DE102020216001A1

DE102020216001A1 - Zwischenlage für eine Brennstoffzelle, System mit einer Zwischenlage und einer Membran-Elektroden-Einheit und Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102020216001A1
Application number: DE102020216001.5A
Authority: DE
Inventors: Anton Ringel; Andreas Ringk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2022-06-23
Also published as: CN220456455U; WO2022128304A1

Abstract

Zwischenlage (1) für eine Brennstoffzelle (100), wobei die Zwischenlage (1) einen ersten einer Anodenplatte (110a, 110b) zugewandten Körper (10) und einen an den ersten Körper (10) zumindest teilweise angeordneten zweiten einer Kathodenplatte (120a, 120b) zugewandten Körper (20) mit jeweils zumindest einer Öffnung (12a - 12g, 22a - 22g) zum Ausbilden einer rahmenartigen Einfassöffnung (32a) zum Einfassen einer Membran-Elektroden-Einheit (50) der Brennstoffzelle (100) umfasst, wobei die Zwischenlage (1) temperaturbeständig ist, wobei der erste Körper (10) aus einem ersten Werkstoff (W1) gebildet ist und der zweite Körper (20) aus einem zweiten Werkstoff (W2) gebildet ist.

Description

Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, wobei diese zwei Elektroden, welche mittels eines ionenleitenden Elektrolyten voneinander separiert sind, aufweist. Die Brennstoffzelle wandelt die Energie einer chemischen Reaktion eines Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel direkt in Elektrizität um. Es existieren verschiedene Typen von Brennstoffzellen.
Ein spezieller Brennstoffzellentyp ist die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEM-FC). In einem aktiven Bereich einer PEM-FC grenzen an eine Polymerelektrolytmembran (PEM) zwei poröse Elektroden mit einer Katalysatorschicht an. Weiter umfasst die PEM-FC im aktiven Bereich Gasdiffusionslagen (GDL), welche die Polymerelektrolytmembran (PEM) und die zwei porösen Elektroden mit einer Katalysatorschicht beidseitig begrenzen. Die PEM, die beiden Elektroden mit der Katalysatorschicht und die beiden GDL können eine sog. Membran-Elektroden-Einheit (MEA) in dem aktiven Bereich der PEM-FC bilden. Zwei sich gegenüberliegende Bipolarplatten(-hälften) wiederum begrenzen beidseitig die MEA. Ein Brennstoffzellenstapel ist aus abwechselnd übereinander angeordneten MEA und Bipolarplatten aufgebaut. Mit einer Anodenplatte einer Bipolarplatte findet eine Verteilung des Brennstoffes, insbesondere Wasserstoff, und mit einer Kathodenplatte der Bipolarplatte eine Verteilung des Oxidationsmittels, insbesondere Luft/Sauerstoff, statt. Zur elektrischen Isolierung benachbarter Bipolarplatten, zur Formstabilisierung der MEA und zum Verhindern von einem ungewollten Entweichen des Brennstoffes bzw. des Oxidationsmittels kann die MEA in einer rahmenartigen Öffnung zweier aneinander angeordneten Folien eingefasst werden. Üblicherweise sind die beiden Folien aus dem gleichen Werkstoff, bspw. Polyethylennaphthalat (PEN), gebildet. Die aus dem gleichen Werkstoff gebildeten, beiden Folien können verzichtbar redundante Eigenschaften, bspw. wie eine elektrische Isolierfähigkeit (elektrisch isolierend) und/oder eine Sauerstoffdichtigkeit jeder der beiden Folien, aufweisen.
In der DE 101 40 684 A1 ist eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle, enthaltend eine Schichtanordnung aus einer Anoden-Elektrode, einer Kathoden-Elektrode und einer dazwischen angeordneten Membran, offenbart, wobei auf eine Ober- und Unterseite der Schichtanordnung ein Polymermaterial aufgebracht wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zeigt eine Zwischenlage gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, ein System mit einer Zwischenlage und einer Membran-Elektroden-Einheit gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie eine Brennstoffzelle gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Zwischenlage beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System mit der Zwischenlage und der Membran-Elektroden-Einheit und der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Zwischenlage für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels, wobei die Zwischenlage zwischen einer Anodenplatte der Brennstoffzelle zum Führen eines Brennstoff-aufweisenden Fluids und einer der Anodenplatte gegenüberliegenden Kathodenplatte der Brennstoffzelle zum Führen eines Oxidationsmittel-aufweisenden Fluids anordenbar ist. Ferner umfasst die Zwischenlage einen ersten der Anodenplatte zugewandten Körper und einen an den ersten Körper zumindest tlw. angeordneten zweiten der Kathodenplatte zugewandten Körper mit jeweils zumindest einer Öffnung, wobei die zumindest eine Öffnung des ersten Körpers und die zumindest eine Öffnung des zweiten Körpers sich zumindest tlw. überlappen und eine rahmenartige Einfassöffnung zum Einfassen einer Membran-Elektroden-Einheit der Brennstoffzelle ausgebildet ist. Weiter ist die Zwischenlage temperaturbeständig, insbesondere temperaturbeständig und elektrisch isolierend. Außerdem ist der erste Körper aus einem ersten Werkstoff gebildet und der zweite Körper ist aus einem zweiten Werkstoff gebildet, wobei der erste Werkstoff unterschiedlich zu dem zweiten Werkstoff ist, und wobei der erste Körper derart ausgebildet ist, dass dieser beständig und dicht gegenüber dem Brennstoff-aufweisenden Fluid ist, und wobei der zweite Körper derart ausgebildet ist, dass dieser beständig und dicht gegenüber dem Oxidationsmittel-aufweisenden Fluid ist.
