EP2417663A1 - Brennstoffzelle, brennstoffzellenstapel und verfahren zum abdichten einer brennstoffzelle - Google Patents

Brennstoffzelle, brennstoffzellenstapel und verfahren zum abdichten einer brennstoffzelle

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Publication number
EP2417663A1
EP2417663A1 EP10713834A EP10713834A EP2417663A1 EP 2417663 A1 EP2417663 A1 EP 2417663A1 EP 10713834 A EP10713834 A EP 10713834A EP 10713834 A EP10713834 A EP 10713834A EP 2417663 A1 EP2417663 A1 EP 2417663A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel cell
electrode assembly
membrane
distribution
sealing element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10713834A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Martin Erdmann
Eyuep Akin ÖZDENIZ
Tobias Lux
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of EP2417663A1 publication Critical patent/EP2417663A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
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    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/248—Means for compression of the fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell with a membrane-electrode arrangement, which is arranged between a first distribution element for charging an anode of the membrane electrode assembly with a fuel and a second distribution element for charging a cathode of the membrane-electrode assembly with an oxidizing agent ,
  • the fuel cell comprises a sealing element, which is connected to the membrane electrode assembly.
  • the sealing element and at least one of the distribution elements are at least partially contacted, whereby a contact area is formed.
  • the invention relates to a fuel cell stack with a plurality of such fuel cells and a method for sealing a fuel cell.
  • EP 1 614 181 B1 describes a membrane-electrode assembly with integrated seal.
  • a sealing element arranged at an edge of the membrane-electrode arrangement is formed in a connection region between the seal and the membrane-electrode arrangement in such a way that sealing material penetrates pores of the cathode or of the anode.
  • the porous electrodes are thus saturated in the connection region with the material of the sealing element.
  • the sealing material forms a cushion whose thickness is greater than a thickness of the planar membrane-electrode arrangement.
  • the sealing material also forms a second, more towards the edge of the outside than the cushion arranged sealing bead, wherein a thickness of the sealing bead is greater than a thickness of the pad.
  • the sealing bead is received in grooves of the bipolar plates.
  • the grooves have a width that in addition to the sealing bead and the cushion is added. If the bipolar plates are then pressed together, the peripheral sealing bead deforms.
  • the sealing bead can be relatively compressed during compression of the bipolar plates and thereby deformed without the compression of the sealing element leads to a shear stress in the region of the pad. This ensures that the compression of the sealing element does not lead to a detachment of the seal from the membrane-electrode assembly in the connection region.
  • Formed on the pad is a bevel which, prior to compression of the bipolar plates, is brought into abutment with a groove formed in the groove to properly align and center the bipolar plates with respect to the membrane-electrode assembly.
  • the object of the present invention is to provide an improved fuel cell of the aforementioned type, an improved fuel cell stack and an improved method for sealing a fuel cell.
  • the fuel cell according to the invention comprises a membrane-electrode arrangement which is arranged between two distribution elements.
  • a first of the two distribution elements is used to apply a fuel to an anode of the membrane-electrode arrangement.
  • the second distribution element is used to apply a cathode to an electrode of the membrane-electrode assembly with an oxidizing agent.
  • a sealing element is connected to the membrane-electrode assembly.
  • the sealing element and at least one of the distribution elements at least partially in contact, so that a contact area is formed.
  • a sliding surface is provided, by means of which, when the two distribution elements are compressed, a shear stress can be applied to the membrane-electrode arrangement arranged between the two distribution elements.
  • Such a fuel cell allows a cost-effective, particularly reliable and reproducible assembly.
  • the fuel cell has a particularly long life.
  • the sliding surface is provided as a slope on the sealing element. During the compression of the two distribution elements, at least one of the distribution elements slides down along the slope and thus acts on the membrane-electrode arrangement with the shear stress.
  • a further sliding surface is provided as a slope on at least one of the two distribution elements.
  • the two distribution elements have the bevel, which correlate with a respective slope on the sealing element. Upon compression of the two distribution elements then slide the slips along each other and thus cause the tensioning of the membrane-electrode assembly.
  • the provision of the bevels on both the sealing element and on the two distribution elements simplifies a particularly low-friction sliding along the slopes to each other.
  • a length of the slope on the sealing element is equal to a length of the slope on the distribution element.
  • a comparatively large sliding surface is provided, which enables a particularly extensive reduction of the sliding friction of the bevels.
  • this contact surface is flat.
  • planar contact surfaces can adjoin at both ends of the sliding surface.
  • a particularly high sealing force can be achieved in the region of the abutment surface when the distributor element is compressed with the membrane-electrode assembly arranged between the two distributor elements.
  • a constant and constantly high surface pressure between the sealing element and the distribution elements can be achieved when the distribution elements are compressed.
  • the membrane-electrode arrangement is formed circumferentially around the membrane-electrode arrangement, when the membrane-electrode arrangement is acted upon by the shear stress, a circulating and defined clamping of the membrane-electrode arrangement takes place.
  • a circulating and defined clamping of the membrane-electrode arrangement takes place.
