DE102020207919A1 - Fuel cell assembly and method for manufacturing a fuel cell assembly - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (10) mit in einer Stapelrichtung (z) gestapelt angeordneten Brennstoffzellen (20), die jeweils plattenförmig ausgebildet sind, sich orthogonal zur Stapelrichtung (z) betrachtet jeweils in ersten und zweiten Querrichtungen (x, y) erstrecken, und jeweils in der Stapelrichtung (z) gestapelt aufweisen: eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte (22) mit einer Brennstoff-Kanalstruktur (24) zur Führung eines Brennstoffes; eine anodenseitige Gasdiffusionslage (26); eine Membran-Elektroden-Einheit (28), aufweisend eine Elektrolytmembran (30) und beiderseits davon angeordnete Elektrodenschichten (32, 34), die eine Anode (32) und eine Kathode (34) für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel ausbilden; eine kathodenseitige Gasdiffusionslage (36); eine kathodenseitige Bipolar-Halbplatte (38) mit einer Oxidationsmittel-Kanalstruktur (40) zur Führung des Oxidationsmittels. Erfindungsgemäß sind die Bipolar-Halbplatten (22, 38) an einem seitlichen Randbereich derart formgestaltet, dass diese an diesem seitlichen Randbereich stellenweise derart aneinander anliegen oder zumindest nahe aneinander heranragen, dass an einem entsprechenden seitlichen Randbereich der Brennstoffzellenanordnung (10) eine in Stapelrichtung (z) durchgehend sich erstreckende Kavität (49) ausgebildet ist, wobei diese Kavität (49) mit einem Dichtungsmaterial (50) gefüllt ist.The invention relates to a fuel cell arrangement (10) with fuel cells (20) arranged stacked in a stacking direction (z), each of which is plate-shaped and extends in first and second transverse directions (x, y) when viewed orthogonally to the stacking direction (z), and each having stacked in the stacking direction (z): an anode side bipolar half plate (22) having a fuel channel structure (24) for guiding a fuel; an anode-side gas diffusion layer (26); a membrane-electrode unit (28) comprising an electrolyte membrane (30) and electrode layers (32, 34) arranged on either side thereof, which form an anode (32) and a cathode (34) for an electrochemical reaction of the fuel with an oxidizing agent; a cathode-side gas diffusion layer (36); a cathode-side bipolar half-plate (38) having an oxidant channel structure (40) for carrying the oxidant. According to the invention, the bipolar half-plates (22, 38) are shaped on a lateral edge area in such a way that they rest against one another in places on this lateral edge area or at least protrude close to one another in such a way that on a corresponding lateral edge area of the fuel cell arrangement (10) a stacking direction (e.g ) continuously extending cavity (49) is formed, this cavity (49) being filled with a sealing material (50).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.The present invention relates to a fuel cell arrangement according to the preamble of claim 1 and a method for producing a fuel cell arrangement according to the preamble of claim 9.

Eine derartige Brennstoffzellenanordnung wird im Stand der Technik auch als Brennstoffzellenstapel bezeichnet und weist in einer Stapelrichtung gestapelt angeordnete Brennstoffzellen auf, die jeweils plattenförmig ausgebildet sind und sich orthogonal zur Stapelrichtung betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung erstrecken.Such a fuel cell arrangement is also referred to as a fuel cell stack in the prior art and has fuel cells stacked in a stacking direction, each of which is plate-shaped and, viewed orthogonally to the stacking direction, extends in a first transverse direction and a second transverse direction orthogonal thereto.

Die einzelnen Brennstoffzellen weisen jeweils in der Stapelrichtung gestapelt auf:

  • - eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer Brennstoff-Kanalstruktur zur Führung eines Brennstoffes,
  • - eine anodenseitige Gasdiffusionslage,
  • - eine Membran-Elektroden-Einheit, aufweisend eine Elektrolytmembran und in Stapelrichtung beiderseits davon angeordnete Elektrodenschichten, die eine Anode und eine Kathode für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel ausbilden,
  • - eine kathodenseitige Gasdiffusionslage,
  • - eine kathodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer Oxidationsmittel-Kanalstruktur zur Führung des Oxidationsmittels.
The individual fuel cells each have, stacked in the stacking direction:
  • - an anode-side bipolar half-plate with a fuel channel structure for guiding a fuel,
  • - a gas diffusion layer on the anode side,
  • - A membrane-electrode unit, comprising an electrolyte membrane and electrode layers arranged on both sides thereof in the stacking direction, which form an anode and a cathode for an electrochemical reaction of the fuel with an oxidizing agent,
  • - a cathode-side gas diffusion layer,
  • - A cathode-side bipolar half-plate with an oxidizing agent channel structure for guiding the oxidizing agent.

Zum Stand der Technik derartiger Brennstoffzellenstapel sei beispielhaft auf die Veröffentlichungen EP 2 357 698 B1 , EP 2 445 045 B1 , EP 2 584 635 B1 , EP 2 946 431 B1 und EP 3 316 377 A1 verwiesen.For the state of the art of such fuel cell stacks, refer to the publications as an example EP 2 357 698 B1 , EP 2 445 045 B1 , EP 2 584 635 B1 , EP 2 946 431 B1 and EP 3 316 377 A1 referenced.

Mit einer Brennstoffzellenanordnung kann durch eine elektrochemische Reaktion die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes (z. B. Wasserstoff) und eines kontinuierlich zugeführten Oxidationsmittels (z. B. Sauerstoff oder Luft) in elektrische Energie gewandelt werden.With a fuel cell arrangement, the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel (e.g. hydrogen) and a continuously supplied oxidizing agent (e.g. oxygen or air) can be converted into electrical energy by means of an electrochemical reaction.

Im Betrieb der über die (elektrisch leitfähigen) Bipolar-Halbplatten in elektrischer Reihenschaltung angeordneten Brennstoffzellen müssen die Reaktanten der elektrochemischen Reaktion, also der Brennstoff (z. B. Wasserstoff) und das Oxidationsmittel (z. B. Luft), auf in Stapelrichtung betrachtet unterschiedlichen Seiten der Membran-Elektroden-Einheit innerhalb jeder Brennstoffzelle zugeführt werden.During operation of the fuel cells arranged in an electrical series connection via the (electrically conductive) bipolar half-plates, the reactants of the electrochemical reaction, i.e. the fuel (e.g. hydrogen) and the oxidizing agent (e.g. air), must be different when viewed in the stacking direction Sides of the membrane-electrode assembly are fed within each fuel cell.

Zu diesem Zweck sind die Bipolar-Halbplatten jeder Brennstoffzelle auf ihren der Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Seiten jeweils mit der oben erwähnten Kanalstruktur ausgebildet, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel auf den jeweiligen Seiten der Membran-Elektroden-Einheit über diese Kanalstrukturen in die dort angrenzende jeweilige Gasdiffusionslage einzubringen und somit über die jeweilige Gasdiffusionslage an die jeweilige Elektrodenschicht auf der entsprechenden Seite der Elektrolytmembran heranzuführen.For this purpose, the bipolar half-plates of each fuel cell are each designed with the above-mentioned channel structure on their sides facing the membrane-electrode unit in order to transfer the fuel and the oxidizing agent on the respective sides of the membrane-electrode unit via these channel structures into the there to introduce adjacent respective gas diffusion layer and thus to bring it up to the respective electrode layer on the corresponding side of the electrolyte membrane via the respective gas diffusion layer.

Die Elektrodenschichten sind üblicherweise aus einem Kohlenstoffmaterial gebildet und mit einem geeigneten Katalysator beschichtet bzw. durchsetzt. Die brennstoffseitige Elektrodenschicht bildet hierbei eine Anode und die oxidationsmittelseitige Elektrodenschicht eine Kathode der Membran-Elektroden-Einheit.The electrode layers are usually formed from a carbon material and coated or interspersed with a suitable catalyst. The electrode layer on the fuel side forms an anode and the electrode layer on the oxidizing agent side forms a cathode of the membrane-electrode unit.

Das Produkt der in den einzelnen Brennstoffzellen ablaufenden elektrochemischen Reaktion, beispielsweise Wasser, kann über den Oxidationsmittel (z. B. Luft)-führenden Brennstoffzellenbereich abgeführt werden.The product of the electrochemical reaction taking place in the individual fuel cells, for example water, can be discharged via the fuel cell area carrying the oxidizing agent (for example air).

In den einzelnen Brennstoffzellen müssen der Brennstoff-führende Bereich, d.h. anodenseitige Kanalstruktur, Gasdiffusionslage, Elektrodenschicht (Anode), und der Oxidationsmittel-führende Bereich, d.h. kathodenseitige Kanalstruktur, Gasdiffusionslage, Elektrodenschicht (Kathode), gegeneinander abgedichtet sein, um einen der Leistungseffizienz abträglichen Gasaustausch zwischen diesen Bereichen zu verhindern.In the individual fuel cells, the fuel-carrying area, i.e. the anode-side channel structure, gas diffusion layer, electrode layer (anode), and the oxidizing agent-carrying area, ie cathode-side channel structure, gas diffusion layer, electrode layer (cathode), must be sealed off from one another in order to prevent gas exchange that is detrimental to power efficiency to prevent between these areas.

Dies impliziert insbesondere, dass wenigstens einer der beiden Bereiche gegen die Umgebung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels (z. B. Atmosphäre) hin abgedichtet sein muss, um einen solchen Austausch über die Umgebung zu unterbinden. In der Praxis wird hierbei zumindest der Brennstoff-führende Bereich gegenüber der Umgebung abgedichtet, um einen Verlust von Brennstoff aus diesem Brennstoffzellenbereich in die Umgebung sowie einen Eintrag eines Mediums (z. B. Luft) aus der Umgebung in diesen Brennstoffzellenbereich hinein zu verhindern.This implies in particular that at least one of the two areas must be sealed off from the surroundings of the fuel cell or the fuel cell stack (e.g. atmosphere) in order to prevent such an exchange via the surroundings. In practice, at least the fuel-carrying area is sealed off from the environment in order to prevent a loss of fuel from this fuel cell area into the environment and an entry of a medium (e.g. air) from the environment into this fuel cell area.

Insbesondere zur Ausbildung einer luftgekühlten Brennstoffzellenanordnung kann der Oxidationsmittel-führende Bereich auch „offen“ zur Umgebung hin ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die bei den einzelnen Brennstoffzellen vorgesehene Oxidationsmittel-Kanalstruktur an zwei in einer Querrichtung betrachtet einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzelle offen sein, um im Betrieb eine Strömung des Oxidationsmittels (z. B. Luft) in dieser Querrichtung durch die Brennstoffzellenanordnung hindurch zu ermöglichen. Hierfür kann das Oxidationsmittel z. B. mit einem Gebläse durch die seitlich offene Brennstoffzellenanordnung hindurchgetrieben werden und hierbei zugleich für eine Kühlung sorgen.In particular, to form an air-cooled fuel cell arrangement, the oxidizing agent-carrying area can also be configured “open” to the environment. For example, the oxidizing agent channel structure provided in the individual fuel cells can be open on two opposite sides of the fuel cell when viewed in a transverse direction in order to enable the oxidizing agent (e.g. air) to flow in this transverse direction through the fuel cell arrangement during operation. For this it can Oxidizing agent e.g. B. be driven through the laterally open fuel cell assembly with a fan and at the same time ensure cooling.

In vielen Fällen ist es jedoch vorteilhafter, wenn sowohl der Brennstoff-führende Bereich als auch der Oxidationsmittel-führende Bereich des Brennstoffzellenstapels gegeneinander und zur Umgebung hin abgedichtet sind.In many cases, however, it is more advantageous if both the fuel-conducting area and the oxidizing agent-conducting area of the fuel cell stack are sealed off from one another and from the environment.

Für derartige Abdichtungen üblich sind z. B. separat gefertigte und zwischen Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Einheit eingelegte Dichtungen, oder z. B. ein Dispensen/Aufspritzen von Dichtungsmaterial an jeweiligen Komponenten der Brennstoffzellen (z. B. Bipolarplatte, Membran-Elektroden-Einheit) während eines Montageprozesses, oder eine Vorfertigung von Komponenten der Brennstoffzellen mit bereits daran angeformten Dichtungen.Common for such seals are z. B. separately manufactured and inserted between the bipolar plate and membrane-electrode unit seals, or z. B. a dispensing / spraying of sealing material on the respective components of the fuel cells (z. B. bipolar plate, membrane-electrode unit) during an assembly process, or a prefabrication of components of the fuel cells with already molded seals.

Falls an den Übergängen zwischen in Stapelrichtung einander benachbarten Brennstoffzellen die dort befindlichen Bipolar-Halbplatten voneinander beabstandet sind und in den somit vorhandenen Zwischenräumen ein Kühlmedium (z. B. Luft oder Wasser) geführt wird, um die Brennstoffzellenanordnung in dieser Weise zu kühlen, so benötigt weiterhin jede Bipolarplatte eine an einem seitlichen Randbereich der Brennstoffzellenanordnung, in der Regel sogar in einer Umfangsrichtung der Brennstoffzellenanordnung betrachtet ringsherum umlaufend eine weitere Dichtung (oder. z. B. Verschweißung von Bipolar-Halbplatten), um einen Austritt von Kühlmedium zu verhindern.If the bipolar half-plates located there are spaced apart from one another at the transitions between fuel cells that are adjacent to one another in the stacking direction and a cooling medium (e.g. air or water) is guided in the intermediate spaces in order to cool the fuel cell arrangement in this way, it is required Furthermore, each bipolar plate has a further seal (or, for example, welding of bipolar half-plates) all around, on a lateral edge area of the fuel cell arrangement, usually even viewed in a circumferential direction of the fuel cell arrangement, in order to prevent the escape of cooling medium.

Im Stand der Technik erfordern sämtliche Abdichtungen der vorstehend erläuterten Art nachteiliger Weise einen relativ großen Aufwand.In the prior art, all seals of the type explained above disadvantageously require a relatively large amount of effort.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Brennstoffzellenanordnung der eingangs genannten Art bzw. bei deren Herstellung einen neuartigen Weg aufzuzeigen, mit dem Abdichtungen im Hinblick auf die gewünschte Führung von Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder gegebenenfalls separat davon vorgesehenem Kühlmedium in einfacher Weise realisiert werden können.It is therefore an object of the present invention to show a novel way in a fuel cell arrangement of the type mentioned at the beginning or in its production, with which seals with regard to the desired guidance of fuel and / or oxidizing agent and / or optionally cooling medium provided separately therefrom in can be realized in a simple manner.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gemäß eines ersten Aspekts durch eine Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.According to the invention, this object is achieved according to a first aspect by a fuel cell arrangement according to claim 1. The dependent claims relate to advantageous developments of the invention.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolar-Halbplatten an einem seitlichen Randbereich derart formgestaltet sind, dass die Bipolar-Halbplatten an diesem seitlichen Randbereich stellenweise derart aneinander anliegen oder zumindest nahe aneinander heranragen, dass an einem entsprechenden seitlichen Randbereich der Brennstoffzellenanordnung eine in Stapelrichtung durchgehend sich erstreckende Kavität ausgebildet ist, und dass diese Kavität mit einem Dichtungsmaterial gefüllt ist.The fuel cell arrangement according to the invention is characterized in that the bipolar half-plates are designed on a lateral edge area in such a way that the bipolar half-plates abut one another in places at this lateral edge area or at least protrude close to one another that one in the stacking direction continuously extending cavity is formed, and that this cavity is filled with a sealing material.