Der erste Körper ist insbesondere beständig und dicht gegenüber dem Brennstoff-aufweisenden Fluid aufgrund des ersten Werkstoffes. Der zweite Körper ist insbesondere beständig und dicht gegenüber dem Oxidationsmittel-aufweisenden Fluid aufgrund des zweiten Werkstoffes.
Die Zwischenlage ist vorzugsweise derart gestaltet, dass die Zwischenlage im Wesentlichen spiegelsymmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch, ist. Mit anderen Worten ist die Gestalt bzw. die Form der Zwischenlage im Wesentlichen spiegelsymmetrisch, insbesondere spiegelsymmetrisch, jedoch ist der erste Körper aus dem ersten Werkstoff gebildet und der zweite Körper ist aus dem zweiten Werkstoff gebildet. Die Spiegelsymmetrieebene der spiegelsymmetrischen Zwischenlage ist vorzugsweise senkrecht zu einer Stapelachse des Brennstoffzellenstapels. Eine solche Zwischenlage ist besonders einfach herzustellen und kann die Membran-Elektroden-Einheit besonders vorteilhaft in der Einfassöffnung einfassen.
Der erste Körper ist insbesondere plattenförmig ausgebildet und/oder der zweite Körper ist insbesondere plattenförmig ausgebildet. Weiter ist der erste, plattenförmige Körper vorzugsweise quaderförmig ausgebildet und/oder der zweite, plattenförmige Körper ist vorzugsweise quaderförmig ausgebildet. Ein quaderförmiger, plattenförmiger Körper ist vorteilhafterweise besonders einfach herzustellen.
Die zumindest eine Öffnung des ersten Körpers und die zumindest eine Öffnung des zweiten Körpers sind insbesondere jeweils als ein Durchbruch durch den ersten Körper bzw. durch den zweiten Körper zu verstehen. Weiter weist die zumindest eine Öffnung des ersten Körpers vorzugsweise in einem Horizontalschnitt eine vieleckige, insbesondere rechteckige, Form auf. Des Weiteren weist die zumindest eine Öffnung des zweiten Körpers vorzugsweise in einem Horizontalschnitt eine vieleckige, insbesondere rechteckige, Form auf. Somit kann besonders vorteilhaft eine in einem Horizontalschnitt vieleckig ausgebildete, insbesondere rechteckig ausgebildete, Membran-Elektroden-Einheit in der rahmenartigen Einfassöffnung eingefasst sein. Vorzugsweise weisen außerdem die zumindest eine Öffnung des ersten Körpers und die zumindest eine Öffnung des zweiten Körpers die gleichen geometrischen Abmessungen auf, wobei sich ferner insbesondere die zumindest eine Öffnung des ersten Körpers und die zumindest eine Öffnung des zweiten Körpers überlappen, insbesondere vollständig überlappen. Somit kann eine besonders vorteilhafte rahmenartige Einfassöffnung zum Einfassen der Membran-Elektroden-Einheit der Brennstoffzelle ausgebildet sein.
Der erste Körper ist insbesondere zumindest tlw. an den zweiten Körper indirekt angeordnet. Mit anderen Worten befindet sich zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper zumindest tlw. wenigstens ein weiterer Körper der Zwischenlage, bspw. eine Klebeschicht. Die Klebeschicht kann insbesondere eine Schmelzklebeschicht sein. Ferner ist auch denkbar, dass der erste Körper insbesondere zumindest tlw. an den zweiten Körper direkt angeordnet ist. Mit anderen Worten kann der erste Körper an den zweiten Körper direkt angepresst sein.
Die rahmenartige Einfassöffnung weist insbesondere einen Rahmenabschnitt bzw. eine Rahmenform auf. Der Rahmenabschnitt ist vorzugsweise umlaufend, insbesondere vollständig umlaufend, in einem Bereich um den Rand der zumindest einen Öffnung des ersten Körpers und in einem Bereich um den Rand der zumindest einen Öffnung des zweiten Körpers ausgebildet. Somit kann eine Membran-Elektroden-Einheit besonders vorteilhaft in der rahmenartigen Einfassöffnung eingefasst sein. Des Weiteren ist der Rahmenabschnitt insbesondere U-förmig ausgebildet. Ein erster Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts kann durch den ersten Körper gebildet sein und ein zweiter Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts kann durch den zweiten Körper gebildet sein. Folglich kann eine Membran-Elektroden-Einheit besonders sicher in der rahmenartigen Einfassöffnung eingefasst sein.