  • Membrane electrode assembly connected sealing element during compression of the distribution elements an equidistant, circumferential circumferential enlargement.
  • sealing element in particular a more rigid frame for the membrane-electrode assembly.
  • the membrane-electrode assembly with the connected thereto sealing element is so easy to handle.
  • the, in particular an elastomer comprehensive, sealing element is welded to the membrane-electrode assembly.
  • the joining of the membrane-electrode arrangement comprising a polymer electrolyte membrane (PEM) to the sealing element by a plastic welding process ensures a particularly secure connection of the sealing element to the membrane-electrode arrangement, which resistance is the shear stress when the distribution elements are compressed.
  • the elastic sealing element may be formed as a thermoplastic elastomer, and / or rubber and / or silicone material.
  • a distribution space for a reaction medium is provided by at least one of the distribution elements in at least one edge region adjoining the sealing element in cooperation with the membrane-electrode arrangement.
  • a gap with a constant, defined height between the membrane-electrode arrangement and the distribution element is advantageously provided.
  • one of the distribution elements at least on a side facing the membrane electrode assembly, has a plurality of ribs, in particular parallel to one another.
  • the ribs are then brought into contact with the membrane-electrode arrangement, so that it is particularly possible to achieve a constant surface pressure between the distribution element and the membrane-electrode arrangement.
  • the distribution elements are electrically conductive.
  • the distribution elements thus serve not only for distributing the reaction agent on the anode or the cathode, but in particular for contacting a plurality of fuel cells coupled to one another via the electrically conductive distribution elements.
  • a fuel cell stack which comprises a plurality of fuel cells according to the invention. If indeed a comparatively large number, for example 200 to 350 pieces, of individual fuel cells are to form the fuel cell stack, then the defined clamping of the respective membrane electrode assemblies can be used particularly meaningfully by the sliding surface provided in the contact region.
  • the individual membrane-electrode assemblies with the shear stress so namely a high density of the fuel cell stack and a constant surface pressure can be achieved. Also undefined flow-specific channel cross-sectional constrictions and undefined length expansions of the fuel cell stack are thus avoidable.
  • a distribution element within the fuel cell stack is in each case in contact with a membrane-electrode arrangement arranged on the top side of the distribution element and with a membrane-electrode arrangement arranged on the bottom side of the same distribution element.
  • one and the same distribution element each delimits two membrane-electrode assemblies of adjacent fuel cells from each other. Only in the case of the membrane-electrode assemblies arranged at the bottom and the top in the stack, does the distribution element close to an outside of the stack.
  • an improved method of sealing a fuel cell in which a membrane-electrode assembly is connected to a sealing member, and wherein the membrane-electrode assembly is interposed between a first manifold member for urging an anode of the membrane assembly.
  • Electrode arrangement is arranged with a fuel and a second distribution element for charging a cathode of the membrane-electrode assembly with an oxidizing agent to form a contact area.
  • FIG. 1 shows a detail of a perspective sectional view of a fuel cell, in which a membrane-electrode assembly is held stretched between two bipolar plates in an extension plane of the membrane-electrode assembly;
  • FIG. 2 shows a detail of a bipolar plate of the fuel cell according to FIG. 1 with a sealing frame arranged on the bipolar plate;
  • Fig. 1 shows in a perspective sectional view of a fuel cell 1 of a fuel cell stack.
  • the fuel cell 1 comprises a
  • Membrane electrode assembly 2 in which a polymer electrolyte membrane (PEM) separates a cathode from an anode.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • the planar, ie, flat in the direction of an X-Y plane extending, membrane-electrode assembly 2 is connected, in particular by welding with a sealing frame 3.
  • the membrane-electrode assembly 2 is inserted into a groove 4 formed in the sealing frame 3 (see Fig. 2).
  • the sealing frame 3 is made of an elastomer and, according to FIG. 1, is in contact with a first bipolar plate 5 and with a second bipolar plate 6.
  • the bipolar plates 5, 6 serve as distributing elements for charging the anode of the membrane electrode assembly 2 with a fuel and for charging a cathode of the membrane electrode assembly 2 with an oxidizing agent.
  • the bipolar plates 5, 6 ensure that the fuel cell 1 supplied reactant evenly distributing a continuous electrochemical reaction to the respective electrodes.
  • each of the bipolar plates 5, 6 are in the direction of a Z-axis which is perpendicular to the X-Y plane, ribs 7, wherein 7 channels are formed for the reagent between the mutually parallel ribs.
  • the ribs 7 protrude from the bipolar plates 5, 6 both in the direction of the Z-axis and in a direction opposite to the direction of the Z-axis.
  • the bipolar plates 5, 6 are each symmetrical with respect to a plane of symmetry which is parallel to the X-Y plane.
  • a distribution space 9 for the respective reaction agent is provided in a bordering on the sealing frame 3 edge region 8 of the bipolar plates 5, 6 no ribs are formed (see Fig .. 2), so that in this edge region 8 in the fuel cell 1 in cooperation with the membrane-electrode assembly 2, a distribution space 9 for the respective reaction agent is provided.
