WO2011026537A1 - Membran-baugruppe für einen brennstoffzellenstapel sowie brennstoffzellenstapel mit der membran-baugruppe - Google Patents

Membran-baugruppe für einen brennstoffzellenstapel sowie brennstoffzellenstapel mit der membran-baugruppe Download PDF

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WO2011026537A1
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fuel cell
membrane assembly
cell stack
housing
membrane
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Christian Martin Erdmann
Martin Keuerleber
Uwe Pfister
Harald Tober
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Daimler Ag
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Membrane assembly for a fuel cell stack and fuel cell stack with the membrane assembly
  • the invention relates to a membrane assembly for a
  • Fuel cell stack wherein in the fuel cell stack a plurality of such membrane assemblies and
  • Fuel cells are stacked with an MEA plate, which comprises a membrane for separating an anode space and a cathode space, and with a housing portion, which for spacing the MEA plates and / or the
  • the invention also relates to a fuel cell stack having a plurality of such membrane assemblies.
  • Fuel cell stacks for example for vehicles, include a plurality of fuel cells, one each
  • Fuel cell stack often more than 100 fuel cells are arranged, takes the sealing of the various
  • Electrode spaces as well as the channels play an important role in order to ensure a safe and lasting operation of the
  • the document DE 102 03 714 AI relates to a
  • Fuel cell and a fuel cell stack wherein in the fuel cell stack alternately MEAs (Membrane Electrode Assemblies) and so-called Separtorenplatten, which are probably to correspond to bipolar plates, stacked. For spacing the separator plates from each other, these have at the edge a resin made
  • the closest prior art discloses a module for a fuel cell assembly, wherein at least two plates have a common sealing element made of polymeric material, which is molded onto the plates and through which the plates are at least partially interconnected.
  • the sealing element also serves for spacing the plates from each other.
  • the invention has for its object to provide a novel design for a fuel cell stack and membrane assembly with this novel design.
  • This task is accomplished by a membrane assembly with the
  • Fuel cell stack as a mobile power source, for example, for a vehicle, suitable and / or trained.
  • the fuel cell stack includes a plurality of such Membrane assemblies and bipolar plates in a stacking direction to form fuel cells.
  • Fuel cell stacks are preferably more than 50,
  • the membrane assembly comprises an MEA plate (Membrane Electrode Assembly), which comprises a membrane for separating an anode space and a cathode space.
  • MEA plate Membrane Electrode Assembly
  • the membrane is in particular a proton-conducting membrane
  • the MEA plate has catalyst layers and / or gas diffusion layers.
  • the membrane assembly comprises a housing portion, which for spacing the MEA plates and / or the
  • Housing section ensures that at a
  • Housing section is connected via a connecting portion with the MEA plate.
  • the housing section is applied to the MEA plate via the connecting section.
  • the housing portion is formed as a dimensionally stable component, so that compression forces of the fuel cell stack can be derived via the housing portion.
  • the housing portion is formed so that in the fuel cell stack, the housing portions of the plurality of membrane assemblies form a housing portion in the stacking direction, in particular continuously in
  • the housing portion is preferably formed so that in the stacking direction a frictional connection can be generated.
  • this housing region represents the main force closure in the stacking direction, so that no excessive compression forces are applied to the MEA plate itself or to any seals in the fuel cell stack.
  • Circular direction is formed closed, so that a closed, preferably sealed housing is formed by the housing portion.
  • a closed, preferably sealed housing is formed by the housing portion.
  • a tower which has continuous walls.
  • the housing portion forms on the one hand a housing function and on the other hand a hard stopper function.
  • Housing section is made of an insulating material, so that no additional insulation between the membrane assemblies are needed. Is preferred
  • thermoplastic in particular thermoplastic or thermoset, which is optionally used reinforced with fiber.
  • thermoset which is optionally used reinforced with fiber.
  • the housing section on mounting features the one
  • a structural design of the positive connection can be implemented for example by a tongue and groove connection. But other measures, such as
  • Positioning pins, etc. are conceivable.
