DE102020212764A1

DE102020212764A1 - Fuel cell assembly and method for manufacturing a fuel cell assembly

Info

Publication number: DE102020212764A1
Application number: DE102020212764.6A
Authority: DE
Inventors: Markus Ochs; Stefan Granzow; Peter Säger
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2020-10-09
Filing date: 2020-10-09
Publication date: 2022-04-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (10) mit in einer Stapelrichtung (z) gestapelten Brennstoffzellen (20), die sich plattenförmig in ersten und zweiten Querrichtungen (x, y) erstrecken und jeweils aufweisen: eine Bipolar-Halbplatte (22) mit einer Kanalstruktur (24) zur Führung eines Brennstoffes; eine Gasdiffusionslage (26); eine Membran-Elektroden-Einheit (28), aufweisend eine Elektrolytmembran (30) und beiderseits davon angeordnete Elektrodenschichten (32, 34); eine weitere Gasdiffusionslage (36); eine weitere Bipolar-Halbplatte (38) mit einer Kanalstruktur (40) zur Führung des Oxidationsmittels, die an zwei in der ersten Querrichtung (x) einander entgegengesetzten Seiten offen ist, um eine Oxidationsmittelströmung in der ersten Querrichtung (x) durch die Brennstoffzellenanordnung (10) zu ermöglichen. Erfindungsgemäß weist jede der Brennstoffzellen (20) an wenigstens einer von zwei in der zweiten Querrichtung (y) einander entgegengesetzten Seiten in ihrem seitlichen Randbereich eine Dichtung (50) auf, die an den Bipolar-Halbplatten (22, 38) und der Membran-Elektroden-Einheit (28) anliegt, wobei die Dichtungen (50) in einem Anbringungsschritt (410) als flüssiges Dichtmedium (5) an dem Randbereich der Stapelanordnung angebracht worden sind, und in einem Aushärteschritt (420) das flüssige Dichtmedium ausgehärtet wurde.The invention relates to a fuel cell arrangement (10) with fuel cells (20) stacked in a stacking direction (z), which extend in plate form in first and second transverse directions (x, y) and each have: a bipolar half plate (22) with a channel structure ( 24) for carrying a fuel; a gas diffusion layer (26); a membrane-electrode unit (28) having an electrolyte membrane (30) and electrode layers (32, 34) arranged on both sides thereof; another gas diffusion layer (36); a further bipolar half-plate (38) with a channel structure (40) for guiding the oxidant, which is open on two opposite sides in the first transverse direction (x) in order to allow an oxidant flow in the first transverse direction (x) through the fuel cell arrangement (10 ) to allow. According to the invention, each of the fuel cells (20) has a seal (50) on at least one of two opposite sides in the second transverse direction (y) in its lateral edge region, which is attached to the bipolar half plates (22, 38) and the membrane electrodes unit (28), wherein the seals (50) have been applied as liquid sealing medium (5) to the edge region of the stack arrangement in an attachment step (410), and the liquid sealing medium has been cured in a curing step (420).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung mit Abdichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Abdichtung einer Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.The present invention relates to a fuel cell arrangement with a seal according to the preamble of claim 1 and a method for sealing a fuel cell arrangement according to the preamble of claim 7.

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 in the prior art as a fuel cell stack and has fuel cells arranged stacked in a stacking direction, which are each plate-shaped and, viewed orthogonally to the stacking direction, each extend 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 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 Kanalstruktur zur Führung des Oxidationsmittels.

The individual fuel cells each have, stacked in the stacking direction:

- an anode-side bipolar half-plate with a channel structure for guiding a fuel,
- an anode-side gas diffusion layer,
- a membrane-electrode unit, having 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 a 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.The prior art of such fuel cell stacks can be found in the publications 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 referred.

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 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 direction of the stack Sides of the membrane electrode assembly are supplied 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 formed with the above-mentioned channel structure on their sides facing the membrane-electrode assembly, in order to transport the fuel and the oxidizing agent on the respective sides of the membrane-electrode assembly via these channel structures into the to bring in adjacent respective gas diffusion layer and thus to introduce it via the respective gas diffusion layer to the respective electrode layer on the corresponding side of the electrolyte membrane.

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 infused 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 assembly.

Bei einer Brennstoffzellenanordnung der hier interessierenden Art ist bei den einzelnen Brennstoffzellen die zur Führung des Oxidationsmittels vorgesehene Kanalstruktur an zwei in der ersten Querrichtung betrachtet einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzelle offen, um im Betrieb eine Strömung des Oxidationsmittels in der ersten Querrichtung durch die Brennstoffzellenanordnung hindurch zu ermöglichen.In a fuel cell arrangement of the type of interest here, the channel structure provided for guiding the oxidizing agent in the individual fuel cells is open on two opposite sides of the fuel cell viewed in the first transverse direction, in order to allow the oxidizing agent to flow through the fuel cell arrangement in the first transverse direction during operation .

Bei einer derartigen Brennstoffzellenanordnung kann das Oxidationsmittel beispielsweise mit einem Gebläse in der ersten Querrichtung durch die Brennstoffzellenanordnung hindurchgetrieben werden und hierbei zugleich für eine Kühlung der Brennstoffzellenanordnung sorgen. In einer Ausführungsform wird Luft (z. B. aus der Umgebung) über die Kanalstruktur der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte zugeführt bzw. durchströmt diese Kanalstruktur und dient somit sowohl als Oxidationsmittel als auch als Kühlmittel (luftgekühlter Brennstoffzellenstapel).In such a fuel cell arrangement, the oxidizing agent can be driven through the fuel cell arrangement in the first transverse direction, for example with a blower, and at the same time ensure cooling of the fuel cell arrangement. In one embodiment, air (eg from the environment) is supplied via the channel structure of the cathode-side bipolar half-plate or flows through this channel structure and thus serves both as an oxidizing agent and as a coolant (air-cooled fuel cell stack).

In dieser Hinsicht kann bei dieser Anordnung auch von „Brennstoffzellen mit offener Kathode“ gesprochen werden, da der Oxidationsmittel-führende Bereich, d. h. kathodenseitige Kanalstruktur, Gasdiffusionslage, Elektrodenschicht (Kathode) nicht zur Umgebung hin abgedichtet sind. Vielmehr ist lediglich der (anodenseitige) Brennstoff-führende Bereich gegen die 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.In this regard, this arrangement can also be referred to as "fuel cells with an open cathode", since the oxidant-carrying area, i. H. cathode-side channel structure, gas diffusion layer, electrode layer (cathode) are not sealed to the environment. Rather, only the (anode-side) 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 entry of a medium (eg air) from the environment into this fuel cell area.

Das Produkt der in den einzelnen Brennstoffzellen ablaufenden elektrochemischen Reaktionen, beispielsweise Wasser, kann z. B. über den Oxidationsmittel-führenden Brennstoffzellenbereich abgeführt werden.The product of the electrochemical reactions taking place in the individual fuel cells, for example water, can, for. B. over the Oxida tion medium-leading fuel cell area are discharged.

Sämtliche vorstehend mit Bezug auf den Stand der Technik erläuterten Merkmale von Brennstoffzellenanordnungen können einzeln oder in beliebiger Kombination auch bei der unten noch beschriebenen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung vorgesehen sein.All of the features of fuel cell arrangements explained above with reference to the prior art can also be provided individually or in any combination in the fuel cell arrangement according to the invention described below.

Nachteilig ist bei bekannten Brennstoffzellenanordnungen der eingangs genannten Art, dass bei deren Verwendung bzw. in deren Installationsumgebung (z. B. A disadvantage of known fuel cell arrangements of the type mentioned at the outset is that when they are used or in their installation environment (e.g.

Brennstoffzellenstapel in einem Gehäuse) oftmals keine besondere Abdichtung zwischen einer Einlassseite und einer Auslassseite für das Oxidationsmittel (z. B. Luft) vorgesehen ist, mit der Folge, dass parasitäre Oxidationsmittelströme z. B. von der Einlassseite zur Auslassseite strömen und somit den Systemwirkungsgrad der Brennstoffzellenanordnung verschlechtern.Fuel cell stack in a housing) often no special seal between an inlet side and an outlet side for the oxidant (e.g. air) is provided, with the result that parasitic oxidant flows z. B. flow from the inlet side to the outlet side and thus degrade the system efficiency of the fuel cell assembly.

Eine weitere nachteilige Folge besteht in diesem Zusammenhang oftmals darin, dass eine die Energieumsetzungseffizienz und die Kühleffizienz steigernde so genannte Druckaufladung der gestapelten Brennstoffzellen zur Schaffung eines erhöhten Drucks von Oxidationsmittel in den Brennstoffzellen bei gleichzeitig hoher Durchströmungsrate erschwert ist, da durch die erwähnten parasitären Oxidationsmittelströme in unerwünschter Weise der Druck auf der Auslassseite erhöht wird.Another disadvantageous consequence in this context is that so-called pressure charging of the stacked fuel cells, which increases the energy conversion efficiency and the cooling efficiency, is made more difficult in order to create an increased pressure of oxidant in the fuel cells while at the same time having a high flow rate, since the aforementioned parasitic oxidant flows in an undesirable way the pressure on the outlet side is increased.

