WO2011026544A1 - Brennstoffzellenstapelabschnitt sowie verfahren zur montage des brennstoffzellenabschnitts - Google Patents

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WO2011026544A1
WO2011026544A1 PCT/EP2010/004611 EP2010004611W WO2011026544A1 WO 2011026544 A1 WO2011026544 A1 WO 2011026544A1 EP 2010004611 W EP2010004611 W EP 2010004611W WO 2011026544 A1 WO2011026544 A1 WO 2011026544A1
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mea
plate
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PCT/EP2010/004611
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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

  • the invention relates to a fuel cell stack section having at least one bipolar plate, with at least one MEA plate (Membrane Electrode Assembly Plate), which is arranged in a stacking direction adjacent to the bipolar plate so as to form an electrode region, with a seal Seal for sealing the
  • Electrode region is formed, and with a
  • the invention also relates to a method for assembling the fuel cell stacking section.
  • Fuel cells are used in many applications to convert chemical energy into electrical energy.
  • Fuel cell shows system only a low voltage and a low power output, it is common to arrange a plurality of fuel cells in a stack, a so-called stack, to obtain the required voltage or power output. Often, a plurality of fuel cells, for example more than 50, 100 or even 150 fuel cells, are used in a stack. If one additionally considers that each fuel cell has an anode space and a cathode space, working gas supply and discharge lines for likewise more than 100, 200 or 300 electrode spaces must be formed in such a stack. The sealing of the individual areas or
  • Electrode spaces are of particular importance, as in case of failure or deficiencies in the seals at least the cost of the stacks is reduced, if not even their functioning is threatened as a whole.
  • the document US 2006/0246340 AI for example, relates to a fuel cell unit which shows two bipolar plates, between which an MEA unit is arranged. To improve the seal is proposed that on the MEA unit sealing portions are formed, which in correspondingly complementary recesses formed
  • Bipolar plates is arranged.
  • One of the bipolar plates has a stopper in an edge region, which
  • the invention is based on the object
  • Fuel cell stack section with the features of
  • a fuel cell stack section is proposed, which is preferably suitable and / or designed for use in a vehicle in order to prevent it
  • At least one bipolar plate is provided, which is preferably formed from a metallic or a graphitic material.
  • the bipolar plate serves on the one hand for electrical contacting and on the other hand for distributing the working gases, ie the oxidant, usually ambient air, and the fuel, usually hydrogen.
  • the fuel cell stack section shows at least one MEA plate (membrane-electrode assembly plate), which is preferably designed as a structural unit and comprises a membrane, in particular a proton-conducting membrane (PEM).
  • MEA plate membrane-electrode assembly plate
  • the MEA plate may further show catalyst layers and gas diffusion layers.
  • the MEA plate is adjacent to the bipolar plate
  • the electrode region is bounded in one direction by the membrane of the MEA plate and in the other direction by the bipolar plate.
  • the electrode regions are preferably the catalyst layers and the gas diffusion layers.
  • a seal is provided, wherein the seal is designed to seal the electrode region.
  • gasket can completely or only circulate the electrode area in sections. It is also possible that the seal in the sealing direction only single-row or even
  • the fuel cell stacking section displays a
  • Seal is formed and / or arranged separately from the seal.
  • the spacer portion is supported in the stacking direction on one side by the bipolar plate.
  • Spacer portion is supported in the stacking direction on the other side of the MEA plate. This is the
  • Fuel cell stack section the main load is passed over the distance section.
  • Electrode area ensures a defined thickness or expansion in the stacking direction.
  • An offset of the MEA plate and thus a shift of the membrane in the direction of the one or the other electrode area is due to the mechanical fixing of the MEA plate between the
  • Seal function which is implemented by the seal, from the distance function, by the spacer section
  • any, e.g. a very soft material can be chosen, which is adaptable to tolerances occurring.
  • the spacer section sets a defined distance between the bipolar plate and the MEA plate.
  • the defined distance is rigid, so that a soft or flexible compensation between bipolar plate and MEA plate is not possible.
  • the spacer portion is compliant
  • a first adhesion occurs via the spacer section and a second adhesion via the seal, wherein the
  • Frictional connection or the load in the stacking direction is distributed so that the first adhesion forms a main force closure.