Der erste Körper und der zweite Körper umfassen neben der jeweils zumindest einen Öffnung insbesondere jeweils zumindest eine weitere Öffnung, wobei die zumindest eine weitere Öffnung des ersten Körpers und die zumindest eine weitere Öffnung des zweiten Körpers sich zumindest tlw. überlappen zum Ausbilden einer Funktionsöffnung. Die Funktionsöffnung ist insbesondere eine Sammelöffnung für einen Sammelkanal eines Brennstoffzellenstapels, wobei bspw. in dem Sammelkanal ein Fluid wie das Oxidationsmittel-aufweisende Fluid, das Brennstoffmittel-aufweisende Fluid oder ein Kühlfluid strömen kann.
Die temperaturbeständige Zwischenlage ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Zwischenlage beständig gegenüber in der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels auftretenden Temperaturen, insbesondere im Betrieb des Brennstoffzellenstapels, ist. Vorzugsweise ist der erste Körper und der zweite Körper jeweils temperaturbeständig gegenüber in der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels auftretenden Temperaturen.
Das Brennstoff-aufweisende Fluid umfasst insbesondere den Brennstoff und flüssiges Wasser und/oder dampfförmiges Wasser und/oder Stickstoff. Der Brennstoff kann bei einer PEM-FC Wasserstoff sein. Das Oxidationsmittel-aufweisende Fluid umfasst insbesondere das Oxidationsmittel und flüssiges Wasser und/oder dampfförmiges Wasser. Das Oxidationsmittel kann bei einer PEM-FC Sauerstoff sein. Das Oxidationsmittel-aufweisende Fluid kann bei einer PEM-FC Luft umfassen, wobei die Luft den Sauerstoff als Oxidationsmittel aufweist.
Der erste Werkstoff ist insbesondere gegenüber dem Brennstoff-aufweisenden Fluid bedingt chemisch beständig. Mit anderen Worten kann der erste Werkstoff seine charakteristischen mechanischen, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften für einen bedingten Zeitraum, insbesondere einem Einsatzzeitraum der Zwischenlage, beibehalten. Vorzugsweise ist der erste Werkstoff gegenüber dem Brennstoff-aufweisenden Fluid chemisch beständig. Mit anderen Worten kann der erste Werkstoff seine charakteristischen mechanischen, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften dauerhaft beibehalten. Insbesondere reagiert der erste Werkstoff mit dem Brennstoff-aufweisenden Fluid nicht. Somit kann sichergestellt werden, dass der erste Körper seine Eigenschaften und Funktionen, bspw. die Dichtheit gegenüber dem Brennstoff-aufweisenden Fluid, erhält. Weiter kann der erste Werkstoff insbesondere gegenüber dem Oxidationsmittel-aufweisenden Fluid unbeständig, insbesondere chemisch unbeständig, und/oder permeabel sein. Vorteilhafterweise kann somit der erste Werkstoff bzw. erste Körper bzw. die Zwischenlage besonders einfach ausgebildet sein und besonders kostengünstig sein, da der erste Körper entbehrliche Eigenschaften, wie die Beständigkeit gegenüber dem Oxidationsmittel-aufweisenden Fluid, nicht aufweist.
Ebenso ist der zweite Werkstoff insbesondere gegenüber dem Oxidationsmittel-aufweisenden Fluid bedingt chemisch beständig. Mit anderen Worten kann der zweite Werkstoff seine charakteristischen mechanischen, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften für einen bedingten Zeitraum, insbesondere einem Einsatzzeitraum der Zwischenlage, beibehalten. Vorzugsweise ist der zweite Werkstoff gegenüber dem Oxidationsmittel-aufweisenden Fluid chemisch beständig. Mit anderen Worten kann der zweite Werkstoff seine charakteristischen mechanischen, physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften dauerhaft beibehalten. Insbesondere reagiert der zweite Werkstoff mit dem Oxidationsmittel-aufweisenden Fluid nicht. Somit kann sichergestellt werden, dass der zweite Körper seine Eigenschaften und Funktionen, bspw. die Dichtheit gegenüber dem Oxidationsmittel-aufweisenden Fluid, erhält. Weiter kann der zweite Werkstoff insbesondere gegenüber dem Brennstoffmittel-aufweisenden Fluid unbeständig, insbesondere chemisch unbeständig, und/oder permeabel sein. Vorteilhafterweise kann somit der zweite Werkstoff bzw. zweite Körper bzw. die Zwischenlage besonders einfach ausgebildet sein und besonders kostengünstig sein, da der zweite Körper entbehrliche Eigenschaften, wie die Beständigkeit gegenüber dem Brennstoffmittel-aufweisenden Fluid, nicht aufweist.