Schließlich besteht ein weiterer Nachteil z. B. darin, dass die Brennstoffzellen bzw. der daraus gebildete Brennstoffzellenstapel nicht (zumindest bereichsweise) gasdicht und elektrisch isoliert in ein die gestapelten Brennstoffzellen umgebendes Gehäuse eingebracht werden kann. Zu bedenken ist hierbei, dass der Brennstoffzellenstapel keine „glatten“ Seitenflächen besitzt und dass die Bipolar-Halbplatten aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet sind.Finally, there is another disadvantage, e.g. B. that the fuel cells or the fuel cell stack formed from them not (at least partially) gas-tight and electrically isolated in a housing surrounding the stacked fuel cells can be introduced. It should be noted here that the fuel cell stack does not have any “smooth” side surfaces and that the bipolar half plates are made of an electrically conductive material.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und bei einer Brennstoffzellenanordnung der eingangs genannten Art deren Anwendungsbereich zu erweitern und/oder deren Leistungseigenschaften im Betrieb zu verbessern.It is an object of the present invention to avoid the disadvantages mentioned above and, in the case of a fuel cell arrangement of the type mentioned initially, to expand its area of application and/or to improve its performance characteristics during operation.

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 jede der Brennstoffzellen an wenigstens einer von zwei in der zweiten Querrichtung betrachtet einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzellenanordnung in ihrem entsprechenden seitlichen Randbereich ferner eine Dichtung aufweist, die in diesem seitlichen Randbereich an der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte, der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte und der Membran-Elektroden-Einheit anliegt, um von der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte zur Membran-Elektroden-Einheit hin und von der Membran-Elektroden-Einheit zur kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte hin abzudichten, und dass diese Dichtungen jeweils in der zweiten Querrichtung über seitliche Ränder der Bipolar-Halbplatten herausragen und diese seitlichen Ränder derart umgreifen, dass die Dichtungen von in Stapelrichtung einander benachbarten Brennstoffzellen aneinander anliegen.The fuel cell arrangement according to the invention is characterized in that each of the fuel cells also has a seal on at least one of two opposite sides of the fuel cell arrangement viewed in the second transverse direction in its corresponding lateral edge area, which in this lateral edge area on the anode-side bipolar half-plate, the cathode-side Bipolar half-plate and the membrane-electrode assembly abuts to seal from the anode-side bipolar half-plate to the membrane-electrode assembly out and from the membrane-electrode assembly to the cathode-side bipolar half-plate out, and that these seals each in the second Protrude transversely over lateral edges of the bipolar half-plates and embrace these lateral edges in such a way that the seals of fuel cells adjacent to one another in the stacking direction rest against one another.

Die in der zweiten Querrichtung über die seitlichen Ränder der Bipolar-Halbplatten herausragenden Dichtungen und insbesondere deren Anlage an jeweils im Brennstoffzellenstapel benachbarten Dichtungen führt an den beiden betreffenden Seiten der Brennstoffzellenanordnung zu einer von den Dichtungen gebildeten gemeinsamen einhüllenden Dichtstruktur, die viele Vorteile besitzt.The seals protruding in the second transverse direction beyond the lateral edges of the bipolar half plates and in particular their contact with adjacent seals in the fuel cell stack leads to a common enveloping sealing structure formed by the seals on the two relevant sides of the fuel cell arrangement, which has many advantages.

So können mit der Erfindung z. B. parasitäre Luftströme vermieden werden. Damit verbessert diese Dichtstruktur vorteilhaft die Leistungseigenschaften der Brennstoffzellenanordnung, insbesondere im Falle eines Betriebs mit Druckaufladung des Brennstoffzellenstapels. Außerdem kann mittels aus elektrisch nichtleitendem Material gebildeten Dichtungen vorteilhaft eine elektrische Isolation zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einer in der Installationsumgebung den Brennstoffzellenstapel umgebenden Komponente wie insbesondere z. B. einem Gehäuse geschaffen werden. Ferner kann mittels aus elastischem Material gebildeten Dichtungen vorteilhaft eine verbesserte mechanische Stabilität des Brennstoffzellenstapels in einem Gehäuse erzielt werden, was z. B. insbesondere für mobile Anwendungen (in einem Fahrzeug) von Vorteil ist.So with the invention z. B. parasitic air currents can be avoided. Thus, this sealing structure advantageously improves the performance characteristics of the fuel cell assembly, particularly in the case of pressurized operation of the fuel cell stack. In addition, by means of seals formed from electrically non-conductive material, electrical insulation between the fuel cell stack and a component surrounding the fuel cell stack in the installation environment, such as in particular z. B. be created a housing. Furthermore, improved mechanical stability of the fuel cell stack in a housing can advantageously be achieved by means of seals formed from elastic material. B. is particularly advantageous for mobile applications (in a vehicle).

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, resulting in a fuel cell stack that is approximately cuboid.

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, z. B. an embodiment of the fuel cell assembly for operation with a different fuel such. B. an organic compound (e.g. 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, insbesondere wobei eine aktiv (z. B. mittels eines Gebläses) durch die Kanalstrukturen der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatten geführte Luft (z. B. aus der Umgebung) auch als Kühlmittel zum Kühlen der einzelnen Brennstoffzellen und somit der Brennstoffzellenanordnung eingesetzt wird.In one embodiment, the fuel cell arrangement is designed to be suitable for operation with air as the oxidizing agent, in particular with air (e.g. from the environment) that is actively (e.g. by means of a fan) guided through the channel structures of the cathode-side bipolar half-plates also being used as Coolant is used to cool the individual fuel cells and thus the fuel cell assembly.

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

In einer spezielleren Ausgestaltung erfolgt eine Abfuhr des Oxidationsmittels an einer Auslassseite, an welcher ein Unterdruck herrscht, der unterhalb atmosphärischem Umgebungsdruck liegt. Dieser Auslassdruck kann z. B. kleiner als 0,8 bar, insbesondere kleiner als 0,6 bar, bemessen sein. Andererseits ist zumeist ein Auslassdruck von mindestens 0,1 bar, insbesondere mindestens 0,2 bar, vorteilhaft.In a more specific embodiment, the oxidizing agent is discharged on an outlet side, on which there is a negative pressure that is below atmospheric ambient pressure. This outlet pressure can B. less than 0.8 bar, in particular less than 0.6 bar, be dimensioned. On the other hand, an outlet pressure of at least 0.1 bar, in particular at least 0.2 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.The channel structures of the individual fuel cells provided within the framework of the invention can each have several, e.g. B. more than 10, or z. B. have more than 50 parallel channels.

Jede der Kanalstrukturen kann z. B. insbesondere jeweils geradlinig und parallel zueinander verlaufende Kanäle aufweisen, was z. B. insbesondere für die anodenseitigen Kanalstrukturen (an den anodenseitigen Bipolar-Halbplatten) eine bevorzugte Ausgestaltung darstellt. Insbesondere die Kanäle der anodenseitigen Bipolar-Halbplatten können z. B. allesamt in der ersten Querrichtung orientiert verlaufen.Each of the channel structures can e.g. B. in particular each have straight and parallel channels, which z. B. represents a preferred embodiment in particular for the anode-side channel structures (on the anode-side bipolar half plates). In particular, the channels of the anode-side bipolar half-plates can z. B. are all oriented in the first transverse direction.

In einer Ausführungsform verlaufen geradlinige Kanäle der anodenseitigen Bipolar-Halbplatten und der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatten allesamt in einer gemeinsamen (gleichen) Richtung orthogonal zur Stapelrichtung der Brennstoffzellenanordnung. In einer anderen Ausführungsform verlaufen solche geradlinigen Kanäle einerseits der anodenseitigen Bipolar-Halbplatten und andererseits der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatten in unterschiedlichen Richtungen orthogonal zur Stapelrichtung. Insbesondere können diese verschiedenen Richtungen der Kanäle orthogonal zueinander orientiert vorgesehen sein und somit z. B. in erster bzw. zweiter Querrichtung verlaufen.In one embodiment, rectilinear channels of the anode-side bipolar half-plates and the cathode-side bipolar half-plates all run in a common (same) direction orthogonal to the stacking direction of the fuel cell assembly. In another embodiment, such rectilinear channels run in different directions orthogonally to the stacking direction on the one hand of the anode-side bipolar half-plates and on the other hand of the cathode-side bipolar half-plates. In particular, these different directions of the channels can be provided oriented orthogonally to one another and thus z. B. run in the first or second transverse direction.

Alternativ zu geradlinig verlaufenden Kanälen können für die anodenseitigen Kanalstrukturen und/oder die kathodenseitigen 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“. Dies kann z. B. insbesondere für die kathodenseitigen Kanalstrukturen (an den kathodenseitigen Bipolar-Halbplatten) eine bevorzugte Ausgestaltung darstellen.As an alternative to channels running in a straight line, more complicated courses of the respective channels can in principle also be provided for the anode-side channel structures and/or the cathode-side channel structures, such as e.g. B. Courses containing bends and / or curvatures, z. B. meandering curves in the “fuel cell plane” spanned by the first and second transverse direction. This can e.g. B. in particular for the cathode-side channel structures (on the cathode-side bipolar half plates) represent a preferred embodiment.

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 z. B. may have been formed by milling, stamping, embossing or etching during the manufacture of 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, e.g. B. from a carbon material or z. B. from an electrically conductive plastic material (z. B. appropriately doped, e.g. with carbon black) formed, 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 are appropriately inserted into the stack during production of the fuel cell arrangement by stacking the individual components.