Dass die Kavität sich „in Stapelrichtung durchgehend“ erstreckt, soll bedeuten, dass es innerhalb der Kavität am seitlichen Randbereich der Brennstoffzellenanordnung Pfade gibt, die von einer in Stapelrichtung ersten (z. B. „untersten“) Brennstoffzelle durchgehend bis hin zu einer in Stapelrichtung letzten (z. B. „obersten“) Brennstoffzelle verlaufen. Im Bereich der Übergänge zwischen in Stapelrichtung betrachtet einander benachbarten Brennstoffzellen können Abschnitte der Kavität hierbei insbesondere z. B. durch in Stapelrichtung betrachtet durch die beiden dort befindlichen Bipolar-Halbplatten hindurchgehende Öffnungen gebildet sein, welche somit die Bereiche der Kavität unterhalb und überhalb des jeweiligen Übergangsbereiches miteinander verbinden.The fact that the cavity extends “continuously in the stacking direction” is intended to mean that there are paths within the cavity at the lateral edge area of the fuel cell arrangement that go from a first (e.g., “lowermost”) fuel cell in the stacking direction to one in the stacking direction last (e.g. "top") fuel cell. In the area of the transitions between adjacent fuel cells viewed in the stacking direction, sections of the cavity can in this case, in particular, e.g. B. viewed in the stacking direction through openings going through the two bipolar half-plates located there, which thus connect the areas of the cavity below and above the respective transition area with one another.

Mit der Erfindung können vorteilhaft beispielsweise weniger Einzelkomponenten bei der Herstellung der Brennstoffzellenanordnung zusammenzuführen (zu Stapeln) sein, da die bei der Erfindung vorgesehene, mit dem Dichtungsmaterial gefüllte Kavität je nach konkreter Ausgestaltung z. B. die bislang üblichen eingelegten Dichtungen zu ersetzen vermag. Darüber hinaus kann die mit dem Dichtungsmaterial gefüllte Kavität auch die bislang an bestimmten Komponenten der Brennstoffzellen (z. B. Bipolarplatte, Membran-Elektroden-Einheit) aufgetragenen oder angeformten Dichtungen entbehrlich machen.With the invention, for example, fewer individual components can advantageously be brought together (in stacks) in the production of the fuel cell arrangement, since the cavity filled with the sealing material provided in the invention, depending on the specific configuration, e.g. B. able to replace the previously usual inserted seals. In addition, the cavity filled with the sealing material can also make the seals previously applied or molded onto certain components of the fuel cells (e.g. bipolar plate, membrane-electrode unit) unnecessary.

Demzufolge müssen in der Regel auch weniger Toleranzen beachtet werden und die Montagedauer zur Herstellung der Brennstoffzellenanordnung kann vorteilhaft reduziert werden.As a result, fewer tolerances usually have to be taken into account and the assembly time for producing the fuel cell arrangement can advantageously be reduced.

Durch eine Befüllung der Kavität mit dem Dichtungsmaterial kann die Dichtung vorteilhaft in einem einzigen Prozessschritt eingebracht werden. Das erwähnte „aneinander anliegen“ bzw. „nahe aneinander heranragen“ der Bipolar-Halbplatten realisiert an den betreffenden Stellen eine Begrenzung der Kavität, d.h. an diesen Stellen vermag das Dichtungsmaterial während des Befüllens nicht auszutreten. In der Praxis (jedoch auch abhängig z. B. von der Viskosität des Dichtungsmaterials bei der Befüllung) kann „nahe aneinander heranragen“ (in Stapelrichtung) z. B. dadurch gegeben sein, dass eine verbleibende minimale Spaltbreite kleiner als 0,1 mm, insbesondere kleiner als 0,05 mm ist.By filling the cavity with the sealing material, the seal can advantageously be introduced in a single process step. The mentioned "resting against one another" or "protruding close to one another" of the bipolar half-plates realizes a limitation of the cavity at the relevant points, i.e. at these points the sealing material cannot escape during filling. In practice (but also depending, for example, on the viscosity of the sealing material during filling), it can be "close to each other" (in the stacking direction), for example. B. be given that a remaining minimum gap width is less than 0.1 mm, in particular less than 0.05 mm.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung kann sich bei Ausgestaltungen ergeben, bei denen mit Hilfe der mit Dichtungsmaterial gefüllten Kavität eine mechanische Verspannung der elektrochemisch aktiven Flächen bzw. Bereiche (z. B. Membran-Elektroden-Einheiten, Gasdiffusionslagen) nicht mehr wie im Stand der Technik zwingend mit einer mechanischen Verspannung von Dichtungslagen im Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist. So kann z. B. eine gleichmäßigere Kraftverteilung in den aktiven Bereichen vorteilhaft die Leistungsdichte der Brennstoffzellenanordnung erhöhen.Another advantage of the invention can result from configurations in which the electrochemically active ones are mechanically braced with the aid of the cavity filled with sealing material Areas or areas (e.g. membrane electrode units, gas diffusion layers) are no longer necessarily coupled with mechanical bracing of sealing layers in the fuel cell stack, as in the prior art. So z. B. a more uniform force distribution in the active areas advantageously increase the power density of the fuel cell arrangement.

Bevorzugt besitzen die einzelnen Brennstoffzellen jeweils eine plattenförmige Gestalt mit wenigstens annähernd rechteckiger Kontur, so dass sich ein dementsprechend etwa quaderförmiger Brennstoffzellenstapel ergibt.The individual fuel cells preferably each have a plate-like shape with an at least approximately rectangular contour, so that a corresponding roughly cuboid fuel cell stack results.

In einer Ausführungsform sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung für einen Betrieb mit Wasserstoff als Brennstoff geeignet ausgebildet, z. B. mit einer als Protonenleitmembran ausgebildeten Elektrolytmembran.In one embodiment, the fuel cells of the fuel cell arrangement are designed to be suitable for operation with hydrogen as the fuel, e.g. B. with an electrolyte membrane designed as a proton conducting membrane.

Alternativ kommt jedoch auch z. B. eine Ausbildung der Brennstoffzellenanordnung für einen Betrieb mit einem anderen Brennstoff wie z. B. einer organischen Verbindung (z. B. Methan oder Methanol) oder z. B. Erdgas in Betracht.Alternatively, however, also z. B. a design of the fuel cell assembly for operation with a different fuel such. B. an organic compound (z. B. methane or methanol) or z. B. natural gas into consideration.

In einer Ausführungsform ist die Brennstoffzellenanordnung für einen Betrieb mit Luft als Oxidationsmittel geeignet ausgebildet.In one embodiment, the fuel cell arrangement is designed to be suitable for operation with air as the oxidizing agent.

In einer Verwendung der Brennstoffzellenanordnung kann ein Betrieb mit Druckaufladung des Brennstoffzellenstapels mit dem Oxidationsmittel vorgesehen sein, bei dem die Zufuhr des Oxidationsmittels unter einem gegenüber atmosphärischem Umgebungsdruck erhöhten Druck (Zufuhrdruck) auf einer Einlassseite für das Oxidationsmittel erfolgt. Der Einlassdruck kann z. B. größer als 1,2 bar, insbesondere größer als 1,5 bar, sein. Andererseits ist ein Einlassdruck von weniger als 5 bar, insbesondere weniger als 4 bar, zumeist ausreichend.In one use of the fuel cell arrangement, operation with pressure charging of the fuel cell stack with the oxidizing agent can be provided, in which the oxidizing agent is supplied under a pressure (supply pressure) that is higher than that of ambient atmospheric pressure on an inlet side for the oxidizing agent. The inlet pressure can e.g. B. greater than 1.2 bar, in particular greater than 1.5 bar. On the other hand, an inlet pressure of less than 5 bar, in particular less than 4 bar, is usually sufficient.

In einer Ausführungsform einer Verwendung der Brennstoffzellenanordnung erfolgt eine Abfuhr des Oxidationsmittels an einer Auslasseite, an welcher ein Unterdruck herrscht, der unterhalb atmosphärischem Umgebungsdruck liegt. Der Auslassdruck kann z. B. kleiner als 0,8 bar, insbesondere kleiner als 0,6 bar, sein. Andererseits ist zumeist ein Auslassdruck von mindestens 0,1 bar vorteilhaft.In one embodiment of a use of the fuel cell arrangement, the oxidizing agent is discharged at an outlet side at which a negative pressure prevails which is below atmospheric ambient pressure. The outlet pressure can e.g. B. less than 0.8 bar, in particular less than 0.6 bar. On the other hand, an outlet pressure of at least 0.1 bar is usually advantageous.

Die im Rahmen der Erfindung vorgesehenen Kanalstrukturen der einzelnen Brennstoffzellen können jeweils mehrere, z. B. mehr als 10, oder z. B. mehr als 50, parallel zueinander verlaufende Kanäle aufweisen. Jede der Kanalstrukturen kann z. B. insbesondere jeweils geradlinig und parallel zueinander verlaufende Kanäle aufweisen. In einer Ausführungsform verlaufen geradlinige Kanäle der Brennstoff-Kanalstrukturen und der Oxidationsmittel-Kanalstrukturen in einer gemeinsamen (gleichen) Richtung orthogonal zur Stapelrichtung der Brennstoffzellenanordnung. In einer anderen Ausführungsform verlaufen solche geradlinigen Kanäle einerseits der Brennstoff-Kanalstrukturen und andererseits der Oxidationsmittel-Kanalstrukturen in unterschiedlichen Richtungen orthogonal zur Stapelrichtung. Insbesondere können diese verschiedenen Richtungen der Kanäle orthogonal zueinander orientiert vorgesehen sein.The channel structures of the individual fuel cells provided in the context of the invention can each have several, e.g. B. more than 10, or z. B. have more than 50, parallel channels. Each of the channel structures can e.g. B. in particular each have rectilinear and parallel channels. In one embodiment, straight channels of the fuel channel structures and the oxidizing agent channel structures run in a common (same) direction orthogonal to the stacking direction of the fuel cell arrangement. In another embodiment, such straight channels, on the one hand, of the fuel channel structures and, on the other hand, of the oxidizing agent channel structures, run in different directions orthogonal to the stacking direction. In particular, these different directions of the channels can be provided oriented orthogonally to one another.

Alternativ zu geradlinig verlaufenden Kanälen können für die Brennstoff-Kanalstrukturen und/oder die Oxidationsmittel-Kanalstrukturen jedoch prinzipiell auch kompliziertere Verläufe der jeweiligen Kanäle vorgesehen sein, wie z. B. Verläufe beinhaltend Abwinkelungen und/oder Krümmungen, z. B. mäanderförmige Verläufe in der der von erster und zweiter Querrichtung aufgespannten „Brennstoffzellenebene“.As an alternative to rectilinear channels, more complicated courses of the respective channels can in principle also be provided for the fuel channel structures and / or the oxidizing agent channel structures, such as, for. B. Gradients containing bends and / or curvatures, z. B. meandering courses in the "fuel cell plane" spanned by the first and second transverse directions.

Die Kanäle der Kanalstrukturen können z. B. einen rechteckigen oder abgerundet-rechteckigen Querschnitt besitzen und können z. B. durch ein Einfräsen, ein Stanzen, ein Prägen oder ein Ätzen im Rahmen der Fertigung der Bipolar-Halbplatten bzw. Bipolarplatten ausgebildet worden sein.The channels of the channel structures can, for. B. have a rectangular or rounded-rectangular cross-section and can, for. B. have been formed by milling, punching, embossing or etching in the course of manufacturing the bipolar half-plates or bipolar plates.

In einer Ausführungsform sind die Bipolar-Halbplatten aus einem metallischen Material gebildet. Alternativ können die Bipolar-Halbplatten insbesondere z. B. aus einem Kohlenstoffmaterial oder z. B. aus einem elektrisch leitenden Kunststoffmaterial (z. B. entsprechend dotiert, z. B. mit Ruß) gebildet sein, oder aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material.In one embodiment, the bipolar half-plates are formed from a metallic material. Alternatively, the bipolar half-plates can in particular, for. B. of a carbon material or z. B. be formed from an electrically conductive plastic material (z. B. appropriately doped, z. B. With carbon black), or from another electrically conductive material.

Gemäß einer Ausführungsform werden die bei der Erfindung vorgesehenen Bipolar-Halbplatten jeweils separat voneinander vorgefertigt und bei der Herstellung der Brennstoffzellenanordnung durch ein Stapeln der einzelnen Komponenten entsprechend in den Stapel eingefügt.According to one embodiment, the bipolar half-plates provided in the invention are each prefabricated separately from one another and inserted into the stack during the production of the fuel cell arrangement by stacking the individual components.

Zumeist bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Bipolar-Halbplatten für das Innere des Brennstoffzellenstapels jeweils separat voneinander vorgefertigt, jedoch vor deren Einfügung in die Brennstoffzellenanordnung paarweise miteinander verbunden wurden, z. B. durch eine Verklebung oder Verschweißung, so dass bei der Herstellung des Brennstoffzellenstapels Bipolarplatten verwendet werden (die jeweils aus zwei Bipolar-Halbplatten zusammengesetzt sind). An den beiden in Stapelrichtung betrachteten Enden können auch bei dieser Ausführungsform jeweils einzelne Bipolar-Halbplatten angeordnet werden („Endplatten“).Mostly preferred is an embodiment in which the bipolar half-plates for the interior of the fuel cell stack are each prefabricated separately from one another, but have been connected to one another in pairs before they are inserted into the fuel cell assembly, e.g. B. by gluing or welding, so that bipolar plates are used in the manufacture of the fuel cell stack (which are each composed of two bipolar half-plates). In this embodiment, too, individual bipolar half-plates (“end plates”) can be arranged at the two ends viewed in the stacking direction.

