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Die Erfindung betrifft eine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildete Brennstoffzelle, welche mindestens eine Bipolarplatte umfasst.
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Eine gattungsgemäße Brennstoffzelle ist beispielsweise aus der
DE 10 2015 201 129 A1 bekannt. Die bekannte Brennstoffzelle weist einen rahmenförmigen, im Wesentlichen rechteckigen Dichtungskörper auf, welcher einen Innenraum und damit das Aktivfeld der Brennstoffzelle umgibt. In über das Aktivfeld hinausragenden Bereichen weist der Dichtungskörper mehrere Durchgangsöffnungen auf. Die Abmessungen des genannten Innenraums entsprechen im Wesentlichen den Abmessungen einer Membran der bekannten Brennstoffzelle. Die Membran ist katalytisch beschichtet und Teil einer Membran-Elektroden-Einheit. Die Membran ist zwischen Bipolarplatten angeordnet, die Strukturierungen aufweisen, welche unter anderem zur Aufnahme des rahmenförmigen Dichtungskörpers ausgelegt sind.
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Die
WO 2007/117739 A2 offenbart einen Brennstoffzellenplattenstruktur mit Prallblechen in einem Nassdichtungsbereich. Durch die beschriebene Plattenstruktur sind Gasströmungskanäle gebildet, um Prozessgas neben aktiven Bereichen einer Brennstoffzelle und inaktiven Flüssigkeitsdichtungsbereichen zu transportieren. Prallbleche, welche der Plattenstruktur zuzurechnen sind, können beispielsweise mit einem Keramikmaterial beschichtet sein.
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Ein gestapeltes Brennstoffzellensystem ist auch aus der
JP 6125903 B2 bekannt. Dieses Brennstoffzellensystem umfasst verschiedene aus Metall gefertigte Separatoren, welche die Aufgabe haben, Kurzschlüsse von durch die Brennstoffzellen fließenden Medien zu verhindern.
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Die
DE 10 2009 017 906 A1 offenbart ein Unterdichtungselement für eine Brennstoffzelle, welches eine Barriereschicht mit einer daran geformten länglichen primären Dichtung umfasst. Die Dichtung besitzt zumindest eine sich innen erstreckende Ablenkeinrichtung, die einer Reaktandenbypassströmung in der Brennstoffzelle entgegenwirken soll.
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Die
US 8,003,273 B2 offenbart eine PEM-Brennstoffzelle mit anodenseitigen und kathodenseitigen Dichtungsanordnungen. Die Dichtungsanordnungen beschreiben insgesamt rahmenförmige Bereiche, in welchen sich auslenkbare Abschnitte befinden. Eine Auslenkung eines dichtenden Abschnitts ist insbesondere vorgesehen, wenn ein Gas durch einen Bypass fließt.
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Eine weitere PEM-Brennstoffzellenanordnung ist in der
US 7,572,539 B2 offenbart. Diese Brennstoffzellenanordnung umfasst einen Zusammenbau aus einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer Mehrzahl an Dichtungen, wobei davon ausgegangen wird, dass ringförmige Spalte zwischen einer Dichtung und einer Gasdiffusionselektrode gebildet sind. Um diese Spalte zumindest teilweise zu schließen, sind spezielle Schließmittel, welche plastisch oder elastisch verformbar sein können, vorgesehen. Die Spalte können in Wellenform gekrümmt sein. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Rechteckwellenform oder eine Dreieckwellenform handeln. An einzelnen Stellen des einen wellenförmigen Weg beschreibenden Spaltes sind Schließelemente positioniert, die eine Unterbrechung des Weges darstellen.
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Eine weitere Dichtungskonfiguration für Brennstoffzellenstapel ist in der
WO 2006/025909 A2 beschrieben. Die Dichtungskonfiguration umfasst mehrere Unterabdichtungen, die jeweils auf eine Bipolarplatte geklebt sind. Ein weiteres Dichtungselement ist zwischen den Unterabdichtungen angeordnet.