Ferner ist der erste Körper bzw. der erste Werkstoff insbesondere gasdicht gegenüber dem Brennstoff-aufweisenden Fluid und/oder der zweite Körper bzw. der zweite Werkstoff ist vorzugsweise gasdicht gegenüber dem Oxidationsmittel-aufweisenden Fluid. Insbesondere weist der erste gegenüber dem Brennstoff-aufweisenden Fluid gasdichte Körper bzw. der erste gegenüber dem Brennstoff-aufweisenden Fluid gasdichte Werkstoff eine Brennstoff-Permeabilität kleiner gleich 1 × 10^-9 gcm/cm²sec bar auf. Somit kann die Zwischenlage besonders vorteilhaft ausgebildet sein. Vorzugsweise weist der zweite gegenüber dem Oxidationsmittel-aufweisenden Fluid gasdichte Körper bzw. der zweite gegenüber dem Oxidationsmittel-aufweisenden Fluid gasdichte Werkstoff eine Oxidationsmittel-Permeabilität kleiner gleich 1 × 10^-9 gcm/cm²sec bar auf. Somit kann die Zwischenlage besonders vorteilhaft ausgebildet sein.
Insbesondere sind der erste Körper, insbesondere der erste Werkstoff, korrosionsbeständig gegenüber Brennstoffmittel-aufweisenden Fluid und/oder der zweite Körper, insbesondere der zweite Werkstoff, korrosionsbeständig gegenüber dem Oxidationsmittel-aufweisenden Fluid.
Die erfindungsgemäße Zwischenlage weist vorteilhafterweise einen derartigen ersten Körper aus dem ersten Werkstoff und den zweiten Körper aus dem zweiten Werkstoff auf, dass der erste Körper auf die Anforderungen, wie der Temperatur der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels im Betrieb und/oder dem Brennstoff-aufweisenden Fluid, abgestimmt ist. Weiter ist der zweite Körper auf die Anforderungen, wie der Temperatur der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels im Betrieb und/oder dem Oxidationsmittel-aufweisenden Fluid, abgestimmt. Somit kann eine besonders günstige, einfach ausgebildete und auf die Anforderungen einer Anodenseite bzw. Kathodenseite der Brennstoffzelle verbesserte Zwischenlage erhalten werden.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Zwischenlage der erste Körper homogen über eine Erstreckung des ersten Körpers ausgebildet ist und/oder der zweite Körper homogen über eine Erstreckung des zweiten Körpers ausgebildet ist. Der homogen ausgebildete erste Körper weist insbesondere über seine Ausdehnung die gleichen Eigenschaften, vorzugsweise die gleichen chemischen und/oder physikalischen und/oder mechanischen Eigenschaften, auf und/oder der homogen ausgebildete zweite Körper weist insbesondere über seine Ausdehnung die gleichen Eigenschaften, vorzugsweise die gleichen chemischen und/oder physikalischen und/oder mechanischen Eigenschaften, auf. Vorteilhafterweise können der homogen ausgebildete erste Körper und der homogen ausgebildete zweite Körper besonders einfach hergestellt werden.
Vorteilhafterweise kann bei einer erfindungsgemäßen Zwischenlage der erste Körper folienartig ausgebildet sein und/oder der zweite Körper folienartig ausgebildet sein. Vorteilhafterweise können der folienartig ausgebildete erste Körper und/oder der folienartig ausgebildete zweite Körper besonders einfach hergestellt werden und besonders dünn ausgebildet sein.
