DE102018218076A1

DE102018218076A1 - Membran-Elektroden-Anordnung für eine Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel sowie Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102018218076A1
Application number: DE102018218076.8A
Authority: DE
Inventors: Ian Stewart; Peter James Bach; Emerson R. Gallagher
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-04-23

Abstract

Um eine Membran-Elektroden-Anordnung (14) für einen Brennstoffzellenstapel (10) umfassend eine Membran (152), zwei beidseitig daran anschließende katalytische Elektroden (143), wobei am Rand der Membran-Elektroden-Anordnung (14) ein umlaufender Dichtungsrahmen (150) angeordnet ist, bereitzustellen, die über eine optimierte thermische Isolierung verfügt, wird vorgeschlagen, dass der Dichtungsrahmen (150) auf der der Membran-Elektroden-Anordnung (14) abgewandten Seite (152) aus einem thermisch isolierenden Material besteht.Zudem werden ein Brennstoffzellenstapel (10) sowie ein Fahrzeug offenbart.

Description

Die Erfindung betrifft
Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung für einen Brennstoffzellenstapel umfassend eine Membran, zwei beidseitig daran anschließende katalytische Elektroden, wobei am Rand der Membran-Elektroden-Anordnung ein umlaufender Dichtungsrahmen angeordnet ist, einen Brennstoffzellenstapel, umfassend eine Mehrzahl abwechselnd gestapelter Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen sowie ein Fahrzeug zumindest einen derartigen Brennstoffzellenstapel aufweisend.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2 H⁺ + 2 e^-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O₂ + 2 e^- → O^2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2- + 2 H⁺ → H₂O).
Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (z.B. Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (z.B. Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.
Zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen und den Bipolarplatten sind üblicherweise Dichtungen angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume nach außen abdichten und ein Austreten der Betriebsmedien aus dem Brennstoffzellenstapel verhindern. Die Dichtungen können beispielsweise im Spritzgussverfahren aus thermoplastischen Kunststoffen an der Membran-Elektroden-Anordnung angeformt sein. Derartige im Spritzgussverfahren hergestellte Dichtungen sind beispielsweise in der US 20050181262 A1 offenbart. Auch die DE 1016090905 B4 beschreibt eine Dichtungsstruktur aus einem spritzgegossenen Polymer. Auch die Druckschriften US 7306864 B2 und US 7687181 B2 beschreiben verschiedene Ausführungsformen derartiger Dichtungen.
Die Materialien derartiger Dichtungen sind im Allgemeinen nicht oder nur schlecht thermisch isolierend, so dass ein Brennstoffzellenstapel thermisch abgeschirmt werden muss, um im Betrieb nicht unerwünschterweise Wärme zu verlieren. Auch ist eine Isolierung sinnvoll, um bei einem Kaltstart schneller auf Betriebstemperatur zu gelangen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Membran-Elektroden-Anordnung für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise behebt.
Diese Aufgabe wird durch eine Membran-Elektroden-Anordnung für einen Brennstoffzellenstapel, einen Brennstoffzellenstapel mit der Membran-Elektroden-Anordnung, sowie ein entsprechend ausgestattetes Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Membran-Elektroden-Anordnung für einen Brennstoffzellenstapel umfassend eine Membran und zwei beidseitig daran anschließenden katalytischen Elektroden bereitgestellt, bei der am Rand der Membran-Elektroden-Anordnung ein umlaufender Dichtungsrahmen vorgesehen ist, der auf der Membran-Elektroden-Anordnung abgewandten Seite aus einem thermisch isolierenden Material besteht.
Membran-Elektroden-Anordnung wird im Rahmen dieser Beschreibung teilweise als MEA mit Dichtungsrahmen und teilweise als MEA ohne Dichtungsrahmen verstanden, wobei sich dies jeweils eindeutig aus dem Kontext ergibt.