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Eine in der
DE 10 2004 041 670 B4 beschriebene Brennstoffzelle umfasst plattenförmige Separatoren, zwischen welchen eine Membranelektrodenanordnung sandwichartig aufgenommen ist, wobei wenigstens auf einem Separator ein Dichtungselement ausgebildet ist. Integral mit einer inneren Kante einer rahmenartigen Dichtungsoberfläche sind Verschlussdichtungen ausgebildet, welche von dem Separator hervorstehen. Beim Zusammenfügen der Brennstoffzelle werden die Verschlussdichtungen verformt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter dichtungstechnischen Aspekten weiterzuentwickeln, wobei ein kompakter, auch unter Bedingungen der Serienfertigung prozesssicher reproduzierbarer Aufbau gegeben sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Brennstoffzelle ist zum Zusammenbau eines Brennstoffzellenstapels geeignet, wobei Bipolarplatten jeweils eine Kathodenseite einer Brennstoffzelle von einer Anodenseite einer weiteren Brennstoffzelle trennen. Die Bipolarplatte erstreckt sich über das Aktivfeld jeder benachbarten Brennstoffzelle hinaus. Das Aktivfeld ist umgeben von einer Rahmenanordnung. Weiter ist der Brennstoffzelle eine auf dem Aktivfeld aufliegende Membran-Elektroden-Anordnung zuzurechnen. Die Rahmenanordnung umfasst eine Dichtungsanordnung einschließlich einer in Draufsicht auf die Bipolarplatte gewellten Dichtung.
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Im Vergleich zu einer denkbaren geraden, parallel zu Rändern der Bipolarplatte verlaufenden Dichtleiste ist somit die Dichtungslänge gesteigert. Überraschenderweise leistet gerade die große Länge der Dichtung einen Beitrag zur Minimierung nicht gewünschter Medienströme, wobei hierbei sowohl die Strömungsrichtung quer zur Dichtung als auch Strömungen längs der Dichtung zu betrachten sind.
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Die Membran-Elektroden-Anordnung kann beispielsweise siebenlagig aufgebaut sein. Gemäß einer möglichen Ausgestaltung weist die Membran-Elektroden-Anordnung einen zentralen, im Aktivfeld liegenden Bereich und einen vergleichsweise dünnen, außerhalb des Aktivfeldes angeordneten Bereich auf, wobei sich die gewellte Dichtung an der Grenze zwischen den genannten Bereichen befindet.
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Unmittelbar neben der gewellten Dichtung kann sich ein Bypass für ein Fluid befinden, welches die Brennstoffzelle durchströmt. Die Entstehung eines solchen Bypasses kann insbesondere mit dem Zusammenpressen von Komponenten der Membran-Elektroden-Anordnung und der Rahmenanordnung beim Zusammenbau eines Brennstoffzellenstapels zusammenhängen. Die Form des Bypasses folgt der Form der gewellten Dichtung.
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Beim Zusammenbau eines Brennstoffzellenstapels ist es möglich, dass Gasdiffusionslagen, welche der Membran-Elektroden-Einheit zuzurechnen sind, auf die wellenförmige Dichtung aufgedrückt werden. Die Wellenform der Dichtung trägt dazu bei, dass Flächenpressungen und Verformungen in einem zulässigen Bereich gehalten werden.
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Die gewellte Dichtung umfasst beispielsweise mehrere gerade Abschnitte, durch welche eine gemeinsame Gerade definiert ist, wobei die geraden Abschnitte jeweils durch Kurvenabschnitte miteinander verbunden sind. Hierbei entspricht der maximale, orthogonal zur genannten Gerade zu messende Versatz eines jeden Kurvenabschnitts gegenüber den geraden Abschnitten der Dichtung beispielsweise mindestens dem Doppelten und höchstens dem Fünffache der Breite der Dichtung. Damit ist die Länge der Dichtung gegenüber einer denkbaren geraden Dichtleiste deutlich heraufgesetzt, ohne in zu großem Maße zusätzlichen Bauraum zu beanspruchen.
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Der minimale Krümmungsradius der Dichtung kann in dieser Ausgestaltung insbesondere größer als die Breite der Dichtung, jedoch kleiner als der genannte Versatz zwischen den Kurvenabschnitten und den geraden Abschnitten der Dichtung sein. Insbesondere ist der minimale Krümmungsradius jeweils an den Übergängen zwischen einem geraden Abschnitt und einem Kurvenabschnitt der Dichtung gegeben.
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Die Bipolarplatte kann aus zwei profilierten Halbblechen aufgebaut sein und verschiedene anodenseitige und kathodenseitige, hauptsächlich gasförmige Fluide führende Strömungskanäle begrenzen, welche parallel zu den geraden Abschnitten der Dichtung ausgerichtet sind. Die Halbbleche sind beispielsweise durch Schweißverbindungen stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Zwischen den Halbblechen können Kühlmittelkanäle ausgebildet sein, wobei auch diese Kanäle im Wesentlichen in Längsrichtung der Bipolarplatte verlaufen. Derjenige Kühlmittelkanal, welcher den geringsten Abstand von der Rahmenanordnung aufweist, hat gemäß einer möglichen Bauform eine geringere Höhe als die weiter von der Rahmenanordnung entfernten Kühlmittelkanäle. Die reduzierte Höhe des am weitesten außenliegenden Kühlmittelkanals ist insbesondere in Fällen vorteilhaft, in denen die Membran-Elektroden-Anordnung an ihren Rändern verstärkt ist.
