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Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, welcher eine Vielzahl an Bipolarplatten sowie Membran-Elektroden-Einheiten umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Brennstoffzellenstapels.
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Die
EP 3 373 371 B1 offenbart eine Einzelzellstruktur für eine Brennstoffzelle, welche unter anderem eine Membran-Elektroden-Anordnung und einen dünnplattenförmigen Rahmen mit geringer Steifigkeit umfasst, wobei der Rahmen die Membran-Elektroden-Anordnung trägt. Der Rahmen ist zwischen einem Paar von Separatoren gehalten, wobei zwischen den Separatoren auch ein Gaskanal zum Zuführen von Gas zur Membran-Elektroden-Anordnung gebildet ist. Ferner sind durch die Zellstruktur nach der
EP 3 373 371 B1 zwischen dem Rahmen und dem Paar von Separatoren mehrere Verteilerelemente ausgebildet, um dem Gaskanal das Gas zuzuführen. In der Nähe der Verteilerelemente befinden sich Rückhalterippen, die den Rahmen abstützen. Ein Gasströmungsteil dringt in Form eines ovalen Durchgangsloches in den Rahmen ein. Durch die Rückhalterippen ist zugleich ein Kanal gebildet, durch welchen das Gas strömt. Zu den Verteilerelementen hin ragen vorstehende Teile des Rahmens über die Separatoren hinaus. Eine Vielzahl von Einzelzellstrukturen nach der
EP 3 373 371 B1 ist zur Bildung einer Brennstoffzellenstapelstruktur vorgesehen.
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Ein weiterer Brennstoffzellenstapel ist in der
EP 3 518 331 A1 offenbart. Dieser Brennstoffzellenstapel weist elektrisch leitende Bipolarplatten auf, welche über eine Membran einer angrenzenden Membran-Elektroden-Einheit überstehen. Die Biegesteifigkeit der Bipolarplatte ist hierbei größer als die Biegesteifigkeit der Membran. Die Bipolarplatte ist aus verschieden großen plattenförmigen Komponenten zusammengesetzt, wobei Aussparungen zwischen einer dieser Komponenten und der angrenzenden Membran-Elektroden-Einheit gebildet sind und sich in diesen Aussparungen elektrisch isolierende Abdichtungen befinden.
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Ein Verfahren zum Herstellen einer Membranelektrodeneinheit ist zum Beispiel aus der
DE 10 2011 051 309 A1 bekannt. Im Zuge dieses bekannten Verfahrens wird eine Vorfertigungseinheit, welche eine Protonenaustauschmembran sowie anodenseitige und kathodenseitige Gasdiffusionslagen umfasst, in eine Gießform eingelegt. Anschließend wird ein Dichtringmaterial in die Gießform eingefüllt, um einstückig und umlaufend um die Gasdiffusionslagen einen profilierten Dichtring anzuformen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Fortschritte bei der Herstellung von Brennstoffzellenstapeln gegenüber dem genannten Stand der Technik, insbesondere was Abdichtungen und Isolierungen betrifft, zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß Anspruch 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den Brennstoffzellenstapel, und umgekehrt.
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Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Vielzahl aufeinander gestapelter Brennstoffzellen, wobei Bipolarplatten jeweils zur Trennung einer Halbzelle einer ersten Brennstoffzelle von einer Halbzelle einer weiteren Brennstoffzelle vorgesehen sind und jede Brennstoffzelle eine Membran-Elektroden-Einheit einschließlich eines Rahmenbauteils aufweist. Das Rahmenbauteil ist als über die Bipolarplatten zumindest an einem Teil des Umfangs der Bipolarplatten hinausragendes Isolierelement ausgebildet.
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Es hat sich gezeigt, dass der Überstand des Rahmenbauteils, welcher über die Bipolarplatten hinausragt, auch unter Bedingungen der Serienfertigung, einschließlich Serienstreuungen, ein einfach realisierbares und zugleich zuverlässiges Mittel darstellt, um aufeinander gestapelte Bipolarplatten gegeneinander elektrisch zu isolieren. Insbesondere werden hierdurch Kurzschlüsse zwischen einzelnen Bipolarplatten zuverlässig vermieden.
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In verschiedenen möglichen Ausgestaltungen haben die Bipolarplatten jeweils eine rechteckige, quadratische oder nicht quadratische Grundform, wobei das Rahmenbauteil auf allen vier Seiten der Bipolarplatten über diese hinausragt. Möglich sind jedoch auch Ausgestaltungen mit sonstigen Formen, beispielsweise Polygonformen, Trapezformen oder abgerundeten Formen, der Bipolarplatten.