  • the housing sections are glued together and thus form an excellent protection against contamination for the MEA plates.
  • This sealing section can be
  • a functionally reliable sealing function is implemented by the hard stop of the housing sections during assembly and by comparison softer seal for sealing the electrode spaces. This is achieved at the same time that do not act too high compression forces on the MEA plates or seals, as the main force is done on the housing sections.
  • the sealing region is designed for sealing contact with the adjacent bipolar plate or on the adjacent bipolar plates in the fuel cell stack. In this way, through the MEA plate, the sealing portion and the adjacent (s)
  • the housing section on receiving organs which are designed to receive the bipolar plates.
  • the invention makes it possible that the membrane assembly is extended by two bipolar plates, so that an installable fuel cell is present after the pre-assembly.
  • the bipolar plate is secured in the housing portion in the stacking direction against falling out.
  • Bipolar plates are arranged in the housing section in the stacking direction either flush or even reset.
  • Membrane assembly is a bipolar plate is provided, however, which carries on both sides a surface which in a
  • the connecting portion on a frame portion which is adapted to receive the MEA plate may be formed, for example, as a fully rotating or even partially revolving U-profile, which surrounds the MEA plate in the stacking direction on both sides.
  • the MEA plate may already have an MEA frame, which is then gripped or otherwise held by the connection section.
  • a further subject of the invention forms
  • Fuel cell stack for a vehicle which a
  • FIG. 2 shows a plurality of such membrane assemblies in
  • FIG. 1 shows in a schematic
  • the fuel cell stack 2 is formed, for example, as a mobile power generator for a vehicle and has a plurality, for example, more than 50 or 100 such
  • the membrane assembly 1 shows an MEA plate 3, which is only schematically illustrated in the figures and which has a membrane, on both sides of a Katalyt and a gas diffusion layer is arranged.
  • the MEA plate 3 extends flat in a plane perpendicular to the plane of the drawing.
  • the MEA plate 3 connects via a connecting section 4
  • the connecting portion 4 is further divided into a frame portion 6 and a
  • the sealing portion 7 is preferably formed circumferentially around an electrode space 8, so that this
  • the sealing region 7 can extend on both sides in the stacking direction S, so that such an electrode space 8, namely an anode and a cathode space, is formed on both sides of the MEA plate.
  • the housing portion 5 is formed of a material which is stiffer or harder than the material of
  • Seal region 7 is realized, so that during assembly of the diaphragm assembly 1 of the main force closure on the
  • the bipolar plate 9 is made for example of a metallic or graphitic material. In the example shown, it may be an embossed stainless steel sheet.
  • the housing portion 5 has receiving members (not shown), such as guide recesses, locking lugs, etc., on the one hand, a precise positioning of the bipolar plate 9 and optionally a locking or securing the bipolar plate 9 against
  • the frame portion 6 is formed so that the MEA plate 3 is held captive.
  • the frame portion 6 surrounds the MEA plate 3 in a clip-like or U-shaped manner.
  • 2 shows a schematic representation of the fuel cell stack 2 with a total of three membrane assemblies 1.
  • the housing sections 5 are arranged touching in the stacking direction and form one in the entirety
  • the housing sections 5 have mounting features, such as
  • Example tongue and groove so that the membrane assemblies 1 can be placed positively against each other.
  • the housing sections 5 are glued together so that e.g. dustproof or even gas-tight housing is formed.
  • the housing sections 5 are for example made of a
  • Plastic in particular of a fiber-reinforced
  • Plastic for example made of thermoplastic or thermosetting plastic. After a main force closure in the stacking direction S is removed via the housing sections 5, a creep of the material of the housing sections 5 should be small, as is the case, for example, with duroplastic.
  • Bipolar plates 9 and the fuel cells formed thereby are mutually by the leadership of the housing sections. 5 very well. Overall, a uniform compression over the entire length of the fuel cell stack 2 is achieved.