Zumeist bevorzugt ist jedoch 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“).Most preferred, however, 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 are connected to one another in pairs before they are inserted into the fuel cell arrangement, e.g. B. by gluing or welding, so that in the manufacture of the fuel cell stack bipolar plates are used (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, wobei dann dementsprechend die Außenseite der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte einer Brennstoffzelle direkt an der Außenseite der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte einer in Stapelrichtung benachbarten Brennstoffzelle anliegt (sei es mit oder ohne feste Verbindung wie z. B. Verklebung, Verschweißung etc.).In the interior of the fuel cell stack, in the case of the individual fuel cells, an outside (ie the side facing away from the channel structure) of the anode-side bipolar half-plate z. B. directly on an outside (i.e. facing away from the channel structure) of the cathode-side bipolar half-plate of a fuel cell that is adjacent (adjacent) in the stacking direction, in which case the outside of the cathode-side bipolar half-plate of a fuel cell then accordingly directly on the outside of the anode-side bipolar half-plate of an in Stacking direction adjacent fuel cell rests (with or without a fixed connection such. B. gluing, welding, etc.).

Im Rahmen der Erfindung soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass zwischen derart im Stapel benachbarten Bipolar-Halbplatten z. B. eine weitere Kanalstruktur zur Führung eines Kühlmediums (z. B. Kühlwasser) ausgebildet ist.In the context of the invention, however, it should not be ruled out that between such adjacent bipolar half plates in the stack, e.g. B. another channel structure for guiding a cooling medium (z. B. cooling water) is formed.

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 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. Die Elektrodenschichten können den Katalysator insbesondere auf ihrer der zugehörigen Gasdiffusionslage zugewandten Seite aufweisen.In one embodiment, the electrode layers forming the anode and cathode of the membrane-electrode assembly of the fuel cell are coated with a catalyst such as, in particular, e.g. B. coated with a material containing platinum or palladium. The electrode layers can have the catalyst in particular on their side facing the associated gas diffusion layer.

Wie bereits erwähnt, sind bei der Erfindung die Dichtungen in den betreffenden seitlichen Randbereichen der Brennstoffzellen an einer oder an beiden der in der zweiten Querrichtung betrachtet einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzellenanordnung vorgesehen, wobei die Dichtungen von in Stapelrichtung einander benachbarten Brennstoffzellen aneinander anliegen.As already mentioned, in the invention the seals are provided in the relevant lateral edge regions of the fuel cells on one or both of the opposite sides of the fuel cell arrangement viewed in the second transverse direction, with the seals of fuel cells that are adjacent to one another in the stacking direction lying against one another.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Dichtungen aus einem elastischen Kunststoffmaterial gebildet. Bevorzugt handelt es sich bei dem Material der Dichtungen um ein dauerhaft elastisches Material, wobei insbesondere auch in diesem Fall in Betracht kommt, bei der Herstellung der Brennstoffzellenanordnung das Material zur Ausbildung der Dichtungen in einem flüssigen bis zähflüssigen Zustand zu applizieren und nachfolgend auszuhärten (in den bevorzugt dauerelastischen Zustand). In einer Ausführungsform sind die Dichtungen aus einem Polymermaterial gebildet.In one embodiment of the invention, the seals are formed from a resilient plastic material. The material of the seals is preferably a permanently elastic material, whereby in this case in particular it is also possible to apply the material for forming the seals in a liquid to viscous state during production of the fuel cell arrangement and then to cure it (in the preferably permanently elastic state). In one embodiment, the seals are formed from a polymeric material.

In einer Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung sind die Dichtungen an der wenigstens einen betreffenden Seite (der beiden in der zweiten Querrichtung einander entgegengesetzten Seiten) der Brennstoffzellenanordnung derart ausgebildet und angeordnet, dass damit an der betreffenden Seite eine Abdichtung erzielt wird, welche es im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung verhindert oder zumindest behindert, dass Oxidationsmittel (z. B. Luft), das an einer für das Oxidationsmittel vorgesehenen Einlassseite der Brennstoffzellenanordnung zu Öffnungen der Kanalstrukturen für das Oxidationsmittel hin strömt, parasitär teilweise auch seitlich an den gestapelten Brennstoffzellen vorbei und somit bis zu einer Auslassseite strömen kann.In one embodiment of the fuel cell arrangement, the seals on the at least one relevant side (of the two opposite sides in the second transverse direction) of the fuel cell arrangement are designed and arranged in such a way that a seal is achieved on the relevant side, which prevents it during operation of the fuel cell arrangement or at least prevents the oxidizing agent (e.g. air) that flows on an inlet side of the fuel cell arrangement provided for the oxidizing agent towards openings in the channel structures for the oxidizing agent, parasitically partially also laterally past the stacked fuel cells and thus flow to an outlet side can.

Die für das Oxidationsmittel vorgesehene Einlassseite der Brennstoffzellenanordnung kann von einem Raumbereich gebildet sein, der an einem in erster Querrichtung betrachteten Ende des Brennstoffzellenstapels unmittelbar an diesen angrenzt. In diesem Raumbereich kann z. B. ein Gebläse zur Zufuhr von Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel angeordnet sein. Darüber hinaus kann dieser Raumbereich auch durch eine kanalartige Struktur zur Führung des Oxidationsmittels begrenzt sein, wobei in diesem Fall ein das Oxidationsmittel zuführendes Gebläse auch an anderer Stelle innerhalb dieser kanalartigen Struktur angeordnet sein kann. Die kanalartige Struktur kann z. B. von einem zur Unterbringung des Brennstoffzellenstapels vorgesehenen Gehäuse ausgebildet sein oder z. B. an einer für das Oxidationsmittel vorgesehenen Einlassöffnung eines solchen Gehäuses angeschlossen sein.The inlet side of the fuel cell arrangement provided for the oxidizing agent can be formed by a spatial area which directly adjoins an end of the fuel cell stack viewed in the first transverse direction. In this area z. B. may be arranged a fan for supplying oxidizing agent in the fuel cell stack. In addition, this spatial area can also be delimited by a channel-like structure for guiding the oxidizing agent, in which case a fan supplying the oxidizing agent can also be arranged at a different point within this channel-like structure. The channel-like structure can, for. B. be formed by a housing provided for accommodating the fuel cell stack or z. B. be connected to an inlet opening provided for the oxidizing agent of such a housing.

Bevorzugt sind die Dichtungen an beiden in der zweiten Querrichtung einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzellenanordnung ausgebildet und angeordnet, so dass besonders vorteilhaft an beiden Seiten die erwähnte Abdichtung erzielt wird und somit an einer Einlassseite zu Öffnungen der Kanalstrukturen für das Oxidationsmittel hin strömendes Oxidationsmittel auf keiner der beiden Seiten des Brennstoffzellenstapels diesen parasitär bis hin zur Auslassseite umströmen kann.The seals are preferably formed and arranged on both opposite sides of the fuel cell arrangement in the second transverse direction, so that the sealing mentioned is particularly advantageously achieved on both sides and thus on an inlet side to openings of the channel structures for the oxidizing agent flowing towards oxidizing agent on neither of the two Sides of the fuel cell stack can flow around this parasitic up to the outlet side.

Die Auslassseite für das Oxidationsmittel befindet sich in einem an einer Seite des Brennstoffzellenstapels angrenzenden Raumbereich, der in erster Querrichtung betrachtet dem Einlassbereich entgegengesetzt ist. Alternativ oder zusätzlich zu einem Gebläse an der Einlassseite kann ein Gebläse auch an der Auslassseite, also in dem auslassseitigen Raumbereich oder einer auslassseitigen kanalartigen Struktur vorgesehen sein, wobei diese Struktur wieder z. B. durch ein Gehäuse der Brennstoffzellenanordnung ausgebildet sein kann oder z. B. daran angeschlossen sein kann.The outlet side for the oxidizing agent is located in a spatial area adjacent to one side of the fuel cell stack, which is opposite to the inlet area when viewed in the first transverse direction. As an alternative or in addition to a fan on the inlet side, a fan can also be provided on the outlet side, i.e. in the room area on the outlet side or in a channel-like structure on the outlet side, with this structure again z. B. can be formed by a housing of the fuel cell assembly or z. B. can be connected to it.

In einer Ausführungsform weist die Brennstoffzellenanordnung ferner ein die gestapelten Brennstoffzellen wenigstens teilweise umgebendes Gehäuse auf, an dessen Innenseite die Dichtungen anliegen. Das Gehäuse kann z. B. eine Rahmenstruktur darstellen oder zumindest aufweisen, mittels welcher die gestapelte Anordnung der Brennstoffzellen mitsamt der Dichtungen fixiert wird.In one embodiment, the fuel cell assembly further includes the stacked Fuel cells at least partially surrounding the housing on the inside of which the seals rest. The housing can B. represent or at least have a frame structure, by means of which the stacked arrangement of the fuel cells together with the seals is fixed.

Das Gehäuse kann aus elektrisch leitfähigem Material, insbesondere einem metallischen Material, gebildet sein, und ein elektrisch isolierendes Material der Dichtungen kann für eine elektrische Isolation zwischen den Brennstoffzellen und dem Gehäuse sorgen.The housing can be made of electrically conductive material, in particular a metallic material, and an electrically insulating material of the seals can ensure electrical insulation between the fuel cells and the housing.

