To improve a fluid or gas flow within the fuel cell assembly and to increase a water content in the membrane is the first gas diffusion layer 7 on her the first electrode 3 facing side a first microporous layer 20 assigned. Likewise, the second gas diffusion layer 8th at its second electrode 5 facing side a second microporous layer 21 assigned. The lateral dimensions of the microporous layers 20 . 21 essentially correspond to the lateral dimensions of the respective gas diffusion layer 7 . 8th ,

Um die Stabilität des Brennstoffzellenaufbaus zu vergrößern, ist zwischen der ersten Elektrode 3 und der ersten Gasdiffusionslage 7 ein Rahmen 11 mit einer Aussparung 12 angeordnet. Ein aktiver Bereich 14 der Membranelektrodenanordnung 1 ist dabei mittels eines durch die Aussparung 12 vorgegebenen Strömungsquerschnitts 13 vorgegeben. Um den Materialverbrauch zu optimieren entspricht der Flächeninhalt des Strömungsquerschnitts 13 der Aussparung 12 dem Flächeninhalt der ersten Elektrodenfläche 28. Insbesondere weist die erste Elektrodenfläche 28 dieselben randseitigen Abmessungen auf wie die Aussparung 12.To increase the stability of the fuel cell assembly is between the first electrode 3 and the first gas diffusion layer 7 a frame 11 with a recess 12 arranged. An active area 14 the membrane electrode assembly 1 is by means of a through the recess 12 predetermined flow cross-section 13 specified. To optimize the material consumption corresponds to the area of the flow cross-section 13 the recess 12 the area of the first electrode surface 28 , In particular, the first electrode surface 28 the same marginal dimensions as the recess 12 ,

Gleichzeitig 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 im Wesentlichen dem Strömungsquerschnitt 15 oder dem orthogonal zur Stapelrichtung orientierten Querschnitt der zweiten Gasdiffusionslage 8.At the same time, the flow cross section 13 the recess 12 a smaller surface area than the surface area of a flow cross-section 15 the second gas diffusion layer 8th , The flow cross section 35 the first gas diffusion layer 7 corresponds essentially to the flow cross-section 15 or the orthogonal to the stacking direction oriented cross section of the second gas diffusion layer 8th ,

Die Membranelektrodenanordnung 1 weist außenumfangsseitig einen Randbereich 9 auf. Unter dem Randbereich 9 der Membranelektrodenanordnung 1 wird ein die Membranelektrodenanordnung 1 außenumfangsseitig umgebender, sich parallel und zum Teil orthogonal zur Stapelrichtung erstreckender Bereich der Membranelektrodenanordnung 1 verstanden.The membrane electrode assembly 1 has outer edge side, an edge region 9 on. Under the edge area 9 the membrane electrode assembly 1 becomes a membrane electrode assembly 1 The outer peripheral side surrounding, parallel and partially orthogonal to the stacking direction extending portion of the membrane electrode assembly 1 Understood.

Um trotz der Materialreduzierung einen stabilen Brennstoffzellenaufbau zu ermöglichen, wird die Membranelektrodenanordnung 1 mit der zweiten Gasdiffusionslage 8 lediglich im Randbereich 9 mittels einer Haftschicht 10 verbunden. Darüber hinaus umschließt die Haftschicht 10 die Membranelektrodenanordnung 1 in dem Randbereich 9 lateral, das heißt außenumfangsseitig; vorliegend vollständig. Die Haftschicht 10 weist dabei einen U-förmigen oder C-förmigen Querschnitt auf und ist aus einem ersten Haftschichtabschnitt 16 und einem zweiten Haftschichtabschnitt 17 gebildet. Der erste Haftschichtabschnitt 16 verbindet die Membran 2 in einem Randbereich 9 der Membranelektrodenanordnung 1 mit einem nahe der Aussparung 12 vorgesehenen Innenrandbereich 18 des Rahmens 11. Der Innenrandbereich 18 des Rahmens 11 ist dabei als ein innenumfangsseitig sich zum Teil nach außen erstreckender Teilbereich des Rahmens 11 gebildet. Der zweite Haftschichtabschnitt 17 verbindet die zweite Gasdiffusionslage 8 mit der zweiten Elektrode 5 und der Membran 2 im Randbereich 9 der Membranelektrodenanordnung 1. Darüber hinaus ist eine zweite Haftschicht 19 vorgesehen, die den Innenrandbereich 18 des Rahmens 11 mit der ersten Gasdiffusionslage 7 verbindet. Beim Zusammenbau der Brennstoffzellenanordnung verschmelzen die beiden Haftschichtabschnitte 16 und 17 zur gemeinsamen Haftschicht 10.In order to enable stable fuel cell assembly despite the material reduction, the membrane electrode assembly 1 with the second gas diffusion layer 8th only in the border area 9 by means of an adhesive layer 10 connected. In addition, the adhesive layer encloses 10 the membrane electrode assembly 1 in the border area 9 lateral, that is outside circumference; in the present case completely. The adhesive layer 10 has a U-shaped or C-shaped cross section and is made of a first adhesive layer section 16 and a second adhesive layer portion 17 educated. The first adhesive layer section 16 connects the membrane 2 in a border area 9 the membrane electrode assembly 1 with a near the recess 12 intended inner edge area 18 of the frame 11 , The inner edge area 18 of the frame 11 is here as an inner peripheral side partially extending outwardly portion of the frame 11 educated. The second adhesive layer section 17 connects the second gas diffusion layer 8th with the second electrode 5 and the membrane 2 at the edge 9 the membrane electrode assembly 1 , In addition, a second adhesive layer 19 provided the inner edge area 18 of the frame 11 with the first gas diffusion layer 7 combines. When assembling the fuel cell assembly, the two adhesive layer portions merge 16 and 17 to the common adhesive layer 10 ,