Im Inneren des Brennstoffzellenstapels kann bei den einzelnen Brennstoffzellen eine Außenseite (d.h. die der Kanalstruktur abgewandte Seite) der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte z. B. direkt an einer Außenseite (d.h. der Kanalstruktur abgewandt) der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte einer in Stapelrichtung benachbarten (angrenzenden) Brennstoffzelle anliegen, bzw. die Außenseite der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte einer Brennstoffzelle direkt an der Außenseite der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte einer benachbarten Brennstoffzelle anliegen, sei es mit oder ohne feste Verbindung wie z. B. Verklebung, Verschweißung etc. In the interior of the fuel cell stack, the individual fuel cells can have an outside (ie the side facing away from the channel structure) of the anode-side bipolar half-plate z. B. directly on an outside (ie facing away from the channel structure) of the cathode-side bipolar half-plate of an adjacent (adjacent) fuel cell in the stacking direction, or the outside of the cathode-side bipolar half-plate of a fuel cell directly on the outside of the anode-side bipolar half-plate of an adjacent fuel cell apply, be it with or without a fixed connection such as B. Bonding, welding, etc.

In einer Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung ist vorgesehen, dass an jedem solchen Übergang zwischen Brennstoffzellen die dort befindlichen Bipolar-Halbplatten in deren mittleren Bereich direkt (und ohne größeren Zwischenraum) aneinander anliegen.In one embodiment of the fuel cell arrangement, it is provided that at each such transition between fuel cells the bipolar half-plates located there lie directly against one another in their central area (and without a large gap).

In einer anderen Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung ist vorgesehen, dass an jedem Übergang zwischen in Stapelrichtung einander benachbarten Brennstoffzellen die dort befindlichen Bipolar-Halbplatten in deren mittleren Bereich voneinander beabstandet sind. In dem somit vorhandenen Zwischenraum kann im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung z. B. ein Kühlmedium (z. B. Luft oder Wasser) geführt sein, um die Brennstoffzelle damit zu kühlen. Hierbei kann in dem Zwischenraum z. B. eine weitere Kanalstruktur („Kühlmedium-Kanalstruktur“) zur Führung eines Kühlmediums wie z. B. Kühlwasser ausgebildet sein.In another embodiment of the fuel cell arrangement, it is provided that the bipolar half-plates located there are spaced apart from one another in their central region at each transition between fuel cells that are adjacent to one another in the stacking direction. In the space thus present, during operation of the fuel cell arrangement, for. B. a cooling medium (z. B. air or water) to cool the fuel cell with it. Here, in the space z. B. another channel structure ("cooling medium channel structure") for guiding a cooling medium such. B. be designed cooling water.

In einer Ausführungsform sind die Gasdiffusionslagen aus einem Kohlenstoff-Vlies gebildet. Alternativ kommen, je nach vorgesehenem Brennstoff und Oxidationsmittel, auch andere Materialien in Betracht.In one embodiment, the gas diffusion layers are formed from a carbon fleece. Alternatively, depending on the intended fuel and oxidizing agent, other materials can also be considered.

In einer Ausführungsform sind die Anode und Kathode ausbildenden Elektrodenschichten der Membran-Elektroden-Einheit der Brennstoffzellen mit einem Katalysator wie insbesondere z. B. einem Material enthaltend Platin oder Palladium beschichtet oder durchsetzt.In one embodiment, the anode and cathode forming electrode layers of the membrane-electrode unit of the fuel cells with a catalyst such as in particular z. B. coated or interspersed with a material containing platinum or palladium.

In einer Ausführungsform ist an einem seitlichen Randbereich (insbesondere zumindest am seitlichen Rand) der Membran-Elektroden-Einheit eine so genannte Unterdichtung vorgesehen. Die Unterdichtung stellt eine dort auf beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit angeordnete und z. B. den seitlichen Rand der Membran-Elektroden-Einheit umschließende (umgreifende) Dichtfläche bereit. Die Unterdichtung kann z. B. bereits bei der Fertigung der Membran-Elektroden-Einheit als Bestandteil derselben ausgebildet, z. B. angeformt worden sein. Alternativ können Unterdichtungen z. B. separat gefertigt werden und bei der Herstellung der Brennstoffzellenanordnung an den betreffenden Stellen eingelegt werden.In one embodiment, a so-called sub-seal is provided on a lateral edge region (in particular at least on the lateral edge) of the membrane-electrode unit. The sub-gasket is a arranged there on both sides of the membrane-electrode unit and z. B. the side edge of the membrane-electrode unit enclosing (encompassing) sealing surface ready. The subgasket can, for. B. already formed in the manufacture of the membrane-electrode unit as part of the same, z. B. have been molded. Alternatively, sub-seals can e.g. B. are manufactured separately and inserted in the manufacture of the fuel cell assembly at the relevant points.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass am seitlichen Randbereich der Brennstoffzellen die Membran-Elektroden-Einheit (oder zumindest die Elektrolytmembran der Membran-Elektroden-Einheit) in seitlicher Richtung über seitliche Ränder der benachbarten Gasdiffusionslagen herausragt.In one embodiment it is provided that the membrane-electrode unit (or at least the electrolyte membrane of the membrane-electrode unit) protrudes laterally over the side edges of the adjacent gas diffusion layers on the side edge area of the fuel cells.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kavität sich in einer Umfangsrichtung der Brennstoffzellenanordnung betrachtet ringsherum durchgehend erstreckt. Dies soll bedeuten, dass es im Bereich jeder Brennstoffzelle wenigstens einen ringförmig geschlossen innerhalb der Kavität und vollständig um den Umfang des Brennstoffzellenstapel herum verlaufenden Pfad gibt.In one embodiment of the invention it is provided that the cavity extends all around, viewed in a circumferential direction of the fuel cell arrangement. This is intended to mean that in the area of each fuel cell there is at least one annularly closed path within the cavity and running completely around the circumference of the fuel cell stack.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine in seitlicher Richtung betrachtet äußere Wandung der Kavität gebildet ist durch aneinander anliegende seitliche Ränder der Bipolar-Halbplatten.In one embodiment of the invention, it is provided that an outer wall of the cavity, viewed in the lateral direction, is formed by lateral edges of the bipolar half-plates resting against one another.

Diese Ausführungsform betreffend die Bildung einer äußeren Wandung der Kavität ist im Bereich eines Überganges zwischen einander benachbarten Brennstoffzellen insofern unproblematisch, als sich in diesem Bereich zwei Bipolar-Halbplatten gegenüberstehen, die im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung auf gleichem elektrischen Potential liegen.This embodiment relating to the formation of an outer wall of the cavity is unproblematic in the area of a transition between adjacent fuel cells insofar as two bipolar half-plates face each other in this area, which are at the same electrical potential when the fuel cell arrangement is in operation.

Falls diese Ausführungsform jedoch zur Bildung einer äußeren Wandung der Kavität im Bereich einer Brennstoffzelle eingesetzt wird, so liegen die beiden sich gegenüberstehenden Bipolar-Halbplatten im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung auf verschiedenen elektrischen Potentialen. In diesem Fall kann zumindest in einem Anlagebereich (Kontaktfläche zwischen den Bipolar-Halbplatten) eine elektrische Isolierung vorgesehen sein, die z. B. durch eine elektrisch isolierende Beschichtung an wenigstens einer der beiden Bipolar-Halbplatten bewerkstelligt sein kann (oder z. B. durch eine dort eingelegte Isolationslage).However, if this embodiment is used to form an outer wall of the cavity in the area of a fuel cell, the two opposing bipolar half-plates are at different electrical potentials when the fuel cell arrangement is in operation. In this case, electrical insulation can be provided at least in one contact area (contact surface between the bipolar half-plates), which z. B. can be accomplished by an electrically insulating coating on at least one of the two bipolar half-plates (or z. B. by an insulation layer inserted there).

In einer abgewandelten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine in seitlicher Richtung betrachtet äußere Wandung der Kavität gebildet ist durch nahe aneinander heranragende seitliche Ränder der Bipolar-Halbplatten (z. B. mit einer Spaltbreite von kleiner als 0,1 mm).In a modified embodiment, it is provided that an outer wall of the cavity, viewed in the lateral direction, is formed by lateral edges of the bipolar half-plates projecting close to one another (e.g. with a gap width of less than 0.1 mm).

Diese abgewandelte Ausführungsform kann zur Bildung einer äußeren Wandung der Kavität sowohl im Bereich einer Brennstoffzelle als auch im Bereich eines Überganges zwischen einander benachbarten Brennstoffzellen eingesetzt werden. Bei einem Befüllen der Kavität kann (elektrisch isolierendes) Dichtungsmaterial in einen im betreffenden Bereich zwischen den seitlichen Rändern der Bipolar-Halbplatten befindlichen Spalt eindringen.This modified embodiment can be used to form an outer wall of the cavity both in the area of a fuel cell and in the area of a transition between adjacent fuel cells. When the cavity is filled, (electrically insulating) sealing material penetrate into a gap located in the relevant area between the lateral edges of the bipolar half-plates.

In einer Weiterbildung der vorstehenden Ausführungsformen betreffend die Bildung einer äußeren Wandung der Kavität im Bereich einer Brennstoffzelle ist vorgesehen, dass bei jeder Brennstoffzelle der seitliche Rand der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte und/oder der seitliche Rand der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte einen in Stapelrichtung (und zur jeweils anderen Bipolar-Halbplatte hin) abstehenden Vorsprung aufweist.In a further development of the above embodiments relating to the formation of an outer wall of the cavity in the area of a fuel cell, it is provided that in each fuel cell the side edge of the anode-side bipolar half-plate and / or the side edge of the cathode-side bipolar half-plate is one in the stacking direction (and to the each other bipolar half-plate towards) has protruding projection.

Es liegt dann ein am seitlichen Rand einer der beiden Bipolar-Halbplatten ausgebildeter Vorsprung an dem ohne Vorsprung ausgebildeten seitlichen Rand der anderen Bipolarplatte an (oder ragt nahe an diesen heran), oder es liegt der Vorsprung am seitlichen Rand einer der beiden Bipolar-Halbplatten an einem am seitlichen Rand der anderen Bipolarplatte ausgebildeten Vorsprung an (oder ragt nahe an diesen heran).A projection formed on the lateral edge of one of the two bipolar half-plates then rests against the lateral edge of the other bipolar plate formed without a projection (or protrudes close to it), or the projection rests on the lateral edge of one of the two bipolar half-plates a projection formed on the lateral edge of the other bipolar plate (or protrudes close to it).

Damit kann ein ansonsten innerhalb jeder Brennstoffzelle zwischen den seitlichen Rändern der beiden Bipolar-Halbplatten in Stapelrichtung betrachtet bestehender Abstand überbrückt werden und hierbei die seitlich nach außen hin begrenzende Wandung der Kavität gebildet werden. In einer spezielleren Ausführungsform weist sowohl der seitliche Rand der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte als auch der seitliche Rand der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte einen solchen Vorsprung auf, wobei diese Vorsprünge in Stapelrichtung betrachtet z. B. wenigstens annähernd gleich hoch bemessen sein können (und somit in Stapelrichtung betrachtet jeweils etwa in der Mitte der Brennstoffzelle enden).In this way, a distance that otherwise exists within each fuel cell between the lateral edges of the two bipolar half-plates viewed in the stacking direction can be bridged and the cavity wall that laterally delimits outward can be formed. In a more specific embodiment, both the side edge of the anode-side bipolar half-plate and the side edge of the cathode-side bipolar half-plate have such a projection, these projections viewed in the stacking direction z. B. can be dimensioned at least approximately the same height (and thus, viewed in the stacking direction, each end approximately in the middle of the fuel cell).

Diese Weiterbildung betreffend die Bildung einer äußeren Wandung der Kavität im Bereich einer Brennstoffzelle lässt sich in analoger Weise auch für den Bereich eines Überganges zwischen einander benachbarten Brennstoffzellen einsetzen, d.h. auch in diesem Bereich kann vorgesehen sein, dass der seitliche Rand der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte (einer Brennstoffzelle) und/oder der seitliche Rand der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte (einer benachbarten Brennstoffzelle) einen in Stapelrichtung und zur jeweils anderen Bipolar-Halbplatte hin abstehenden Vorsprung aufweist.This further development relating to the formation of an outer wall of the cavity in the area of a fuel cell can also be used in an analogous manner for the area of a transition between adjacent fuel cells, i.e. in this area it can also be provided that the lateral edge of the anode-side bipolar half-plate ( a fuel cell) and / or the lateral edge of the cathode-side bipolar half-plate (of an adjacent fuel cell) has a projection protruding in the stacking direction and towards the respective other bipolar half-plate.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine in seitlicher Richtung betrachtet innere Wandung der Kavität im Bereich jeder Brennstoffzelle gebildet ist durch Zwischenbereiche der Bipolar-Halbplatten, die jeweils an einer der beiden Seiten (anodenseitig bzw. kathodenseitig) eines seitlichen Randbereiches (insbesondere z. B. deren seitlichen Randes) der Membran-Elektroden-Einheit anliegen. Insbesondere können die Zwischenbereiche der Bipolar-Halbplatten z. B. jeweils an einer der beiden Seiten einer Unterdichtung anliegen (und diese ggf. etwas komprimieren), die am seitlichen Randbereich bzw. Rand der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet ist, z. B. einstückig ausgebildet deren seitlichen Rand umgreift, oder z. B. aus zwei Teilen besteht, die jeweils auf einer der beiden Seiten des seitlichen Randbereiches bzw. Randes angeordnet sind.In one embodiment of the invention it is provided that an inner wall of the cavity, viewed in the lateral direction, is formed in the area of each fuel cell by intermediate areas of the bipolar half-plates, which are each on one of the two sides (anode side or cathode side) of a side edge area (in particular e.g. B. the side edge) of the membrane-electrode assembly. In particular, the intermediate areas of the bipolar half-plates z. B. each rest on one of the two sides of a sub-gasket (and possibly compress it a little), which is arranged on the lateral edge area or edge of the membrane-electrode unit, z. B. integrally formed engages around the side edge, or z. B. consists of two parts, which are each arranged on one of the two sides of the lateral edge region or edge.

Unter „Zwischenbereich“ einer Bipolar-Halbplatte ist ein Bereich zu verstehen, der (in seitlicher Richtung betrachtet) zwischen dem seitlichen Rand und einem mittleren Bereich der betreffenden Bipolar-Halbplatte liegt.The “intermediate area” of a bipolar half-plate is to be understood as an area which (viewed in the lateral direction) lies between the lateral edge and a central area of the relevant bipolar half-plate.

In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei der Brennstoffzelle der Zwischenbereich der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte und/oder der Zwischenbereich der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte einen in Stapelrichtung (und zur jeweils anderen Bipolar-Halbplatte hin) abstehenden Vorsprung aufweist.In a further development of this embodiment it is provided that in the fuel cell the intermediate area of the anode-side bipolar half-plate and / or the intermediate area of the cathode-side bipolar half-plate has a protrusion protruding in the stacking direction (and towards the respective other bipolar half-plate).