  • the main force closure can be so dominant, so that the second adhesion almost to
  • Invention is the spacer portion as a
  • the spacer section in particular the
  • the MEA plate has an MEA frame, in which one or the membrane is inserted and / or clamped.
  • the spacer portion is supported on the MEA frame, so that it is under load in
  • Stacking direction is not or at least less deformed.
  • spacer portion as a separate component or as separate components in the
  • Fuel cell stack section is introduced or are. However, it is more preferable if the spacer section is firmly connected to the bipolar plate and / or even formed in one piece and / or in one material.
  • the bipolar plate can be correspondingly shaped or reshaped. This manufacturing method is particularly preferred when the bipolar plate of a metallic material is made.
  • the bipolar plate may be formed of a stainless steel sheet, in that the spacing areas are formed. It is also possible to attach the spacer section to the bipolar plate by joining or to produce subtractive, ie to produce by ablation of other areas. The latter alternatives could be useful if the bipolar plate is made of a graphic material. Also, mixed forms with one piece / einmaterialig arranged and separate
  • the spacing section is designed to be elastic and / or yielding in the stacking direction, in order to achieve, for example,
  • Spacing portion has a formula elasticity due to its shape.
  • the spacer section may have areas which are resiliently arranged in the stacking direction.
  • the spacer section is formed by bead regions, which are formed in the bipolar plates and can deflect due to their shape.
  • the spacer portion is elastic or rigid, wherein to produce a certain
  • Example rubber layers are arranged.
  • the seal of the fuel cell stack section is formed from a sealant according to the method described below:
  • Another object of the invention relates to a method for assembling the fuel cell stacking section, as described above or according to one of the preceding figures, wherein in one application step, the sealing compound, e.g. is applied from a nozzle, in particular as a sealing bead on the bipolar plate and / or on the MEA plate and in an assembly step, the bipolar plate and the MEA plate in an end position in the
  • Fuel cell stack section mounted and optional
  • Warping is the sealant in an uncured and / or plastically deformable and / or liquid and / or pasty state. It is under the term
  • Fuel cell stack section can be clamped without the sealing area is below a minimum thickness, since the distance between the bipolar plate and MEA plate is ensured by the spacer portion.
  • Bipolar plate or an MEA plate and then apply the next stacking body, or first to provide a stacked body to be mounted on both sides or even on one side with the sealant and then mount in the fuel cell stack section.
  • Fuel cell stack portion formed so that the sealant material and / or adhesive fit adds the bipolar plate and the MEA plate. By the material and / or adhesive connection, the operating behavior of the fuel cell stack section can be further secured, as in addition to a strain or compression of the
  • a fuel cell stack or stack is formed by a plurality of fuel cell stack sections, wherein it may be provided here that between the individual fuel cell stack sections, the sealant is arranged and / or formed so that no
  • Figure 2 in the same representation as Figure 1 shows a second embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows in a highly schematic representation a longitudinal section through a
  • Fuel cell stacking section 1 as a first
  • Fuel cell stacking section 1 is particularly suitable for mobile use e.g. dimensioned in a vehicle for generating the drive energy.
  • the MEA plate 2 comprises a membrane 4, on both sides of each of which a catalyst layer 5 and a
  • Membrane 4, catalyst layer 5 and gas diffusion layer 6 extend flat in a plane perpendicular to the plane of the drawing.
  • the membrane 4 which is designed in particular as a proton exchange membrane (PEM)
  • PEM proton exchange membrane
  • an anode space and a cathode space 7 a, b are separated from each other.
  • the membrane 4 is peripherally clamped in an MEA frame 8, which holds the membrane 4 circumferentially.
  • the MEA frame 8 is also referred to as an MEA frame and the overall arrangement as a frame-sealed MEA.
  • the frame 8 shown in the figures consists of an upper and a lower part, between which the membrane 4
  • the frame 8 consists only of the upper or the lower part and the membrane 4 is on one side of this part, wherein on the opposite side of the membrane 4, the seal 9 or sealing bead 10, which will be discussed in more detail below , rests on.
  • the membrane 4 is adhered to the part of the frame 8 with a suitable adhesive.
  • corresponding fuel cell stack can be made more compact.