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Bauweise für einen Brennstoffzellenstapel sowie Membran-Baugruppe mit dieser neuartigen Bauweise vorzuschlagen. Es wird eine Membran-Baugruppe (1) für einen Brennstoffzellenstapel (2) vorgeschlagen, wobei in dem Brennstoffzellenstapel (2) eine Mehrzahl derartiger Membran-Baugruppen (1) sowie Bipolarplatten (9) in einer Stapelrichtung S zur Bildung von Brennstoffzellen aufgestapelt sind, mit einer MEA-Platte (3), welche eine Membran zur Trennung eines Anodenraums und eines Kathodenraums umfasst, und mit einem Gehäuseabschnitt (5), welcher zur Beabstandung der MEA-Platten (3) und/oder der Bipolarplatten (9) zueinander in Stapelrichtung S in dem Brennstoffzellenstapel (1) ausgebildet ist, wobei der Gehäuseabschnitt (5) über einen Verbindungsabschnitt (4) mit der MEA-Platte verbunden ist.

Description

Membran-Baugruppe für einen Brennstoffzellenstapel sowie Brennstoffzellenstapel mit der Membran-Baugruppe
Die Erfindung betrifft eine Membran-Baugruppe für einen
Brennstoffzellenstapel, wobei in dem Brennstoffzellenstapel eine Mehrzahl derartiger Membran-Baugruppen sowie
Bipolarplatten in einer Stapelrichtung zur Bildung von
Brennstoffzellen aufgestapelt sind, mit einer MEA-Platte, welche eine Membran zur Trennung eines Anodenraumes und eines Kathodenraumes umfasst, und mit einem Gehäuseabschnitt, welcher zur Beabstandung der MEA-Platten und/oder der
Bipolarplatten in dem Brennstoffzellenstapel in
Stapelrichtung zueinander ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl derartiger Membran-Baugruppen.
Brennstoffzellenstapel , zum Beispiel für Fahrzeuge, umfassen eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die jeweils einen
Anodenraum und einen Kathodenraum zeigen. Diese Kathodenbzw. Anodenräume werden über Kanäle mit einem Brennstoff, zum Beispiel Wasserstoff, und einem Oxidanten, zum Beispiel
Sauerstoff, versorgt. Dadurch, dass in einem derartigen
Brennstoffzellenstapel oftmals mehr als 100 Brennstoffzellen angeordnet sind, nimmt die Abdichtung der verschiedenen
Elektrodenräume sowie der Kanäle eine wichtige Rolle ein, um einen sicheren und dauerhaften Betrieb des
Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten. Die Druckschrift DE 102 03 714 AI betrifft eine
Brennstoffzelle sowie einen Brennstoffzellenstapel, wobei in dem Brennstoffzellenstapel abwechselnd MEAs (Membrane- Electrode-Assemblies) sowie sogenannte Separtorenplatten, die wohl Bipolarplatten entsprechen sollen, aufgestapelt sind. Zur Beabstandung der Separatorenplatten zueinander weisen diese randseitig ein aus Harz hergestelltes
bilderrahmenförmiges Element auf.
Die Druckschrift DE 102 504 34 AI, die wohl den
nächstkommenden Stand der Technik bildet, offenbart ein Modul für eine BrennstoffZeilenanordnung, wobei wenigstens zwei Platten ein gemeinsames Dichtelement aus polymerem Material aufweisen, das an die Platten angespritzt ist und durch das die Platten zumindest partiell miteinander verbunden sind. Das Dichtelement dient zugleich zur Beabstandung der Platten zueinander .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Bauweise für einen Brennstoffzellenstapel sowie Membran- Baugruppe mit dieser neuartigen Bauweise vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch eine Membran-Baugruppe mit den
Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch einen
Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruches 15 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der
nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Erfindungsgemäß wird eine Membran-Baugruppe für einen
Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, wobei der
Brennstoffzellenstapel als mobile Energiequelle, zum Beispiel für ein Fahrzeug, geeignet und/oder ausgebildet ist. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Mehrzahl derartiger Membran-Baugruppen sowie Bipolarplatten in einer Stapelrichtung zur Bildung von Brennstoffzellen. In dem
Brennstoffzellenstapel sind vorzugsweise mehr als 50,
insbesondere mehr als 100 und insbesondere mehr als 150
Brennstoffzellen angeordnet.