Damit können innerhalb jeder Brennstoffzelle in Stapelrichtung betrachtet ansonsten vorhandene Abstände zwischen einerseits den beiden Bipolar-Halbplatten und andererseits den beiden Seiten (anodenseitig bzw. kathodenseitig) des seitlichen Randes der Membran-Elektroden-Einheit überbrückt werden. Der oder die Vorsprünge können somit z. B. zusammen mit dem seitlichen Rand der Membran-Elektroden-Einheit die seitlich nach innen hin begrenzende Wandung der Kavität bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist sowohl der Zwischenbereich der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte als auch der Zwischenbereich der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte einen solchen Vorsprung auf, wobei diese Vorsprünge in Stapelrichtung betrachtet bevorzugt wenigstens annähernd gleich hoch bemessen sind. Das „nahe aneinander Heranragen“ der Bipolar-Halbplatten erfolgt dann bis auf einen gegenseitigen Abstand, welcher der in Stapelrichtung gemessenen Dicke der Membran-Elektroden-Einheit an der Stelle entspricht, an der die Enden der Vorsprünge daran anliegen.In this way, otherwise existing gaps between the two bipolar half-plates on the one hand and the two sides (on the anode side and cathode side) of the lateral edge of the membrane-electrode unit can be bridged within each fuel cell, viewed in the stacking direction. The or the projections can thus, for. B. together with the lateral edge of the membrane-electrode unit form the wall of the cavity that delimits the side inwardly. In a preferred embodiment, both the intermediate area of the anode-side bipolar half-plate and the intermediate area of the cathode-side bipolar half-plate have such a projection, these projections, viewed in the stacking direction, preferably being at least approximately the same size. The “close to one another” of the bipolar half-plates then takes place except for a mutual distance which corresponds to the thickness of the membrane-electrode unit measured in the stacking direction at the point at which the ends of the projections rest on it.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine in seitlicher Richtung betrachtet innere Wandung der Kavität im Bereich eines Überganges zwischen (in Stapelrichtung betrachtet) einander benachbarten Brennstoffzellen gebildet ist durch Zwischenbereiche der Bipolar-Halbplatten, die aneinander anliegen oder zumindest nahe aneinander heranragen.In one embodiment of the invention it is provided that an inner wall of the cavity, viewed in the lateral direction, is formed in the region of a transition between (viewed in the stacking direction) adjacent fuel cells by intermediate regions of the bipolar half-plates that rest against one another or at least protrude close to one another.

Wie bereits erwähnt können an den Übergängen zwischen in Stapelrichtung einander benachbarten Brennstoffzellen die dort befindlichen Bipolar-Halbplatten (bzw. zumindest deren mittlere Bereiche) in Stapelrichtung betrachtet voneinander beabstandet sein, insbesondere um im Bereich dieser Übergänge zwischen den Brennstoffzellen ein Kühlmedium zu führen.As already mentioned, the bipolar half-plates located there (or at least their middle areas) can be used at the transitions between fuel cells that are adjacent to one another in the stacking direction. be spaced apart from one another when viewed in the stacking direction, in particular in order to guide a cooling medium in the area of these transitions between the fuel cells.

Insbesondere in diesem Fall kann vorgesehen sein, dass in jedem dieser Übergangsbereiche der Zwischenbereich wenigstens einer der beiden Bipolar-Halbplatten einen in Stapelrichtung und zur jeweils anderen Bipolar-Halbplatte hin abstehenden Vorsprung aufweist, um den Abstand zu überbrücken und die innere Wandung der Kavität auszubilden.In this case, in particular, it can be provided that in each of these transition areas the intermediate area of at least one of the two bipolar half-plates has a protrusion protruding in the stacking direction and towards the other bipolar half-plate in order to bridge the gap and form the inner wall of the cavity.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die durch das in der Kavität befindliche Dichtungsmaterial realisierte Dichtung aus einem elastischen Kunststoffmaterial gebildet, das bei der Herstellung der Brennstoffzellenanordnung in einem fließfähigen, also z. B. flüssigen bis zähflüssigen Zustand in die Kavität gefüllt und nachfolgend ausgehärtet wurde (in einen bevorzugt dauerelastischen Zustand).In one embodiment of the invention, the seal realized by the sealing material located in the cavity is formed from an elastic plastic material which, during the manufacture of the fuel cell assembly, is in a flowable, ie z. B. liquid to viscous state was filled into the cavity and then cured (in a preferably permanently elastic state).

In einer Ausführungsform ist das Dichtungsmaterial ein Polymermaterial wie z. B. ein Silikonmaterial. Auch kann z. B. ein Kautschukmaterial (z. B. FKM) oder z. B. ein Epoxidmaterial wie z. B. Propylenoxid (PO) als Dichtungsmaterial zum Einsatz kommen. Nach einem Befüllen der Kavität mit fließfähigem Dichtungsmaterial kann dieses z. B. thermisch und/oder (z. B. als Mehrkomponentenmaterial ausgebildet) chemisch bis auf einen gewünschten Härtegrad ausgehärtet, z. B. vernetzt werden.In one embodiment the sealing material is a polymer material such as e.g. B. a silicone material. Also z. B. a rubber material (z. B. FKM) or z. B. an epoxy material such. B. Propylene oxide (PO) can be used as a sealing material. After filling the cavity with flowable sealing material this can, for. B. thermally and / or (z. B. formed as a multi-component material) chemically cured to a desired degree of hardness, z. B. be networked.

In einer Ausführungsform weist die Brennstoffzellenanordnung ferner ein die gestapelten Brennstoffzellen mitsamt der im seitlichen Randbereich ausgebildeten Dichtung wenigstens teilweise umgebendes Gehäuse auf. Das Gehäuse kann z. B. eine Rahmenstruktur darstellen oder aufweisen, mittels welcher die gestapelte Anordnung der Brennstoffzellen fixiert und ggf. verspannt (z. B. in Stapelrichtung druckbelastet) wird. Das Gehäuse kann z. B. aus mehreren Gehäuseteilen zusammengesetzt sein, die bei der Herstellung (Montage) der Brennstoffzellenanordnung zueinander positioniert und miteinander verbunden wurden.In one embodiment, the fuel cell arrangement furthermore has a housing which at least partially surrounds the stacked fuel cells together with the seal formed in the lateral edge region. The housing can e.g. B. represent or have a frame structure by means of which the stacked arrangement of the fuel cells is fixed and, if necessary, braced (for example, pressure-loaded in the stacking direction). The housing can e.g. B. be composed of several housing parts that were positioned and connected to one another during the manufacture (assembly) of the fuel cell assembly.

Gemäß eines weiteren Aspekts betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung, welches aufweist:

  • - Bilden einer Brennstoffzellenanordnung durch stapelndes Anordnen von Brennstoffzellen in einer Stapelrichtung, die jeweils plattenförmig ausgebildet sind und sich orthogonal zur Stapelrichtung betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung erstrecken, wobei die Brennstoffzellen jeweils in der Stapelrichtung gestapelt aufweisen: eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer Brennstoff-Kanalstruktur zur Führung eines Brennstoffes; eine anodenseitige Gasdiffusionslage; eine Membran-Elektroden-Einheit, aufweisend eine Elektrolytmembran und in Stapelrichtung beiderseits davon angeordnete Elektrodenschichten, die eine Anode und eine Kathode für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel ausbilden; eine kathodenseitige Gasdiffusionslage; und eine kathodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer Oxidationsmittel-Kanalstruktur zur Führung des Oxidationsmittels,
According to a further aspect, the invention relates to a method for producing a fuel cell arrangement, which has:
  • Forming a fuel cell arrangement by stacking fuel cells in a stacking direction, each of which is plate-shaped and, viewed orthogonally to the stacking direction, extends in a first transverse direction and a second transverse direction orthogonal thereto, the fuel cells each having, stacked in the stacking direction: an anode-side bipolar -Half-plate with a fuel channel structure for guiding a fuel; an anode-side gas diffusion layer; a membrane-electrode unit, comprising an electrolyte membrane and electrode layers arranged on both sides thereof in the stacking direction, which form an anode and a cathode for an electrochemical reaction of the fuel with an oxidizing agent; a cathode-side gas diffusion layer; and a cathode-side bipolar half-plate with an oxidizing agent channel structure for guiding the oxidizing agent,

Gemäß der Erfindung ist bei diesem Herstellungsverfahren vorgesehen, dass die Bipolar-Halbplatten an einem seitlichen Randbereich derart formgestaltet sind, dass die Bipolar-Halbplatten bei dem stapelnden Anordnen an diesem seitlichen Randbereich stellenweise derart aneinander zur Anlage kommen oder zumindest einander so nahe kommen, dass an einem entsprechenden seitlichen Randbereich der Brennstoffzellenanordnung eine in Stapelrichtung durchgehend sich erstreckende Kavität ausgebildet wird, und dass das Verfahren ferner ein Füllen der Kavität mit einem Dichtungsmaterial aufweist.According to the invention, it is provided in this manufacturing method that the bipolar half-plates are shaped on a lateral edge area in such a way that the bipolar half-plates come to rest against one another or at least come so close to one another when they are stacked at this lateral edge area A cavity extending continuously in the stacking direction is formed in a corresponding lateral edge region of the fuel cell arrangement, and that the method further comprises filling the cavity with a sealing material.

Das „eineinander nahekommen“ der Bipolar-Halbplatten realisiert an den betreffenden Stellen eine Begrenzung der Kavität, so dass an diesen Stellen während des Befüllens das Dichtungsmaterial nicht austritt. Abhängig z. B. von der Viskosität des Dichtungsmaterials bei der Befüllung kann dies in der Praxis z. B. implizieren, dass die Bipolar-Halbplatten an diesen Stellen sich einander näher als 0,1 mm, insbesondere näher als 0,05 mm, kommen. Wie bereits erwähnt, für den Fall, dass an einer betreffenden Stelle zusätzlich auch ein Abschnitt der Membran-Elektroden-Einheit (oder einer sonstigen Lage wie Dichtungs- und/oder elektrische Isolationslage) als Begrenzung der Kavität fungiert, so kann das „eineinander nahe kommen“ auch bis auf einen gegenseitigen Abstand bedeuten, welcher der in Stapelrichtung gemessenen Dicke der betreffenden Lage (z. B. Membran-Elektroden-Einheit) entspricht, an der die Bipolar-Halbplatten (bzw. z. B. Enden von daran vorgesehenen Vorsprüngen) daran zur Anlage kommen.The “coming close to each other” of the bipolar half-plates creates a delimitation of the cavity at the relevant points, so that the sealing material does not escape at these points during filling. Depending on e.g. B. on the viscosity of the sealing material during filling, this can in practice, for. B. imply that the bipolar half-plates come closer to each other than 0.1 mm, in particular closer than 0.05 mm, at these points. As already mentioned, in the event that a section of the membrane-electrode unit (or some other layer such as sealing and / or electrical insulation layer) also acts as a delimitation of the cavity at a relevant point, this can “come close to one another "Also means apart from a mutual distance which corresponds to the thickness of the relevant layer (e.g. membrane-electrode unit) measured in the stacking direction, on which the bipolar half-plates (or e.g. ends of projections provided thereon) come to the plant.

Die für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung beschriebenen Ausführungsformen und besonderen Ausgestaltungen können, einzeln oder in beliebiger Kombination, in analoger Weise auch als Ausführungsformen bzw. besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens vorgesehen sein, und umgekehrt.The embodiments and special configurations described for the fuel cell arrangement according to the invention can also be provided, individually or in any combination, in an analogous manner as embodiments or special configurations of the production method according to the invention, and vice versa.

In einer Ausführungsform umfasst das Herstellungsverfahren nach der Befüllung mit dem Dichtungsmaterial die Durchführung einer Temperierung der Brennstoffzellenanordnung (zur thermisch induzierten bzw. beschleunigten Aushärtung des Dichtungsmaterials). Bei einer Temperierung kann z. B. eine Temperatur von mehr als 50°C, insbesondere mehr als 100°C vorgesehen sein.In one embodiment, the production method comprises, after filling with the sealing material, the implementation of temperature control of the fuel cell arrangement (for the thermally induced or accelerated curing of the sealing material). With a temperature control z. B. a temperature of more than 50 ° C., in particular more than 100 ° C., can be provided.

In einer Ausführungsform umfasst das Herstellungsverfahren nach einer Aushärtung des Dichtungsmaterials ein mechanisches Verspannen der Brennstoffzellenanordnung bzw. zumindest deren seitlichen Randbereiches.In one embodiment, the production method comprises, after the sealing material has hardened, mechanical bracing of the fuel cell arrangement or at least its lateral edge region.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen jeweils schematisch dar:

  • 1 eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle gemäß eines Ausführungsbeispiels nach dem Stand der Technik,
  • 2 eine Schnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung aus gestapelt angeordneten Brennstoffzellen gemäß eines Ausführungsbeispiels, in einem ersten Stadium der Herstellung,
  • 3 eine Schnittansicht der Brennstoffzellenanordnung von 2 in einem darauffolgenden zweiten Stadium der Herstellung,
  • 4 eine Schnittansicht der Brennstoffzellenanordnung von 3 in einem darauffolgenden dritten Stadium der Herstellung, und
  • 5 eine Schnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, in einer der 4 entsprechenden Darstellung.
The invention is further described below on the basis of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. They each show schematically:
  • 1 a sectional view of a fuel cell according to an exemplary embodiment according to the prior art,
  • 2 a sectional view of a fuel cell arrangement made of stacked fuel cells according to an exemplary embodiment, in a first stage of manufacture,
  • 3 FIG. 3 is a sectional view of the fuel cell assembly of FIG 2 in a subsequent second stage of manufacture,
  • 4th FIG. 3 is a sectional view of the fuel cell assembly of FIG 3 in a subsequent third stage of manufacture, and
  • 5 a sectional view of a fuel cell arrangement according to a further embodiment, in one of the 4th corresponding representation.

1 zeigt eine Brennstoffzelle 20 mit einem herkömmlichen Aufbau, mittels welcher die chemischen Reaktionsenergie eines zugeführten Brennstoffes (z. B. Wasserstoff) und eines zugeführten Oxidationsmittels (z. B. Luft) in elektrische Energie gewandelt werden kann. 1 shows a fuel cell 20th with a conventional structure, by means of which the chemical reaction energy of a supplied fuel (e.g. hydrogen) and a supplied oxidizing agent (e.g. air) can be converted into electrical energy.

Die Brennstoffzelle 20 ist plattenförmig formgestaltet und erstreckt sich in einer Plattenebene dieser Formgestaltung in einer ersten Querrichtung x und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung y (z. B. mit rechteckiger Kontur).The fuel cell 20th is plate-shaped and extends in a plate plane of this shape in a first transverse direction x and a second transverse direction y orthogonal thereto (e.g. with a rectangular contour).