  • a height of the distribution space 9 corresponds to a height of the ribs 7.
  • a contact region 10 in which the sealing frame 3 and the bipolar plates 5 6 are in contact includes a slope 11.
  • the bevel 11 of the sealing frame 3 adjoins a first planar contact surface 12.
  • the sealing frame 3 has a further, also flat contact surface 13 which adjoins the bevel 11 towards the outside.
  • the slope 11 thus has an inclination to the X-Y plane, while the abutment surfaces 12, 13 are parallel to the X-Y plane.
  • the membrane-electrode assembly 2 When assembling the fuel cell 1, first, the membrane-electrode assembly 2 is connected to the sealing frame 3 by welding.
  • the present rectangular sealing frame 3 summarizes here the membrane electrode assembly 2 circumferentially.
  • pressing force 14 is a surface area of an assembly, which the membrane-electrode assembly 2 and the associated with this sealing frame. 3 comprises, smaller than a respective areal extent of the bipolar plates 5, 6.
  • the bevels 11 provided on the sealing frame 3 and on the bipolar plates 5, 6 slide along one another until the respective contact surfaces 12, 13 of the sealing frame 3 and the bipolar plates 5, 6 lie on one another.
  • the sliding of the bevels 11 together causes the diaphragm-electrode assembly 2 to be acted upon by a shear stress 15, that is to say with a force exciting the membrane-electrode assembly 2, which acts tangentially to the X-Y plane.
  • the shear stress 15 is illustrated in FIG. 3 by another force arrow.
  • One end of the sliding surface 11 serving as a slope 11 in the direction of the shear stress 15 is presently formed by a kink 16. The bend 16 thus delimits the bevel 11 from the respective contact surfaces 12, 13.
  • the pressing force acts 14 on bipolar plates 5, 6 as sealing force on these contact surfaces 12, 13.
  • the bipolar plates 5, 6 are also electrically isolated from each other in the compressed state of the fuel cell 1.
  • a distance 17 between the bipolar plates 5, 6 is defined and constant over the entire surface of the fuel cell 1 after the compression of the bipolar plates 5, 6 and bringing the abutment surfaces 12, 13 into engagement, so that the distribution spaces 9 of the fuel cell 1 also have a constant height extent.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (1) mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (2). Die Membran-Elektroden-Anordnung (2) ist zwischen zwei Bipolarplatten (5, 6) angeordnet und mit einem Dichtelement (3) verbunden. Das Dichtelement (3) und die Bipolarplatten (5, 6) kontaktieren einander unter Ausbildung eines Anlagebereichs (10). In dem Anlagebereich (10) ist eine Gleitfläche (11) bereitgestellt, mittels welcher bei einem Zusammendrücken der zwei Bipolarplatten (5, 6) die zwischen den zwei Bipolarplatten (5, 6) angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (2) mit einer Schubspannung (15) beaufschlagbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit einer solchen Brennstoffzelle (1) sowie ein Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle (1).

Description

Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung, welche zwischen einem ersten Verteilelement zum Beaufschlagen einer Anode der Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Brennstoff und einem zweiten Verteilelement zum Beaufschlagen einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Oxidationsmittel angeordnet ist. Die Brennstoffzelle umfasst ein Dichtelement, welches mit der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden ist. Hierbei sind das Dichtelement und wenigstens eines der Verteilelemente zumindest bereichsweise kontaktiert, wodurch ein Anlagebereich ausgebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl derartiger Brennstoffzellen und ein Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle.
Die EP 1 614 181 B1 beschreibt eine Membran-Elektroden-Anordnung mit integrierter Dichtung. Ein an einem Rand der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnete Dichtelement ist in einem Anbindungsbereich zwischen der Dichtung und der Membran-Elektroden-Anordnung so ausgebildet, dass Dichtmaterial Poren der Kathode bzw. der Anode durchdringt. Die porösen Elektroden sind also in dem Anbindungsbereich mit dem Material des Dichtelements gesättigt. Im Anbindungsbereich bildet das Dichtmaterial ein Kissen, dessen Dicke größer ist als eine Dicke der planaren Membran-Elektroden-Anordnung. Das Dichtmaterial bildet darüber hinaus einen zweiten, zum Rand hin weiter außen als das Kissen angeordneten Dichtwulst, wobei eine Dicke des Dichtwulstes größer ist als eine Dicke des Kissens. Wird nun die Membran-Elektroden-Anordnung mit der integrierten Dichtung zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet, so ist der Dichtwulst in Nuten der Bipolarplatten aufgenommen. Die Nuten weisen eine Breite auf, dass in ihnen neben dem Dichtwulst auch das Kissen aufgenommen ist. Werden dann die Bipolarplatten zusammengepresst, so verformt sich der umlaufende Dichtwulst. Der Dichtwulst kann beim Zusammenpressen der Bipolarplatten vergleichsweise stark komprimiert und dabei deformiert werden, ohne dass die Kompression des Dichtelements zu einer Scherbeanspruchung im Bereich des Kissens führt. Dadurch ist sichergestellt, dass das Zusammenpressen des Dichtelements nicht zu einem Loslösen der Dichtung von der Membran-Elektroden-Anordnung in dem Anbindungsbereich führt. An dem Kissen ist eine Schräge ausgebildet, welche vor dem Zusammenpressen der Bipolarplatten mit einer in der Nut ausgebildeten Schräge in Anlage gebracht wird, um die Bipolarplatten bezüglich der Membran-Elektroden-Anordnung definiert auszurichten und zu zentrieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Brennstoffzelle der eingangs genannten Art, einen verbesserten Brennstoffzellenstapel und ein verbessertes Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Des Weiteren wird diese Aufgabe durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13, und durch Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung, welche zwischen zwei Verteilelementen angeordnet ist. Ein erstes der zwei Verteilelemente dient zum Beaufschlagen einer Anode der Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Brennstoff. Das zweite Verteilelement dient zum Beaufschlagen einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Oxidationsmittel. Ein Dichtelement ist mit der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden. Hierbei sind das Dichtelement und wenigstens eines der Verteilelemente zumindest bereichsweise in Kontakt, so dass ein Anlagebereich ausgebildet ist. In dem Anlagebereich ist eine Gleitfläche bereitgestellt, mittels welcher bei einem Zusammendrücken der zwei Verteilelemente die zwischen den zwei Verteilelementen angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Schubspannung beaufschlagbar ist.