Die Membran-Baugruppe umfasst eine MEA-Platte (Membrane- Electrode-Assembly) , welche eine Membran zur Trennung eines Anodenraumes und eines Kathodenraumes umfasst. Die Membran ist insbesondere als eine protonenleitende Membran,
insbesondere als PEM ausgebildet. Optional weist die MEA- Platte Katalysatorschichten und/oder Gasdiffusionslagen auf.
Ferner umfasst die Membran-Baugruppe einen Gehäuseabschnitt, welcher zur Beabstandung der MEA-Platten und/oder der
Bipolarplatten in dem Brennstoffzellenstapel in
Stapelrichtung zueinander ausgebildet ist. Durch den
Gehäuseabschnitt wird sichergestellt, dass bei einem
Verspannen des Brennstoffzellenstapels die MEA-Platten und/oder die Bipolarplatten nicht unkontrolliert
zusammengedrückt werden.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der
Gehäuseabschnitt über einen Verbindungsabschnitt mit der MEA- Platte verbunden ist. Insbesondere ist der Gehäuseabschnitt über den Verbindungsabschnitt an der MEA-Platte appliziert.
Es ist dabei eine Überlegung der Erfindung, dass durch die Verbindung zwischen Gehäuseabschnitt und MEA-Platte eine Baueinheit geschaffen wird, die zwar komplex in der
Fertigung, jedoch danach besonders einfach in der Montage zu handhaben ist. Dadurch werden mögliche auftretende Fehler in der Prozesskette weiter nach vorne verschoben, so dass diese frühzeitiger erkannt werden können. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die Reparaturfreundlichkeit des späteren Brennstoffzellenstapels erhöht wird, da die Membran- Baugruppen einfach zu montieren bzw. zu demontieren sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Gehäuseabschnitt als ein formstabiles Bauteil ausgebildet, so dass Kompressionskräfte des Brennstoffzellenstapels über den Gehäuseabschnitt abgeleitet werden können.
Bei einer bevorzugten konstruktiven Realisierung ist nämlich vorgesehen, dass der Gehäuseabschnitt so ausgebildet ist, dass in dem Brennstoffzellenstapel die Gehäuseabschnitte der Mehrzahl der Membran-Baugruppen einen Gehäusebereich bilden, der in Stapelrichtung, insbesondere durchgehend in
Stapelrichtung verläuft. Der Gehäusebereich ist vorzugsweise so ausgebildet, dass in Stapelrichtung ein Kraftschluss erzeugbar ist. Insbesondere stellt dieser Gehäusebereich den Hauptkraftschluss in Stapelrichtung dar, so dass keine zu hohen Kompressionskräfte auf die MEA-Platte selbst bzw. auf etwaige Dichtungen in dem Brennstoffzellenstapel aufgebracht werden .
Es ist besonders bevorzugt, wenn der Gehäusebereich in
Umlaufrichtung geschlossen ausgebildet ist, so dass durch den Gehäusebereich ein geschlossenes, vorzugsweise abgedichtetes Gehäuse gebildet wird. Beispielsweise sind die
Gehäuseabschnitte bilderrahmenähnlich ausgebildet, wobei die MEA-Platten in diesen bilderrahmenähnlichen Elementen
eingelegt sind. Durch eine Stapelung der Gehäuseabschnitte wird ein Turm erzeugt, der durchgehende Wände aufweist.