Die Richtung orthogonal zu der von den Querrichtungen x, y aufgespannten Plattenebene wird als Stapelrichtung z bezeichnet, da in der Praxis zumeist aus einer Vielzahl derartiger in Stapelrichtung z gestapelt angeordneter Brennstoffzellen 20 eine Brennstoffzellenanordnung („Brennstoffzellenstapel“) gebildet wird.The direction orthogonal to the plate plane spanned by the transverse directions x, y is referred to as the stacking direction z, since in practice it is mostly made up of a large number of such fuel cells stacked in the stacking direction z 20th a fuel cell assembly (“fuel cell stack”) is formed.

Die Brennstoffzelle 20 ist jeweils aus einer Mehrzahl von plattenförmig formgestalteten und in Stapelrichtung z gestapelt angeordneten Komponenten zusammengesetzt.The fuel cell 20th is composed in each case of a plurality of plate-shaped shaped and stacked components arranged in the stacking direction z.

Es handelt sich dabei zunächst um eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte 22, an deren Innenseite (d.h. der dem Inneren der Brennstoffzelle 20 zugewandten Seite) eine Kanalstruktur 24 zur Führung des Brennstoffes ausgebildet ist, die nachfolgend auch als Brennstoff-Kanalstruktur 24 bezeichnet wird.It is initially a bipolar half-plate on the anode side 22nd , on the inside (ie the inside of the fuel cell 20th facing side) a channel structure 24 is designed to guide the fuel, which is hereinafter also referred to as a fuel channel structure 24 referred to as.

Über die aus elektrisch leitfähigem Material (z. B. Metall) hergestellte Bipolar-Halbplatte 22 wird im Betrieb der Brennstoffzelle 20 erzeugter elektrischer Strom abgeführt.Via the bipolar half-plate made of electrically conductive material (e.g. metal) 22nd is in operation of the fuel cell 20th generated electric current dissipated.

An der Innenseite der Bipolar-Halbplatte 22 und somit an der Brennstoff-Kanalstruktur 24 angrenzend ist eine elektrisch leitfähige und für den Brennstoff durchlässige Gasdiffusionslage 26 (z. B. Kohlenstoff-Vlies) vorgesehen, über welche der Brennstoff im Betrieb der Brennstoffzelle 20 zu einer in Stapelrichtung z daran angrenzenden Membran-Elektroden-Einheit 28 gelangt.On the inside of the bipolar half-plate 22nd and thus on the fuel channel structure 24 adjacent is an electrically conductive gas diffusion layer permeable to the fuel 26th (z. B. carbon fleece) provided over which the fuel in operation of the fuel cell 20th to a membrane-electrode unit adjoining it in the stacking direction z 28 got.

Die Membran-Elektroden-Einheit 28 umfasst eine elektrisch nicht leitfähige (im Falle von Wasserstoff als Brennstoff protonenleitende) Elektrolytmembran 30 und in Stapelrichtung z betrachtet beiderseits davon angeordnete elektrisch leitfähige und mit einem Katalysator 35 (z. B. Platin oder Palladium) durchsetzte Elektrodenschichten 32 und 34 (z. B. aus Metall). Die Elektrodenschicht 32 bildet hierbei die Anode und die Elektrodenschicht 34 die Kathode für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel.The membrane-electrode unit 28 comprises an electrically non-conductive (in the case of hydrogen as fuel, proton-conductive) electrolyte membrane 30th and viewed in the stacking direction z on both sides thereof arranged electrically conductive and with a catalyst 35 (e.g. platinum or palladium) interspersed with electrode layers 32 and 34 (e.g. made of metal). The electrode layer 32 forms the anode and the electrode layer 34 the cathode for an electrochemical reaction of the fuel with the oxidizing agent.

Im Betrieb der Brennstoffzelle 20 wird der Brennstoff (z. B. Wasserstoff) ausgehend von der Brennstoff-Kanalstruktur 24 über die anodenseitige Gasdiffusionslage 26 an die Elektrodenschicht 32 (Anode) herangeführt, und das Oxidationsmittel (Luft) wird über eine an die Elektrodenschicht 34 (Kathode) angrenzende kathodenseitige Gasdiffusionslage 36 an die Elektrodenschicht 34 herangeführt.In operation of the fuel cell 20th the fuel (e.g. hydrogen) is based on the fuel channel structure 24 via the gas diffusion layer on the anode side 26th to the electrode layer 32 (Anode) and the oxidizing agent (air) is applied to the electrode layer via a 34 (Cathode) adjoining cathode-side gas diffusion layer 36 to the electrode layer 34 introduced.

In Stapelrichtung z an diese elektrisch leitfähige, für das Oxidationsmittel durchlässige Gasdiffusionslage 36 angrenzend ist eine elektrisch leitfähige kathodenseitige Bipolar-Halbplatte 38 vorgesehen, an deren Innenseite eine Kanalstruktur 40 zur Führung des Oxidationsmittels ausgebildet ist, nachfolgend auch als Oxidationsmittel-Kanalstruktur 40 bezeichnet.In the stacking direction z to this electrically conductive gas diffusion layer permeable to the oxidizing agent 36 adjacent is an electrically conductive cathode-side bipolar half-plate 38 provided, on the inside of which a channel structure 40 is designed to guide the oxidizing agent, hereinafter also as an oxidizing agent channel structure 40 designated.

Das Produkt der elektrochemischen Reaktion, beispielsweise Wasser, kann über den Oxidationsmittel (z. B. Luft)-führenden Brennstoffzellenbereich abgeführt werden, welcher hier z. B. die Oxidationsmittel-Kanalstruktur 40 der Bipolar-Halbplatte 38 beinhaltet. Die Bipolar-Halbplatte 38 dient im Betrieb der Brennstoffzelle 20 kathodenseitig außerdem zur Abfuhr des von der Brennstoffzelle 20 erzeugten elektrischen Stroms.The product of the electrochemical reaction, for example water, can be discharged via the oxidizing agent (e.g. air) -carrying fuel cell area, which is here e.g. B. the oxidizer channel structure 40 the bipolar half-plate 38 contains. The bipolar half-plate 38 is used when the fuel cell is in operation 20th on the cathode side as well to discharge the from the fuel cell 20th generated electric current.

In der Brennstoffzelle 20 müssen der Brennstoff-führende Bereich, d.h. Brennstoff-Kanalstruktur 24, Gasdiffusionslage 26, Elektrodenschicht 32 (Anode), und der Oxidationsmittel-führende Bereich, d.h. Oxidationsmittel-Kanalstruktur 40, Gasdiffusionslage 36, Elektrodenschicht 34 (Kathode), gegeneinander abgedichtet sein, um einen der Leistungseffizienz abträglichen Gasaustausch zwischen diesen Bereichen zu verhindern.In the fuel cell 20th must be the fuel-carrying area, ie fuel channel structure 24 , Gas diffusion layer 26th , Electrode layer 32 (Anode), and the oxidizing agent-carrying area, ie oxidizing agent channel structure 40 , Gas diffusion layer 36 , Electrode layer 34 (Cathode), must be sealed against each other in order to prevent a gas exchange between these areas that is detrimental to the power efficiency.

Zu diesem Zweck weist die Brennstoffzelle 20 an ihrem seitlichen Randbereich eine Dichtung 50 auf, die an der Bipolar-Halbplatte 22, der Bipolar-Halbplatte 38 und der Membran-Elektroden-Einheit 28 anliegt, um von der Bipolar-Halbplatte 22 zur Membran-Elektroden-Einheit 28 hin und von der Membran-Elektroden-Einheit 28 zur Bipolar-Halbplatte 38 hin abzudichten. Die Dichtung 50 schließt in seitlicher Richtung (Querrichtung y in 1) bündig mit seitlichen Rändern 23, 39 der Bipolar-Halbplatten 22, 38 ab.To this end, the fuel cell 20th a seal on its side edge area 50 on that on the bipolar half-plate 22nd , the bipolar half-plate 38 and the membrane-electrode assembly 28 abuts to from the bipolar half-plate 22nd to the membrane electrode unit 28 to and from the membrane-electrode assembly 28 to the bipolar half-plate 38 to seal off. The seal 50 closes sideways (cross direction y in 1 ) flush with the side edges 23 , 39 of the bipolar half plates 22nd , 38 away.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, bei einer Brennstoffzelle wie z. B. der in 1 dargestellten, bzw. bei einer aus derartigen Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffzellenanordnung einen neuartigen Weg aufzuzeigen, mit dem Abdichtungen zur gewünschten Führung von Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder gegebenenfalls in einem Raum zwischen zwei benachbarten Brennstoffzellen vorgesehenem Kühlmedium realisiert werden können.The present invention aims at a fuel cell such. B. the in 1 shown, or to show a new way in a fuel cell arrangement formed from such fuel cells, with which seals for the desired guidance of fuel and / or oxidizing agent and / or optionally provided cooling medium in a space between two adjacent fuel cells can be realized.

Nachfolgend werden mit Bezug auf die 2 bis 4 ein erstes Ausführungsbeispiel und mit Bezug auf die 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzellenanordnung („Brennstoffzellenstapel“) mit einer solchen neuartigen Dichtung beschrieben (zum Ersatz der in 1 gezeigten Dichtung 50).With reference to the 2 until 4th a first embodiment and with reference to FIG 5 a second exemplary embodiment of a fuel cell arrangement (“fuel cell stack”) with such a novel seal is described (to replace the one in 1 seal shown 50 ).

Bei dieser nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele (insbesondere des in 1 dargestellten Beispiels) verwiesen.In the following description of further exemplary embodiments, the same reference symbols are used for components that have the same effect. Essentially, only the differences to the exemplary embodiment (s) already described are discussed and the description of previous exemplary embodiments (in particular of the in 1 shown example).

2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzellenanordnung 10, nach Abschluss eines ersten Schrittes von deren Herstellung, in dem in einer Stapelrichtung z gestapelt eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 20 angeordnet wurde. 2 Fig. 10 illustrates an embodiment of a fuel cell assembly 10 After completing a first step of their production, in which a plurality of fuel cells are stacked in a stacking direction z 20th was ordered.

Jede der im Beispiel identisch ausgebildeten Brennstoffzellen 20 ist wie die in 1 dargestellte herkömmliche Brennstoffzelle plattenförmig ausgebildet und erstreckt sich orthogonal zur Stapelrichtung z betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung x und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung y, und weist in Stapelrichtung z gestapelt (in der angegebenen Reihenfolge) auf: eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte 22 mit einer Brennstoff-Kanalstruktur 24 zur Führung eines Brennstoffes; eine anodenseitige Gasdiffusionslage 26; eine Membran-Elektroden-Einheit 28 mit einer Elektrolytmembran 30 und in Stapelrichtung z beiderseits davon angeordneten Elektrodenschichten 32 und 34, die eine Anode 32 und eine Kathode 34 für die elektrochemische Reaktion darstellen; eine kathodenseitige Gasdiffusionslage 36; und eine kathodenseitige Bipolar-Halbplatte 38 mit einer Oxidationsmittel-Kanalstruktur 40 zur Führung des Oxidationsmittels.Each of the fuel cells, which are identically designed in the example 20th is like the one in 1 The conventional fuel cell shown is plate-shaped and, viewed orthogonally to the stacking direction z, extends in a first transverse direction x and a second transverse direction y orthogonal thereto, and has, stacked in the stacking direction z (in the order specified): an anode-side bipolar half-plate 22nd with a fuel channel structure 24 for guiding a fuel; an anode-side gas diffusion layer 26th ; a membrane-electrode unit 28 with an electrolyte membrane 30th and electrode layers arranged on both sides thereof in the stacking direction z 32 and 34 who have favourited an anode 32 and a cathode 34 represent for the electrochemical reaction; a cathode-side gas diffusion layer 36 ; and a cathode-side bipolar half-plate 38 with an oxidizer channel structure 40 to guide the oxidizing agent.

Um im Betrieb der einzelnen Brennstoffzellen 20 der Brennstoffzellenanordnung 10 die Brennstoff-Kanalstrukturen 24 mit dem Brennstoff zu versorgen bzw. zu durchströmen, weist die Brennstoffzellenanordnung 10 wenigstens einen Brennstoffeinlass und wenigstens einen Brennstoffauslass auf (in den Figuren nicht dargestellt), welche jeweils über in der x-y-Ebene deckungsgleich angeordnete Durchbrüche (Durchgangsöffnungen) in den einzelnen Brennstoffzellen 20 mit den einzelnen Brennstoff-Kanalstrukturen 24 verbunden sind. In dieser Weise kann für die Brennstoffzellenanordnung 10 wenigstens ein in Stapelrichtung z durch die Brennstoffzellenanordnung 10 verlaufender Brennstoffzufuhrkanal sowie wenigstens ein in Stapelrichtung z durch die Brennstoffzellenanordnung 10 verlaufender Brennstoffabfuhrkanal durch jeweils in der x-y-Ebene deckungsgleich angeordnete Einlass-Durchgangsöffnungen und Auslass-Durchgangsöffnungen ausgebildet werden.In order to operate the individual fuel cells 20th the fuel cell assembly 10 the fuel channel structures 24 The fuel cell arrangement has to supply or flow through the fuel 10 at least one fuel inlet and at least one fuel outlet (not shown in the figures), each of which via openings (through openings) in the individual fuel cells which are arranged congruently in the xy plane 20th with the individual fuel channel structures 24 are connected. In this way, for the fuel cell assembly 10 at least one in the stacking direction z through the fuel cell arrangement 10 running fuel supply channel and at least one in the stacking direction z through the fuel cell arrangement 10 running fuel discharge channel can be formed by inlet passage openings and outlet passage openings which are each arranged congruently in the xy plane.

In analoger Weise, um die Oxidationsmittel-Kanalstrukturen 40 mit dem Oxidationsmittel zu versorgen, weist die Brennstoffzellenanordnung 10 wenigstens einen Oxidationsmitteleinlass und wenigstens einen Oxidationsmittelauslass auf, welche jeweils über in der x-y-Ebene deckungsgleich angeordnete Durchbrüche in den Brennstoffzellen 20 mit den einzelnen Oxidationsmittel-Kanalstrukturen 40 verbunden sind. So kann wenigstens ein in Stapelrichtung z durch die Brennstoffzellenanordnung 10 verlaufender Oxidationsmittelzufuhrkanal sowie wenigstens ein in Stapelrichtung z durch die Brennstoffzellenanordnung 10 verlaufender Oxidationsmittelabfuhrkanal durch jeweils in der x-y-Ebene deckungsgleich angeordnete Einlass- und Auslass-Durchgangsöffnungen ausgebildet werden (in den Figuren nicht dargestellt).In an analogous manner to the oxidizer channel structures 40 to be supplied with the oxidizing agent, the fuel cell arrangement 10 at least one oxidizing agent inlet and at least one oxidizing agent outlet, each of which via openings in the fuel cells which are arranged congruently in the xy plane 20th with the individual oxidizing agent channel structures 40 are connected. Thus, at least one can in the stacking direction z through the fuel cell arrangement 10 running oxidizing agent supply channel and at least one in the stacking direction z through the fuel cell arrangement 10 running oxidizing agent discharge channel are formed by inlet and outlet passage openings which are arranged congruently in each case in the xy plane (not shown in the figures).