Wirkt beim Zusammendrücken der zwei Verteilelemente in Richtung aufeinander zu ein Druck senkrecht auf die planare Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), so wirkt die Schubspannung, mit welcher die Membran-Elektroden-Anordnung beaufschlagt wird, tangential zu der Membran-Elektroden-Anordnung. Dadurch ist beim Zusammendrücken der Verteilelemente die zwischen diesen angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung in Richtung der Schubspannung spannbar. Im unverpressten Zustand der Brennstoffzelle, also vor dem Zusammendrücken der zwei Verteilelemente ist hierbei eine von der Membran-Elektroden-Anordnung und dem mit dieser verbundenen Dichtelement eingenommene Fläche kleiner als eine Fläche im verpressten Zustand, in welchem die zwei Verteilelemente zusammengedrückt sind. Durch das beim Zusammendrücken der zwei Verteilelemente bewirkte Gleiten entlang der Gleitfläche ist also die Membran-Elektroden-Anordnung in einen definierten Spannzustand überführbar.
Dadurch ist eine definierte Dichtung zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und dem jeweiligen Verteilelement sowie eine definierte Dichtung zwischen den beiden Verteilelementen erreichbar. Undichtigkeiten sind so besonders sicher und insbesondere über einen langen Betriebszeitraum der Brennstoffzelle hinweg besonders weitgehend vermeidbar. Das auf diese Weise zwischen den Verteilelementen angeordnete Dichtelement sorgt zudem für eine besonders guten Isolierung der Verteilelemente voneinander.
Eine derartige Brennstoffzelle ermöglicht eine kostengünstige, besonders prozesssichere und reproduzierbare Montage. Darüber hinaus weist die Brennstoffzelle eine besonders lange Lebensdauer auf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Gleitfläche als Schräge an dem Dichtelement bereitgestellt. Hierbei gleitet beim Zusammendrücken der zwei Verteilelemente wenigstens eines der Verteilelement entlang der Schräge herab und beaufschlagt so die Membran-Elektroden-Anordnung mit der Schubspannung.
Alternativ, bevorzugt jedoch ergänzend ist eine weitere Gleitfläche als Schräge an wenigstens einem der zwei Verteilelemente bereitgestellt. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die zwei Verteilelemente die Schräge aufweisen, welche mit einer jeweiligen Schräge an dem Dichtelement korrelieren. Beim Zusammendrücken der zwei Verteilelemente gleiten dann die Schrägen aneinander entlang und bewirken so das Spannen der Membran-Elektroden-Anordnung. Das Vorsehen der Schrägen sowohl an dem Dichtelement als auch an den zwei Verteilelementen vereinfacht ein besonders reibungsarmes Entlanggleiten der Schrägen aneinander.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn in Richtung der Schubspannung eine Länge der Schräge an dem Dichtelement einer Länge der Schräge an dem Verteilelement gleich ist. Dadurch ist eine vergleichsweise große Gleitfläche bereitgestellt, welche ein besonders weitgehendes Verringern der Gleitreibung der Schrägen ermöglicht. Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn an zumindest ein Ende der zumindest einen Gleitfläche in Richtung der Schubspannung eine Anlagefläche angrenzt. Bevorzugt ist diese Anlagefläche eben. Des Weiteren können an beiden Enden der Gleitfläche ebene Anlageflächen angrenzen. Eine solche Anlagefläche stellt - im verpressten Zustand der Brennstoffzelle - einen weiteren Anlagebereich zwischen dem Dichtelement und wenigstens einem der Verteilelemente bereit, so dass durch das Dichtelement ein in Richtung der Schubspannung besonders breiter Dichtsaum bereitgestellt ist.