In einer Weiterbildung ist es bevorzugt, wenn die
Gehäuseabschnitte miteinander verklebt sind, um die
Dichtigkeit weiter zu erhöhen. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass die Gehäuseabschnitte zueinander, zum
Beispiel durch Dichtungen, abgedichtet sind.
In dieser Ausgestaltung bildet der Gehäuseabschnitt zum einen eine Gehäusefunktion und zum anderen eine Hartstopperfunktion aus .
Hinsichtlich des Materials ist es bevorzugt, wenn der
Gehäuseabschnitt aus einem isolierenden Werkstoff gefertigt ist, so dass keine zusätzlichen Isolationen zwischen den Membran-Baugruppen benötigt werden. Bevorzugt ist
beispielsweise ein Kunststoff, insbesondere Thermoplast oder Duroplast, welcher optional faserverstärkt eingesetzt wird. Zudem ist keine zusätzliche Isolierung zu dem
Brennstoffzellenstapel und Kompressionshardware erforderlich.
Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung weist der Gehäuseabschnitt Montagemerkmale auf, die eine
Positionierhilfe beim Stapeln der Gehäuseabschnitte in dem Brennstoffzellenstapel und/oder einen Formschluss von
benachbarten Gehäuseabschnitten in lateraler Richtung, also senkrecht zu der Stapelrichtung bilden. Durch diese Maßnahme wird die Positionierung der einzelnen Membran-Baugruppen innerhalb des Brennstoffzellenstapels vereinfacht und/oder gesichert. Eine konstruktive Ausgestaltung des Formschlusses kann beispielsweise durch eine Nut-Feder-Verbindung umgesetzt werden. Aber auch andere Maßnahmen, wie zum Beispiel
Positionierstifte etc. sind denkbar.
Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung sind die Gehäuseabschnitte miteinander verklebt und bilden damit einen hervorragenden Schutz gegen Verschmutzungen für die MEA- Platten . Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Verbindungsabschnitt zwischen dem Gehäuseabschnitt und der MEA-Platte einen Dichtungsbereich auf, der zur
Abdichtung des Anoden- und/oder des Kathodenraumes
ausgebildet ist. Dieser Dichtungsabschnitt kann
beispielsweise vollständig umlaufend um den jeweiligen Raum ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass mehrere
Dichtungen parallel aneinander gelegt sind oder dass
Dichtungen mit verschiedenen Eigenschaften, insbesondere Härten, integriert sind.
Durch die Nutzung einer vorzugsweise elastischen Dichtung und eines vorzugsweise hochfesten Gehäuseabschnitts wird eine funktionssichere Dichtfunktion durch den harten Anschlag der Gehäuseabschnitte bei der Montage und durch die im Vergleich dazu weichere Dichtung zur Abdichtung der Elektrodenräume umgesetzt. Hierbei wird zugleich erreicht, dass keine zu hohen Kompressionskräfte auf die MEA-Platten bzw. Dichtungen wirken, da der Hauptkraftschluss über die Gehäuseabschnitte erfolgt .
Es ist besonders bevorzugt, wenn der Dichtungsbereich zur abdichtenden Anlage an die benachbarte Bipolarplatte oder an die benachbarten Bipolarplatten in dem Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist. In dieser Weise wird durch die MEA-Platte, den Dichtungsabschnitt und die angrenzende (n)
Bipolarplatte (n) einer beide der Elektrodenräume gebildet.
Bei einer bevorzugten konstruktiven Weiterbildung der
Erfindung weist der Gehäuseabschnitt Aufnahmeorgane auf, die zur Aufnahme der Bipolarplatten ausgebildet sind. Damit ermöglicht es die Erfindung, dass die Membran-Baugruppe um zwei Bipolarplatten erweitert wird, so dass eine einbaufähige Brennstoffzelle nach der Vormontage vorliegt. Um die Montage zu erleichtern, ist es bevorzugt, dass die Bipolarplatte in dem Gehäuseabschnitt in Stapelrichtung gegen ein Herausfallen gesichert ist.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die eine oder die zwei
Bipolarplatten in dem Gehäuseabschnitt in Stapelrichtung entweder bündig oder sogar zurückgesetzt angeordnet sind.