Das Gehäuse kann z. B. aus mehreren Gehäuseteilen zusammengesetzt sein, die bei der Herstellung (Montage) der Brennstoffzellenanordnung miteinander verbunden wurden.The housing can B. be composed of several housing parts that were connected to each other in the production (assembly) of the fuel cell assembly.

Das Gehäuse kann die gestapelt angeordneten Brennstoffzellen zumindest an einer oder an beiden in der zweiten Querrichtung betrachtet einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzellenanordnung umgeben. An den betreffenden Seiten kann sich jeweils z. B. ein plattenförmiges Gehäuseteil erstrecken und z. B. vollflächig an den Dichtungen anliegen. Alternativ kann ein solches Gehäuseteil z. B. mit Durchbrechungen versehen sein und z. B. als eine „formgebende Struktur“ nur stellenweise an den Dichtungen anliegen, um diese zu fixieren und/oder durch eine Anlagekraft in einer bestimmten Form zu halten.The housing can enclose the stacked fuel cells at least on one or both opposite sides of the fuel cell arrangement viewed in the second transverse direction. On the relevant pages z. B. extend a plate-shaped housing part and z. B. rest against the seals over the entire surface. Alternatively, such a housing part z. B. be provided with openings and z. B. as a "shaping structure" only in places on the seals in order to fix them and / or to keep them in a specific shape by a contact force.

An jeder der betreffenden Seiten sind die Dichtungen jeweils in einem Raumbereich angeordnet, der begrenzt wird von der betreffenden Brennstoffzelle und einer Innenseite des Gehäuses und den (in Stapelrichtung) benachbarten Dichtungen. On each of the relevant sides, the seals are each arranged in a spatial area which is delimited by the relevant fuel cell and an inside of the housing and the (in the stacking direction) adjacent seals.

Besonders bevorzugt ist hierbei, wenn in einem Querschnitt jedes solchen Raumbereiches betrachtet „keine Dichtungslücken“ bestehen, d. h. das Material der Dichtungen diesen Querschnitt vollständig ausfüllt.It is particularly preferred here if there are “no sealing gaps” in a cross section of each such spatial area, i. H. the material of the seals completely fills this cross-section.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Dichtungen aus elastischem Material gebildet und sind die Dichtungen an der betreffenden Seite (der in der zweiten Querrichtung betrachtet einander entgegengesetzten Seiten) der Brennstoffzellenanordnung jeweils in dem Raumbereich komprimiert, der begrenzt wird von der betreffenden Brennstoffzelle und der Innenseite des Gehäuses und den benachbarten Dichtungen. Damit lassen sich vorteilhaft die vorerwähnten Dichtungslücken vermeiden.In a preferred embodiment, the seals are made of elastic material and the seals on the relevant side (the opposite sides viewed in the second transverse direction) of the fuel cell arrangement are each compressed in the spatial region which is delimited by the relevant fuel cell and the inside of the housing and the adjacent seals. In this way, the previously mentioned gaps in the seal can advantageously be avoided.

Im fertigen Zustand der Brennstoffzellenanordnung, z. B. nach einer Verspannung der gestapelt angeordneten Brennstoffzellen zwischen zwei so genannten Endplatten und/oder Anordnung eines Gehäuserahmens bzw. Gehäuses, können die Dichtungen z. B. durch Kompressionskräfte belastet sein, die in der zweiten Querrichtung und/oder in der Stapelrichtung wirken.In the finished state of the fuel cell assembly, z. B. after bracing the stacked fuel cells between two so-called end plates and / or arrangement of a housing frame or housing, the seals z. B. be loaded by compression forces acting in the second transverse direction and / or in the stacking direction.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Dichtungen derart formgestaltet, dass insbesondere auch ohne Einwirkung von (z. B. durch Verspannung des Brennstoffzellenstapels hervorgerufenen) Kompressionskräften die Anordnung der Dichtungen im Querschnitt betrachtet bereits im Wesentlichen „keine Dichtungslücken“ aufweist.In one embodiment of the invention, the seals are shaped in such a way that the arrangement of the seals, viewed in cross-section, has essentially “no seal gaps”, in particular even without the action of compression forces (e.g. caused by tensioning of the fuel cell stack).

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Dichtungen derart formgestaltet, dass die Dichtungen von in Stapelrichtung einander benachbarten Brennstoffzellen unter Ausbildung einer Formschlussverbindung aneinander anliegen. Insbesondere können die Dichtungen hierbei z. B. mit in Stapelrichtung orientierten Vorsprüngen und korrespondierenden Vertiefungen versehen sein, so dass die Vorsprünge in die korrespondierenden Vertiefungen eingreifen („Nut-Feder-Verbindung“).In one embodiment of the invention, the seals are shaped in such a way that the seals of fuel cells that are adjacent to one another in the stacking direction rest against one another, forming a form-fitting connection. In particular, the seals here z. B. be provided with projections oriented in the stacking direction and corresponding depressions, so that the projections engage in the corresponding depressions (“tongue and groove connection”).

In einer Ausführungsform der Erfindung ragen die Dichtungen jeweils in der zweiten Querrichtung über die seitlichen Ränder der Bipolar-Halbplatten um einen Betrag heraus, der mindestens das 0,25-fache, insbesondere mindestens das 0,5-fache, einer in Stapelrichtung gemessenen Dicke der Brennstoffzellen beträgt, und/oder maximal das 10-fache, insbesondere maximal das 5-fache, der in Stapelrichtung gemessenen Dicke der Brennstoffzellen beträgt.In one embodiment of the invention, the seals protrude in the second transverse direction over the lateral edges of the bipolar half plates by an amount that is at least 0.25 times, in particular at least 0.5 times, a thickness measured in the stacking direction fuel cells, and/or at most 10 times, in particular at most 5 times, the thickness of the fuel cells measured in the stacking direction.

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, wobei die Brennstoffzellen jeweils plattenförmig ausgebildet sind, sich orthogonal zur Stapelrichtung betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung erstrecken, und die Brennstoffzellen jeweils in der Stapelrichtung gestapelt aufweisen: eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer 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 Kanalstruktur zur Führung des Oxidationsmittels, die an zwei in der ersten Querrichtung betrachtet einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzelle offen ist, um eine Strömung des Oxidationsmittels in der ersten Querrichtung durch die Brennstoffzellenanordnung hindurch zu ermöglichen.According to a further aspect, the invention relates to a method for producing a fuel cell arrangement, which comprises: Forming a fuel cell arrangement by arranging fuel cells in a stacked manner in a stacking direction, the fuel cells each being plate-shaped, viewed orthogonally to the stacking direction, in each case in a first transverse direction and one thereto orthogonal second transverse direction, and the fuel cells each have stacked in the stacking direction: an anode-side bipolar half-plate having a channel structure for guiding a fuel; an anode-side gas diffusion layer; a membrane-electrode assembly 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 oxidant; a cathode-side gas diffusion layer; and a cathode-side bipolar half-plate having a channel structure for guiding the oxidant and being open at two opposite sides of the fuel cell as viewed in the first transverse direction to allow a flow of the oxidant in the first transverse direction to allow processing through the fuel cell assembly.

Gemäß der Erfindung ist bei diesem Herstellungsverfahren vorgesehen, dass jede der Brennstoffzellen an wenigstens einer von zwei in der zweiten Querrichtung betrachtet einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzellenanordnung in ihrem entsprechenden seitlichen Randbereich ferner eine Dichtung aufweist, die in diesem seitlichen Randbereich an der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte, der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte und der Membran-Elektroden-Einheit anliegt, um von der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte zur Membran-Elektroden-Einheit hin und von der Membran-Elektroden-Einheit zur kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte hin abzudichten, und dass die Dichtungen jeweils in der zweiten Querrichtung über seitliche Ränder der Bipolar-Halbplatten herausragen und diese seitlichen Ränder derart umgreifen, dass bei dem stapelnden Anordnen der Brennstoffzellen die Dichtungen von in Stapelrichtung einander benachbarten Brennstoffzellen aneinander zur Anlage kommen.According to the invention, it is provided in this production method that each of the fuel cells also has a seal on at least one of two opposite sides of the fuel cell arrangement viewed in the second transverse direction in its corresponding lateral edge area, which seal is in this lateral edge area on the anode-side bipolar half-plate, the cathode-side bipolar half-plate and the membrane-electrode assembly in order to seal from the anode-side bipolar half-plate to the membrane-electrode assembly and from the membrane-electrode assembly to the cathode-side bipolar half-plate, and that the seals each in protrude in the second transverse direction beyond lateral edges of the bipolar half plates and encompass these lateral edges in such a way that when the fuel cells are stacked, the seals of fuel cells that are adjacent to one another in the stacking direction come into contact with one another.

Die spezielle Formgebung der Bipolarplatten, welche als mechanische Träger/Stütze der weichen Zwischenschichten (GDL/MEA) dienen, kann so gewählt werden, dass der Brennstoffzellen-Stapel nach dem Stapel-Prozess und ggf. dem Verspannen des Stapels mit einer umlaufenden Dichtung bestückt wird. Hierzu werden die Bipolarplatten so ausgeformt, dass Befüllkammern entstehen, welche mit Dichtungsmedien (z.B. Silikone, FKM oder Propylenoxide [PO]) gefüllt und anschließend vernetzt/ausgehärtet werden.The special shape of the bipolar plates, which serve as a mechanical carrier/support for the soft intermediate layers (GDL/MEA), can be selected in such a way that the fuel cell stack is equipped with a circumferential seal after the stacking process and, if necessary, after the stack has been braced . For this purpose, the bipolar plates are shaped in such a way that filling chambers are created, which are filled with sealing media (e.g. silicone, FKM or propylene oxide [PO]) and then crosslinked/hardened.