Ist die Anlagefläche eben ausgebildet, so ist beim Zusammendrücken der Verteilelemente mit der zwischen den zwei Verteilelementen angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung im Bereich der Anlagefläche eine besonders hohe Dichtkraft erreichbar. Insbesondere ist so beim Zusammendrücken der Verteilelemente eine konstante und konstant hohe Flächenpressung zwischen dem Dichtelement und den Verteilelementen erreichbar.
Wenn die zumindest eine Gleitfläche um die Membran-Elektroden-Anordnung umlaufend ausgebildet ist, so erfolgt beim Beaufschlagen der Membran-Elektroden-Anordnung mit der Schubspannung ein umlaufendes und definiertes Spannen der Membran-Elektroden-Anordnung. Bevorzugt erfährt das mit der
Membran-Elektroden-Anordnung verbundene Dichtelement beim Zusammendrücken der Verteilelemente eine äquidistante, umlaufende Umfangsvergrößerung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist durch das Dichtelement ein, insbesondere biegesteifer, Rahmen für die Membran-Elektroden-Anordnung bereitgestellt. Die Membran-Elektroden-Anordnung mit dem mit dieser verbundenen Dichtelement ist so besonders gut handhabbar.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das, insbesondere ein Elastomer umfassende, Dichtelement mit der Membran-Elektroden-Anordnung verschweißt ist. Das Verbinden der eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) umfassenden Membran-Elektroden-Anordnung mit dem Dichtelement durch ein Kunststoffschweißverfahren sorgt für ein besonders sicheres, der Schubspannung beim Zusammendrücken der Verteilelemente widerstehendes Verbinden des Dichtelements mit der Membran-Elektroden-Anordnung. Das elastische Dichtelement kann als thermoplastisches Elastomer ausgebildet sein, und/oder Gummi und/oder Silikonmaterial aufweisen. Ein besonders einfaches Montieren der Brennstoffzelle durch Anordnen der Verteilelemente und der Membran-Elektroden-Anordnung mit dem Dichtelement ist dann erreichbar, wenn das jeweilige Verteilelement eine zu der Membran-Elektroden-Anordnung parallele Symmetrieebene aufweist. So kann beim Montieren eine beliebige Seite des Verteilelements der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandt sein. Zum einfachen und betriebssicheren Montieren der Brennstoffzelle ist es zudem vorteilhaft, wenn die zwei Verteilelemente einander in Form und Abmessungen gleich sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist durch zumindest eines der Verteilelemente in wenigstens einem an das Dichtelement angrenzenden Randbereich im Zusammenwirken mit der Membran-Elektroden-Anordnung ein Verteilraum für ein Reaktionsmittel bereitgestellt. Im verpressten Zustand der Verteilelement mit der zwischen diesen angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung ist so vorteilhaft ein Zwischenraum mit einer konstanten, definierten Höhe zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und dem Verteilelement bereitgestellt. Durch das Bereitstellen eines solchen von dem Oxidationsmittel bzw. dem Brennstoff durchströmbaren Zwischenraums mit definierter Höhe ist das Durchströmtwerden der Brennstoffzelle mit dem Reaktionsmittel besonders gut und besonders gut reproduzierbar zu gewährleisten. Dadurch sind insbesondere die elektrochemischen Reaktionen besonders gut kontrollierbar. Insbesondere ist deren Konstanz so über einen besonders langen Zeitraum zu gewährleisten.
Bevorzugt weist eines der Verteilelemente zumindest auf einer der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten Seite eine Mehrzahl von, insbesondere zueinander parallelen, Rippen auf. Im verpressten Zustand der Verteilelemente mit der zwischen diesen angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung sind dann die Rippen mit der Membran-Elektroden-Anordnung in Anlage gebracht, so dass besonders gut eine konstante Flächenpressung zwischen dem Verteilelement und der Membran-Elektroden-Anordnung erreichbar ist.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Verteilelemente elektrisch leitfähig sind. Die Verteilelemente dienen somit nicht nur zum Verteilen des Reaktionsmittels auf der Anode bzw. der Kathode, sondern insbesondere zum Kontaktieren mehrerer, über die elektrisch leitfähigen Verteilelemente miteinander gekoppelten Brennstoffzellen.
Die Vorteile der Erfindung zeigen sich insbesondere bei einem Brennstoffzellenstapel, welcher eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Brennstoffzellen umfasst. Wenn nämlich eine vergleichsweise große Anzahl, beispielsweise 200 bis 350 Stück, einzelner Brennstoffzellen den Brennstoffzellenstapel bilden sollen, so ist das definierte Spannen der jeweiligen Membran-Elektroden-Anordnungen durch die in dem Anlagebereich bereitgestellte Gleitfläche besonders sinnvoll einsetzbar. Durch das Beaufschlagen der einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen mit der Schubspannung sind so nämlich eine hohe Dichtigkeit des Brennstoffzellenstapels und eine konstante Flächenpressung erreichbar. Auch Undefinierte strömungsspezifische Kanalquerschnittsverengungen und Undefinierte Längenausdehnungen des Brennstoffzellenstapels sind so vermeidbar.