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.Furthermore, the anode-side, second gas diffusion layer 8th a second bipolar plate 29 assigned to the supply of the fuel gas via a fuel flow field 30 features. By means of the fuel flow field 30 the fuel is passing through the second gas diffusion layer 8th through the second electrode 5 fed. The cathode side is the first gas diffusion layer 7 a cathode gas flow field 28 comprehensive first bipolar plate 27 for supplying the cathode gas to the first electrode 3 assigned.

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 der ersten Dichtungslage 22 einen größeren Durchmesser auf als die Dichtungslippen der zweiten Dichtungslage 26.The lateral extension, ie the extension perpendicular to the stacking direction, of the bipolar plates 27 . 28 is larger than that of the gas diffusion layers 7 . 8th and is essentially the same as the frame 11 , Between a first frame side 23 of the frame 11 and the first bipolar plate 27 is one of the first gas diffusion layer 7 circumferentially sealing first gasket layer 22 arranged. Between a second frame side 25 of the frame and the second bipolar plate 28 is a second gasket layer 24 intended. The gasket layers 22 . 24 are formed as compressible sealing lips, which are each provided laterally multiple times. in the In the present exemplary embodiment, three sealing lips are laterally provided, which are circumferentially around the first gas diffusion layer 7 and the second gas diffusion layer 8th are arranged. The first gasket layer 22 and the second gasket layer 24 Thus, each have a total of six of the sealing lips. Another number is possible. In this case, the sealing lips of the first gasket layer 22 a larger diameter than the sealing lips of the second gasket layer 26 ,

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 innerhalb angeordnet sind und auf der dazu gegenüberliegenden Seite jeweils eine Dichtungslippe der ersten Dichtungslage 22 und eine Dichtungslippe der zweiten Dichtungslage 24 außerhalb angeordnet sind.Furthermore, lateral to the membrane electrode assembly 1 each one in the stacking direction through the first bipolar plate 27 , the second bipolar plate 29 and the frame 11 extending first channel 31 provided for supplying the fuel and a second channel 32 for supplying the cathode gas to the fuel cell assembly. The channels 31 . 32 are arranged within the fuel cell structure such that on the gas diffusion layers 7 . 8th facing side two sealing lips of the first gasket layer 22 and two sealing lips of the second sealing layer 24 are arranged inside and on the opposite side in each case a sealing lip of the first gasket layer 22 and a sealing lip of the second gasket layer 24 are arranged outside.