Die Dichtung bildet quasi einen Rahmen um den Zellstapel der Brennstoffzelle, welcher sowohl die gasförmigen als auch flüssigen Medien voneinander isoliert. Je nach Ausführung wird diese Dichtung sowohl zwischen zwei Bipolarplatten und der Membran-Haltefolie als auch zwischen zwei Bipolar-Halbschalen eingebracht.The seal forms a kind of frame around the cell stack of the fuel cell, which isolates both the gaseous and liquid media from each other. Depending on the design, this seal is inserted both between two bipolar plates and the membrane retaining film and between two bipolar half-shells.

Das Aufbringen/Einbringen der Dichtungsmasse erfolgt in einem „Tauch-“ oder „Sprühverfahren“ (je nach Ausführung) mit einem flüssigen, dafür geeigneten Dichtmedium. In einem Trocknungs- oder Aushärteschritt bildet das zunächst flüssig in die Befüllkammern eingebrachte Dichtungsmedium eine feste, dennoch flexible Masse, die als solche mediendicht ist.The sealing compound is applied/introduced in a "dipping" or "spraying process" (depending on the version) with a liquid, suitable sealing medium. In a drying or curing step, the sealing medium that is initially introduced into the filling chambers in liquid form forms a solid, yet flexible mass that is media-tight as such.

Beispielsweise kann die Dichtung einstückig vorgesehen sein und an dem oder den betreffenden seitlichen Rändern der Membran-Elektroden-Einheit angeformt werden.For example, the seal can be provided in one piece and formed on the relevant lateral edge(s) of the membrane-electrode assembly.

In einer Ausführungsform werden die Dichtungen durch die Unterbringung bzw. das Einbringen der Brennstoffzellen bzw. des aus den Brennstoffzellen gebildeten Stapels in das Gehäuse komprimiert, und zwar bevorzugt derart, dass durch diese Kompression eine abdichtende Wirkung der aneinander anliegenden Dichtungen weiter verbessert wird, insbesondere z. B. die vorerwähnten „Dichtungslücken“ geschlossen werden.In one embodiment, the seals are compressed by accommodating or introducing the fuel cells or the stack formed from the fuel cells into the housing, preferably in such a way that this compression further improves a sealing effect of the seals that rest against one another, in particular, e.g . B. the aforementioned "gasket gaps" are closed.

In einer weiteren Ausführungsform kann ein Gehäuseelement, welches orthogonal zur Stapelrichtung an die aufgebrachte Dichtung angepresst wird, dessen funktionale Eigenschaften, bzw. die Haftung an den Zellen verbessern.In a further embodiment, a housing element which is pressed onto the applied seal orthogonally to the stacking direction can improve its functional properties or adhesion to the cells.

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,
2 eine Schnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung aus gestapelt angeordneten Brennstoffzellen des in 1 gezeigten Beispiels,
3 eine Schnittansicht des Aufbringens/Einbringens der Dichtungsmasse in einem Tauchverfahren, und
4 die Schritte eines Tauchverfahrens gemäß eines Ausführungsbeispiels.

The invention is described in more detail below using exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. They each represent schematically:

1 a sectional view of a fuel cell according to an embodiment,
2 a sectional view of a fuel cell arrangement of stacked fuel cells of FIG 1 shown example,
3 a sectional view of the application/introduction of the sealing compound in a dipping process, and
4 the steps of a dipping method according to an embodiment.

1 zeigt eine Brennstoffzelle 20 zur Wandlung der chemischen Reaktionsenergie eines zugeführten Brennstoffes, im Beispiel Wasserstoff, und eines zugeführten Oxidationsmittels, im Beispiel Luft, in elektrische Energie. 1 1 shows a fuel cell 20 for converting the chemical reaction energy of a supplied fuel, in the example hydrogen, and a supplied oxidizing agent, in the example air, 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.The fuel cell 20 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.

Die Richtung orthogonal zu der von den Querrichtungen x, y aufgespannten Plattenebene wird als Stapelrichtung z bezeichnet.The direction orthogonal to the plate plane spanned by the transverse directions x, y is referred to as the stacking direction z.

Eine weiter unten (mit Bezug auf die 2 und 3) beschriebene Brennstoffzellenanordnung 10 wird aus mehreren in dieser Stapelrichtung z gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 20 gebildet, wobei jede Brennstoffzelle 20 jeweils aus einer Mehrzahl von plattenförmig formgestalteten und in der Stapelrichtung z gestapelt angeordneten Komponenten zusammengesetzt ist.One below (referring to the 2 and 3 ) described fuel cell arrangement 10 is formed from a plurality of fuel cells 20 stacked in this stacking direction z, each fuel cell 20 being composed of a plurality of plate-shaped components stacked 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 (Wasserstoff) ausgebildet ist. Über die aus elektrisch leitfähigem Material (z. B. Metall) hergestellte Bipolar-Halbplatte 22 wird im Betrieb der Brennstoffzelle 20 erzeugter elektrischer Strom abgeführt.It is initially an anode-side bipolar half-plate 22, on the inside side (ie the inside of the fuel cell 20 side facing) a channel structure 24 for guiding the fuel (hydrogen) is formed. Electric current generated during operation of the fuel cell 20 is discharged via the bipolar half-plate 22 made of electrically conductive material (eg metal).

An der Innenseite der Bipolar-Halbplatte 22 und somit an der 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 der Stapelrichtung z daran angrenzenden Membran-Elektroden-Einheit 28 gelangt.On the inside of the bipolar half-plate 22 and thus adjacent to the channel structure 24, there is an electrically conductive gas diffusion layer 26 (e.g. carbon fleece) which is permeable to the fuel and via which the fuel, during operation of the fuel cell 20, reaches a Stacking direction z it adjacent membrane electrode assembly 28 passes.

Die Membran-Elektroden-Einheit 28 umfasst eine elektrisch nicht leitfähige, protonenleitende Elektrolytmembran 30 und in der Stapelrichtung z betrachtet beiderseits davon angeordnete elektrisch leitfähige und mit einem Katalysator 35 (z. B. Platin oder Palladium) beschichtete Elektrodenschichten 32 und 34 (z. B. aus Metall). Die Elektrodenschicht 32 bildet hierbei die Anode und die Elektrodenschicht 34 bildet hierbei die Kathode für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes (Wasserstoff) mit dem Oxidationsmittel (Luft).The membrane-electrode assembly 28 comprises an electrically non-conductive, proton-conductive electrolyte membrane 30 and, viewed in the stacking direction z, electrically conductive electrode layers 32 and 34 (e.g . made of metal). The electrode layer 32 forms the anode and the electrode layer 34 forms the cathode for an electrochemical reaction of the fuel (hydrogen) with the oxidizing agent (air).

Im Betrieb der Brennstoffzelle 20 wird somit der Brennstoff (Wasserstoff) ausgehend von der Kanalstruktur 24 über die anodenseitige Gasdiffusionslage 26 an die Elektrodenschicht 32 (Anode) herangeführt.During operation of the fuel cell 20, the fuel (hydrogen) is thus fed from the channel structure 24 via the anode-side gas diffusion layer 26 to the electrode layer 32 (anode).

Das Oxidationsmittel (Luft) wird über eine an die Elektrodenschicht 34 (Kathode) angrenzende kathodenseitige Gasdiffusionslage 36 an diese Elektrodenschicht 34 herangeführt.The oxidizing agent (air) is fed to this electrode layer 34 via a cathode-side gas diffusion layer 36 adjoining the electrode layer 34 (cathode).

In der 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. Die Bipolar-Halbplatte 38 dient im Betrieb der Brennstoffzelle 20 kathodenseitig außerdem zur Abfuhr des von der Brennstoffzelle 20 erzeugten elektrischen Stroms.In the stacking direction z, adjacent to this electrically conductive gas diffusion layer 36 permeable to the oxidizing agent, is an electrically conductive cathode-side bipolar half-plate 38, on the inside of which a channel structure 40 for guiding the oxidizing agent is formed. During operation of the fuel cell 20 , the bipolar half-plate 38 is also used on the cathode side to carry away the electrical current generated by the fuel cell 20 .