Es ist z.B. auch möglich, dass pro Gehäuseabschnitt bzw.
Membran-Baugruppe eine Bipolarplatte vorgesehen ist, welche jedoch beidseitig eine Oberfläche trägt, die in einen
Elektrodenraum ragt.
Bei einer konstruktiv bevorzugten Ausbildungsform der
Erfindung weist der Verbindungsabschnitt einen Rahmenbereich auf, der zur Aufnahme der MEA-Platte ausgebildet ist. Dieser Rahmenabschnitt kann beispielsweise als ein vollumlaufendes oder auch nur teilumlaufendes U-Profil ausgebildet sein, welches die MEA-Platte in Stapelrichtung beidseitig umgreift. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität kann jedoch bereits die MEA-Platte einen MEA-Rahmen aufweisen, der dann von dem Verbindungsabschnitt umgriffen oder anderweitig gehalten wird.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein
Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug, welcher eine
Mehrzahl von Membran-Baugruppen nach einem der vorhergehenden Ansprüche bzw. wie er zuvor beschrieben wurde, aufweist.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie den beigefügten Figuren. Dabei zeigen: Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine
Membran-Baugruppe für einen Brennstoffzellenstapel als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 eine Mehrzahl derartiger Membran-Baugruppen in
einem Brennstoffzellenstapel als ein zweites
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gleiche oder einander entsprechende Teile sind jeweils mit den gleichen bzw. entsprechenden Bezugszeichen versehen.
Die Figur 1 zeigt in einer schematischen
Längsschnittdarstellung eine Membran-Baugruppe 1, welche für einen Brennstoffzellenstapel 2 (Figur 2) ausgebildet ist. Der Brennstoffzellenstapel 2 ist beispielsweise als ein mobiler Energiegenerator für ein Fahrzeug ausgebildet und weist eine Vielzahl, zum Beispiel mehr als 50 oder 100 derartige
Membran-Baugruppen 1 auf.
Die Membran-Baugruppe 1 zeigt eine MEA-Platte 3, welche in den Figuren nur schematisch darstellt ist und welche eine Membran aufweist, an der beidseitig ein Katalyt und eine Gasdiffusionslage angeordnet ist. Die MEA-Platte 3 erstreckt sich flächig in eine Ebene senkrecht zur Zeichenebene.
In dem dargestellten Ausschnitt schließt sich an die MEA- Platte 3 über einen Verbindungsabschnitt 4 ein
Gehäuseabschnitt 5 an. Der Verbindungsabschnitt 4 gliedert sich weiterhin in einen Rahmenbereich 6 und einen
Dichtungsbereich 7 auf. Über den Verbindungsabschnitt 4 ist der Gehäuseabschnitt 5 an der MEA-Platte 3 appliziert.
Beispielsweise könnte die Applizierung des Dichtungsbereichs 7 und des Gehäuseabschnitts 5 mit Kunststoff in einem
Spritzgießverfahren erfolgen. Insbesondere ist der Gehäuseabschnitt 5 verliersicher und/oder unlösbar mit der MEA-Platte 3 verbunden.
Der Dichtungsabschnitt 7 ist bevorzugt umlaufend um einen Elektrodenraum 8 ausgebildet, so dass dieser
strömungstechnisch isoliert ist. Der Dichtungsbereich 7 kann sich in Stapelrichtung S beidseitig erstrecken, so dass beidseitig zu der MEA-Platte ein derartiger Elektrodenraum 8, nämlich ein Anoden- und ein Kathodenraum, ausgebildet wird.
Der Gehäuseabschnitt 5 ist aus einem Material ausgebildet, welches steifer oder härter als das Material des
Dichtungsbereichs 7 realisiert ist, so dass bei der Montage der Membran-Baugruppe 1 der Hauptkraftschluss über den
Gehäuseabschnitt 5 und nicht über die Dichtungsbereiche 7 oder die MEA-Platte 3 erfolgt.