Im Unterschied zu der in 1 dargestellten herkömmlichen Brennstoffzelle bzw. einem damit gebildeten Brennstoffzellenstapel ist im Ausführungsbeispiel der Brennstoffzellenanordnung 10 gemäß 2 eine andersartige Abdichtung des Brennstoff-führenden Bereiches und des Oxidationsmittel-führenden Bereiches vorgesehen.In contrast to the in 1 illustrated conventional fuel cell or a The fuel cell stack thus formed is, in the exemplary embodiment, the fuel cell arrangement 10 according to 2 a different type of sealing of the fuel-conducting area and the oxidizing agent-conducting area is provided.

Wesentlich ist hierbei zunächst, dass die Bipolar-Halbplatten 22, 38 an einem seitlichen Randbereich (in 2 links dargestellt) derart formgestaltet sind, dass die Bipolar-Halbplatten 22, 38 durch das stapelnde Anordnen an diesem seitlichen Randbereich stellenweise derart aneinander zur Anlage kommen oder sich zumindest nahe kommen, dass an einem entsprechenden seitlichen Randbereich der Brennstoffzellenanordnung 10 eine in Stapelrichtung z durchgehend sich erstreckende Kavität 49 ausgebildet wird.It is essential that the bipolar half-plates 22nd , 38 on a side edge area (in 2 shown on the left) are designed in such a way that the bipolar half-plates 22nd , 38 due to the stacking arrangement on this lateral edge area come into contact with one another in places or at least come close to one another in such a way that on a corresponding lateral edge area of the fuel cell arrangement 10 a cavity extending continuously in the stacking direction z 49 is trained.

In Bereichen der einzelnen Brennstoffzellen 20 erstreckt sich die Kavität 49 jeweils ohne Unterbrechungen ringförmig geschlossen in Umfangsrichtung ringsherum um die jeweilige Brennstoffzelle 20 (In der Schnittansicht von 2 ist die Kavität 49 in diesen Bereichen relativ breit). In diesen Bereichen ist die Kavität 49 durch eine ringförmig geschlossen verlaufende „äußere Wandung“ und eine ringförmig geschlossen verlaufende „innere Wandung“ nach seitlich außen bzw. seitlich innen begrenzt, wobei diese Wandungen durch eine spezielle Formgestaltung der Bipolar-Halbplatten (in Stapelrichtung z abstehende Vorsprünge) ausgebildet sind, was nachfolgend noch detaillierter erläutert wird.In areas of the individual fuel cells 20th extends the cavity 49 each closed in a ring-shaped manner without interruptions in the circumferential direction around the respective fuel cell 20th (In the sectional view of 2 is the cavity 49 relatively wide in these areas). The cavity is in these areas 49 delimited laterally outside or laterally inward by an "outer wall" running in a closed ring shape and an "inner wall" running in a closed ring shape, these walls being formed by a special shape of the bipolar half-plates (protrusions protruding in the stacking direction z), as follows will be explained in more detail.

In den Bereichen der Übergänge zwischen einander benachbarten Brennstoffzellen 20, d.h. im Bereich der beiden dort einander benachbarten Bipolar-Halbplatten, erstreckt sich die Kavität 49 jedoch insofern jeweils nicht durchgehend sondern mit Unterbrechungen ringförmig geschlossen in Umfangsrichtung ringsherum, als in diesen Bereichen die Kavität 49 gebildet ist durch eine oder mehrere (z. B. gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete) in Stapelrichtung z (in 2 die Vertikalrichtung) durch die beiden Bipolar-Halbplatten hindurchgehende Öffnungen. Die Schnittebene der Schnittansicht von 2 verläuft im Bereich einer solchen Öffnung. Diese Öffnungen bilden im dargestellten Beispiel gewissermaßen „Steigleitungsabschnitte“ der Kavität 49 während deren Befüllung mit dem Dichtungsmaterial 50.In the areas of the transitions between adjacent fuel cells 20th , ie in the area of the two bipolar half-plates adjacent to one another there, the cavity extends 49 however, in each case not continuously but closed in a ring with interruptions in the circumferential direction all around, as the cavity in these areas 49 is formed by one or more (e.g. arranged evenly distributed over the circumference) in the stacking direction z (in 2 the vertical direction) through the two bipolar half-plates through openings. The section plane of the section view of 2 runs in the area of such an opening. In the example shown, these openings form, so to speak, “riser sections” of the cavity 49 during their filling with the sealing material 50 .

Die 3 und 4 veranschaulichen den weiteren Verlauf des Herstellungsverfahrens der Brennstoffzellenanordnung 10 und zeigen in einer der 2 entsprechenden Darstellung weitere Stadien dieses Herstellungsverfahrens, in denen die Kavität 49 nach und nach mit einem zunächst noch flüssigen Dichtungsmaterial 50 gefüllt wird.the 3 and 4th illustrate the further course of the manufacturing process for the fuel cell arrangement 10 and show in one of the 2 corresponding illustration of further stages of this manufacturing process in which the cavity 49 gradually with an initially still liquid sealing material 50 is filled.

Im dargestellten Beispiel gemäß der 2 bis 4 erfolgt die Befüllung mit dem Dichtungsmaterial 50 von unten nach oben, d.h. das Dichtungsmaterial 50 wird an einem (in den Figuren nicht dargestellten) unteren Ende des Brennstoffzellenstapels („untere Endplatte“) über eine oder mehrere dort befindliche Öffnungen der Kavität 49 zugeführt. Insbesondere eine solche untere Endplatte (und/oder obere Endplatte) kann z. B. mit nur einer in Stapelrichtung z verlaufenden Öffnung versehen sein, oder z. B. mit weniger in Stapelrichtung z verlaufenden Öffnungen als die Bipolar-Halbplatten 22, 38 im Innern des Stapels. Im Inneren des Stapels besitzen die Bipolar-Halbplatten 22, 38 bevorzugt eine Mehrzahl solcher Öffnungen.In the example shown according to the 2 until 4th the filling takes place with the sealing material 50 from the bottom up, ie the sealing material 50 is at a lower end (not shown in the figures) of the fuel cell stack (“lower end plate”) via one or more openings in the cavity located there 49 fed. In particular, such a lower end plate (and / or upper end plate) can, for. B. be provided with only one opening extending in the stacking direction z, or z. B. with fewer openings extending in the stacking direction z than the bipolar half-plates 22nd , 38 inside the stack. Inside the stack, the bipolar half-plates have 22nd , 38 preferably a plurality of such openings.

3 zeigt ein zweites Stadium, in welchem das Dichtungsmaterial 50 in der Kavität 49 den Bereich der in den Figuren gekennzeichneten Brennstoffzelle 20 erreicht hat, und 4 zeigt ein nachfolgendes drittes Stadium, in welchem das Dichtungsmaterial 50 den im Bereich dieser Brennstoffzelle 20 liegenden Abschnitt der Kavität 49 bereits vollständig ausfüllt. 3 shows a second stage in which the sealing material 50 in the cavity 49 the area of the fuel cell identified in the figures 20th has achieved, and 4th shows a subsequent third stage in which the sealing material 50 those in the field of this fuel cell 20th lying section of the cavity 49 already completely filled out.

Das Dichtungsmaterial 50 wird durch die erwähnten Öffnungen der Bipolar-Halbplatten 22, 38 nach und nach in die im Bereich der einzelnen Brennstoffzellen 20 befindlichen und diese Brennstoffzellen 20 jeweils ringsherum umschließenden Abschnitte der Kavität 49 gefüllt.The sealing material 50 is through the mentioned openings of the bipolar half-plates 22nd , 38 little by little in the area of the individual fuel cells 20th located and these fuel cells 20th in each case surrounding sections of the cavity 49 filled.

Nach vollständiger Befüllung der Kavität 49 mit dem Dichtungsmaterial 50, d.h. im Beispiel bis hin zu einer oder mehreren (nicht dargestellten) Öffnungen, die sich an einem oberen Ende des Brennstoffzellenstapels („obere Endplatte“) befinden, erfolgt eine Aushärtung. Die Aushärtung kann z. B. durch eine nachfolgende Wartezeit bei bevorzugt erhöhter Temperatur realisiert sein, in der (z. B. thermisch und/oder chemisch bewirkt) eine Aushärtung bzw. Vernetzung des Dichtungsmaterials 50 erfolgt.After the cavity has been completely filled 49 with the sealing material 50 , ie in the example up to one or more openings (not shown) which are located at an upper end of the fuel cell stack (“upper end plate”), curing takes place. The curing can, for. B. be realized by a subsequent waiting time at a preferably elevated temperature, in which (z. B. thermally and / or chemically caused) a curing or crosslinking of the sealing material 50 he follows.

Das Einfüllen des Dichtungsmaterials 50 in die Kavität 49 kann z. B. durch ein gravimetrisch getriebenes „Einlaufenlassen“ erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Druckbeaufschlagung des Dichtungsmaterials 50 vorgesehen sein, so dass in diesem Fall ein Befüllen insbesondere auch „von unten nach oben“ erfolgen kann (durch ein „Hineinpressen“ des Dichtungsmaterials 50). Alternativ oder zusätzlich zu einer Druckbeaufschlagung des zugeführten Dichtungsmaterials 50 kann ein Unterdruck an der oder den Öffnungen vorgesehen sein, die am entgegengesetzten Ende der Anordnung vorgesehen sind. Mit einem Unterdruck kann das Dichtungsmaterials 50 vorteilhaft in die Kavität 49 „eingezogen“ werden.The filling of the sealing material 50 into the cavity 49 can e.g. B. be done by a gravimetrically driven "running in". Alternatively or additionally, the sealing material can also be subjected to pressure 50 be provided, so that in this case filling can also take place “from bottom to top” (by “pressing in” the sealing material 50 ). As an alternative or in addition to pressurization of the supplied sealing material 50 For example, a negative pressure can be provided at the opening or openings provided at the opposite end of the arrangement. With a negative pressure, the sealing material 50 advantageous in the cavity 49 Be "drawn in".

Das nach der Aushärtung einen elastischen Zustand beibehaltende Dichtungsmaterial 50 bildet an den Brennstoffzellen 20 der Brennstoffzellenanordnung 10 eine „Dichtung 50“ und realisiert hierbei im Beispiel eine Abdichtung der Brennstoff-führenden und Oxidationsmittel-führenden Bereiche gegeneinander, und außerdem eine Abdichtung dieser Bereiche gegenüber der Umgebung, also z. B. der Atmosphäre bzw. einem Innenraum eines (in den Figuren nicht dargestellten) Gehäuses der Brennstoffzellenanordnung 10.The sealing material that maintains an elastic state after curing 50 forms on the fuel cells 20th the fuel cell assembly 10 a “seal 50” and in this case, in the example, seals the fuel-carrying and oxidizing agent-carrying areas from one another, and also seals these areas from the environment, ie z. B. the atmosphere or an interior of a (not shown in the figures) housing of the fuel cell assembly 10 .

Das Dichtungsmaterial 50 bzw. die durch dessen Aushärtung geschaffene Dichtung ist aus einem elektrisch isolierenden, elastischen Kunststoffmaterial gebildet.The sealing material 50 or the seal created by its hardening is formed from an electrically insulating, elastic plastic material.

Im Ausführungsbeispiel gemäß der 2 bis 4 wurden die Bipolar-Halbplatten 22, 38 für das Innere der Brennstoffzellenanordnung 10 jeweils separat voneinander vorgefertigt und vor deren Einfügung in die Brennstoffzellenanordnung 10 paarweise miteinander verbunden (z. B. durch eine Verklebung oder Verschweißung), so dass bei der Herstellung des Brennstoffzellenstapels 10 Bipolarplatten verwendet wurden, die jeweils aus zwei Bipolar-Halbplatten zusammengesetzt sind. An den beiden in Stapelrichtung betrachteten Enden wurden als untere und obere „Endplatten“ jeweils einzelne Bipolar-Halbplatten 38 bzw. 22 angeordnet. Bei der Fertigung der Bipolar-Halbplatten 22, 38 bzw. der daraus gebildeten Bipolarplatten wurden auch deren bereits erwähnte Öffnungen (zum späteren Durchtritt des Dichtungsmaterials 50) ausgebildet.In the embodiment according to 2 until 4th became the bipolar half plates 22nd , 38 for the interior of the fuel cell assembly 10 each prefabricated separately from one another and before they are inserted into the fuel cell arrangement 10 connected to each other in pairs (e.g. by gluing or welding), so that during the production of the fuel cell stack 10 Bipolar plates were used, each composed of two bipolar half-plates. At the two ends viewed in the stacking direction, individual bipolar half-plates were used as lower and upper "end plates" 38 or. 22nd arranged. When manufacturing the bipolar half-plates 22nd , 38 or the bipolar plates formed therefrom, their already mentioned openings (for the later passage of the sealing material 50 ) educated.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegen an jedem Übergang zwischen in Stapelrichtung z einander benachbarten Brennstoffzellen 20 die dort befindlichen Bipolar-Halbplatten 22, 38 sowohl in deren mittleren Bereich als auch in deren seitlichen Randbereichen direkt (ohne Zwischenraum) aneinander an.In the exemplary embodiment shown, fuel cells that are adjacent to one another in the stacking direction z are located at each transition 20th the bipolar half-plates located there 22nd , 38 both in their central area and in their lateral edge areas directly (without a gap) to one another.