Von der Membran-Elektroden-Anordnung abgewandte Seite bedeutet, kennzeichnet den Teil des Dichtungsrahmens, der nicht die Membran und Elektroden kontaktiert. Üblicherweise, wie noch nachstehend beschrieben, besitzt ein Dichtungsrahmen Dichtelemente (Rippen oder dergleichen), um die im Brennstoffzellenstapel gebildeten Räume abzudichten. Auch diese Dichtelemente sind nicht aus dem thermisch isolierenden Material gefertigt, so dass im Brennstoffzellenstapel ein ungehinderter Wärmeaustausch, der für die Funktion notwendig ist, stattfinden kann. Das thermisch isolierende Material dient erfindungsgemäß zur Isolierung gegenüber der Umgebung des Brennstoffzellenstapels.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Membran-Elektroden-Anordnung und damit eines Brennstoffzellenstapel ist es daher vorteilhafterweise möglich, die für einen Brennstoffzellenstapel eingesetzte Masse zu reduzieren, da eine zusätzliche Isolierung nicht mehr notwendig ist. Zudem erfolgt ein gleichmäßiges und schnelles Aufheizen und Abkühlen eines Brennstoffzellenstapels, je nach Betriebszustand, was insbesondere bei einem Kaltstart von Vorteil ist.
Eine derartige erfindungsgemäße Isolierung ist zudem wirkungsvoller gegenüber herkömmlichen Konzepten, da diese ohne den üblichen Abstand zum Stapel von ca. 5 mm auskommt.
Vorzugsweise weist der Dichtungsrahmen die Membran-Elektroden-Anordnung im Querschnitt parallele Seiten auf, wobei sich der Dichtungsrahmen in der Ebene der Membran-Elektroden-Anordnung von dieser weg erstreckt. Die parallelen Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung sind wiederum parallel zu den entsprechenden Seiten der Dichtungsrahmen der anderen Membran-Elektroden-Anordnung in einem Brennstoffzellenstapel. Vorteilhafterweise lassen sich somit technisch unaufwendig Dichtelemente auf den Dichtungsrahmen vorsehen.
Auf zumindest einer, vorzugsweise auf beiden Seiten des Dichtungsrahmens ist als Dichtelement daher zumindest eine um die Membran-Elektroden-Anordnung laufende Rippe angeordnet, die vorzugsweise an einer benachbarten Bipolarplatte eines entsprechenden Brennstoffzellenstapels anliegt. Es können auch beispielsweise zwei Rippen, zur Optimierung der Abdichtung parallel geführt sein.
Wie bereits ausgeführt, besteht der Bereich des Dichtungsrahmens, der sich von der zumindest einen Rippe von der Membran-Elektroden-Anordnung weg erstreckt zumindest teilweise aus dem thermisch isolierenden Material, um eine Isolierung eines entsprechend aufgebauten Brennstoffzellenstapels zu erzielen..
Vorzugsweise ist der Bereich des Dichtungsrahmens, der sich von der zumindest einen Rippe von der Membran-Elektroden-Anordnung weg erstreckt zumindest teilweise aus dem thermisch isolierenden Material gefertigt.
Das thermisch isolierende Material kann aus dem gleichen Material bestehen wie der Rest des Dichtungsrahmens, jedoch mit dem Unterschied, das durch Ausbildung von Hohlräumen während des Fertigungsprozesses der entsprechende Bereich des Dichtungsrahmens thermisch isolierend ist.
Die Hohlräume (Blasen) können offen und/oder geschlossen, hinsichtlich der Oberfläche des Dichtungsrahmens, ausgebildet sein. Über eine entsprechende Auswahl geschlossener und/oder offener Hohlräume und einer gezielten Dimensionierung der Hohlräume kann der Wirkungsgrad der thermischen Isolierung eingestellt werden.
