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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl derartiger Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung.
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Stand der Technik
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Mit Hilfe einer Brennstoffzelle kann unter Verwendung eines Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, beispielsweise Sauerstoff, chemische in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Brennstoffzelle weist hierzu eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) mit einer beidseits beschichteten Membran auf. Auf beiden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung liegen jeweils eine Gasdiffusionslage und eine Separatorplatte an.
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In einem Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl gleichartiger Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung bilden zwei übereinanderliegende Separatorplatten eine Bipolarplatte aus. Durch Prägungen in den Separatorplatten und bei gespiegelter Anordnung bilden sich zwischen den Separatorplatten Hohlräume aus, die im Betrieb des Brennstoffzellenstapels mit einem Kühlmittel beaufschlagt werden können. Hohlräume, die zwischen den Separatorplatten und den jeweiligen Gasdiffusionslagen verbleiben, werden als Gaskanäle für das jeweilige Arbeitsgas genutzt. Zur Abdichtung der Hohlräume nach außen werden zwischen den Separatorplatten Dichtungen eingelegt und/oder die Separatorplatten miteinander verschweißt.
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Aus der
DE 10 2007 007 392 A1 geht beispielhaft ein Verfahren zum Fügen von Bipolarplatten hervor, bei dem zwei geprägte Separatorplatten in eine vorgegeben Fügeposition zueinander angeordnet und stoff- und formschlüssig durch Schweißen gefügt werden.
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Aus der
DE 10 2009 039 901 A1 ist ferner eine Brennstoffzelleneinheit mit einer MEA-Platte sowie benachbarten Bipolarplatten bekannt, die jeweils über einen Hinterlandstopperbereich mit zwischenliegender elektrischer Isolierung gegeneinander abgestützt sind.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Gefahr von Lagetoleranzen in Plattenebene beim Fügen von Separatorplatten zu minimieren. Denn - wie beispielhaft in den anliegenden 8 und 9 dargestellt - können derartige Lagetoleranzen zwischen zwei geprägten Separatorplatten 5 zu lokalen Verpressungen bzw. Verformungen der anliegenden Gasdiffusionslagen 4 führen, so dass diese den Gasfluss in Gaskanälen 15 behindern, die durch die Prägung in Form von Sicken 14 gebildet werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie der Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung, an der beidseitig jeweils eine Gasdiffusionslage und eine Separatorplatte anliegen, so dass die Separatorplatten jeweils eine innenliegende erste Anlagefläche zur Anlage an der Gasdiffusionslage sowie eine außenliegende zweite Anlagefläche zur Anlage einer weiteren Brennstoffzelle ausbilden. Erfindungsgemäß weist zumindest eine der beiden Separatorplatten mindestens eine über die erste Anlagefläche vorstehende Erhebung auf, die in eine Vertiefung der anderen Separatorplatte eingreift, so dass ein in der Plattenebene wirksamer Formschluss zumindest zwischen den beiden Separatorplatten erzielt wird. Die Erhebung dient somit als Positioniermittel.
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Positioniermittel zur Verringerung von Lagetoleranzen beim Fügen von Separatorplatten bzw. Bipolarplatten sind grundsätzlich bekannt, beispielsweise in Form von zusätzlichen Positionierstiften. Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist das Positioniermittel jedoch in die Separatorplatte eingeformt. Das heißt, dass die Lage des Positioniermittels fest vorgegeben ist. Gleiches gilt für die mit der Erhebung der einen Separatorplatte zusammenwirkende Vertiefung der jeweils anderen Separatorplatte, so dass beim Fügen der beiden Separatorplatten automatisch eine Ausrichtung der Platten zueinander erfolgt.
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Die vorgeschlagenen Positioniermittel - Erhebung einerseits und Vertiefung andererseits - lassen sich zudem einfach und kostengünstig umsetzen, beispielsweise in einem Arbeitsschritt mit der in die jeweilige Separatorplatte einzubringenden Prägung zur Ausbildung eines Gaskanals. Mit vergleichsweise einfachen konstruktiven Mitteln kann somit Lagetoleranzen und damit einer Intrusion der Gasdiffusionslage in einen Gaskanal entgegengewirkt werden.