  • a bead 10 made of an informal sealant is applied to each bipolar plate 3, and then the bipolar plates 3 and MEA plates 2 are alternately mounted in the stacking direction S.
  • the sealant is thus still liquid or pasty during assembly and can be plastically adapted to the geometry and any tolerances of bipolar plate 3 and MEA plate 2.
  • the sealant is thus still liquid or pasty during assembly and can be plastically adapted to the geometry and any tolerances of bipolar plate 3 and MEA plate 2.
  • the sealant is cured, so that the seal 9 is formed.
  • the application of the sealant for example, with a punch nozzle, Dispenserdüse or other known methods or in
  • Sealants is possible.
  • the materials can be chosen so that they can be controlled by pressure, temperature, time etc. in their curing behavior.
  • one-component, two-component, UV-curing is possible.
  • Cathode space 7a, b facing edge region is a
  • Bipolar plate 3 is formed.
  • the hinterland stopper 11 is outside the sealed area a
  • the hinterland stopper 11 are integrally formed in this embodiment of the bipolar plates 3 and can, for example, by prototyping or forming, be generated.
  • the bipolar plates 3 shown are made, for example
  • the Hinterlandstopper 11 are realized as beads. Alternatively, the Schulandstopper 11
  • the Hinterlandstopper 11 may also be attached as separate elements by joining to the bipolar plates 3. In still other embodiments, it is possible that the Schulandstopper 11 are generated by ablating the remaining areas of the bipolar plates 3. To better accommodate tolerances, the
  • Electrode space ie for the anode and the cathode space 7a, b a defined thickness in the stacking direction S is ensured.
  • the membrane 4 is always withdrawn into a predefined central position between the electrode spaces. It gets it
  • FIG. 2 shows an alternative to the exemplary embodiment in FIG. 1, which is defined by the order of
  • the sealant is alternately on the bipolar plate 3, the MEA plate 2, bipolar plate 3, etc. as a sealing bead 10th
  • FIG. 4 a shows a schematic illustration of a bipolar plate 3, with the elastic embodiment of the hinterland stopper 11 being shown graphically once again.
  • the formulaic elasticity takes place in that by the
  • FIG. 4b An alternative to this is shown in FIG. 4b, in which

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellenstapelabschnitt bzw. ein Verfahren zur Montage desselben vorzuschlagen, welcher ein sicheres und störungsarmes Betriebsverhalten zeigt. Hierzu wird ein Brennstoff zellenstapelabschnitt 1 mit mindestens einer Bipolarplatte 3, mit mindestens einer MEA-Platte 2, welche in einer Stapelrichtung S benachbart zu der Bipolarplatte 3 so angeordnet ist, dass sich ein Elektrodenbereich 7a, b ausbildet, mit einer Dichtung 9, wobei die Dichtung 9 zur Abdichtung des Elektrodenbereichs 7a, b ausgebildet ist, und mit einem Abstandsabschnitt 11, wobei der Abstandsabschnitt 11 in der Stapelrichtung S auf einer Seite durch die Bipolarplatte 3 abgestützt ist, vorgeschlagen, wobei der Abstandsabschnitt 11 in Stapelrichtung S auf der anderen Seite von der MEA-Platte 2 abgestützt ist.

Description

Brennstoffzellenstapelabschnitt sowie Verfahren zur Montage des BrennstoffZellenabschnitts
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapelabschnitt mit mindestens einer Bipolarplatte, mit mindestens eine MEA- Platte (Membrane-Electrode-Assembly-Platte) , welche in einer Stapelrichtung benachbart zu der Bipolarplatte so angeordnet ist, dass sich ein Elektrodenbereich ausbildet, mit einer Dichtung, wobei die Dichtung zur Abdichtung des
Elektrodenbereiches ausgebildet ist, und mit einem
Abstandsabschnitt, wobei der Abstandsabschnitt in der
Stapelrichtung auf einer Seite durch die Bipolarplatte abgestützt wird. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Montage des Brennstoffzellenstapelabschnitts .
Brennstoffzellen werden in vielen Anwendungen eingesetzt, um chemische Energie in elektrische Energie zu wandeln.