Mit besonderem Vorteil kann bei einer erfindungsgemäßen Zwischenlage der erste Körper laminierbar sein und/oder der zweite Körper kann laminierbar sein. Insbesondere ist der erste Körper aus einem laminierbaren bzw. lamnierten Werkstoff und/oder der zweite Körper ist aus einem laminierbaren bzw. laminierten Werkstoff. Ferner ist der erste Körper insbesondere laminiert und/oder zweite Körper ist insbesondere laminiert. Vorzugsweise ist somit die Zwischenlage auch laminierbar bzw. laminiert. Bei einem erfindungsgemäßen System mit der laminierbaren Zwischenlage und einer Membran-Elektroden-Einheit kann vorteilhafterweise die in der rahmenartigen Einfassöffnung der Zwischenlage eingefasste Membran-Elektroden-Einheit durch Laminieren besonders vorteilhaft eingefasst sein. Weiter ist ein folienartig ausgebildeter erster Körper insbesondere laminierbar bzw. laminiert und/oder der folienartig ausgebildete zweite Körper ist insbesondere laminierbar bzw. laminiert. Dadurch kann bei einem erfindungsgemäßen System mit einer Zwischenlage und einer Membran-Elektroden-Einheit vorteilhafterweise die in der rahmenartigen Einfassöffnung der Zwischenlage eingefasste Membran-Elektroden-Einheit durch Laminieren besonders vorteilhaft eingefasst sein.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann bei einer erfindungsgemäßen Zwischenlage der erste Körper formstabil sein und/oder der zweite Körper kann formstabil sein. Mit anderen Worten ist insbesondere zumindest einer der beiden Körper formstabil. Durch die Formstabilität des zumindest einen Körpers der beiden Körper ist insbesondere auch die Zwischenlage formstabil. Dadurch ist bei einem erfindungsgemäßen System mit einer Zwischenlage und einer Membran-Elektroden-Einheit vorteilhafterweise die in der rahmenartigen Einfassöffnung der Zwischenlage eingefasste Membran-Elektroden-Einheit besonders einfach handhabbar bzw. bewegbar bzw. transportierbar.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Zwischenlage der erste Körper Wasserstoffkorrosions-beständig und/oder Wasserstoff-Versprödungs-beständig ist. Der Wasserstoffkorrosions-beständige und/oder Wasserstoff-Versprödungs-beständige erste Körper ist vorteilhafterweise insbesondere aus zumindest einem Werkstoff der Werkstoffgruppe der Polymere gebildet. Ein derartiger erster Körper kann besonders vorteilhaft Wasserstoffkorrosions-beständig und/oder Wasserstoff-Versprödungs-beständig sein. Somit können Veränderungen bzw. Eigenschaften des ersten Werkstoffes, insbesondere des ersten Körpers, verbessert verhindert werden, vorzugsweise vermieden werden. Ferner kann verbessert verhindert werden, vorzugsweise vermieden werden, dass Risse in dem ersten Körper auftreten.
Vorteilhafterweise kann bei einer erfindungsgemäßen Zwischenlage der zweite Körper Sauerstoffkorrosions-beständig sein. Mit anderen Worten ist der zweite Körper insbesondere derart ausgebildet, dass der zweite Körper bzw. der zweite Werkstoff keine Reaktion, vorzugsweise im Wesentlichen keine Reaktion, mit dem Sauerstoff des Oxidationsmittel-haltigen Fluids eingeht. Somit können Veränderungen, vorzugsweise Veränderungen der Eigenschaften, des zweiten Werkstoffes, insbesondere des zweiten Körpers, verbessert verhindert werden, vorzugsweise vermieden werden.
Mit besonderem Vorteil kann bei einer erfindungsgemäßen Zwischenlage der erste Körper aus zumindest einem Werkstoff einer Werkstoffgruppe sein, und der zweite Körper aus zumindest einem Werkstoff einer anderen Werkstoffgruppe sein, wobei insbesondere die Werkstoffgruppen Metallische Werkstoffe, Keramische Werkstoffe, und Polymere sind. Eine solche Zwischenlage kann vorteilhafterweise besonders einfach ausgebildet sein und besonders kostengünstig sein. Werkstoffe der Werkstoffgruppe Metallische Werkstoffe sind insbesondere Aluminium und Edelstahl. Werkstoffe der Werkstoffgruppe Polymere sind insbesondere Polyethylennaphthalat (PEN), Polyethylenterephthalat (PET), Polymerblend aus PEN und PET (bspw. NOPLA) und Copolyester Tritan (Eastman Tritan copolyester TX1501HF). Der Polymerblend aus PEN und PET (bspw. NOPLA) ist insbesondere ein besonders vorteilhafter Kompromiss zwischen den Anforderungen an die Eigenschaften der Zwischenlage für die Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels und den Kosten der Zwischenlage. Ferner ist das Copolyester Tritan (Eastman Tritan copolyester TX1501HF) insbesondere chemisch ähnlich zu dem Polymerblend aus PEN und PET aufgebaut und eignet sich daher auch besonders vorteilhaft als Werkstoff für einen Körper der Zwischenlage.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann bei einer erfindungsgemäßen Zwischenlage der erste Werkstoff des ersten Körpers aus PEN gebildet sein und der zweite Werkstoff des zweiten Körpers aus Aluminium, Edelstahl, Tritan, Nopla, PET oder Keramik gebildet sein. Derartig ausgebildete Zwischenlagen können jeweils besonders vorteilhaft für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels geeignet sein.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Zwischenlage der erste Körper an den zweiten Körper zumindest tlw. stoffschlüssig angeordnet ist. Das stoffschlüssige Anordnen ist insbesondere ein Kleben mit einem Klebemittel. Mit anderen Worten kann der erste Körper an den zweiten Körper zumindest tlw. angeklebt sein. Das Klebemittel kann ferner vorzugsweise elektrisch isolierend sein. Somit kann die Zwischenlage besonders vorteilhaft elektrisch isolierend sein und ein ungewollter Stromfluss in einem inaktiven Bereich der Brennstoffzelle besonders vorteilhaft geringgehalten, insbesondere verhindert, werden. Weiter kann das Klebemittel insbesondere dicht und/oder beständig gegenüber dem Brennstoff-aufweisenden Fluid und/oder dem Oxidationsmittel-aufweisenden Fluid sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein System mit einer Zwischenlage und einer Membran-Elektroden-Einheit, wobei die Zwischenlage eine erfindungsgemäße Zwischenlage ist, wobei in der rahmenartigen Einfassöffnung der Zwischenlage eine Membran-Elektroden-Einheit eingefasst ist.