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Die Rahmenanordnung, durch welche die Dichtungsanordnung bereitgestellt wird, ist beispielsweise aus Kunststoff gefertigt und dauerhaft, insbesondere durch spritzgusstechnische Verfahren, mit der Bipolarplatte verbunden.
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Die Brennstoffzelle ist für stationäre Anwendungen ebenso wie für mobile Anwendungen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, geeignet.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 die Grundform einer zum Aufbau eines Brennstoffzellenstapel geeigneten Brennstoffzelle,
- 2 ausschnittsweise die Brennstoffzelle in perspektivischer Ansicht,
- 3 ein Detail der Anordnung nach 2,
- 4 in vereinfachter perspektivischer Darstellung eine Membran-Elektroden-Anordnung der Brennstoffzelle,
- 5 einen Ausschnitt der Brennstoffzelle einschließlich einer Dichtungsanordnung.
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Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Brennstoffzelle weist ein Aktivfeld 2 auf, welches im Ausführungsbeispiel eine langgestreckte, näherungsweise achteckige Form hat. Eine Vielzahl gleichartiger Brennstoffzellen 1 ist in nicht dargestellter Weise zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengesetzt. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus und der Funktion eines solchen Brennstoffzellenstapels wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Eine aus zwei Halbblechen 3, 4 zusammengesetzte Bipolarplatte 28 grenzt eine kathodische Halbzelle einer ersten Brennstoffzelle 1 von eine anodischen Halbzelle einer zweiten Brennstoffzelle 1 ab. Zur Zuleitung von Medien, insbesondere Wasserstoff und Luft, zu den Brennstoffzellen 1 sowie zur Ableitung von Medien aus den Brennstoffzellen 1 sind durch die Bipolarplatte 28 drei eingangsseitige Ports 5, 6, 7 und drei ausgangsseitige Ports 8, 9, 10 gebildet.
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Eine insgesamt mit 11 bezeichnete, fest mit den Halbblechen 3, 4 verbundene Rahmenanordnung umschließt das Aktivfeld 2. Die Bipolarplatte 28 erstreckt sich durch die Rahmenanordnung 11 hindurch bis in den Bereich der Ports 5, 6, 7, 8, 9, 10. Auf dem Aktivfeld 2, teilweise auch auf der Rahmenanordnung 11, liegt eine Membran-Elektroden-Anordnung 12 auf. Ein mit 13 bezeichneter zentraler Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung 12, welcher sich größtenteils über dem Aktivfeld 2 befindet, ist zu unterscheiden von einem äußeren Bereich 14 der Membran-Elektroden-Anordnung 12, welcher auf der Rahmenanordnung 11 aufliegt und teilweise über diesen hinausragt.
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Ist im vorliegenden Fall die Rede davon, dass eine Komponente der Brennstoffzelle 1 auf einer anderen Komponente der Brennstoffzelle 1 aufliegt, so bezieht sich dies auf die in den Figuren sichtbare Anordnung und beinhaltet keine Aussage über die im bestimmungsgemäßen Betrieb gegebene Ausrichtung der Brennstoffzelle 1 im Raum. Tatsächlich sind die Bipolarplatten 28 typischerweise vertikal angeordnet.
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Durch die Halbbleche 3, 4 sind Kühlmittelkanäle 20 gebildet, welche sich in Längsrichtung der Bipolarplatte 28 erstrecken. Zugleich sind durch die gegebenen Profilierungen der Halbbleche 3, 4 außerhalb der Bipolarplatte 28 Medienkanäle 21, 22 gebildet, die eine Fluidströmung durch die Halbzellen der Brennstoffzelle 1 ermöglichen. Innerhalb der Halbzellen befinden sich unter anderem Gasdiffusionslagen 19, welche der Membran-Elektroden-Anordnung 12 zuzurechnen sind. Zur Abdichtung der Fluidräume auf der Kathodenseite sowie auf der Anodenseite der Bipolarplatte 28 ist eine Dichtungsanordnung 15 vorgesehen, welche durch die Rahmenanordnung in Zusammenwirkung mit der Membran-Elektroden-Anordnung 12 gebildet ist.