Beispielsweise ist es bekannt, Brennstoffzellensysteme mit Brennstoffzellen zur Versorgung von Fahrzeugen mit
Antriebsenergie zu verwenden. Da jedoch eine einzelne
Brennstoffzelle systembedingt nur eine geringe Spannung und eine geringe Leistungsabgabe zeigt, ist es üblich, eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel, einem so genannten Stack, anzuordnen, um die benötigte Spannung bzw. Leistungsabgabe zu erhalten. Oftmals werden hierbei eine Vielzahl von Brennstoffzellen, zum Beispiel mehr als 50, 100 oder sogar 150 Brennstoffzellen, in einem Stapel verwendet. Berücksichtigt man ergänzend, dass jede Brennstoffzelle einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist, so müssen in einem derartigen Stack Arbeitsgaszu- bzw. -ableitungen für ebenfalls mehr als 100, 200 oder 300 Elektrodenräume gebildet werden. Der Abdichtung der einzelnen Bereiche bzw.
Elektrodenräume kommt eine besondere Bedeutung zu, da bei einem Versagen oder Defiziten in den Dichtungen mindestens die Wirtschaftlichkeit der Stacks herabgesetzt wird, wenn nicht sogar deren Funktionsfähigkeit im Ganzen bedroht ist.
Die Druckschrift US 2006/0246340 AI betrifft beispielsweise eine Brennstoffzelleneinheit, welche zwei Bipolarplatten zeigt, zwischen denen eine MEA-Einheit angeordnet ist. Zur Verbesserung der Dichtung wird vorgeschlagen, dass an der MEA-Einheit Dichtungsabschnitte angeformt sind, die in entsprechend komplementär ausgebildete Aussparungen der
Bipolarplatten eingreifen.
Die Druckschrift US 2006/70147785 AI, die wohl den
nächstkommenden Stand der Technik bildet, zeigt eine ähnliche Anordnung, wobei eine MEA-Einheit zwischen zwei
Bipolarplatten angeordnet ist. Eine der Bipolarplatten weist in einem Randbereich einen Stopper auf, welcher
beispielsweise durch eine Verdickung der Bipolarplatte gebildet ist, so dass der Zwischenraum zwischen den
Bipolarplatten innerhalb eines vernünftigen Maßes
kontrolliert ist und insbesondere kein zu enger oder zu weiter Spalt zwischen den Bipolarplatten entstehen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Brennstoffzellenstapelabschnitt bzw. ein Verfahren zur
Montage desselben vorzuschlagen, welcher ein sicheres und störungsarmes Betriebsverhalten zeigt. Diese Aufgabe wird durch einen
Brennstoffzellenstapelabschnitt mit den Merkmalen des
Anspruches 1 sowie durch ein Verfahren zur Montage des
BrennstoffZellenabschnitts mit den Merkmalen des Anspruches 13 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der
nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Erfindungsgemäß wird ein Brennstoffzellenstapelabschnitt vorgeschlagen, welcher vorzugsweise für den Einsatz in einem Fahrzeug geeignet und/oder ausgebildet ist, um dessen
Antriebsenergie bereit zu stellen.
Es ist mindestens eine Bipolarplatte vorgesehen, welche vorzugsweise aus einem metallischen oder einem graphitischen Werkstoff ausgebildet ist. Die Bipolarplatte dient zum einen zur elektrischen Kontaktierung und zum anderen zur Verteilung der Arbeitsgase, also des Oxidanten, meist Umgebungsluft, und des Brennstoffs, meist Wasserstoff.
Ferner zeigt der Brennstoffzellenstapelabschnitt mindestens eine MEA-Platte (Membrane-Electrode-Assembly-Platte) , welche vorzugsweise als eine Baueinheit ausgebildet ist und eine Membran, insbesondere eine protonenleitende Membran (PEM) umfasst. Die MEA-Platte kann ferner Katalysatorschichten und Gasdiffusionslagen zeigen.
Die MEA-Platte ist zu der Bipolarplatte so benachbart
angeordnet, dass sich ein Elektrodenbereich, insbesondere ein Anoden- oder Kathodenbereich, ausbildet. In Stapelrichtung ist der Elektrodenbereich in der einen Richtung durch die Membran der MEA-Platte und in der anderen Richtung durch die Bipolarplatte begrenzt. Innerhalb der Elektrodenbereiche befinden sich vorzugsweise die Katalysatorschichten und die Gasdiffusionslagen .