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Unabhängig vom Grundriss der Bipolarplatten ist durch das Hinausragen der hierbei als Isolierelemente fungierenden Rahmenbauteile über die Bipolarplatten ein Überstand gegeben, welcher nach den Anforderungen des Einzelfalls auszulegen ist. Hierbei ist unter anderem auf die Positioniergenauigkeit Rücksicht zu nehmen, mit welcher die Bipolarplatten aufeinander gestapelt werden. Einzukalkulierende Unsicherheiten werden rechnerisch als Übermaß der Bipolarplatten berücksichtigt.
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Auf das rechnerische Überstandsmaß kann noch ein Sicherheitsfaktor von beispielsweise 1,2 bis 1,5 aufgeschlagen werden. Insgesamt ergibt sich damit, abhängig von der Geometrie des Brennstoffzellenstapels und den bei der Fertigung gegebenen Bedingungen, zum Beispiel ein absoluter Überstand von 0,2 mm bis 5 mm. Sofern Bipolarplatten aus ungleich großen Halbblechen, welche auch als Halbplatten bezeichnet werden, zusammengesetzt sind, wird bei der Bestimmung des erforderlichen Überstandes vom größeren der beiden Halbbleche ausgegangen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung befinden sich im Rahmenbauteil in dessen über die Bipolarplatte hinausragenden Bereichen Aussparungen, welche auch als Ausklinkungen oder Rücknehmungen bezeichnet werden. Sämtliche Aussparungen können bis zum Rand der Bipolarplatten reichen. Auch ist es möglich, dass dies nur für einen Teil der Aussparungen oder für eine einzige Aussparung gilt.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist an jeweils einer Längs- und Schmalseite der der in diesem Fall rechteckigen, nicht quadratischen Bipolarplatten mindestens eine der Aussparungen durch einen als Anschlag vorgesehenen Randabschnitt der Bipolarplatten begrenzt. Angrenzend an die Aussparungen, welche Anschläge für Konstruktionselemente außerhalb des Stapels an Bipolarplatten bereitstellen, können die Bipolarplatten zum Beispiel durch Sicken versteift sein. Allgemein kann zumindest in einem Bereich der Bipolarplatte, der mit einer Aussparung des Rahmenbauteils übereinanderliegt, eine Versteifungsgeometrie ausgeformt sein.
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Durch die an zwei zueinander orthogonalen Rändern der Bipolarplatten angeordneten Anschläge ist eine präzise und stabile Anordnung der Bipolarplatten in einem Gehäuse des Brennstoffzellenstapels möglich. Zusätzlich zu den Bipolarplatten oder einzelnen Halbblechen der Bipolarplatten können auch die Membran-Elektroden-Einheiten im Bereich der Aussparungen an einem angrenzenden Konstruktionselement anschlagen. Mit dem Rahmenbauteil kann im Bereich einer Aussparung ein zusätzlicher, metallischer oder nichtmetallischer Werkstoff verbunden sein, welcher dem Rahmenbauteil zusätzliche mechanische Stabilität verleiht.
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Das Rahmenbauteil wird in zahlreichen Bauformen auch als Subgasket bezeichnet. Der über die Bipolarplatten hinausstehende, elektrisch isolierende Bereich des Rahmenbauteils kann auf verschiedene Weise durch ein Subgasket oder ein mit dem Subgasket verbundenes Element gebildet sein. Beispielsweise kann eine dem Rahmenbauteil zuzurechnende Isolationsfolie, welche als Isolierelement über die Bipolarplatten hinausragt, einteilig mit dem Subgasket ausgeführt oder stoffschlüssig mit dem Subgasket verbunden sein.
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Alternativ kann die Membran der Membran-Elektroden-Einheit, das heißt die Ionenaustauschmembran, als über die Bipolarplatten hinausragendes Isolierelement ausgebildet sein. Die Membran, welche als Isolierelement an den Rändern der Bipolarplatten fungiert, kann dabei unbeschichtet oder mit einer katalytischen Beschichtung versehen sein. In beiden Fällen handelt es sich um dieselbe Membran, die innerhalb des Aktivfeldes der Brennstoffzelle als lonenaustauschmembran fungiert. In abgewandelter Ausgestaltung befindet sich auf der Membran, soweit sie die Funktion eines Isolierelementes zwischen den Rändern der Bipolarplatten hat, eine Isolationsfolie. Somit existieren verschiedene Möglichkeiten, die elektrische Isolierung zwischen den Rändern der Bipolarplatten entweder ausschließlich oder zumindest unterstützend durch die Membran herzustellen.