Beim Zusammenbauen des Brennstoffzellenstapels aus einzelnen Brennstoffzellen ist jeweils ein Verteilelement innerhalb des Brennstoffzellenstapels mit einer oberseitig des Verteilelements angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung und mit einer unterseitig desselben Verteilelements angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung in Kontakt. Mit anderen Worten grenzt ein und dasselbe Verteilelement jeweils zwei Membran-Elektroden-Anordnungen benachbarter Brennstoffzellen voneinander ab. Lediglich bei den zu unterst und zu oberst in dem Stapel angeordneten Membran-Elektroden-Anordnungen bildet zu einer Außenseite des Stapels hin das Verteilelement einen Abschluss.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein verbessertes Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle bereitgestellt, bei welchem eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Dichtelement verbunden wird, und bei welchem die Membran-Elektroden-Anordnung zwischen einem ersten Verteilelement zum Beaufschlagen einer Anode der Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Brennstoff und einem zweiten Verteilelement zum Beaufschlagen einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Oxidationsmittel unter Ausbildung eines Anlagebereichs angeordnet wird. Bei einem Zusammendrücken der zwei Verteilelemente gleiten wenigstens eines der zwei Verteilelemente und das Dichtelement aneinander entlang, wobei die zwischen den Verteilelementen angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Schubspannung beaufschlagt wird. Dadurch wird die Membran-Elektroden-Anordnung in Richtung der Schubspannung, also senkrecht zu der beim Zusammendrücken der zwei Verteilelemente wirkenden Kraft, gespannt.
Die für die erfindungsgemäße Brennstoffzelle beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Vorteile gelten auch für den erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel sowie für das erfindungsgemäße Verfahren. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 ausschnittsweise eine perspektivische Schnittansicht einer Brennstoffzelle, bei welcher eine Membran-Elektroden-Anordnung in einer Erstreckungsebene der Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten gespannt gehalten ist;
Fig. 2 ausschnittsweise eine Bipolarplatte der Brennstoffzelle gemäß Fig. 1 mit einem auf der Bipolarplatte angeordneten Dichtrahmen; und
Fig. 3 eine vergrößerte perspektivische Schnittansicht eines Randbereichs der
Brennstoffzelle gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Schnittansicht eine Brennstoffzelle 1 eines Brennstoffzellenstapels. Die Brennstoffzelle 1 umfasst eine
Membran-Elektroden-Anordnung 2, bei welcher eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) eine Kathode von einer Anode trennt. Die planare, also sich flach in Richtung einer X-Y-Ebene erstreckende, Membran-Elektroden-Anordnung 2 ist, insbesondere durch Einschweißen mit einem Dichtrahmen 3 verbunden. Hierbei ist die Membran-Elektroden-Anordnung 2 in eine in dem Dichtrahmen 3 ausgebildete Nut 4 eingeführt (vgl. Fig. 2).
Der Dichtrahmen 3 besteht aus einem Elastomer und ist gemäß Fig. 1 mit einer ersten Bipolarplatte 5 sowie mit einer zweiten Bipolarplatte 6 in Anlage. Die Bipolarplatten 5, 6 dienen als Verteilelemente zum Beaufschlagen der Anode der Membran-Elektroden-Anordnung 2 mit einem Brennstoff und zum Beaufschlagen einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung 2 mit einem Oxidationsmittel. Hierbei sorgen die Bipolarplatten 5, 6 dafür, dass die der Brennstoffzelle 1 zugeführten Reaktionsmittel gleichmäßig und eine kontinuierliche elektrochemische Reaktion begünstigend auf den jeweiligen Elektroden verteilt werden.
Von jeder der Bipolarplatten 5, 6 stehen in Richtung einer Z-Achse, welche senkrecht auf der X-Y-Ebene steht, Rippen 7 ab, wobei zwischen den zueinander parallelen Rippen 7 Kanäle für das Reaktionsmittel ausgebildet sind. Die Rippen 7 stehen sowohl in Richtung der Z-Achse als auch in einer der Richtung der Z-Achse entgegengesetzten Richtung von den Bipolarplatten 5, 6 ab. Die Bipolarplatten 5, 6 sind jeweils symmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene, welche parallel zu der X-Y-Ebene ist.
In einem an den Dichtrahmen 3 angrenzenden Randbereich 8 der Bipolarplatten 5, 6 sind keine Rippen ausgebildet (vgl. Fig. 2), so dass in diesem Randbereich 8 in der Brennstoffzelle 1 im Zusammenwirken mit der Membran-Elektroden-Anordnung 2 ein Verteilraum 9 für das jeweilige Reaktionsmittel bereitgestellt ist. Eine Höhe des Verteilraums 9 entspricht hierbei einer Höhe der Rippen 7.