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Vorteilhafterweise sind die Erhebung und die Vertiefung jeweils in einem Randbereich der beiden Separatorplatten angeordnet, das heißt in einem Bereich, in dem die beiden Separatorplatten in der Regel gefügt werden. Da beim Fügen die Separatorplatten zusammengedrückt werden, kann auf diese Weise zugleich der erforderliche Formschluss zwischen der als Positioniermittel dienenden Erhebung und der Vertiefung erzielt werden. Da sich in der Regel die Membran-Elektroden-Anordnung nicht bis in den Randbereich der beiden Separatorplatten erstreckt, muss diese bei der vorgeschlagenen Positionierung der Erhebung und der Vertiefung in einem Randbereich auch nicht perforiert werden.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Erhebung und die Vertiefung jeweils in einem Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung, vorzugsweise im Bereich eines Subgaskets der Membran-Elektroden-Anordnung, angeordnet sind. Bei dem Subgasket handelt es sich um eine Randverstärkung, beispielsweise in Form zweier Kunststofffolien, zwischen denen die Membran einlaminiert ist. Sofern ein Subgasket vorhanden ist, kann dieses bis in den Randbereich der beiden Separatorplatten gezogen und von der Erhebung durchdrungen oder zumindest verspannt werden, so dass über das Positioniermittel zugleich eine Positionierung der Membran-Elektroden-Anordnung erzielt wird.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Membran-Elektroden-Anordnung, vorzugsweise das Subgasket der Membran-Elektroden-Anordnung, und/oder die Gasdiffusionslagen im Bereich der als Positioniermittel dienenden Erhebung eine Aussparung aufweisen. Die Erhebung kann in diesem Fall spannungsfrei durch die Membran-Elektroden-Anordnung bzw. das Subgasket und/oder durch die Gasdiffusionslagen geführt werden. Auf diese Weise wird die Gefahr spannungsbedingter Verformungen minimiert. Die vorgeschlagene Ausnehmung zum Hindurchführen der Erhebung ist vorzugsweise der Außenkontur der Erhebung angepasst. Auf diese Weise bleibt sichergestellt, dass beim Fügen der beiden Separatorplatten zugleich eine Positionierung der Membran-Elektroden-Anordnung erzielt wird.
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Bevorzugt sind die Erhebung und die Vertiefung zumindest abschnittsweise konisch geformt oder weisen einen V- oder trapezförmigen Querschnitt auf. Beispielsweise können die Erhebung und die Vertiefung jeweils kegel- oder kegelstumpfförmig ausgebildet sein. Sofern die Erhebung und die Vertiefung jeweils eine Längenausrichtung aufweisen, kann der Querschnitt insbesondere V- oder trapezförmig ausgebildet sein. Über die jeweils schrägen Seitenflächen der Positioniermittel kann beim Fügen der beiden Separatorplatten eine Selbstzentrierung bewirkt werden, welche die Positionierung der beiden Separatorplatten zueinander weiter vereinfacht.
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Des Weiteren bevorzugt weisen die beiden Separatorplatten Sicken zur Ausbildung von Gaskanälen auf. Das heißt, dass die Separatorplatten durch Prägen oder ein sonstiges Umformverfahren eingebrachte rinnenförmige Vertiefungen aufweisen. Die Vertiefungen erhöhen die Formsteifigkeit der Separatorplatten. Zudem können sie als Gaskanäle genutzt werden. Ferner wird vorgeschlagen, dass zumindest eine dieser Sicken eine mit einer Erhebung zusammenwirkende Vertiefung ausbildet. Diese kann somit in einem Arbeitsgang mit der Herstellung der Separatorplatte mit eingebracht werden.