In diesem Bereich der Übergänge zwischen in Stapelrichtung z betrachtet einander benachbarten Brennstoffzellen 20 wird eine in seitlicher Richtung betrachtet äußere Wandung (in den Figuren linke Wandung) der Kavität 49 durch aneinander anliegende seitliche Ränder der jeweiligen Bipolar-Halbplatten 22, 38 gebildet, und eine in seitlicher Richtung betrachtet innere Wandung (in den Figuren etwas rechts von der äußeren Wandung) der Kavität 49 durch aneinander anliegende „Zwischenbereiche“ 23', 39' der Bipolar-Halbplatten 22, 38 gebildet. In diesem Bereich sind die betreffenden Bipolar-Halbplatten 22, 38 wie bereits erwähnt mit in Stapelrichtung z verlaufenden Öffnungen versehen, die z. B. als koaxiale Bohrungen, Durchbrechungen, Perforation oder anderweitige Öffnungen ausgebildet sein können, welche die Bereiche der Kavität 49 unterhalb und überhalb des Übergangsbereiches miteinander kommunizieren lassen, d. h. „fluidtechnisch“ miteinander verbinden. Die Öffnungen können vorteilhaft z. B. im Wesentlichen gleichmäßig und insbesondere z. B. äquidistant über den Umfang der Bipolar-Halbplatten 22, 38 verteilt vorgesehen sein. In den 2 bis 4 ist eine solche Öffnung (als Abschnitt der Kavität 49) ersichtlich, da die Schnittebene in diesen Figuren durch eine solche Öffnung verläuft. In einer vorteilhaften Ausführung sind über den Umfang verteilt z. B. mindestens 10 oder z. B. mindestens 20 solche Öffnungen vorgesehen.In this area of the transitions between adjacent fuel cells viewed in the stacking direction z 20th an outer wall (left wall in the figures) of the cavity is seen in the lateral direction 49 due to the adjacent side edges of the respective bipolar half-plates 22nd , 38 formed, and an inner wall viewed in the lateral direction (in the figures somewhat to the right of the outer wall) of the cavity 49 through adjacent "intermediate areas" 23 ' , 39 ' of the bipolar half plates 22nd , 38 educated. The relevant bipolar half-plates are in this area 22nd , 38 As already mentioned, provided with openings extending in the stacking direction z, which z. B. can be designed as coaxial bores, perforations, perforations or other openings, which the areas of the cavity 49 Let them communicate with each other below and above the transition area, ie connect them with each other "fluidly". The openings can advantageously, for. B. substantially uniformly and in particular z. B. equidistant over the circumference of the bipolar half-plates 22nd , 38 be provided distributed. In the 2 until 4th is such an opening (as a section of the cavity 49 ) can be seen, since the sectional plane in these figures runs through such an opening. In an advantageous embodiment, z. B. at least 10 or z. B. at least 20 such openings are provided.

Im dargestellten Beispiel ist bei den Brennstoffzellen 20 an einem seitlichen Randbereich der jeweiligen Membran-Elektroden-Einheit 28 eine so genannte „Unterdichtung“ 42 vorgesehen, die eine Dichtfläche an der Membran-Elektroden-Einheit 28 bereitstellt und bei der Fertigung der Membran-Elektroden-Einheit 28 ausgebildet (z. B. angeformt) wurde. Abweichend vom gezeigten Beispiel könnte die Unterdichtung 42 (die bei herkömmlichen Brennstoffzellenanordnungen auch als ein Halterahmen für die Membran-Elektroden-Einheit dient) auch weggelassen werden.In the example shown is for the fuel cells 20th on a lateral edge area of the respective membrane-electrode unit 28 a so-called "sub-seal" 42 provided, which has a sealing surface on the membrane-electrode unit 28 provides and in the manufacture of the membrane-electrode unit 28 was formed (e.g. molded). Deviating from the example shown, the subgasket could 42 (which also serves as a holding frame for the membrane-electrode unit in conventional fuel cell arrangements) can also be omitted.

Am seitlichen Randbereich der Brennstoffzellen 20 ragt die Elektrolytmembran 30 der Membran-Elektroden-Einheit 28 in seitlicher Richtung über seitliche Ränder der Gasdiffusionslagen 26 und 36 heraus, und zwar im Beispiel zusammen mit der Unterdichtung 42 bis hin zu den seitlichen Rändern 23, 39 der Bipolar-Halbplatten 22, 38. Abweichend von diesem Beispiel könnte die Elektrolytmembran 30 jedoch auch nicht oder zumindest weniger weit herausragen und in diesem Fall z. B. bereits an den „Zwischenbereichen“ 23', 39' der Bipolar-Halbplatten 22, 38 enden.On the side edge of the fuel cells 20th protrudes the electrolyte membrane 30th the membrane electrode assembly 28 in the lateral direction over the lateral edges of the gas diffusion layers 26th and 36 out, in the example together with the subgasket 42 up to the side edges 23 , 39 of the bipolar half plates 22nd , 38 . Notwithstanding this example, the electrolyte membrane could 30th however, not or at least not so far protrude and in this case z. B. already at the "intermediate areas" 23 ' , 39 ' of the bipolar half plates 22nd , 38 end up.

Was den Bereich der einzelnen Brennstoffzellen 20 selbst anbelangt, so wird dort eine äußere Wandung der Kavität 49 durch nahe aneinander heranragende seitliche Ränder 23, 39 der jeweiligen Bipolar-Halbplatten 22, 38 gebildet, wobei die Bipolar-Halbplatten 22, 38 in diesem Bereich so formgestaltet sind, dass der seitliche Rand 23 (der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte 22) und der seitliche Rand 39 (der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte 38) jeweils einen in Stapelrichtung z zur jeweils anderen Bipolar-Halbplatte 38 bzw. 22 hin abstehenden Vorsprung aufweisen.As for the area of the individual fuel cells 20th As far as itself is concerned, there is an outer wall of the cavity 49 due to the side edges protruding close together 23 , 39 of the respective bipolar half-plates 22nd , 38 formed, the bipolar half-plates 22nd , 38 in this area are designed so that the side edge 23 (the anode-side bipolar half-plate 22nd ) and the side edge 39 (the cathode-side bipolar half-plate 38 ) one in each case in the stacking direction z to the other bipolar half-plate 38 or. 22nd have protruding projection.

Mit diesen Vorsprüngen wird innerhalb jeder Brennstoffzelle 20 der ansonsten zwischen den beiden Bipolar-Halbplatten 22, 38 in Stapelrichtung z betrachtet bestehende Abstand überbrückt und die nach außen hin begrenzende Wandung der Kavität 49 gebildet.These protrusions are used inside each fuel cell 20th otherwise between the two bipolar half-plates 22nd , 38 When viewed in the stacking direction z, the existing distance is bridged and the wall of the cavity that delimits the outside 49 educated.

Im dargestellten Beispiel befindet sich in einem Spalt zwischen den Enden der Vorsprünge der seitlichen Ränder 23, 39 der seitliche Rand der Membran-Elektroden-Einheit 28,der im Beispiel vom seitlichen Rand der mit der Unterdichtung 42 belegten Elektrolytmembran 30 gebildet wird, der jedoch abweichend von diesem Beispiel z. B. auch nur von einem äußeren Rand der Unterdichtung 42 gebildet werden könnte (da die Elektrolytmembran 30 nicht bis hin zu den seitlichen Rändern 23, 39 reicht, sondern in seitlicher Richtung betrachtet vor diesen endet, z. B. im Bereich der Kavität 49, oder z. B. auf Höhe der Zwischenbereiche 23', 39', oder z. B. noch weiter innen). Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, dass die Vorsprünge der seitlichen Ränder 23, 39 in Stapelrichtung z betrachtet gleich hoch bemessen sind.In the example shown, there is a gap between the ends of the projections of the side edges 23 , 39 the side edge of the membrane-electrode assembly 28 , the one from the side edge of the one with the lower seal in the example 42 coated electrolyte membrane 30th is formed, but different from this example z. B. only from an outer edge of the sub-seal 42 could be formed (as the electrolyte membrane 30th not to the side edges 23 , 39 enough, but viewed in the lateral direction before this ends, z. B. in the area of the cavity 49 , or z. B. at the level of the intermediate areas 23 ' , 39 ' , or z. B. further inside). It is advantageous in this context that the projections on the side edges 23 , 39 viewed in the stacking direction z are dimensioned to be the same height.

Im Bereich der Kavität 49 ist die Membran-Elektroden-Einheit 28 z. B. mit einer Perforation oder z. B. mit (z. B. über den Umfang verteilt angeordneten) Durchbrüchen versehen, welche während des Befüllens der Kavität 49 einen Durchtritt des Dichtungsmaterials 50 erlauben. Die Schnittebene der 2 bis 4 verläuft im Bereich eines solchen Durchbruches.In the area of the cavity 49 is the membrane-electrode assembly 28 z. B. with a perforation or z. B. provided with (z. B. arranged distributed over the circumference) openings, which during the filling of the cavity 49 a passage of the sealing material 50 allow. The cutting plane of the 2 until 4th runs in the area of such a breakthrough.

Abweichend vom dargestellten Beispiel könnte der seitliche Rand der Membran-Elektroden-Einheit 28 auch im Bereich der Kavität 49 endend vorgesehen sein und der erwähnte Spalt (zwischen den Rändern 23 und 39) so bemessen sein, dass beim Befüllen der Kavität 49 das (elektrisch isolierende) Dichtungsmaterial 50 ein Stück weit in diesen Spalt eindringt und so an dieser Stelle eine mechanische Stabilisierung bewirkt und eine elektrische Isolierung zwischen den Bipolar-Halbplatten 22, 38 innerhalb der Brennstoffzelle 20 sicherstellt. In a departure from the example shown, the side edge of the membrane-electrode unit could 28 also in the area of the cavity 49 ending and the mentioned gap (between the edges 23 and 39 ) be dimensioned so that when filling the cavity 49 the (electrically insulating) sealing material 50 penetrates a little into this gap and thus effects mechanical stabilization at this point and electrical insulation between the bipolar half-plates 22nd , 38 inside the fuel cell 20th ensures.

Ebenfalls abweichend vom dargestellten Beispiel könnten die Vorsprünge der seitlichen Ränder 23, 39 der jeweiligen Bipolar-Halbplatten 22, 38 auch direkt aneinander anliegen, wobei dann jedoch zumindest im Anlagebereich (Kontaktfläche zwischen den Vorsprüngen) eine anderweitig realisierte elektrische Isolierung vorzusehen ist, z. B. durch eine elektrisch isolierende Beschichtung an wenigstens einem der beiden aneinander anliegenden Vorsprünge.The projections on the side edges could also deviate from the example shown 23 , 39 of the respective bipolar half-plates 22nd , 38 also bear directly against each other, but then at least in the contact area (contact surface between the projections) an otherwise realized electrical insulation is to be provided, z. B. by an electrically insulating coating on at least one of the two adjacent projections.

Im dargestellten Beispiel wird im Bereich jeder Brennstoffzelle 20 eine in seitlicher Richtung betrachtet innere Wandung der Kavität 49 durch die bereits erwähnten „Zwischenbereiche“ 23', 39' der Bipolar-Halbplatten 22, 38 gebildet, die jeweils an einer der beiden Seiten (anodenseitig bzw. kathodenseitig) der Membran-Elektroden-Einheit 28 anliegen.In the example shown, in the area of each fuel cell 20th an inner wall of the cavity viewed in the lateral direction 49 through the already mentioned "intermediate areas" 23 ' , 39 ' of the bipolar half plates 22nd , 38 formed, each on one of the two sides (anode side or cathode side) of the membrane-electrode unit 28 issue.

Ähnlich wie die seitlichen Ränder 23, 39 weisen auch die Zwischenbereiche 23', 39' der Bipolar-Halbplatten 22, 38 jeweils einen in Stapelrichtung z (und zur jeweils anderen Bipolar-Halbplatte hin) abstehenden Vorsprung auf, wobei Enden dieser Vorsprünge jeweils an einer der beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit 28 (hier: deren Unterdichtung 42) anliegen. In diesem Zusammenhang ist im Beispiel vorteilhaft, dass diese Vorsprünge in Stapelrichtung z betrachtet gleich hoch bemessen sind.Similar to the side margins 23 , 39 also indicate the intermediate areas 23 ' , 39 ' of the bipolar half plates 22nd , 38 each have a protrusion protruding in the stacking direction z (and toward the respective other bipolar half-plate), the ends of these protrusions each on one of the two sides of the membrane-electrode unit 28 (here: their sub-seal 42 ) issue. In this context, it is advantageous in the example that these projections, viewed in the stacking direction z, are of the same size.

Mit „Zwischenbereich“ (23', 39') der Bipolar-Halbplatten 22, 38 ist ein Bereich gemeint, der in seitlicher Richtung betrachtet sowohl vom seitlichen Rand 23 bzw. 39 der betreffenden Bipolar-Halbplatte 22 bzw. 38 als auch von einem zentralen Bereich der betreffenden Bipolar-Halbplatte 22 bzw. 38 beabstandet liegt.With "intermediate area" ( 23 ' , 39 ' ) of the bipolar half-plates 22nd , 38 is meant an area that is viewed in the lateral direction from both the lateral edge 23 or. 39 the relevant bipolar half-plate 22nd or. 38 as well as from a central area of the relevant bipolar half-plate 22nd or. 38 is spaced.

Mit den Vorsprüngen der Zwischenbereiche 23', 39' der Bipolar-Halbplatten 22, 38 werden innerhalb jeder Brennstoffzelle 20 in Stapelrichtung z betrachtet ansonsten vorhandene Abstände zwischen einerseits den Bipolar-Halbplatten 22, 38 und andererseits den beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit 28 überbrückt, und die Vorsprünge bilden im dargestellten Beispiel zusammen mit einem Zwischenabschnitt der Membran-Elektroden-Einheit 28 die innere Wandung der Kavität 49. Das aneinander Heranragen der Vorsprünge erfolgt hierbei bis auf einen gegenseitigen Abstand, welcher der Dicke der Membran-Elektroden-Einheit 28 an dieser Stelle entspricht. Dieser Abstand könnte jedoch auch nennenswert kleiner als die Dicke der Membran-Elektroden-Einheit 28 bemessen sein, so dass die Membran-Elektroden-Einheit 28 (bzw. in diesem Beispiel vor allem deren Unterdichtung 42) an dieser Stelle etwas komprimiert (flexibel verpresst/verformt) wird. Der Abstand kann z. B. kleiner als das 0,9-fache, insbesondere kleiner als das 0,8-fache einer unkomprimierten Dicke der Membran-Elektroden-Einheit 28 bemessen sein.With the protrusions of the intermediate areas 23 ' , 39 ' of the bipolar half plates 22nd , 38 are inside every fuel cell 20th Considered in the stacking direction z, otherwise existing gaps between the bipolar half-plates on the one hand 22nd , 38 and on the other hand the two sides of the membrane-electrode assembly 28 bridged, and in the example shown, the projections form together with an intermediate section of the membrane-electrode unit 28 the inner wall of the cavity 49 . The projections protrude against one another except for a mutual spacing which is the same as the thickness of the membrane-electrode unit 28 corresponds at this point. However, this distance could also be significantly smaller than the thickness of the membrane-electrode unit 28 be sized so that the membrane-electrode assembly 28 (or in this example especially its sub-seal 42 ) is somewhat compressed (flexibly pressed / deformed) at this point. The distance can e.g. B. less than 0.9 times, in particular less than 0.8 times an uncompressed thickness of the membrane-electrode unit 28 be measured.