Insbesondere aus Fig. 2, welche die untere Bipolarplatte 6 mit dem auf dieser angeordneten Dichtrahmen 3, jedoch ohne die Membran-Elektroden-Anordnung 2 in einer Schnittansicht zeigt, ist erkennbar, dass ein Anlagebereich 10, in welchem der Dichtrahmen 3 und die Bipolarplatten 5, 6 in Kontakt sind, eine Schräge 11 umfasst. Nach innen hin grenzt die Schräge 11 des Dichtrahmens 3 eine erste ebene Anlagefläche 12 an. Des Weiteren weist der Dichtrahmen 3 eine nach außen hin an die Schräge 11 angrenzende weitere, ebenfalls ebene Anlagefläche 13 auf. Die Schräge 11 weist also zu der X-Y-Ebene eine Neigung auf, während die Anlagenflächen 12, 13 parallel zu der X-Y-Ebene sind.
An den Bipolarplatten 5, 6 sind korrespondierende Schrägen 11 und Anlageflächen 12, 13 bereitgestellt, deren Funktion beim Montieren der Brennstoffzelle 1 mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben wird.
Beim Montieren der Brennstoffzelle 1 wird zunächst die Membran-Elektroden-Anordnung 2 mit dem Dichtrahmen 3 durch Schweißen verbunden. Der vorliegend rechteckige Dichtrahmen 3 fasst hierbei die Membran-Elektroden-Anordnung 2 umlaufend ein. Im noch nicht verpressten Zustand der Brennstoffzelle 1 , also vor dem Beaufschlagen der Bipolarplatten 5, 6 mit einer in Fig. 3 durch Kraftpfeile veranschaulichten Presskraft 14 ist eine Flächenausdehnung einer Baugruppe, welche die Membran-Elektroden-Anordnung 2 und den mit dieser verbundenen Dichtrahmen 3 umfasst, geringer als eine jeweilige Flächenerstreckung der Bipolarplatten 5, 6. Nach dem Verpressen der Brennstoffzelle 1 , also nach dem Zusammendrücken der Bipolarplatten 5, 6 und der zwischen diesen angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung 2 durch Beaufschlagen der Bipolarplatten 5, 6 mit der Presskraft 14 schließt jedoch der Dichtrahmen 3 in Richtung der X-Y-Ebene bündig mit den Bipolarplatten 5, 6 ab. Die Baugruppe erfährt also in Folge des Beaufschlagens der Bipolarplatten 5, 6 mit der Presskraft 14 eine äquidistante Flächenvergrößerung. Diese Flächenvergrößerung geht mit einem definierten Spannen der Membran-Elektroden-Anordnung 2 in der X-Y-Ebene einher.
Beim Zusammendrücken der Bipolarplatten 5, 6 gleiten nämlich die an dem Dichtrahmen 3 und an den Bipolarplatten 5, 6 bereitgestellten Schrägen 11 aneinander entlang bis die jeweiligen Anlageflächen 12, 13 des Dichtrahmens 3 und der Bipolarplatten 5, 6 aufeinander liegen. Das Entlanggleiten der Schrägen 11 aneinander bewirkt ein Beaufschlagen der Membran-Elektroden-Anordnung 2 mit einer Schubspannung 15, also mit einer die Membran-Elektroden-Anordnung 2 spannenden Kraft, welche tangential zu der X-Y-Ebene wirkt. Die Schubspannung 15 ist in Fig. 3 durch einen weiteren Kraftpfeil veranschaulicht. Ein Ende der als Gleitfläche dienenden Schräge 11 in Richtung der Schubspannung 15 ist vorliegend durch einen Knick 16 gebildet. Der Knick 16 grenzt also die Schräge 11 von den jeweiligen Anlageflächen 12, 13 ab.
Sobald die jeweiligen Anlageflächen 12, 13 der Bipolarplatten 5, 6 und des Dichtrahmens 3 miteinander in Anlage sind, wirkt die Presskraft 14 auf Bipolarplatten 5, 6 als Dichtkraft auf diese Anlageflächen 12, 13. Somit ist über die gesamte der jeweiligen Bipolarplatte 5, 6 zugewandete Seite des Dichtrahmens 3 eine vollflächige und somit eine besonders hohe Dichtigkeit gewährleistende Dichtung bereitgestellt. Durch den Dichtrahmen 3 sind zudem im verpressten Zustand der Brennstoffzelle 1 die Bipolarplatten 5, 6 elektrisch voneinander isoliert.
Ein Abstand 17 zwischen den Bipolarplatten 5, 6 ist über die gesamte Fläche der Brennstoffzelle 1 nach dem Zusammendrücken der Bipolarplatten 5, 6 und dem In-Anlage-Bringen der Anlageflächen 12, 13 definiert eingestellt und konstant, so dass die Verteilräume 9 der Brennstoffzelle 1 ebenfalls eine konstante Höhenerstreckung aufweisen.
Dies ist einerseits durch die einander gleichen Formen und Abmessungen der Schrägen 11 und der Anlageflächen 12, 13 an dem Dichtrahmen 3 und an den Bipolarplatten 5, 6 gewährleistet, und andererseits durch die definierte Höhe der Rippen 7, welche sich im verpressten Zustand der Brennstoffzelle 1 mit der Membran-Elektroden-Anordnung 2 in Anlage befinden.