Es ist jedoch auch möglich, dass der Bereich des Dichtungsrahmens mit dem thermisch isolierenden Material aus einem anderen Material besteht als der Rest des Dichtungsrahmens.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Bereich des Dichtungsrahmens, der aus einem thermisch isolierenden Material besteht, eine größere Dicke (Höhe) auf als die Membran-Elektroden-Anordnung, so dass, wie bereits ausgeführt, bei diesem vorteilhafterweise eine Isolationsschicht an der Außenseite des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist.
Vorzugsweise besteht der Dichtungsrahmen aus einem thermoplastischen Material (Polymer), so dass sich dieser in einfacher und kostengünstiger Weise, vorzugsweise mittels des Spitzguss-Verfahrens herstellen lässt und vorzugsweise direkt an die Membran-Elektroden-Anordnung angeformt werden kann.
Bei Verwendung eines anderen Materials für den thermisch isolierenden Bereich als für den restlichen Dichtungsrahmens kann dies ebenfalls sehr einfach im Spritzgussverfahren realisiert werden.
Beansprucht wird zudem ein Brennstoffzellenstapel, der aus einer Mehrzahl abwechselnd gestapelter Bipolarplatten und erfindungsgemäßer Membran-Elektroden-Anordnungen besteht, der bereits beschriebene Vorteile hinsichtlich der Isolierung gegenüber der Umgebung aufweist..
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ragt ein Teil des Dichtungsrahmens, wobei dieser Teil vorzugsweise vollständig aus dem thermisch isolierenden Material besteht, auf allen Seiten des Brennstoffzellenstapels heraus. Dementsprechend weist die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung eine größere Fläche auf als die entsprechenden Bipolarplatte. Der herausragende Teil des Dichtungsrahmens ist derart dimensioniert, dass die herausragenden Teile der verschiedenen Dichtungsrahmens sich kontaktieren, sodass vorteilhafterweise der Brennstoffzellenstapel insgesamt thermisch isoliert ist. So können zusätzliche Maßnahmen zur Isolierung eines Brennstoffzellenstapels unterbleiben und somit Bauraum „gespart“ werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie bedient.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
2 eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Einheit;
3 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte;
4 eine geschnittene Detailansicht einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung nach einer ersten Ausführungsform;
5 eine geschnittene Detailansicht einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung nach einer zweiten Ausführungsform;
6 eine geschnittene Detailansicht einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung nach einer dritten Ausführungsform; und
7 eine geschnittene Detailansicht einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnung nach einer vierten Ausführungsform.

1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte, erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 16 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der MEA 14 wird bei den nachfolgenden 2 bis 7 eingehender erläutert. Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist, sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden (Anode und Kathode), welche als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Zwischen einer Bipolarplatte 16 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 16 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 16 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 16 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 angetrieben werden.
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann ferner ein Befeuchtermodul 39 aufweisen. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist.
Die 2 und 3 zeigen jeweils in einer Draufsicht eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung 14 beziehungsweise eine entsprechende Bipolarplatte 16, welche den Brennstoffzellenstapel 10 konstituieren.
Beide Bauteile unterteilen sich in einen aktiven Bereich AA und inaktive Bereiche IA. Der aktive Bereich AA zeichnet sich dadurch aus, dass in diesem Bereich die Brennstoffzellreaktionen stattfinden. Zu diesem Zweck weist die Membran-Elektroden-Anordnung 14 im aktiven Bereich AA beidseits der Polymerelektrolytmembran eine katalytische Elektrode 143 auf. Die inaktiven Bereiche IA, lassen sich jeweils in Versorgungsbereiche SA und Verteilerbereiche DA unterteilen. Innerhalb der Versorgungsbereiche SA sind Versorgungsöffnungen 144 bis 147 seitens der Membran-Elektroden-Anordnung 14 beziehungsweise 164 bis 169 seitens der Bipolarplatte 16 angeordnet, die im gestapelten Zustand im Wesentlichen miteinander fluchten und Hauptversorgungskanäle im Brennstoffzellenstapel ausbilden. Die Anodeneinlassöffnungen 144 beziehungsweise 164 dienen der Zuführung des Anodenbetriebsgases, also des Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff. Die Anodenauslassöffnungen 145 beziehungsweise 165 dienen der Abführung des Anodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kathodeneinlassöffnungen 146 beziehungsweise 166 dienen der Zuführung des Kathodenbetriebsgases, das insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gemisch, vorzugsweise Luft ist. Die Kathodenauslassöffnungen 147 beziehungsweise 167 dienen der Abführung des Kathodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kühlmitteleinlassöffnungen 148 beziehungsweise 168 dienen der Zuführung und die Kühlmittelauslassöffnungen 149 beziehungsweise 169 der Ableitung des Kühlmittels.