Die Membran-Elektroden-Einheit kann eine Polymerelektrolytmembran (PEM) umfassen. Die Membran-Elektroden-Einheit kann weiter zwei poröse Elektroden mit jeweils einer Katalysatorschicht umfassen, wobei diese insbesondere an die PEM angeordnet sind und beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-3 sprechen. Zusätzlich kann die Membran-Elektroden-Einheit zwei Gasdiffusionslagen umfassen. Diese können insbesondere die MEA-3 beidseitig begrenzen. Man kann hier insbesondere von einer MEA-5 sprechen.
Das System mit der Zwischenlage und der Membran-Elektroden-Einheit gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Zwischenlage gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Gemäß einem dritten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels, wobei die Brennstoffzelle eine Anodenplatte zum Führen eines Brennstoff-aufweisenden Fluids und eine der Anodenplatte gegenüberliegende Kathodenplatte zum Führen eines Oxidationsmittel-aufweisenden Fluids aufweist. Weiter ist zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte zumindest tlw. eine erfindungsgemäße Zwischenlage angeordnet, oder zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte ist ein erfindungsgemäßes System aus einer Zwischenlage und einer Membran-Elektroden-Einheit angeordnet.
Die Brennstoffzelle ist insbesondere eine PEM-FC (Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle). Ein Brennstoffzellenstapel umfasst insbesondere eine Vielzahl an übereinander angeordneten Brennstoffzellen, wobei vorzugsweise zumindest eine der Vielzahl an übereinander angeordneten Brennstoffzellen eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist.
Die Brennstoffzelle gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Zwischenlage gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. dem System mit der Zwischenlage und der Membran-Elektroden-Einheit gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Es zeigen schematisch:

1 in einer Draufsicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zwischenlage,
2 in einem Vertikalschnitt in einer Vorderansicht einen Teil einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zwischenlage aus 1,
3 in einem Vertikalschnitt in einer Vorderansicht einen Teil einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems,
4 in einer Draufsicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems, und
5 in einer Explosionszeichnung in einem Vertikalschnitt in einer Vorderansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.

In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.
1 offenbart in einer Draufsicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zwischenlage 1 für eine Brennstoffzelle 100 eines Brennstoffzellenstapels, wobei die Zwischenlage 1 einen ersten Körper 10 und einen an den ersten Körper 10 angeordneten zweiten Körper 20 (nicht sichtbar) mit jeweils einer Öffnung 12a bzw. 22a aufweist. Die Öffnung 12a des ersten Körpers 10 und die Öffnung 22a des zweiten Körpers 20 überlappen sich, insbesondere überlappen sich diese vollständig, zum Ausbilden einer rahmenartigen Einfassöffnung 32a (siehe 2) zum Einfassen einer Membran-Elektroden-Einheit 50 der Brennstoffzelle 100. Die rahmenartige Einfassöffnung 32a bildet insbesondere einen Rahmenabschnitt bzw. eine Rahmenform aus. Der Rahmenabschnitt ist in 1 beispielhaft umlaufend, insbesondere vollständig umlaufend, in einem Bereich um den Rand der Öffnung 12a des ersten Körpers 10 und in einem Bereich um den Rand der Öffnung 22a des zweiten Körpers 20 ausgebildet (siehe gestrichelte Linie). Weiter ist die Zwischenlage 1 insbesondere temperaturbeständig und elektrisch isolierend. Der erste Körper 10 ist aus einem ersten Werkstoff W1 gebildet und der zweite Körper 20 ist aus einem zweiten Werkstoff W2 gebildet ist, wobei der erste Werkstoff W1 unterschiedlich zu dem zweiten Werkstoff W2 ist, und wobei der erste Körper 10 derart ausgebildet ist, dass dieser beständig und dicht gegenüber einem Brennstoff-aufweisenden Fluid F1 ist, und wobei der zweite Körper 20 derart ausgebildet ist, dass dieser beständig und dicht gegenüber dem Oxidationsmittel-aufweisenden Fluid F2 ist. Ferner sind in 1 zusätzlich sechs weitere Öffnungen 12b, 12c, 12d, 12e, 12f und 12g des ersten Körpers 10 und sechs weitere Öffnungen 22b, 22c, 22d, 22e, 22f und 22g des zweiten Körpers 20, welche sich überlappen, insbesondere vollständig überlappen, zum Ausbilden von sechs Funktionsöffnungen 34b, 34c, 34d, 34e, 34f und 34g dargestellt. Die Funktionsöffnungen 34b, 34c, 34d, 34e, 34f und 34g sind insbesondere Sammelöffnungen für das Brennstoff-aufweisende Fluid F1, das Oxidationsmittel-aufweisende Fluid F2 und für ein Kühlmittel.