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Die Dichtungsanordnung 15 ist Bestandteil eines insgesamt mit 18 bezeichneten Rahmenelementes der Rahmenanordnung 11. Das Rahmenelement 18 weist eine Leistenstruktur 17 auf. Die Dichtung 16 stellt die innerste Leiste der Leistenstruktur 17 dar. Im Unterschied zu den weiter außenliegenden Leisten der Leistenstruktur 17 beschreibt die Dichtung 16 alternierend gerade Abschnitte 23 und Kurvenabschnitte 24, welche annähernd die Form einer halben Sinusschwingung haben. Die in der Draufsicht erkennbare Breite der Dichtung 16 ist mit BD bezeichnet.
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Unmittelbar neben der wellenförmigen Dichtung 16, in Richtung zum Aktivfeld 2, existiert ein Bypass 25, welcher dem Verlauf der Dichtung 16 folgt und eine Bypassbreite BB aufweist. Im Fall des Bypasses 25 sind gerade Abschnitte mit 26 und gekrümmte Abschnitte mit 27 bezeichnet. Der orthogonal zu den geraden Abschnitten 23 der Dichtung 16 zu messende maximale Abstand der Kurvenabschnitte 24 von den geraden Abschnitten 23 wird als maximaler Versatz Vm bezeichnet und stellt quasi die Amplitude der in Form von Halbwellen vielfach ausgelenkten Dichtung 16 dar. Der mit MD bezeichnete minimale Radius der Dichtung 16 ist an den Übergängen zwischen den geraden Abschnitten 23 und den Kurvenabschnitten 24 zu finden. Der minimale Krümmungsradius MD der Dichtung 16 ist größer als deren Breite BD, jedoch kleiner als der genannte Versatz Vm.
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Die Kühlmittelkanäle 20 innerhalb der Bipolarplatte 28 haben, wie aus den 2 und 3 hervorgeht, keine einheitliche Form. Der am weitesten außen, das heißt am nächsten an der Dichtung 16 liegende Kühlmittelkanal 20 weist eine Höhe Ha auf, die signifikant geringer als mit Hi bezeichnete Höhe der weiter innen liegenden Kühlmittelkanäle 20 ist. Damit werden unerwünschte Verformungen im Übergangsbereich zwischen dem zentralen Bereich 13 der Membran-Elektroden-Anordnung 12 und dem äußeren Bereich 14 beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels aus einer Vielzahl gleichartiger Brennstoffzellen 1 vermieden. Insgesamt trägt die beschriebene Ausgestaltung der Dichtungsanordnung 15 maßgeblich zu einer gleichförmigen Durchströmung des Aktivfeldes 2 bei zugleich guter Dichtungswirkung und raumsparender Stapelung der Bipolarplatten 28 bei.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzelle
- 2
- Aktivfeld
- 3
- Halbblech
- 4
- Halbblech
- 5
- eingangsseitiger Port
- 6
- eingangsseitiger Port
- 7
- eingangsseitiger Port
- 8
- ausgangsseitiger Port
- 9
- ausgangsseitiger Port
- 10
- ausgangsseitiger Port
- 11
- Rahmenanordnung
- 12
- Membran-Elektroden-Anordnung
- 13
- zentraler Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung
- 14
- äußerer Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung
- 15
- Dichtungsanordnung
- 16
- Dichtung
- 17
- Leistenstruktur
- 18
- Rahmenelement
- 19
- Gasdiffusionslage
- 20
- Kühlmittelkanal
- 21
- Medienkanal
- 22
- Medienkanal
- 23
- gerader Abschnitt der Dichtung
- 24
- Kurvenabschnitt
- 25
- Bypass
- 26
- gerader Abschnitt
- 27
- gekrümmter Abschnitt
- 28
- Bipolarplatte
- BB
- Bypassbreite
- BD
- Breite der Dichtung
- Ha
- Höhe des außen liegenden Kühlmittelkanals
- Hi
- Höhe der innen liegenden Kühlmittelkanäle
- MD
- minimaler Radius der Dichtung
- Vm
- maximaler Versatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015201129 A1 [0002]
- WO 2007117739 A2 [0003]
- JP 6125903 B2 [0004]
- DE 102009017906 A1 [0005]
- US 8003273 B2 [0006]
- US 7572539 B2 [0007]
- WO 2006025909 A2 [0008]
- DE 102004041670 B4 [0009]