Eine erste Besonderheit der Brennstoffzelle 20 besteht darin, dass die Oxidationsmittel-führende Kanalstruktur 40 an zwei in der ersten Querrichtung x betrachtet einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzelle 20 offen ist, um eine Strömung des Oxidationsmittels in der ersten Querrichtung x durch die Kanalstruktur 40 hindurch zu ermöglichen. In Übereinstimmung mit der schematischen Darstellung der Kanalstruktur 40 in 1 besteht diese Oxidationsmittel-führende Kanalstruktur 40 aus in der ersten Querrichtung x parallel zueinander und insbesondere jeweils geradlinig parallel zueinander verlaufenden Oxidationsmittelkanälen (z. B. mehr als 10, insbesondere mehr als 50 Kanäle pro Brennstoffzelle 20). Es ergibt sich dann pro Brennstoffzelle 20 eine entsprechende Anzahl an Einlassöffnungen dieser Kanäle an einer Einlassseite (in 1 z. B. oberhalb der Zeichenebene) und eine entsprechende Anzahl von Auslassöffnungen an einer Auslassseite (in 1 z. B. unterhalb der Zeichenebene).A first special feature of the fuel cell 20 is that the oxidant-carrying channel structure 40 is open on two opposite sides of the fuel cell 20 viewed in the first transverse direction x, in order to allow the oxidant to flow through the channel structure 40 in the first transverse direction x . In accordance with the schematic representation of the channel structure 40 in 1 this oxidant-carrying channel structure 40 consists of oxidant channels running parallel to one another in the first transverse direction x and in particular in each case in a straight line parallel to one another (e.g. more than 10, in particular more than 50 channels per fuel cell 20). There is then a corresponding number of inlet openings of these channels per fuel cell 20 on one inlet side (in 1 e.g . B. above the plane of the drawing) and a corresponding number of outlet openings on an outlet side (in 1 e.g . B. below the drawing level).

Eine Besonderheit der Brennstoffzelle 20 bzw. der durch Stapeln solcher Brennstoffzellen 20 gebildeten Brennstoffzellenanordnung 10 besteht darin, dass jede der Brennstoffzellen 20 an wenigstens einer von zwei in der zweiten Querrichtung y betrachtet einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzellenanordnung 10 in ihrem entsprechenden seitlichen Randbereich eine Dichtung 50 aufweist, die in diesem seitlichen Randbereich an der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte 22, der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte 38 und der Membran-Elektroden-Einheit 28 anliegt, um von der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte 22 zur Membran-Elektroden-Einheit 28 hin und von der Membran-Elektroden-Einheit 28 zur kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte 38 hin abzudichten, und dass diese Dichtungen 50 jeweils in der zweiten Querrichtung y über seitliche Ränder 23, 39 der Bipolar-Halbplatten 22, 38 herausragen und diese seitlichen Ränder 23, 39 derart (und zumindest teilweise) umgreifen, dass die Dichtungen 50 von in Stapelrichtung z einander benachbarten Brennstoffzellen 20 aneinander anliegen.A special feature of the fuel cell 20 or of the fuel cell arrangement 10 formed by stacking such fuel cells 20 is that each of the fuel cells 20 has a seal 50 in its corresponding lateral edge region on at least one of two opposite sides of the fuel cell arrangement 10 viewed in the second transverse direction y , which rests against the anode-side bipolar half-plate 22, the cathode-side bipolar half-plate 38 and the membrane-electrode unit 28 in this lateral edge region, in order to move from the anode-side bipolar half-plate 22 to the membrane-electrode unit 28 and from the membrane -electrode unit 28 towards the cathode-side bipolar half-plate 38, and that these seals 50 each protrude in the second transverse direction y over lateral edges 23, 39 of the bipolar half-plates 22, 38 and these lateral edges 23, 39 in such a way (and at least partially) encompass that the seals 50 from in Stacking direction z adjacent fuel cells 20 abut each other.

Bei dem Beispiel der Brennstoffzelle 20 gemäß 1 ist die Dichtung 50 einstückig ausgebildet und erstreckt sich hierbei streifenförmig in der ersten Querrichtung x z. B. über die gesamte Länge des entsprechenden seitlichen Randbereiches (in 1 links).In the example of the fuel cell 20 according to FIG 1 the seal 50 is formed in one piece and extends in the form of a strip in the first transverse direction x z. B. along the entire length of the corresponding lateral edge area (in 1 Left).

In diesem seitlichen Randbereich ragt die Elektrolytmembran 30 in der zweiten Querrichtung y über seitliche Ränder der benachbarten Gasdiffusionslagen 26, 36 heraus, wobei an dem herausragenden Abschnitt der Elektrolytmembran 30 eine so genannte Unterdichtung 42 vorgesehen ist, die im Beispiel bei der Vorfertigung der Membran-Elektroden-Einheit 28 als Bestandteil derselben ausgebildet wurde.In this lateral edge area, the electrolyte membrane 30 protrudes in the second transverse direction y beyond the lateral edges of the adjacent gas diffusion layers 26, 36, a so-called sub-seal 42 being provided on the protruding section of the electrolyte membrane 30, which in the example is used during the prefabrication of the membrane electrodes -Unit 28 was formed as part of the same.

Die einstückige Dichtung 50 liegt im in 1 gezeigten seitlichen Randbereich der Brennstoffzelle 20 an den Innenseiten der Bipolar-Halbplatten 22, 38 und an der Unterdichtung 42 der Membran-Elektroden-Einheit 28 an. Die Dichtung 50 dichtet somit sowohl von der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte 22 zur Membran-Elektroden-Einheit 28 hin als auch von der Membran-Elektroden-Einheit 28 zur kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte 38 hin ab. Abweichend vom in 1 gezeigten Beispiel wird in einer Ausführungsform die Unterdichtung (die bei herkömmlichen Brennstoffzellenanordnung auch als ein Halterahmen für die Membran-Elektroden-Einheit dient) weggelassen.The one-piece seal 50 is in the in 1 shown lateral edge area of the fuel cell 20 on the insides of the bipolar half plates 22, 38 and on the sub-gasket 42 of the membrane electrode assembly 28. The seal 50 thus seals both from the anode-side bipolar half-plate 22 to the membrane-electrode assembly 28 and from the membrane-electrode assembly 28 to the cathode denseiten bipolar half-plate 38 down. Deviating from the in 1 In the example shown, in one embodiment the subgasket (which also serves as a support frame for the membrane electrode assembly in conventional fuel cell assemblies) is omitted.

Die Dichtung oder Dichtungen 50 werden in einem Anbringungsschritt 510 als flüssiges Dichtmedium 5 an dem Randbereich der Stapelanordnung angebracht, und dann wird das flüssige Dichtmedium in einem Aushärteschritt (520) ausgehärtet.The gasket or gaskets 50 are applied as liquid sealing medium 5 to the edge region of the stack assembly in an application step 510, and then the liquid sealing medium is cured in a curing step (520).

Aus 1 ist ferner ersichtlich, wie die Dichtung 50 in der zweiten Querrichtung y, in 1 nach links, über die seitlichen Ränder 23 (der Bipolar-Halbplatte 22) und 39 (der Bipolar-Halbplatte 38) herausragt und diese seitlichen Ränder 23, 39 teilweise umgreift. Die Dichtung 50 ist somit auf der in 1 links dargestellten Außenseite der Brennstoffzelle 20, d. h. über die seitlichen Ränder 23, 39 hinaus, erweitert, wobei durch den teilweisen Umgriff dieser Ränder 23, 39 die beiden Enden der Dichtung 50 in Stapelrichtung z betrachtet jeweils etwas über die Bipolar-Halbplatten 22, 38 überstehen (in 1 nach oben und unten).Out of 1 it can also be seen how the seal 50 in the second transverse direction y, in 1 to the left, protrudes beyond the lateral edges 23 (of the bipolar half-plate 22) and 39 (of the bipolar half-plate 38) and partially encompasses these lateral edges 23, 39. The seal 50 is thus on the in 1 outside of the fuel cell 20 shown on the left, i.e. beyond the lateral edges 23, 39, whereby the two ends of the seal 50, viewed in the stacking direction z, protrude somewhat beyond the bipolar half plates 22, 38 due to the partial encompassing of these edges 23, 39 (in 1 up and down).

2 veranschaulicht die Brennstoffzellenanordnung 10, die durch stapelndes Anordnen von Brennstoffzellen 20 (1) in der Stapelrichtung z gebildet wurde. In dieser Ausführung sind die Bipolarplatten so ausgeformt, dass Befüllkammern 49 entstehen, welche mit Dichtungsmedien gefüllt werden. 2 12 illustrates the fuel cell assembly 10 formed by stacking fuel cells 20 ( 1 ) was formed in the stacking direction z. In this embodiment, the bipolar plates are shaped in such a way that filling chambers 49 are formed, which are filled with sealing media.

Auf der in 2 nicht dargestellten, in der zweiten Querrichtung y entgegengesetzten Seite der Brennstoffzellenanordnung 10 ist die Brennstoffzellenanordnung 10 bevorzugt in einer Weise ausgebildet, die der Gestaltung der in 2 links dargestellten Seite entspricht, d. h. auch dort sind (spiegelbildlich) angeordnete Dichtungen vorgesehen.on the inside 2 not shown, opposite side of the fuel cell arrangement 10 in the second transverse direction y, the fuel cell arrangement 10 is preferably designed in a way that corresponds to the design in FIG 2 corresponds to the page shown on the left, ie (mirrored) arranged seals are also provided there.

In dem Beispiel gemäß der 1 und 2 führt ein seitlicher Überstand der Dichtungen zu einer an der entsprechenden Seite der Brennstoffzellenanordnung 10 ausgebildeten, die gestapelten Brennstoffzellen 20 an dieser Seite gewissermaßen einhüllenden Dichtstruktur, durch welche z. B. parasitäre Oxidationsmittelströme von der Einlassseite am Brennstoffzellenstapel vorbei zur Auslassseite vorteilhaft unterdrückt werden können. Darüber hinaus wird mit dieser Dichtstruktur vorteilhaft eine an der betreffenden Seite der Brennstoffzellenanordnung 10 wirkende elektrische Isolation gebildet.In the example according to the 1 and 2 If the seals protrude laterally, this leads to a sealing structure which is formed on the corresponding side of the fuel cell arrangement 10 and to a certain extent envelops the stacked fuel cells 20 on this side. B. parasitic oxidant flows from the inlet side to the fuel cell stack over to the outlet side can be advantageously suppressed. In addition, this sealing structure advantageously forms electrical insulation that acts on the relevant side of the fuel cell arrangement 10 .