In 2 ist in einem Vertikalschnitt (siehe Schnittebene A-A in 1) in einer Vorderansicht ein Teil einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zwischenlage 1 aus 1 dargestellt. Die rahmenartige Einfassöffnung 32a bildet einen Rahmenabschnitt bzw. eine Rahmenform auf. Der Rahmenabschnitt ist insbesondere U-förmig ausgebildet, wobei ein erster Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch den ersten Körper 10 gebildet ist und ein zweiter Schenkel des U-förmigen Rahmenabschnitts durch den zweiten Körper 20 gebildet ist. Zusätzlich sind der erste Körper 10 und der zweite Körper 20 mittels einem Klebemittel 40 aus einem Werkstoff W3 zusammengeklebt.
3 zeigt in einem Vertikalschnitt (vgl. Schnittebene B-B in 4) in einer Vorderansicht einen Teil einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems 200 aus einer erfindungsgemäßen Zwischenlage 1, wie sie bspw. in 1 bzw. 2 dargestellt ist, und einer Membran-Elektroden-Einheit 50, welche in einer rahmenartigen Einfassöffnung 32a der Zwischenlage 1 eingefasst ist. Die Membran-Elektroden-Einheit 50 weist beispielhaft eine Polymerelektrolytmembran (PEM) 130 und zwei poröse Elektroden 132 bzw. 134 mit jeweils einer Katalysatorschicht auf, wobei die Elektroden 132 bzw. 134 jeweils an eine Seite der PEM 130 angeordnet sind. Weiter weist das System 200 insbesondere zwei Gasdiffusionslagen 140 bzw. 142 auf, welche wiederum jeweils an eine Seite der Zwischenlage 1 angeordnet, bspw. mittels einem Klebemittel 42 angeklebt, sein können.
4 offenbart in einer Draufsicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems 200 mit einer erfindungsgemäßen Zwischenlage 1, wie sie bspw. in 1 bzw. 2 dargestellt ist, und einer Membran-Elektroden-Einheit 50, welche in einer rahmenartigen Einfassöffnung 32a der Zwischenlage 1 eingefasst ist. Die Zwischenlage 1 umfasst einen ersten Körper 10 und einen an den ersten Körper 10 angeordneten zweiten Körper 20 (nicht sichtbar; siehe bspw. 3) mit jeweils einer Öffnung 12a bzw. 22a. Die Öffnung 12a des ersten Körpers 10 und die Öffnung 22a des zweiten Körpers 20 überlappen sich, insbesondere überlappen sich diese vollständig, zum Ausbilden der rahmenartigen Einfassöffnung 32a zum Einfassen der Membran-Elektroden-Einheit 50 der Brennstoffzelle 100.
In 5 ist in einer Explosionszeichnung in einem Vertikalschnitt (vgl. Schnittebene C-C in 4) in einer Vorderansicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 100, insbesondere der aktive Bereich der Brennstoffzelle 100, dargestellt. Die Brennstoffzelle 100 weist eine Anodenplatte 110a zum Führen eines Brennstoff-aufweisenden Fluids F1 und eine der Anodenplatte 110a gegenüberliegende Kathodenplatte 120b zum Führen eines Oxidationsmittel-aufweisenden Fluids F2 auf. Zwischen der Anodenplatte 110a und der Kathodenplatte 120b der Brennstoffzelle 100 ist ein erfindungsgemäßes System 200 aus einer Zwischenlage 1 und einer Membran-Elektroden-Einheit 50 angeordnet. Die Membran-Elektroden-Einheit 50 umfasst insbesondere eine PEM 130 und zwei Elektroden 132 und 134. Weiter sind zusätzlich zwischen der Anodenplatte 110a und der Kathodenplatte 120b zwei Gasdiffusionslagen 140 bzw. 142 angeordnet. Eine Anodenplatte 110a und eine dazu benachbarte Kathodenplatte 120a bzw. eine Anodenplatte 110b und eine dazu benachbarte Kathodenplatte 120b bilden jeweils insbesondere eine Bipolarplatte aus. Ein Brennstoffzellenstapel (nicht dargestellt) umfasst eine Vielzahl an in einer Stapelrichtung SA übereinander gestapelten Brennstoffzellen 100, wobei insbesondere zumindest eine der Vielzahl an übereinander angeordneten Brennstoffzellen 100 eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle 100 ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10140684 A1 [0003]

Claims