Die MEA 14 weist eine Anodenseite 141 auf, die in 2 sichtbar ist. Somit ist die dargestellte katalytische Elektrode 143 als Anode ausgebildet, beispielsweise als Beschichtung auf der Polymerelektrolytmembran. Die in 2 nicht sichtbare Kathodenseite 142 weist eine entsprechende katalytische Elektrode, hier die Kathode auf. Die Polymerelektrolytmembran kann sich über die gesamte Ausbreitung der Membranelektrodeneinheit 14 erstrecken, mindestens aber über den aktiven Bereich AA.
Die MEA 14 weist ferner einen, die MEA 14 einfassenden und diese rahmenartig umgebenden, (umlaufenden) Dichtungsrahmen 150 auf, der eine umlaufende Rippe 151 als Dichtelement besitzt, an die sich eine der MEA 14 abgewandte Seite 152 des Dichtrahmens 150 anschließt, die aus einem thermisch isolierenden Material besteht.
Die in 3 dargestellte Bipolarplatte 16 weist ebenfalls eine in der Darstellung sichtbare Kathodenseite 162 auf sowie eine nicht sichtbare Anodenseite 161. Auf der dargestellten Kathodenseite 162 sind Betriebsmittelkanäle 163 als offene rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet, welche die Kathodeneinlassöffnung 166 mit der Kathodenauslassöffnung 167 verbinden. Dargestellt sind lediglich fünf exemplarische Betriebsmittelkanäle 163, wobei üblicherweise eine wesentlich größere Anzahl vorhanden ist. Desgleichen weist die hier nicht sichtbare Anodenseite 161 entsprechende Betriebsmittelkanäle auf, welche die Anodeneinlassöffnung 164 mit der Anodenauslassöffnung 165 verbinden. Auch diese Betriebsmittelkanäle für das Anodenbetriebsmedium sind als offene, rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet. Im Inneren der Bipolarplatte 16, insbesondere zwischen den beiden Plattenhälften, verlaufen eingeschlossene Kühlmittelkanäle, welche die Kühlmitteleinlassöffnung 168 mit der Kühlmittelauslassöffnung 161 verbinden. Mit den unterbrochenen Linien sind in 3 Dichtungen angedeutet.
Die in den 2 und 3 dargestellten MEA 14 und Bipolarplatte 16 weisen zur Ausbildung eines Brennstoffzellenstapels 10 gleiche Dimensionen auf. Dies ist nicht zwingend. So wird beispielsweise in 7 gezeigt, dass die Außenabmessungen der Bipolarplatte 16 auch kleiner sein können als die der MEA 14
Wie bereits erwähnt, werden die in den 2 und 3 gezeigten Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und Bipolarplatten 16 abwechselnd aufeinander angeordnet und zwischen zwei Endplatten fluiddicht verpresst, um so einen Brennstoffzellenstapel 10 auszubilden. Dabei werden die Bipolarplatten 16 über einen externen Stromkreis miteinander verschaltet, um den erzeugten Strom abzunehmen. Auf der anderen Seite müssen die einzelnen Zellen, insbesondere die Bipolarplatten 16, untereinander elektrisch voneinander isoliert werden.