2 zeigt einen weiteren Brennstoffzellenaufbau. Er unterscheidet sich lediglich darin, dass der Flächeninhalt der zweiten mikroporösen Lage 21 geringer ist als derjenige der zweiten Gasdiffusionslage 8, während der Flächeninhalt der ersten Seite 4 und der zweiten Seite 6 der Membran jeweils dem Flächeninhalt der ersten Elektrodenfläche 33 und der zweiten Elektrodenfläche 34 entspricht. Um trotz der Materialreduzierung eine hohe Effizienz der Brennstoffzelle zu erreichen, entspricht der Flächeninhalt eines Strömungsquerschnitts oder eine senkrecht bezüglich der Stapelrichtung orientierten Querschnitts der zweiten mikroporösen Lage 21 demjenigen der Aussparung 12. Die randseitigen Abmessungen der zweiten mikroporösen Lage 21 entsprechen somit denen der Aussparung 12. 2 shows a further fuel cell assembly. It differs only in that the area of the second microporous layer 21 less than that of the second gas diffusion layer 8th while the area of the first page 4 and the second page 6 the membrane in each case the surface area of the first electrode surface 33 and the second electrode surface 34 equivalent. In order to achieve a high efficiency of the fuel cell despite the material reduction, the surface area of a flow cross section or a cross section oriented perpendicular to the stacking direction corresponds to the second microporous layer 21 that of the recess 12 , The marginal dimensions of the second microporous layer 21 thus correspond to those of the recess 12 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: MembranelektrodenanordnungMembrane electrode assembly
22: Membranmembrane
33: erste Elektrodefirst electrode
44: erste Seite (Membran)first page (membrane)
55: zweite Elektrodesecond electrode
66: zweite Seite (Membran)second side (membrane)
77: erste Gasdiffusionslagefirst gas diffusion layer
88th: zweite Gasdiffusionslagesecond gas diffusion layer
99: Randbereich (Membranelektrodenanordnung)Edge area (membrane electrode arrangement)
1010: Haftschichtadhesive layer
1111: Rahmenframe
1212: Aussparungrecess
1313: Strömungsquerschnitt (Aussparung)Flow cross-section (recess)
1414: aktiver Bereich (Membranelektrodenanordnung)active area (membrane electrode arrangement)
1515: Strömungsquerschnitt (zweite Gasdiffusionslage)Flow cross section (second gas diffusion layer)
1616: erster Haftschichtabschnittfirst adhesive layer section
1717: zweite Haftschichtabschnittsecond adhesive layer section
1818: Innenrandbereich des RahmensInner edge area of the frame
1919: zweite Haftschichtsecond adhesive layer
2020: erste mikroporöse Lagefirst microporous layer
2121: zweite mikroporöse Lagesecond microporous layer
2222: erste Dichtungslagefirst gasket layer
2323: erste Rahmenseitefirst frame side
2424: zweite Dichtungslagesecond gasket layer
2525: zweite Rahmenseitesecond frame side
2727: erste Bipolarplattefirst bipolar plate
2828: KathodengasflussfeldCathode gas flow field
2929: zweite Bipolarplattesecond bipolar plate
3030: AnodengasflussfeldAnode gas flow field
3131: erster Kanalfirst channel
3232: zweiter Kanalsecond channel
3333: erste Elektrodenflächefirst electrode surface
3434: zweite Elektrodenflächesecond electrode surface
3535: Strömungsquerschnitt (erste Gasdiffusionslage)Flow cross section (first gas diffusion layer)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2005/006473 A2 [0002]

Claims

A fuel cell assembly comprising a membrane electrode assembly (1) comprising a membrane (2) and a first electrode (3) disposed on a first side (4) of the membrane (2) and associated with a first gas diffusion layer (7); with a frame (8), characterized in that the frame (11) between the first electrode (3) and the first gas diffusion layer (7) is arranged, and in that at an edge region (9) of the membrane electrode assembly (1) a membrane electrode assembly ( 1) laterally enclosing and this with the frame (11) connecting adhesive layer (10) is provided.

Fuel cell assembly after Claim 1 , characterized in that the membrane electrode assembly (1) comprises a second electrode (5) disposed on one of the first side (4) opposite second side (6), that the second electrode (5) associated with a second gas diffusion layer (8) and in that the adhesive layer (10) laterally enclosing the membrane electrode assembly (1) has a first adhesive layer portion (16) connecting the membrane electrode assembly (1) at the edge region (9) to the frame (11) and the membrane electrode assembly (1) at the peripheral region (9) with the second gas diffusion layer (9) connecting the second adhesive layer portion (17).

Fuel cell assembly after Claim 1 or 2 , characterized in that one of the membrane (2) facing first electrode surface (33) of the first electrode (3) and / or one of the membrane (2) facing the second electrode surface (34) of the second electrode (5) has a smaller surface area than that the electrodes (3,5) facing surfaces of the membrane (2).

Fuel cell assembly after Claim 3 , characterized in that the frame (11) has a recess (12) with a flow cross-section (13) whose surface area corresponds or is smaller than that of the first electrode surface (33) and / or the second electrode surface (34).

Fuel cell assembly after Claim 3 or 4 , characterized in that the first electrode surface (33) and / or the second electrode surface (34) has the same peripheral dimensions as the recess (12).

Fuel cell assembly according to one of Claims 2 to 5 , characterized in that the first gas diffusion layer (7) on its side facing the first electrode (3) side is associated with a first microporous layer (20) whose surface area is less than that of the first gas diffusion layer (7).

Fuel cell assembly according to one of Claims 2 to 6 , characterized in that the second gas diffusion layer (8) on its side facing the second electrode (5) side is associated with a second microporous layer (21) whose surface area is less than that of the second gas diffusion layer (8).

Fuel cell assembly after Claim 6 or Claim 7 in that the frame (11) has a recess (12) with a flow cross section (13) whose surface area corresponds or is smaller than that of the first microporous layer (20) and / or the second microporous layer (21).

Fuel cell assembly according to one of Claims 6 to 8th , characterized in that the first microporous layer (20) and / or the second microporous layer (21) has the same peripheral dimensions as the recess (12).

Fuel cell assembly according to one of Claims 2 to 9 , characterized in that the first gas diffusion layer (7) circumferentially sealing first gasket layer (22) is associated with the frame (11) on a first frame side (23) and a second gas diffusion layer (8) and the membrane (2) circumferentially sealing second Gasket layer (24) is associated with the frame (11) on one of the first frame side (23) opposite the second frame side (25).