In die Membran-Baugruppe 1 kann eine Bipolarplatte 9
eingesetzt und positioniert werden. Die Bipolarplatte 9 ist beispielsweise aus einem metallischen oder graphitischen Werkstoff gefertigt. In dem gezeigten Beispiel kann es sich um ein geprägtes Edelstahlblech handeln. Der Gehäuseabschnitt 5 weist Aufnahmeorgane (nicht gezeigt) , wie zum Beispiel Führungsausnehmungen, Rastnasen etc. auf, die zum einen eine präzise Positionierung der Bipolarplatte 9 und optional eine Verrastung oder Sicherung der Bipolarplatte 9 gegen
Herausfallen aus dem Gehäuseabschnitt 5 ermöglichen.
Der Rahmenbereich 6 ist so ausgebildet, dass die MEA-Platte 3 verliersicher gehalten wird. Z.B. und wie in der Figur 1 gezeugt, umgreift der Rahmenbereich 6 die MEA-Platte 3 klammerartig oder u-förmig. Die Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung den Brennstoffzellenstapel 2 mit insgesamt drei Membran- Baugruppen 1. Die Gehäuseabschnitte 5 sind in Stapelrichtung berührend angeordnet und bilden in der Gesamtheit einen
Gehäuseabschnitt oder ein Gehäuse für die MEA-Platten 3 sowie die Bipolarplatten 9. Optional kann vorgesehen sein, dass die Gehäuseabschnitte 5 Montagemerkmale aufweisen, wie zum
Beispiel Nut und Feder, so dass die Membran-Baugruppen 1 formschlüssig aufeinander gestellt werden können. Optional sind die Gehäuseabschnitte 5 miteinander verklebt, so das ein z.B. staubdichtes oder sogar gasdichtes Gehäuse gebildet wird .
Die Gehäuseabschnitte 5 sind beispielsweise aus einem
Kunststoff, insbesondere aus einem faserverstärkten
Kunststoff, zum Beispiel aus Thermoplast oder Duroplast gefertigt. Nachdem ein Hauptkraftschluss in Stapelrichtung S über die Gehäuseabschnitte 5 abgetragen wird, sollte ein Kriechen des Materials der Gehäuseabschnitte 5 gering sein, wie dies zum Beispiel bei Duroplast gegeben ist.
Über die Dichtungsbereiche 7 wird zwar ein paralleler
Kraftschluss gebildet, welcher jedoch nur einen
Nebenkraftschluss in Stapelrichtung S darstellt.
Die Vorteile der Erfindung bzw. der Ausführungsbeispiele sind insbesondere darin zu sehen, dass eine funktionssichere
Dichtfunktion durch weichere Dichtungsbereiche 7 und im
Vergleich dazu härte Gehäuseabschnitte 5 erreicht wird.
Dadurch werden zu hohe Kompressionskräfte auf die MEA-Platte 3, die Dichtungsbereiche 7 und/oder die Bipolarplatten 9 vermieden. Die Positionierung der MEA-Platten 3 zu den
Bipolarplatten 9 und der dadurch gebildeten Brennstoffzellen zueinander sind durch die Führung der Gehäuseabschnitte 5 sehr gut. Insgesamt wird eine gleichmäßige Kompression über die gesamte Länge des Brennstoffzellenstapels 2 erreicht.
Ein weiterer Vorteil ist in der elektrischen Isolierung der Bipolarplatten 9 und des gesamten Brennstoffzellenstapels 2 durch die Gehäuseabschnitte 5 zu sehen. Ferner ist keine zusätzliche Isolierung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 2 und Kompressionshardware erforderlich, da diese nur an den Gehäuseabschnitten 5 aus Kunststoff angreift.