Wie bereits erwähnt könnte abweichend vom dargestellten Beispiel der seitliche Rand der Membran-Elektroden-Einheit 28 z. B. bereits im Bereich der Kavität 49 enden, oder z. B. bereits im Bereich der Vorsprünge der Zwischenbereiche 23', 39' der Bipolar-Halbplatten 22, 38 enden.As already mentioned, the lateral edge of the membrane-electrode unit could deviate from the example shown 28 z. B. already in the area of the cavity 49 end, or z. B. already in the area of the projections of the intermediate areas 23 ' , 39 ' of the bipolar half plates 22nd , 38 end up.

Insbesondere in letzteren Fällen kann das Dichtungsmaterial 50, welches in den Bereichen der einzelnen Brennstoffzellen 20 diese jeweils ringsherum umschließt, vorteilhaft die Membran-Elektroden-Einheit 28 nach seitlich außen (und somit gegenüber der Umgebung bzw. einem Gehäuse) hin abdichten. Außerdem kann das Dichtungsmaterial 50 vorteilhaft gegenüber einem Gas-Übertritt von einer zur anderen Seite der Membran-Elektroden-Einheit 28 abdichten.In the latter cases in particular, the sealing material 50 , which in the areas of the individual fuel cells 20th these each surrounds, advantageously the membrane-electrode unit 28 seal laterally outwards (and thus against the environment or a housing). In addition, the sealing material 50 advantageous compared to gas transfer from one side of the membrane-electrode unit to the other 28 seal.

5 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzellenanordnung 10, in einer der 4 entsprechenden Schnittansicht, d.h. nach Befüllung einer Kavität 49 mit einem Dichtungsmaterial 50. 5 Fig. 10 illustrates another embodiment of a fuel cell assembly 10 , in one of the 4th corresponding sectional view, ie after filling a cavity 49 with a sealing material 50 .

Im Unterschied zu der in den 2 bis 4 dargestellten Brennstoffzellenanordnung sind bei der Brennstoffzellenanordnung 10 gemäß 5 an den Übergängen zwischen einander benachbarten Brennstoffzellen 20 die dort befindlichen Bipolar-Halbplatten 22, 38 (bzw. zumindest deren mittlere Bereiche) in Stapelrichtung z betrachtet nennenswert voneinander beabstandet.In contrast to that in the 2 until 4th The fuel cell assembly shown are in the fuel cell assembly 10 according to 5 at the transitions between adjacent fuel cells 20th the bipolar half-plates located there 22nd , 38 (or at least their central regions), viewed in the stacking direction z, are significantly spaced apart from one another.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 dient diese Beabstandung dazu, im Bereich der Übergänge zwischen den Brennstoffzellen 20 im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 10 ein Kühlmedium (z. B. Wasser) zu führen. Hierbei kann z. B. vorgesehen sein, dass in dem Zwischenraum eine weitere Kanalstruktur zur Führung des Kühlmediums ausgebildet ist.In the embodiment according to 5 This spacing is used in the area of the transitions between the fuel cells 20th during operation of the fuel cell arrangement 10 to carry a cooling medium (e.g. water). Here z. B. be provided that a further channel structure for guiding the cooling medium is formed in the space.

Da im dargestellten Beispiel der 5 die Bipolar-Halbplatten 22, 38 auch an deren seitlichen Randbereichen voneinander beabstandet sind, weist wenigstens eine der beiden Bipolar-Halbplatten an deren Rand 23 bzw. 39 einen zur jeweils anderen Bipolar-Halbplatte hin abstehenden Vorsprung auf, und weist auch wenigstens eine der beiden Bipolar-Halbplatten an deren Zwischenbereich 23', 39' einen zur jeweils anderen Bipolar-Halbplatte hin abstehenden Vorsprung auf, um in diesem Übergangsbereich den Abstand zu überbrücken und die äußere Wandung der Kavität und die innere Wandung der Kavität auszubilden (Alternativ könnten anstelle der Vorsprünge auch z. B. Dichtungen zur Begrenzung der Kavität 49 zwischen den Bipolar-Halbplatten eingelegt sein).Since in the example shown the 5 the bipolar half-plates 22nd , 38 are also spaced apart from one another at their lateral edge regions, at least one of the two bipolar half-plates has at its edge 23 or. 39 a projection protruding towards the other bipolar half-plate, and also has at least one of the two bipolar half-plates at its intermediate area 23 ' , 39 ' a protrusion protruding towards the other bipolar half-plate in order to bridge the gap in this transition area and to form the outer wall of the cavity and the inner wall of the cavity (alternatively, instead of the protrusions, e.g. seals to delimit the cavity 49 inserted between the bipolar half-plates).

Vorteilhaft befindet sich Dichtungsmaterial 50 zusätzlich auch in einem Bereich zwischen den Bipolar-Halbplatten und gewährleistet somit auch eine Abdichtung für das im mittleren Bereich der Bipolar-Halbplatten zwischen diesen befindliche Kühlmedium (z. B. Wasser). Das Dichtungsmaterial 50 verhindert an dieser Stelle, dass Kühlmedium seitwärts nach außen austritt.Sealing material is advantageously located 50 also in an area between the bipolar half-plates and thus also ensures a seal for the cooling medium (e.g. water) located between them in the middle area of the bipolar half-plates. The sealing material 50 at this point prevents the cooling medium from escaping sideways to the outside.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 2357698 B1 [0004]EP 2357698 B1 [0004]
  • EP 2445045 B1 [0004]EP 2445045 B1 [0004]
  • EP 2584635 B1 [0004]EP 2584635 B1 [0004]
  • EP 2946431 B1 [0004]EP 2946431 B1 [0004]
  • EP 3316377 A1 [0004]EP 3316377 A1 [0004]

Claims (9)

Brennstoffzellenanordnung (10), aufweisend in einer Stapelrichtung (z) gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (20), die jeweils plattenförmig ausgebildet sind und sich orthogonal zur Stapelrichtung (z) betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung (x) und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung (y) erstrecken, wobei die Brennstoffzellen (20) jeweils in der Stapelrichtung (z) gestapelt aufweisen: - eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte (22) mit einer Brennstoff-Kanalstruktur (24) zur Führung eines Brennstoffes, - eine anodenseitige Gasdiffusionslage (26), - eine Membran-Elektroden-Einheit (28), aufweisend eine Elektrolytmembran (30) und in Stapelrichtung (z) beiderseits davon angeordnete Elektrodenschichten (32, 34), die eine Anode (32) und eine Kathode (34) für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel ausbilden, - eine kathodenseitige Gasdiffusionslage (36), - eine kathodenseitige Bipolar-Halbplatte (38) mit einer Oxidationsmittel-Kanalstruktur (40) zur Führung des Oxidationsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolar-Halbplatten (22, 38) an einem seitlichen Randbereich derart formgestaltet sind, dass die Bipolar-Halbplatten (22, 38) an diesem seitlichen Randbereich stellenweise derart aneinander anliegen oder zumindest nahe aneinander heranragen, dass an einem entsprechenden seitlichen Randbereich der Brennstoffzellenanordnung (10) eine in Stapelrichtung (z) durchgehend sich erstreckende Kavität (49) ausgebildet ist, und dass diese Kavität (49) mit einem Dichtungsmaterial (50) gefüllt ist.Fuel cell arrangement (10), having fuel cells (20) arranged stacked in a stacking direction (z), each of which is plate-shaped and viewed orthogonally to the stacking direction (z), each in a first transverse direction (x) and a second transverse direction orthogonal thereto (y) The fuel cells (20) each have, stacked in the stacking direction (z): - an anode-side bipolar half-plate (22) with a fuel channel structure (24) for guiding a fuel, - an anode-side gas diffusion layer (26), - a Membrane-electrode unit (28), comprising an electrolyte membrane (30) and electrode layers (32, 34) arranged on both sides thereof in the stacking direction (z), which have an anode (32) and a cathode (34) for an electrochemical reaction of the fuel an oxidizing agent, - a cathode-side gas diffusion layer (36), - a cathode-side bipolar half-plate (38) with an oxidizing agent channel structure (40) for guiding the oxidizing agent, characterized in that the bipolar half-plates (22, 38) are designed on a lateral edge area in such a way that the bipolar half-plates (22, 38) in this lateral edge area are in contact with one another or at least close to one another protrude towards one another that a cavity (49) extending continuously in the stacking direction (z) is formed on a corresponding lateral edge region of the fuel cell arrangement (10), and that this cavity (49) is filled with a sealing material (50). Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 1, wobei die Kavität (49) sich in einer Umfangsrichtung der Brennstoffzellenanordnung (10) betrachtet ringsherum durchgehend erstreckt.Fuel cell assembly (10) according to Claim 1 , wherein the cavity (49) extends all around, viewed in a circumferential direction of the fuel cell arrangement (10). Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine in seitlicher Richtung betrachtet äußere Wandung der Kavität (49) gebildet ist durch aneinander anliegende oder zumindest nahe aneinander heranragende seitliche Ränder der Bipolar-Halbplatten (22, 38).Fuel cell arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein an outer wall of the cavity (49) viewed in the lateral direction is formed by side edges of the bipolar half-plates (22, 38) lying against one another or at least protruding close to one another. Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 3, wobei bei jeder Brennstoffzelle (20) der seitliche Rand der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte (22) und/oder der seitliche Rand der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte (38) einen in Stapelrichtung (z) abstehenden Vorsprung aufweist.Fuel cell assembly (10) according to Claim 3 wherein in each fuel cell (20) the side edge of the anode-side bipolar half-plate (22) and / or the side edge of the cathode-side bipolar half-plate (38) has a protrusion protruding in the stacking direction (z). Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine in seitlicher Richtung betrachtet innere Wandung der Kavität (49) - im Bereich jeder Brennstoffzelle (20) gebildet ist durch Zwischenbereiche (23', 39') der Bipolar-Halbplatten (22, 38), die jeweils an einer der beiden Seiten eines seitlichen Randes der Membran-Elektroden-Einheit (28) anliegen, und - im Bereich eines Überganges zwischen einander benachbarten Brennstoffzellen (20) gebildet ist durch Zwischenbereiche (23', 39') der Bipolar-Halbplatten (22, 38), die aneinander anliegen.Fuel cell arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein an inner wall of the cavity (49) viewed in the lateral direction - is formed in the area of each fuel cell (20) by intermediate areas (23 ', 39') of the bipolar half-plates (22, 38) which each rest on one of the two sides of a lateral edge of the membrane-electrode unit (28), and - is formed in the area of a transition between adjacent fuel cells (20) by intermediate areas (23 ', 39') of the bipolar half-plates (22, 38) which rest against one another. Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 5, wobei bei jeder Brennstoffzelle (20) der Zwischenbereich (23') der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte (22) und/oder der Zwischenbereich (39') der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte (38) einen in Stapelrichtung (z) abstehenden Vorsprung aufweist.Fuel cell assembly (10) according to Claim 5 In each fuel cell (20) the intermediate area (23 ') of the anode-side bipolar half-plate (22) and / or the intermediate area (39') of the cathode-side bipolar half-plate (38) has a protrusion protruding in the stacking direction (z). Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei an jedem Übergang zwischen in Stapelrichtung (z) einander benachbarten Brennstoffzellen (20) die dort befindlichen Bipolar-Halbplatten (22, 38) in deren mittleren Bereich direkt aneinander anliegen.Fuel cell arrangement (10) according to one of the preceding claims, wherein at each transition between fuel cells (20) adjacent to one another in the stacking direction (z) the bipolar half-plates (22, 38) located there lie directly against one another in their central area. Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei an jedem Übergang zwischen in Stapelrichtung (z) einander benachbarten Brennstoffzellen (20) die dort befindlichen Bipolar-Halbplatten (22, 38) in deren mittleren Bereich voneinander beabstandet sind.Fuel cell arrangement (10) according to one of the Claims 1 until 6th At each transition between fuel cells (20) adjacent to one another in the stacking direction (z), the bipolar half-plates (22, 38) located there are spaced apart from one another in their central region. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend - Bilden einer Brennstoffzellenanordnung (10) durch stapelndes Anordnen von Brennstoffzellen (20) in einer Stapelrichtung (z), die jeweils plattenförmig ausgebildet sind und sich orthogonal zur Stapelrichtung (z) betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung (x) und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung (y) erstrecken, wobei die Brennstoffzellen (20) jeweils in der Stapelrichtung (z) gestapelt aufweisen: eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte (22) mit einer Brennstoff-Kanalstruktur (24) zur Führung eines Brennstoffes; eine anodenseitige Gasdiffusionslage (26); eine Membran-Elektroden-Einheit (28), aufweisend eine Elektrolytmembran (30) und in Stapelrichtung (z) beiderseits davon angeordnete Elektrodenschichten (32, 34), die eine Anode (32) und eine Kathode (34) für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel ausbilden; eine kathodenseitige Gasdiffusionslage (36); und eine kathodenseitige Bipolar-Halbplatte (38) mit einer Oxidationsmittel-Kanalstruktur (40) zur Führung des Oxidationsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolar-Halbplatten (22, 38) an einem seitlichen Randbereich derart formgestaltet sind, dass die Bipolar-Halbplatten (22, 38) bei dem stapelnden Anordnen an diesem seitlichen Randbereich stellenweise derart aneinander zur Anlage kommen oder zumindest einander nahe kommen, dass an einem entsprechenden seitlichen Randbereich der Brennstoffzellenanordnung (10) eine in Stapelrichtung (z) durchgehend sich erstreckende Kavität (49) ausgebildet wird, und dass das Verfahren ferner aufweist: - Füllen der Kavität (49) mit einem Dichtungsmaterial (50).Method for producing a fuel cell arrangement (10) according to one of the preceding claims, comprising - forming a fuel cell arrangement (10) by stacking fuel cells (20) in a stacking direction (z), each of which is plate-shaped and orthogonal to the stacking direction (z) viewed in a first transverse direction (x) and a second transverse direction (y) orthogonal thereto, the fuel cells (20) each having, stacked in the stacking direction (z): an anode-side bipolar half-plate (22) with a fuel channel structure ( 24) for guiding a fuel; an anode-side gas diffusion layer (26); a membrane electrode unit (28), comprising an electrolyte membrane (30) and electrode layers (32, 34) arranged on both sides thereof in the stacking direction (z), the anode (32) and a cathode (34) for an electrochemical reaction of the fuel form with an oxidizing agent; a cathode-side gas diffusion layer (36); and a cathode-side bipolar half-plate (38) with an oxidizing agent channel structure (40) for guiding the oxidizing agent, characterized in that the bipolar half-plates (22, 38) are shaped at a lateral edge area in such a way that the bipolar half-plates (22 , 38) in the stacking arrangement on this lateral edge area come into contact with one another in places or at least come close to one another in such a way that on a corresponding lateral edge area of the fuel cell arrangement (10) a cavity (49) extending continuously in the stacking direction (z) is formed, and that the method further comprises: - filling the cavity (49) with a sealing material (50).
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