In den folgenden 4 bis 7 sind verschiedene Ausführungsformen des Dichtungsrahmens 150 der MEA 14 in Form von Detailansichten der Kante der MEA 14 mit dem umlaufenden Dichtungsrahmen 150 im Querschnitt gezeigt. In diesen Figuren wird zur Unterscheidung der MEA 14 mit Dichtungsrahmen 150 von der MEA ohne Dichtungsrahmen diese mit dem Bezugszeichen 14a bezeichnet. Gleiche Merkmale in den Figuren werden mit identischen Bezugszeichen versehen, auch wenn diese Merkmale nicht zu allen Figuren wiederholt erläutert werden.
In 4 ist der Rand einer MEA 14a gezeigt, an der der Dichtungsrahmen 150 angeordnet ist. Dazu umfasst der Dichtungsrahmen 150 die MEA 14a im Randbereich. Der Dichtungsrahmen 150 erstreckt sich von der MEA 14a weg und bildet somit eine Art „Verlängerung“ der MEA 14a aus, wobei der Querschnitt des Dichtungsrahmens 150 parallel zueinander angeordnete Seiten oder Seitenflächen besitzt. Auf beiden Seiten des Dichtungsrahmens 150 ist jeweils eine Rippe 151 als Dichtelement vorgesehen, wobei beide Rippen 151 im verbauten Zustand der MEA 14a an der jeweiligen Bipolarplatte 16 anliegen. Die Rippen 151 sind mit einem Abstand 153 von der MEA 14a auf dem Dichtungsrahmen angeordnet. Auf der von der MEA 14a abgewandten Seite des Dichtungsrahmens 150, die den Bereich mit den Rippen 151 nicht mit einschließt, sind zur Oberfläche des Dichtungsrahmens offene Hohlräume 155 vorgesehen, sodass dieser Bereich des Dichtungsrahmens als thermisch isolierend betrachtet werden kann.
Eine alternative Ausgestaltung des thermisch isolierenden Materials auf der von der MEA 14a abgewandten Seite ist in 5 gezeigt. Hier sind im Material geschlossene Hohlräume 156 vorgesehen.
Um ein thermisch isolierendes Material im Bereich der von der MEA 14a abgewandten Seite 152 des Dichtungsrahmens auszubilden, ist es, wie in 6 gezeigt, auch möglich, diese separat herzustellen und als Bauteil 157 mit dem Dichtungsrahmen zu verbinden. Dies kann im gleichen Arbeitsschritt, in dem auch die Anbindung an die MEA 14a erfolgt, vorgenommen werden, beispielsweise im Rahmen eines Spritzgussverfahrens.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in 7 dargestellt. Hierbei weisen die MEA 14 und die Bipolarplatte 16 unterschiedliche Dimensionen auf, sodass der Dichtungsrahmen 150 teilweise über die Bipolarplatte 16 hinausragen. Der Teil 154 des Dichtungsrahmens, der über die Bipolarplatte 16 hinausragt, ist verstärkt ausgeführt, sodass sich die verstärkten Bereiche 154 der Dichtungsrahmen 150 verschiedener MEA 14 berühren und so eine Dichtung ausbilden. Dabei sind die verstärkten Bereiche 154 mit offenen Hohlräumen 155 versehen, die durch den Kontakt mit anderen Dichtrahmen 150 geschlossen werden.
Die Anoden- und Kathodenräume 12 und 13 zwischen der Bipolarplatte 16 und den jeweiligen MEA 14 sind durch die auf den Dichtungsrahmen vorgesehenen Rippen 151, die an der Bipolarplatte 16 anliegen, abgedichtet.