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Je nachdem von welcher Seite aus man auf eine Separatorplatte schaut, bilden die Sicken Vertiefungen oder Erhebungen aus. Die Erhebungen gehen jedoch nicht über die erste bzw. zweite Anlagefläche der jeweiligen Separatorplatte hinaus. Insofern können diese Erhebungen nicht als Positioniermittel genutzt werden. Um eine als Positioniermittel geeignete Erhebung zu schaffen, muss die Separatorplatte so stark verformt werden, dass die Erhebung gegenüber der Anlagefläche vorsteht. Andernfalls kann sie nicht in Eingriff mit einer Vertiefung der anderen Separatorplatte gebracht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Höhe der als Positioniermittel dienenden Erhebung mindestens eineinhalbmal so groß wie der Abstand zwischen den beiden Separatorplatten gewählt, wobei die Höhe oberhalb der ersten Anlagefläche gemessen wird. Dadurch ist sichergestellt, dass die Erhebung beim Fügen der beiden Separatorplatten in die Vertiefung der anderen Separatorplatte eingreift und den Formschluss in Plattenebene bewirkt. Besonders bevorzugt ist die Höhe der Erhebung mindestens doppelt so groß wie der Abstand zwischen den beiden Separatorplatten gewählt.
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Ferner bevorzugt ist zwischen den beiden Separatorplatten ein elektrisch isolierendes Element aus einem Elastomermaterial, beispielsweise aus Polyurethan, angeordnet und verpresst. Das Verpressen erfolgt beim Fügen der beiden Separatorplatten. Durch Verwendung eines Elastomermaterials ist das elektrisch isolierende Element elastisch verformbar. Das heißt, dass ein Element gewählt werden kann, das ein Übermaß gegenüber dem endgültigen Abstand der beiden Separatorplatten aufweist, so dass es beim Fügen der beiden Platten elastisch verformt bzw. verpresst wird.
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Der darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brennstoffzellenstapel zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Vielzahl an erfindungsgemäß ausgebildeter Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung umfasst. Dabei bilden die aneinander anliegenden Separatorplatten zweier benachbarter Brennstoffzellen eine Bipolarplatte aus. Die Positioniermittel der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen verringern die Gefahr von Lagetoleranzen und damit die Gefahr einer Intrusion der anliegenden Gasdiffusionslagen in die Gaskanäle der Bipolarplatten.
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Bevorzugt werden gleiche Brennstoffzellen übereinandergestapelt, so dass die Positioniermittel der gestapelten Brennstoffzellen übereinanderliegen. Auf diese Weise wird beim Fügen der Brennstoffzellen eine optimale Druckverteilung über die übereinanderliegenden Positioniermittel erreicht.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Brennstoffzelle,
- 2 einen Längsschnitt durch einen bekannten Brennstoffzellenstapel,
- 3 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel mit erfindungsgemäßen Brennstoffzellen gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
- 4 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel mit erfindungsgemäßen Brennstoffzellen gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
- 5 einen vergrößerten Ausschnitt der 4,
- 6 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel mit erfindungsgemäßen Brennstoffzellen gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform,
- 7 einen vergrößerten Ausschnitt der 6,
- 8 einen Längsschnitt durch einen bekannten Brennstoffzellenstapel und
- 9 einen vergrößerten Ausschnitt der 8.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte Brennstoffzelle 1 weist eine Membran-Elektroden-Anordnung 3 mit einer beidseitig beschichteten Membran auf, an der beidseits jeweils eine Gasdiffusionslage 4 anliegt. Die Membran-Elektroden-Anordnung 3 einschließlich der beiden Gasdiffusionslagen 4 ist wiederum zwischen zwei Separatorplatten 5 angeordnet, welche die Brennstoffzelle 1 nach außen abschließen. Die Separatorplatten 5 weisen jeweils parallel verlaufende Sicken 14 mit einem trapezförmigen Querschnitt auf, die gemeinsam mit den Gasdiffusionslagen 4 Gaskanäle 15 begrenzen. Die Gasdiffusionslagen 4 liegen an einer ersten durch die Sickenstruktur gebildeten Anlagefläche 6 an. Nach außen hin bildet die Sickenstruktur eine zweite Anlagefläche 7 zur Anlage einer weiteren Brennstoffzelle 1 aus. Die Membran-Elektroden-Anordnung 3 ist in einem Randbereich 11, der beispielsweise durch ein Subgasket 12 ausgebildet sein kann (siehe Bezugszeichen in Klammern), zwischen den beiden Separatorplatten 5 eingespannt.