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Auch eine Ausführung des dem Rahmenbauteil zuzurechnenden Isolierelementes als zusätzliches Bauteil, das heißt weder mit der Membran noch mit dem Subgasket identisches Bauteil, ist möglich. In diesem Fall kann für das Isolierelement ein speziell auf die gegebenen mechanischen Belastungen abgestimmter Werkstoff gewählt werden.
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Erfindungsgemäß ist der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel in einem Verfahren mit den folgenden Schritten herstellbar:
- - Bereitstellung einer Mehrzahl an Bipolarplatten mit rechteckiger Grundform,
- - Bereitstellung von jeweils eine einen Ionenaustausch ermöglichende Membran sowie ein Rahmenbauteil aufweisenden Membran-Elektroden-Einheiten mit ebenfalls rechteckiger Grundform, wobei die Länge sowie Breite der Membran-Elektroden-Einheiten größer als die entsprechenden Abmessungen der Bipolarplatten sind,
- - Stapeln der Bipolarplatten und der Membran-Elektroden-Einheiten derart, dass jede Membran-Elektroden-Einheit auf allen vier Seiten der Bipolarplatten zumindest partiell über dies hinausragt und hierbei die beiden die Membran-Elektroden-Einheit kontaktierenden Bipolarplatten auch an deren Rändern auf Abstand zueinander hält und elektrisch gegeneinander isoliert.
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Die Bipolarplatten können in an sich bekannter Weise aus jeweils zwei Halbblechen zusammengesetzt sein, wobei zwischen den Halbblechen durch Prägestrukturen der Halbbleche Strömungskanäle für ein Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, gebildet sein können. Außerhalb der Halbbleche, das heißt an den äußeren Oberflächen der Bipolarplatte, begrenzen dieselben Prägestrukturen Räume, in den die Betriebsmedien der Brennstoffzelle strömen.
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Die elektrische Isolierung zwischen den Rändern der Bipolarplatten kann vollständig oder zumindest teilweise durch die Membran der Membran-Elektroden-Einheit hergestellt sein. An den entsprechenden Stellen des Brennstoffzellenstapels wird somit von der ionenleitenden Funktion der Membran kein Gebrauch gemacht. Genutzt wird dagegen die Eigenschaft der Membran, keine Elektronen zu leiten. Eine auf die Membran aufgebrachte, die Bipolarplatten kontaktierende Schicht kann zum einen eine zusätzliche elektrische Isolation und zum anderen eine mechanische Schutzschicht, die unter anderem beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels in einem Fahrzeug auftretenden Vibrationsbelastungen standhält, darstellen.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 Komponenten eines Brennstoffzellenstapels in Draufsicht,
- 2 Teile der Anordnung nach 1 in einer Schnittdarstellung,
- 3 eine Membran-Elektroden-Einheit des Brennstoffzellenstapels,
- 4 eine als Isolierelement eines Rahmenbauteils einer Membran-Elektroden-Einheit einer Brennstoffzelle vorgesehene Membran, und
- 5 eine mit einer Isolationsfolie beidseitig beschichtete, zur Positionierung zwischen Bipolarplatten einer Brennstoffzelle vorgesehene Membran.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter, in den Figuren nicht vollständig dargestellter Brennstoffzellenstapel ist zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen, welches beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommt. Hinsichtlich der Funktion und des prinzipiellen Aufbaus des Brennstoffzellenstapels 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Der Brennstoffzellenstapel 1 umfasst eine Vielzahl an Bipolarplatten 2, wobei jede Bipolarplatte 2 aus zwei Halbblechen 3, 4 zusammengesetzt ist. Jede Bipolarplatte 2 trennt eine Halbzelle 6 einer ersten Brennstoffzelle 5 von einer Halbzelle 7 einer anderen Brennstoffzelle 5. In jeder Brennstoffzelle 5 befindet sich eine Membran-Elektroden-Einheit 8, welche eine ionenleitende Membran 9 aufweist, die in ein Rahmenbauteil 10 eingefügt ist. Auf der Membran 9 befindliche Gasdiffusionlagen sind mit 11 bezeichnet. Das mit 13 bezeichnete Aktivfeld der Brennstoffzelle 5 ist mit Hilfe von Dichtungen 12 abgedichtet. Außerhalb des Aktivfeldes 13 sind in 1 mehrere Ports 14, 15, 16, 17, 18, 19 erkennbar, durch die beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels 1 Kühlmittel sowie Betriebsmedien strömen.