Bei dieser Ausführungsform ist ein, in dieser Figur nicht dargestellter, Brennstoffzellenstapel 10 auf seiner Außenseite durch die verstärkten Abschnitte 154 des Dichtungsrahmens 150 mit einer durchgehenden Isolierung versehen.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
14a: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) ohne Dichtungsrahmen
141: Anodenseite
142: Kathodenseite
143: katalytische Elektrode / Anode
144: Versorgungsöffnung / Anodeneinlassöffnung
145: Versorgungsöffnung / Anodenauslassöffnung
146: Versorgungsöffnung / Kathodeneinlassöffnung
147: Versorgungsöffnung / Kathodenauslassöffnung
148: Versorgungsöffnung / Kühlmitteleinlassöffnung
149: Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung
150: Dichtungsrahmen
151: Rippe (Dichtelement)
152: von der MEA abgewandte Seite des Dichtungsrahmens
153: Abstand
154: verstärkter Abschnitt
155: offene Hohlräume
156: geschlossene Hohlräume
157: Bauteil
16: Bipolarplatte
161: Anodenseite
162: Kathodenseite
163: Betriebsmittelkanäle
164: Anodeneinlassöffnung
165: Anodenauslassöffnung
166: Kathodeneinlassöffnung
167: Kathodenauslassöffnung
168: Kühlmitteleinlassöffnung
169: Kühlmittelauslassöffnung
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Brennstofftank
24: Stellmittel
25: Brennstoffrezirkulationsleitung
26: Fördereinrichtung
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Wastegate-Leitung
38: Stellmittel
39: Befeuchter
AA: Aktiver Bereich (Reaktionsbereich, active area)
IA: Inaktiver Bereich (inactive area)
SA: Versorgungsbereich (supply area)
DA: Verteilerbereich (distribution area)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20050181262 A1 [0005]
DE 1016090905 B4 [0005]
US 7306864 B2 [0005]
US 7687181 B2 [0005]

Claims

Membran-Elektroden-Anordnung (14) für einen Brennstoffzellenstapel (10) umfassend eine Membran (152), zwei beidseitig daran anschließende katalytische Elektroden (143), wobei am Rand der Membran-Elektroden-Anordnung (14) ein umlaufender Dichtungsrahmen (150) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsrahmen (150) auf der der Membran-Elektroden-Anordnung (14) abgewandten Seite (152) aus einem thermisch isolierenden Material besteht.
Membran-Elektroden-Anordnung (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsrahmen (150) im Querschnitt parallele Seiten aufweist, wobei auf einer oder beiden Seiten des Dichtungsrahmens (150) zumindest eine um die Membran-Elektroden-Anordnung (14) laufende Rippe (151) angeordnet ist und wobei der Bereich des Dichtungsrahmens (150), der sich von der zumindest einen Rippe (151) von der Membran-Elektroden-Anordnung (14) weg erstreckt, zumindest teilweise aus dem thermisch isolierenden Material besteht.
Membran-Elektroden-Anordnung (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Dichtungsrahmens (150) auf der abgewandten Seite (152) zur Ausbildung thermisch isolierender Eigenschaften geschlossene Hohlräume (156) und/oder offene Hohlräume (155) aufweist.
Membran-Elektroden-Anordnung (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die abgewandte Seite (151) des Dichtungsrahmens (150)) aus einem thermisch isolierendem Material besteht und die der Membran-Elektroden-Anordnung (14) zugewandte Seite (153) aus einem anderen Material als das thermisch isolierende Material besteht.
Membran-Elektroden-Anordnung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (154) des Dichtungsrahmens (150), der aus dem thermisch isolierenden Material besteht, eine größere Dicke aufweist als die Membran-Elektroden-Anordnung (14) und einen verstärkten Abschnitt (154) ausbildet.
Membran-Elektroden-Anordnung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsrahmen (150) aus einem thermoplastischen Material besteht.
Membran-Elektroden-Anordnung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsrahmen (150) im Spritzgussverfahren hergestellt ist.
Brennstoffzellenstapel (10), umfassend eine Mehrzahl abwechselnd gestapelter Bipolarplatten (16) und Membran-Elektroden-Anordnungen (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsrahmen (150) der Membran-Elektroden-Anordnungen (14) auf allen Seiten des Brennstoffzellenstapels (10) herausragen und einander kontaktieren.
Fahrzeug zumindest einen Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 8 oder 9 aufweisend.