Voll zum Tragen kommen diese Vorteile nach Integration des in 2 gezeigten Brennstoffzellenstapels in eine entsprechende Installationsumgebung. 3 zeigt eine Ausführung des erfinderischen Konzeptes. Um eine Dichtung zu formen, wird die Brennstoffzellenanordnung in einem „Tauch- oder Sprühverfahren“ (je nach Ausführung) mit einem flüssigen, dafür geeigneten Dichtmedium (siehe oben) versehen. In einer Ausführungsform erfolgt das Aufbringen oder Einbringen der Dichtungsmasse in dem die Brennstoffzellenanordnung in einem Gefäß oder Behälter mit Dichtmedium eingetaucht wird (siehe 3). In einer alternativen Ausführungsform erfolgt das Anbringen der Dichtungsmasse indem es auf die Brennstoffzellenanordnung gesprüht oder gespritzt wird.These advantages come into full effect after the integration of the in 2 shown fuel cell stack in an appropriate installation environment. 3 Figure 1 shows an embodiment of the inventive concept. In order to form a seal, the fuel cell assembly is provided with a liquid, suitable sealing medium (see above) in a "dipping or spraying process" (depending on the design). In one embodiment, the sealing compound is applied or introduced by immersing the fuel cell arrangement in a vessel or container with sealing medium (see 3 ). In an alternative embodiment, the sealing compound is applied by being sprayed or squirted onto the fuel cell assembly.

Hierzu können die Bipolarplatten so ausgeformt sein, dass Befüllkammern 349 entstehen, welche mit Dichtungsmedien gefüllt werden. Passende Dichtungsmedien sind dem Fachmann bekannt, wie z.B. Silikone, FKM oder Propylenoxide [PO]. Die Dichtung bildet somit quasi einen Rahmen um den Zellstapel der Brennstoffzelle, welcher sowohl die gasförmigen als auch flüssigen Medien voneinander isoliert. Je nach Ausführung wird diese Dichtung sowohl zwischen zwei Bipolarplatten und der Membran-Haltefolie als auch zwischen zwei Bipolar-Halbschalen eingebracht, je nachdem, ob die Bipolar-Halbschalen schon verbunden und gedichtet wurden, oder noch eine Dichtung gegenüber dem Kühlmedium nötig oder wünschenswert ist.For this purpose, the bipolar plates can be shaped in such a way that filling chambers 349 are created, which are filled with sealing media. Suitable sealing media are known to those skilled in the art, such as silicone, FKM or propylene oxide [PO]. The seal thus forms a kind of frame around the cell stack of the fuel cell, which isolates both the gaseous and liquid media from one another. Depending on the design, this seal is inserted both between two bipolar plates and the membrane retaining film and between two bipolar half-shells, depending on whether the bipolar half-shells have already been connected and sealed, or whether a seal against the cooling medium is necessary or desirable.

Nachdem die Stapelanordnung in dem Anbringungsschritt mit dem Randbereich in ein flüssiges Dichtmedium 305 zusammengebracht wurde, füllt das Dichtmedium den kompletten Hohlraum, welcher durch die Öffnungen 1c und 1d gegeben sind. Um eine vollständige, und insbesondere blasenfreie Füllung des Hohlraums zu gewährleisten, kann der Tauchschritt oder sonstige Anbringungsschritt z.B. durch eine Ultraschall-Behandlung, ein mehrmaliges Ein- und Austauchen oder ähnliche Maßnahmen unterstützt werden.After the stack arrangement has been brought together with the edge region in a liquid sealing medium 305 in the attachment step, the sealing medium fills the complete cavity which is given by the openings 1c and 1d. In order to ensure a complete and, in particular, bubble-free filling of the cavity, the dipping step or other attachment step can be supported, for example, by an ultrasonic treatment, repeated dipping and dipping, or similar measures.

In einem Trocknungs- oder Aushärteschritt bildet das zunächst flüssig in die Befüllkammern 349 eingebrachte Dichtungsmedium eine feste, dennoch flexible Masse, die als solche mediendicht ist. Der Trocknungs- oder Aushärteschritt ist materialspezifisch nach Wahl des Dichtungsmaterials, z.B. thermische Nachbehandlung, Beleuchtung oder Wartezeit, oder eine Kombination aus mehreren Ansätzen.In a drying or curing step, the sealing medium that is initially introduced in liquid form into the filling chambers 349 forms a solid, yet flexible mass that is media-tight as such. The drying or curing step is material-specific depending on the choice of sealing material, e.g. thermal post-treatment, lighting or waiting time, or a combination of several approaches.

Eine erste Modifikation besteht darin, dass die Dichtungen 50-1, 50-2, ... derart formgestaltet sind, dass auch ohne Einwirkung von Kompressionskräften die Anordnung der Dichtungen 50-1, 50-2, ... im Querschnitt (4) betrachtet bereits im Wesentlichen „keine Dichtungslücken“ aufweist (z. B. im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Anordnung 50-1, 50-2, ...). Der in 4 ersichtliche Querschnitt besitzt zumindest am seitlichen Ende (in 4 ganz links) bis hin zu den seitlichen Rändern der Bipolar-Halbplatten keine solchen Lücken. Um eine vollständige (insbesondere blasenfreie) Füllung des Hohlraums zu gewährleisten, kann ein Tauchschritt oder sonstiger Anbringungsschritt z.B. durch eine Ultraschall-Behandlung, ein mehrmaliges Ein- und Austauchen oder ähnliche Maßnahmen unterstützt werden.A first modification is that the seals 50-1, 50-2, ... are shaped in such a way that the arrangement of the seals 50-1, 50-2, ... in cross section ( 4 ) already considered essentially "no gaps in the seal" (e.g. in contrast to the in 2 shown arrangement 50-1, 50-2, ...). the inside 4 apparent cross-section has at least at the lateral end (in 4 quite left) up to the lateral edges of the bipolar half plates no such gaps. In order to ensure a complete (particularly bubble-free) filling of the cavity, an immersion step or other attachment step can be supported, for example, by an ultrasonic treatment, repeated immersion and removal, or similar measures.

Als weitere Ausführungsform der Erfindung kann mittels mechanischer Verspannung des Stapels entlang der Stapelrichtung eine bessere Fixierung des Dichtmediums und damit der Dichtungseigenschaften erfolgen.As a further embodiment of the invention, the sealing medium and thus the sealing properties can be better fixed by means of mechanical bracing of the stack along the stacking direction.

Eine weitere Modifikation besteht darin, dass die Dichtungen 50-1, 50-2, ... derart formgestaltet sind, dass die Dichtungen 50-1, 50-2, ... von in Stapelrichtung z einander benachbarten Brennstoffzellen 20-1, 20-2, ... unter Ausbildung einer jeweiligen Formschlussverbindung aneinander anliegen. Im Beispiel von 4 sind die Dichtungen 50-1, 50-2, ... mit in Stapelrichtung z orientierten Vorsprüngen und korrespondierenden Vertiefungen versehen, sodass die Vorsprünge in die korrespondierenden Vertiefungen eingreifen.A further modification is that the seals 50-1, 50-2, ... are shaped in such a way that the seals 50-1, 50-2, ... of fuel cells 20-1, 20 -2, ... abut each other to form a respective form-fitting connection. In the example of 4 the seals 50-1, 50-2, ... are provided with projections oriented in the stacking direction z and corresponding depressions, so that the projections engage in the corresponding depressions.

Im Beispiel besitzt jede der Dichtungen 50-1, 50-2, ... einen Vorsprung und eine Vertiefung (an den in Stapelrichtung z einander entgegengesetzten Enden). Abweichend davon könnten an jeder Dichtung auch mehrere Vorsprünge und korrespondierende Vertiefungen vorgesehen sein, beispielsweise zur Ausbildung von jeweils vielfach verzahnten Anlagebereichen zwischen einander benachbarten Dichtungen 50-1, 50-2, .... Abweichend von dem in 3 gezeigten Beispiel könnte z. B. nur die erste oder nur die zweite der vorstehend erläuterten Modifikationen vorgesehen sein.In the example, each of the gaskets 50-1, 50-2, ... has a projection and a recess (at the opposite ends in the stacking direction z). Deviating from this, several projections and corresponding depressions could also be provided on each seal, for example to form contact areas with multiple teeth between adjacent seals 50-1, 50-2, .... Deviating from the in 3 example shown could e.g. B. only the first or only the second of the modifications explained above may be provided.

Um die gestapelte Anordnung der Brennstoffzellen 20-1, 20-2, ... mitsamt der Dichtungen 50-1, 50-2, ... mechanisch zu stabilisieren bzw. zu fixieren, können im Beispiel von 2 an beiden in Stapelrichtung z betrachteten Enden der Brennstoffzellenanordnung 10 so genannte „Endplatten“ vorgesehen sein. Die beiden Endplatten können hierbei während der Montage des Brennstoffzellenstapels z. B. zueinander verspannt werden (z. B. mittels einer Verschraubung).In order to mechanically stabilize or fix the stacked arrangement of the fuel cells 20-1, 20-2, ... together with the seals 50-1, 50-2, ..., in the example of 2 so-called “end plates” can be provided at both ends of the fuel cell arrangement 10 viewed in the stacking direction z. The two end plates can here during assembly of the fuel cell stack z. B. are clamped to each other (z. B. by means of a screw).