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Um beim Fügen der beiden Separatorplatten 5 eine möglichst genaue Positionierung zu ermöglichen, weisen die beiden Separatorplatten 5 jeweils in einem Randbereich 10 Positioniermittel auf. Diese sind als Erhebung 8 einerseits und als Vertiefung 9 andererseits gestaltet und zudem derart dimensioniert, dass diese beim Fügen in Eingriff miteinander bringbar sind. Auf diese Weise wird ein in Plattenebene wirksamer Formschluss erreicht. Die beiden Separatorplatten 5 können jeweils mehrere solcher Positioniermittel im selben und/oder in einem weiteren Randbereich 10 aufweisen.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 sind die Erhebung 8 sowie die Vertiefung 9 jeweils kegelstumpfförmig ausgeführt und in ihren Abmessungen aufeinander abgestimmt, so dass beim Fügen zugleich eine Selbstzentrierung bewirkt wird. Da sich die Membran-Elektroden-Anordnung 3 nicht bis in den Randbereich 10 der beiden Separatorplatten 5 erstreckt, muss die Erhebung 8 nicht durch diese hindurchgeführt werden.
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Der 1 sind ferner Dichtelemente 16 zu entnehmen, die zwischen dem Randbereich 11 der Membran-Elektroden-Anordnung 3 und den Separatorplatten 5 angeordnet sind. Diese dichten die Gaskanäle 15 nach außen ab.
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In der 2 sind mehrere Brennstoffzellen 1 in gestapelter Anordnung zu entnehmen, wobei es sich um aus dem Stand der Technik bekannte Brennstoffzellen 1 handelt. Das heißt, dass diese keine Positioniermittel ausbilden. Es fehlt demnach an einem in Plattenebene wirksamen Formschluss zur Verringerung von Lagetoleranzen.
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Demgegenüber zeigt die 3 mehrere erfindungsgemäße Brennstoffzellen 1 in gestapelter Anordnung bzw. einen Brennstoffzellenstapel 2 mit mehreren erfindungsgemäßen Brennstoffzellen 1. Betrachtet man die oberste Brennstoffzelle 1, fällt auf, dass die untere Separatorplatte 5 eine Erhebung 8 aufweist, die durch eine Aussparung 13 einer angrenzenden Gasdiffusionslage 4 hindurchgeführt ist und in eine Vertiefung 9 der obere Separatorplatte 5 eingreift. Die Vertiefung 9 ist dabei als einfache Sicke 14 ausgeführt. Dadurch, dass die Erhebung 8 eine Höhe h aufweist, die mehr als doppelt so groß wie ein Abstand a zwischen den beiden Separatorplatten 5 gewählt ist, kann die Erhebung 8 in Eingriff mit der Vertiefung 9 gebracht werden. Durch den jeweils trapezförmigen Querschnitt der Erhebung 8 und der Vertiefung 9 wird beim Fügen ebenfalls eine Selbstzentrierung erreicht.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist beispielhaft den 4 und 5 zu entnehmen. Hier weist die Erhebung 8 zusätzliche eine Stufe 17 auf, so dass sich die Höhe h der Erhebung 8 aus zwei Teilhöhen h1 und h2 zusammensetzt.
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Ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel zeigen die 6 und 7, die im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen der 3 bis 5 eine Modifikation beider Separatorplatten 5 erforderlich machen, da die Vertiefung 9 eine von einer herkömmlichen Sicke 14 abweichende Form aufweist.
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Die 8 und 9 zeigen den eingangs erwähnten Stand der Technik.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007007392 A1 [0004]
- DE 102009039901 A1 [0005]