Zwischenlage (1) für eine Brennstoffzelle (100) eines Brennstoffzellenstapels, wobei die Zwischenlage (1) zwischen einer Anodenplatte (110a, 110b) der Brennstoffzelle (100) zum Führen eines Brennstoff-aufweisenden Fluids (F1) und einer der Anodenplatte (110a, 110b) gegenüberliegenden Kathodenplatte (120a, 120b) der Brennstoffzelle (100) zum Führen eines Oxidationsmittel-aufweisenden Fluids (F2) anordenbar ist, wobei die Zwischenlage (1) einen ersten der Anodenplatte (110a, 110b) zugewandten Körper (10) und einen an den ersten Körper (10) zumindest teilweise angeordneten zweiten der Kathodenplatte (120a, 120b) zugewandten Körper (20) mit jeweils zumindest einer Öffnung (12a - 12g, 22a - 22g) umfasst, wobei die zumindest eine Öffnung (12a - 12g) des ersten Körpers (10) und die zumindest eine Öffnung (1) des zweiten Körpers (20) sich zumindest teilweise überlappen und eine rahmenartige Einfassöffnung (32a) zum Einfassen einer Membran-Elektroden-Einheit (50) der Brennstoffzelle (100) ausgebildet ist, wobei die Zwischenlage (1) temperaturbeständig ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Körper (10) aus einem ersten Werkstoff (W1) gebildet ist und der zweite Körper (20) aus einem zweiten Werkstoff (W2) gebildet ist, wobei der erste Werkstoff (W1) unterschiedlich zu dem zweiten Werkstoff (W2) ist, und wobei der erste Körper (10) derart ausgebildet ist, dass dieser beständig und dicht gegenüber dem Brennstoff-aufweisenden Fluid (F1) ist, und wobei der zweite Körper (20) derart ausgebildet ist, dass dieser beständig und dicht gegenüber dem Oxidationsmittel-aufweisenden Fluid (F2) ist.
Zwischenlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Körper (10) homogen über eine Erstreckung des ersten Körpers (10) ausgebildet ist und/oder der zweite Körper (20) homogen über eine Erstreckung des zweiten Körpers (20) ausgebildet ist.
Zwischenlage (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Körper (10) folienartig ausgebildet ist und/oder der zweite Körper (20) folienartig ausgebildet ist.
Zwischenlage nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Körper (10) laminierbar ist und/oder der zweite Körper (20) laminierbar ist.
Zwischenlage (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Körper (10) formstabil ist und/oder der zweite Körper (20) formstabil ist.
Zwischenlage (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Körper (10) Wasserstoffkorrosions-beständig und/oder Wasserstoff-Versprödungs-beständig ist.
Zwischenlage (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Körper (20) Sauerstoffkorrosions-beständig ist.
Zwischenlage (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Körper (1) aus zumindest einem Werkstoff (W1) einer Werkstoffgruppe gebildet ist, und dass der zweite Körper (20) aus zumindest einem Werkstoff (W2) einer anderen Werkstoffgruppe gebildet ist, wobei insbesondere die Werkstoffgruppen sind: - Metallische Werkstoffe, - Keramische Werkstoffe, - Polymere.
Zwischenlage (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Werkstoff (W1) des ersten Körpers (10) aus PEN gebildet ist und der zweite Werkstoff (W2) des zweiten Körpers (20) aus Aluminium, Edelstahl, Tritan, Nopla, PET oder Keramik gebildet ist.
Zwischenlage (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Körper (10) an den zweiten Körper (20) zumindest teilweise stoffschlüssig angeordnet ist.
System (200) mit einer Zwischenlage (1) und einer Membran-Elektroden-Einheit (50), wobei die Zwischenlage (1) eine Zwischenlage (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche ist, wobei in der rahmenartigen Einfassöffnung (32a) der Zwischenlage (1) eine Membran-Elektroden-Einheit (50) eingefasst ist.
Brennstoffzelle (100) eines Brennstoffzellenstapels, wobei die Brennstoffzelle (100) eine Anodenplatte (110a, 110b) zum Führen eines Brennstoff-aufweisenden Fluids (F1) und eine der Anodenplatte (110a, 110b) gegenüberliegende Kathodenplatte (120a, 120b) zum Führen eines Oxidationsmittel-aufweisenden Fluids (F2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Anodenplatte (110a, 110b) und der Kathodenplatte (120a, 120b) zumindest teilweise eine Zwischenlage (1) nach einem Anspruch 1 bis 10 angeordnet ist, oder dass zwischen der Anodenplatte (110a, 110b) und der Kathodenplatte (120a, 120b) ein System (200) aus einer Zwischenlage (1) und einer Membran-Elektroden-Einheit (50) nach Anspruch 11 angeordnet ist.