In einer weiteren Ausführungsform kann ein Gehäuseelement, welches orthogonal zur Stapelrichtung an die aufgebrachte Dichtung angepresst wird, dessen funktionale Eigenschaften, bzw. die Haftung an den Zellen verbessern. Die Endplatte kann in einer Ausführung (wie jede der Dichtungen) mit einem in Stapelrichtung z orientierten Vorsprung versehen sein, der in die korrespondierende Vertiefung der angrenzenden Dichtung 50-1 eingreift. Die Endplatte am entgegengesetzten Ende des Brennstoffzellenstapels wäre dementsprechend mit einer Vertiefung zu versehen, in welche ein korrespondierender Vorsprung der angrenzenden Dichtung eingreift.In a further embodiment, a housing element which is pressed onto the applied seal orthogonally to the stacking direction can improve its functional properties or adhesion to the cells. In one embodiment, the end plate (like each of the seals) can be provided with a projection oriented in the stacking direction z, which engages in the corresponding depression of the adjacent seal 50-1. Accordingly, the end plate at the opposite end of the fuel cell stack would have to be provided with a recess into which a corresponding projection of the adjacent seal engages.

4 veranschaulicht einen Anbringungsschritt 410 und einen Aushärteschritt 420. Der Anbringungsschritt in dieser Ausführung kann als ein Tauchverfahren gemäß des Ausführungsbeispiels ausgeführt sein. So wird in dem Anbringungsschritt 410 die Stapelanordnung mit dem Randbereich in ein flüssiges Dichtmedium getaucht. Hierbei füllt das Dichtmedium bei diesem Anbringungsschritt als Tauch-Schritt den kompletten Hohlraum, welcher durch die Öffnungen 1c und 1d gegeben sind. Um eine vollständige (insbesondere blasenfreie) Füllung des Hohlraums zu gewährleisten, kann der Anbringungsschritt oder Tauchschritt z.B. durch eine Ultraschall-Behandlung, ein mehrmaliges Ein- und Austauchen oder ähnliche Maßnahmen unterstützt werden. In einer alternativen Ausführung könnte der Anbringungsschritt als ein Ansprühschritt ausgeführt werden. Auch wäre das Anbringen des flüssigen Dichtmediums z.B. mit einem Kombiverfahren oder Streichverfahren denkbar. 4 12 illustrates an attaching step 410 and a curing step 420. The attaching step in this embodiment can be implemented as a dipping method according to the embodiment. Thus, in the attachment step 410, the edge region of the stacked arrangement is immersed in a liquid sealing medium. In this case, the sealing medium fills the complete cavity, which is given by the openings 1c and 1d, in this attachment step as a dipping step. In order to ensure a complete (particularly bubble-free) filling of the cavity, the attachment step or dipping step can be supported, for example, by an ultrasonic treatment, repeated immersion and removal or similar measures. In an alternative embodiment, the attaching step could be carried out as a spraying step. It would also be conceivable for the liquid sealing medium to be applied, for example using a combined process or painting process.

In Schritt 520 wird das Dichtmittel, welches den Hohlraum gefüllt hat, durch ein geeignetes Aushärteverfahren (z.B. UV-Beleuchtung, Erwärmen, Vernetzung durch 2-Komponenten oder Aktivierungsmittel etc.) gefestigt. In einer Ausführung kann dieser Aushärteschritt in einem Schritt geschehen. Somit kann die Dichtung in einem einzigen Schritt eingebracht werden. In einer alternativen Ausführung wird dieser Aushärteschritt als mehrere Teilschritte zum Austrocknen des Dichtmediums ausgeführt, z.B. mit Kombinationen mehrerer der Schritte UV-Beleuchtung, Erwärmen, Vernetzung durch 2-Komponenten und/oder Anbringen eines Aktivierungsmittels, wobei die Schritte entweder sequentiell oder zum Teil parallel laufen.In step 520, the sealant that filled the cavity is set by a suitable curing process (e.g., UV lighting, heating, crosslinking by 2-component or activating agent, etc.). In one embodiment, this curing step can be done in one step. Thus, the seal can be installed in a single step. In an alternative embodiment, this curing step is carried out as several sub-steps for drying out the sealing medium, e.g. with combinations of several of the steps of UV lighting, heating, crosslinking by 2-components and/or application of an activating agent, the steps running either sequentially or partly in parallel .

Anhand einer dieser Ausführungen müssen weniger Einzelkomponenten zu einem Brennstoffzellen-Stapel zusammengeführt werden, und insbesondere werden keine vorgeformten Dichtungen benötigt. Entsprechend müssen weniger Toleranzen beachtet werden und Handling-Zeiten können reduziert werden. Die mechanische Verspannung der aktiven Fläche eines Stapels kann (teilweise, je nach Ausführung) von der Verspannung der Dichtungslagen entkoppelt werden. Eine gleichmäßigere Kraftverteilung im aktiven Bereich erhöht dadurch die Leistungsdichte der Zellen/des Systems.Using one of these designs, fewer individual components need to be assembled into a fuel cell stack and, in particular, no preformed gaskets are required. Accordingly, fewer tolerances have to be considered and handling times can be reduced. The mechanical tension of the active surface of a stack can (partially, depending on the design) be decoupled from the tension of the sealing layers. A more even force distribution in the active area thereby increases the power density of the cells/the system.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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

Claims

Fuel cell arrangement (10), having fuel cells (20) arranged stacked in a stacking direction (z), the fuel cells (20) each being plate-shaped and viewed orthogonally to the stacking direction (z) in a first transverse direction (x) and one orthogonal thereto second transverse direction (y), the fuel cells (20) each having stacked in the stacking direction (z): - an anode-side bipolar half-plate (22) with a channel structure (24) for guiding a fuel, - an anode-side gas diffusion layer (26) - a membrane-electrode unit (28), having 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 with an oxidizing agent, - a cathode-side gas diffusion layer (36), - a cathode-side bipolar half-plate (38) with a channel structure (40) for guiding the oxidant, which is open on two opposite sides of the fuel cell (20) viewed in the first transverse direction (x) in order to allow a flow of the oxidant in the first transverse direction (x) through the fuel cell arrangement (10). allow, characterized in that each of the fuel cells (20) on at least one of two opposite sides of the fuel cell arrangement (10) viewed in the second transverse direction (y) in its corresponding lateral edge region also has a seal (50) which in this lateral Edge area rests against the anode-side bipolar half-plate (22), the cathode-side bipolar half-plate (38) and the membrane-electrode unit (28) in order to move from the anode-side bipolar half-plate (22) to the membrane-electrode unit (28) to and from the membrane-electrode assembly (28) to the cathode-side bipolar half-plate (38) to be sealed, and the seals (50) in an attachment ng step (410) have been applied as liquid sealing medium (5) to the edge region of the stack arrangement, and in a curing step (420) the liquid sealing medium has been cured.

procedure after claim 1 , wherein the sealing medium (5) is applied by immersion in a vessel or container with sealing medium (305).

procedure after claim 1 , whereby the sealing medium (5) is applied with a spraying process.

Fuel cell arrangement (10) after claim 1 wherein the seals (50) are provided in the respective lateral edge regions of the fuel cells (20) on both of the opposite sides of the fuel cell assembly (10) viewed in the second transverse direction (y).

Fuel cell arrangement (10) according to one of the preceding claims, further comprising a housing (60) surrounding the stacked fuel cells (20) at least on the two opposite sides of the fuel cell arrangement (10) viewed in the second transverse direction (y), on the inside of which the seals (50).

Fuel cell arrangement (10) after claim 5 , wherein the housing (60) is formed from an electrically conductive material, in particular a metallic material.

Fuel cell arrangement (10) according to any one of the preceding claims, wherein the attachment step is characterized by an ultrasonic treatment or by repeated immersion and removal.

Fuel cell arrangement (10) according to any one of the preceding claims, wherein the stack is braced to the final stack height only after the seal has been applied.

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), wherein the fuel cells (20) are each plate-shaped, orthogonal each extend in a first transverse direction (x) and in a second transverse direction (y) orthogonal thereto, viewed in relation to the stacking direction (z), and the fuel cells (20) each have stacked in the stacking direction (z): an anode-side bipolar half-plate (22) with a channel structure (24) for guiding a fuel; an anode-side gas diffusion layer (26); a membrane-electrode unit (28), having 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 form with an oxidizing agent; a cathode-side gas diffusion layer (36); and a cathode-side bipolar half-plate (38) having a channel structure (40) for guiding the oxidant and which is open on two opposite sides of the fuel cell (20) as viewed in the first transverse direction (x) in order to flow of the oxidizing agent in the first transverse direction (x) through the fuel cell arrangement (10), characterized in that in an attachment step (510) a liquid sealing medium (5) is attached to the edge region of the stack arrangement, and in a curing step (520) the liquid sealing medium is hardened.

procedure after claim 9 , wherein the sealing medium (5) is applied by immersion in a vessel or container with sealing medium (305).

procedure after claim 9 , whereby the sealing medium (5) is applied with a spraying process.