Die vorliegend am Beispiel einer einzelnen Brennstoffzelle 1 beschriebene Vorgehensweise beim Herstellen einer Rahmen-Distanz-Spanndichtung der Membran-Elektroden-Anordnung 2 über den Dichtrahmen 3 ist besonders vorteilhaft beim Zusammenbau eines Brennstoffzellenstapels anwendbar. Beim Zusammenbauen des Brennstoffzellenstapels werden eine große Anzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen 2 und Bipolarplatten 5, 6 alternierend aufeinander gestapelt und anschließend durch Beaufschlagen der außen liegenden Bipolarplatten 5, 6 mit der Presskraft 14 verspannt. In dem Brennstoffzellenstapel liegen dann die jeweiligen Membran-Elektroden-Anordnungen 2 in einem definierten Spannzustand vor, in welchem die jeweiligen Dichtrahmen 3 mit den Bipolarplatten 5, 6 bündig abschließen.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzelle
2 Membran-Elektroden-Anordnung
3 Dichtrahmen
4 Nut
5 Bipolarplatte
6 Bipolarplatte
7 Rippe
8 Randbereich
9 Verteilraum
10 Anlagebereich
11 Schräge
12 Anlagefläche
13 Anlagefläche
14 Presskraft
15 Schubspannung
16 Knick
17 Abstand

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung (2), welche zwischen einem ersten Verteilelement (5) zum Beaufschlagen einer Anode der Membran-Elektroden-Anordnung (2) mit einem Brennstoff und einem zweiten Verteilelement (6) zum Beaufschlagen einer Kathode der
Membran-Elektroden-Anordnung (2) mit einem Oxidationsmittel angeordnet ist, und mit einem Dichtelement (3), welches mit der Membran-Elektroden-Anordnung (2) verbunden ist, wobei das Dichtelement (3) und wenigstens eines der Verteilelemente (5, 6) zumindest bereichsweise kontaktiert sind und dadurch ein Anlagebereich (10) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Anlagebereich (10) eine Gleitfläche (11) bereitgestellt ist, mittels welcher bei einem Zusammendrücken der zwei Verteilelemente (5, 6) die zwischen den zwei Verteilelementen (5, 6) angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (2) mit einer Schubspannung (15) beaufschlagbar ist.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleitfläche als Schräge (11) an dem Dichtelement (3) bereitgestellt ist.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Gleitfläche als Schräge (11) an wenigstens einem der zwei Verteilelemente (5, 6) bereitgestellt ist.
4. Brennstoffzelle nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der Schubspannung (15) eine Länge der Schräge (11) an dem Dichtelement (3) einer Länge der Schräge (11) an dem Verteilelement (5, 6) gleich ist.
5. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an zumindest einem Ende (16) der zumindest einen Gleitfläche (11) in Richtung der Schubspannung (15) eine, insbesondere ebene, Anlagefläche (12, 13) angrenzt.
6. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Gleitfläche (11) um die Membran-Elektroden-Anordnung (2) umlaufend ausgebildet ist.
7. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Dichtelement ein, insbesondere biegesteifer, Rahmen (3) für die Membran-Elektroden-Anordnung (2) bereitgestellt ist.
8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das, insbesondere ein Elastomer umfassende, Dichtelement (3) mit der Membran-Elektroden-Anordnung (2) verschweißt ist.
9. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die, insbesondere in Form und Abmessungen einander gleichen, Verteilelemente (5, 6) jeweils eine zu der Membran-Elektroden-Anordnung (2) parallele Symmetrieebene aufweisen.
10. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch zumindest eines der Verteilelemente (5, 6) in wenigstens einem an das Dichtelement (3) angrenzenden Randbereich (8) im Zusammenwirken mit der Membran-Elektroden-Anordnung (2) ein Verteilraum (9) für ein Reaktionsmittel bereitgestellt ist.
11. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Verteilelemente (5, 6) zumindest auf einer der Membran-Elektroden-Anordnung (2) zugewandten Seite eine Mehrzahl von, insbesondere zueinander parallelen, Rippen (7) aufweist.
12. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilelemente (5, 6) elektrisch leitfähig sind.
13. Brennstoffzellenstapel, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 umfasst.
14. Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle (1), bei welchem a) eine Membran-Elektroden-Anordnung (2) mit einem Dichtelement (3) verbunden wird, b) die Membran-Elektroden-Anordnung (2) zwischen einem ersten Verteilelement (5) zum Beaufschlagen einer Anode der Membran-Elektroden-Anordnung (2) mit einem Brennstoff und einem zweiten Verteilelement (6) zum Beaufschlagen einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung (2) mit einem Oxidationsmittel unter Ausbildung eines Anlagebereichs (10) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Zusammendrücken der zwei Verteilelemente (5, 6) wenigstens eines der zwei Verteilelemente (5, 6) und das Dichtelement (3) aneinander entlanggleiten, wobei die zwischen den zwei Verteilelementen (5, 6) angeordnete
Membran-Elektroden-Anordnung (2) mit einer Schubspannung (15) beaufschlagt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es an einer Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder an einem Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 13 durchgeführt wird.
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