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Die Bipolarplatte 2 ist durch Prägestrukturen 20 beider Halbbleche 3, 4 strukturiert und beschreibt in der Draufsicht (1) ein Rechteck mit einer Länge L2 und einer Breite B2. Der Rand der Bipolarplatte 2 ist allgemein mit 21 bezeichnet. Hierbei weisen die mit 22, 23 bezeichneten Schmalseiten die Breite B2 auf, während die mit 24, 25 bezeichneten Längsseiten die Länge L2 aufweisen. Wie aus 1 hervorgeht, überragt die Membran-Elektroden-Einheit 8 die Bipolarplatte 2 an allen vier Seiten 22, 23, 24, 25. Hierbei ist die Breite eines Überstandes der Membran-Elektroden-Einheit 8 - genauer: des Rahmenbauteils 10 - mit BU bezeichnet. Die gesamte Länge der Membran-Elektroden-Einheit 8 ist mit L8, deren Breite mit B8 bezeichnet.
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An der Schmalseite 23 sowie an der Längsseite 24 sind insgesamt drei Aussparungen 26 im Rahmenbauteil 10 erkennbar, wobei sich eine der Aussparungen 26 an der Schmalseite 23 befindet und die beiden anderen Aussparungen 26 an der Längsseite 24 befinden. Durch jede der Aussparungen 26 ist zugleich ein mechanischer Anschlag 27 gebildet, der eine Abstützung der Bipolarplatte 2 an nicht dargestellten stützenden Elementen einer umgebenden Konstruktion ermöglicht.
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Das Rahmenbauteil 10 stellt in seinem über die Dichtungen 12 und insbesondere über die Ränder 21 der Bipolarplatten 2 hinausragenden Bereich ein Isolierelement dar, welches das Halbblech 3 einer ersten Bipolarplatte 2 gegenüber dem Halbblech 4 einer benachbarten Bipolarplatte 2 elektrisch isoliert. Im Ausführungsbeispiel nach den 1 bis 3 handelt es sich bei dem als Isolierelement fungierenden Rahmenbauteil 10 um ein Kunststoffbauteil mit im Vergleich zur Membran 9 geringerer Flexibilität.
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Im Unterschied hierzu wird im Ausführungsbeispiel nach 4 dieselbe Membran 9, welche den Ionenaustausch im Aktivfeld 13, dessen Breite mit B13 und dessen Länge mit L13 bezeichnet ist, zusätzlich als Isolierelement zwischen den Rändern 21 der Halbbleche 3, 4 genutzt. Die Membran 9 ist in diesem Fall mehrschichtig aufgebaut, wobei sich katalytische Beschichtungen 29 beidseitig auf einer mittleren Schicht 28 befinden.
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Die in 5 skizzierte Variante eines als Isolierelement vorgesehenen Rahmenbauteils 10 unterscheidet sich von der Variante nach 4 dadurch, dass die Membran 9 einschließlich der katalytischen Beschichtung 29 sandwichartig zwischen Isolationsfolien 30 angeordnet ist. Die Isolationsfolie 30 ist ausschließlich im Bereich des Rahmenbauteils 10, nicht jedoch im Bereich des Aktivfeldes 13 vorhanden und hat zusätzlich zu ihrer elektrisch isolierenden Funktion eine mechanisch stabilisierende Funktion.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenstapel
- 2
- Bipolarplatte
- 3
- Halbblech
- 4
- Halbblech
- 5
- Brennstoffzelle
- 6
- Halbzelle
- 7
- Halbzelle
- 8
- Membran-Elektroden-Einheit
- 9
- Membran
- 10
- Rahmenbauteil
- 11
- Gasdiffusionslage
- 12
- Dichtung
- 13
- Aktivfeld
- 14
- Port
- 15
- Port
- 16
- Port
- 17
- Port
- 18
- Port
- 19
- Port
- 20
- Prägestruktur
- 21
- Rand der Bipolarplatte
- 22
- Schmalseite
- 23
- Schmalseite
- 24
- Längsseite
- 25
- Längsseite
- 26
- Aussparung
- 27
- Anschlag
- 28
- mittlere Schicht
- 29
- katalytische Beschichtung
- 30
- Isolationsfolie
- BU
- Breite des Überstands
- B2
- Breite der Bipolarplatte
- B8
- Breite der Membran-Elektroden-Einheit
- B13
- Breite des Aktivfeldes
- L2
- Länge der Bipolarplatte
- L8
- Länge der Membran-Elektroden-Einheit
- L13
- Länge des Aktivfeldes
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3373371 B1 [0002]
- EP 3518331 A1 [0003]
- DE 102011051309 A1 [0004]