Bezugs zeichenliste
1 Membran-Baugruppe
2 Brennstoffzellenstapel
3 MEA-Platte
4 Verbindungsabschnitt
5 Gehäuseabschnitt
6 Rahmenbereich
7 Dichtungsbereich
8 Elektrodenraum
9 Bipolarplatte

Claims

Patentansprüche
Membran-Baugruppe (1) für einen Brennstoffzellenstapel (2), wobei in dem Brennstoffzellenstapel
(2) eine Mehrzahl derartiger Membran-Baugruppen (1) sowie
Bipolarplatten (9) in einer Stapelrichtung (S) zur Bildung von Brennstoffzellen aufgestapelt sind, mit einer MEA-Platte (3), welche eine Membran zur Trennung eines Anodenraums und eines Kathodenraums umfasst, und mit einem Gehäuseabschnitt (5) , welcher zur
Beabstandung der MEA-Platten (3) und/oder der
Bipolarplatten (9) zueinander in Stapelrichtung (S) in dem Brennstoffzellenstapel (1) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dass der Gehäuseabschnitt (5) über einen
Verbindungsabschnitt (4) mit der MEA-Platte verbunden ist .
Membran-Baugruppe (1) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass der Gehäuseabschnitt (5) als ein formstabiles Bauteil ausgebildet ist.
3. Membran-Baugruppe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseabschnitt (5) so
ausgebildet ist, dass die Gehäuseabschnitte (5) der
Mehrzahl der Membran-Baugruppen (1) in dem
Brennstoffzellenstapel (2) einen Gehäusebereich bilden, der in Stapelrichtung () verläuft.
4. Membran-Baugruppe (1) nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der Gehäusebereich in Umlaufrichtung um die Stapelrichtung (S) geschlossen ist.
5. Membran-Baugruppe (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der Gehäusebereich in Stapelrichtung (S) in einem raftschluss , insbesondere in einem
Hauptkraftschluss des Brennstoffzellenstapels (1) liegt.
6. Membran-Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Gehäuseabschnitt (5) Montagemerkmale aufweist, die eine Positionierhilfe beim Stapeln der Gehäuseabschnitte (5) und/oder einen Formschluss von benachbarten
Gehäuseabschnitten (5) in lateraler Richtung bilden.
7. Membran-Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Verbindungsabschnitt (4) einen Dichtungsbereich (7) umfasst, der zur Abdichtung des Anoden- und/oder
Kathodenraums (7) ausgebildet ist.
8. Membran-Baugruppe (1) nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, dass der Dichtungsbereich (7) zur
abdichtenden Anlage an benachbarten Bipolarplatten (9) in dem Brennstoffzellenstapel (2) ausgebildet ist.
9. Membran-Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Gehäuseabschnitt (5) Aufnahmeorgane aufweist, die zur Aufnahme der Bipolarplatten (9) ausgebildet sind.
10. Membran-Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Aufnahmeorgane eine
Positionierung der Bipolarplatte (9) in Stapelrichtung und/oder in lateraler Richtung definieren.
11. Membran-Baugruppe (1) nach Anspruch 9 oder 10,
gekennzeichnet durch mindestens eine Bipolarplatte (9), welche in dem Gehäuseabschnitt (5) in Stapelrichtung (S) bündig oder zurückgesetzt angeordnet ist.
12. Membran-Baugruppe (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (9) in dem
Gehäuseabschnitt (5) in Stapelrichtung (S) gegen ein Herausfallen gesichert ist.
13. Membran-Baugruppe (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der
Verbindungsabschnitt (4) einen Rahmenbereich (6)
aufweist, der zur Aufnahme der MEA-Platte (3) ausgebildet ist .
14. Membran-Baugruppe (1) nach Anspruch 13, dadurch
gekennzeichnet, dass der Rahmenbereich (6) in einem
Längsschnitt entlang der Stapelrichtung (S) die MEA- Platte (3) in einem Randbereich umgreift.
15. Brennstoffzellenstapel (2) für ein Fahrzeug,
gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Membran-Baugruppen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
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