Zudem ist eine Dichtung vorgesehen, wobei die Dichtung zur Abdichtung des Elektrodenbereiches ausgebildet ist. Die
Dichtung kann den Elektrodenbereich hierzu vollständig oder nur in Abschnitten umlaufen. Auch ist es möglich, dass die Dichtung in Dichtungsrichtung nur einreihig oder auch
mehrreihig ausgebildet ist.
Ferner zeigt der Brennstoffzellenstapelabschnitt einen
Abstandsabschnitt, welcher insbesondere nicht durch die
Dichtung gebildet und/oder separat zu der Dichtung angeordnet ist. der Abstandsabschnitt ist in der Stapelrichtung auf einer Seite durch die Bipolarplatte abgestützt.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der
Abstandsabschnitt in Stapelrichtung auf der anderen Seite von der MEA-Platte abgestützt ist. Damit ist der
Abstandsabschnitt zwischen der Bipolarplatte und der MEA- Platte angeordnet, so dass diese voneinander beabstandet sind.
Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass die Dichtung mechanisch entlastet wird, da bei einer
Kompression oder Verspannung des
Brennstoffzellenstapelabschnitts die Hauptbelastung über den Abstandabschnitt geleitet wird.
Zudem wird dadurch, dass der Abstandsabschnitt zwischen
Bipolarplatte und MEA-Platte eingesetzt ist, für den
Elektrodenbereich eine definierte Dicke oder Ausdehnung in Stapelrichtung sichergestellt. Ein Versatz der MEA-Platte und damit eine Verschiebung der Membran in Richtung des einen oder des anderen Elektrodenbereiches ist durch die mechanische Festlegung der MEA-Platte zwischen den
Bipolarplatten stark eingeschränkt.
Als weiterer Vorteil ergibt sich eine Entkopplung der
Dichtungsfunktion, die durch die Dichtung umgesetzt wird, von der Abstandsfunktion, die durch den Abstandsabschnitt
gewährleistet wird, so für die Dichtungen ein beliebiges, z.B. ein sehr weiches Material gewählt werden kann, welches anpassungsfähig gegenüber auftretenden Toleranzen ist.
Bei einer möglichen Konkretisierung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Abstandsabschnitt einen definierten Abstand bzw. Abstandsbereich zwischen der Bipolarplatte und der MEA-Platte einstellt. Zum einen ist es möglich, dass der definierte Abstand starr ist, so dass ein weiches oder nachgiebiges Ausgleichen zwischen Bipolarplatte und MEA- Platte nicht möglich ist. Bei einer alternativen
Ausführungsform ist der Abstandsabschnitt nachgiebig
ausgebildet und/oder angeordnet, so dass ein definierter Abstandsbereich zwischen der Bipolarplatte und der MEA-Platte eingestellt ist.
In einer bevorzugten konstruktiven Realisierung erfolgt ein erster Kraftschluss über den Abstandsabschnitt und ein zweiter Kraftschluss über die Dichtung, wobei der
Kraftschluss bzw. die Belastung in Stapelrichtung so verteilt ist, dass der erste Kraftschluss einen Hauptkraftschluss bildet. Der Hauptkraftschluss kann dabei derart dominant sein, so dass der zweite Kraftschluss nahezu zu
vernachlässigen ist. Diese Realisierung unterstreicht
nochmals die Idee, die Dichtungsfunktion und die
Abstandsfunktion wie erläutert zu entkoppeln. Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der
Erfindung ist der Abstandsabschnitt als ein
Hinterlandstopperbereich ausgebildet und/oder außerhalb des mit der Dichtung abgegrenzten Elektrodenbereichs angeordnet. Durch diese Maßnahme wird der erste Kraftschluss bzw. der Hauptkraftschluss aus den empfindlichen Elektrodenbereichen herausgenommen, so dass dort ein von Kompressionen und/oder Verspannungen ungestörter Betrieb möglich ist. Insbesondere ist der erste Kraftschluss entkoppelt von dem zweiten
Kraftschluss durch geeignete konstruktive Maßnahmen
einstellbar .
Gemäß einer möglichen Weiterbildung der Erfindung kann der Abstandsabschnitts, insbesondere der
Hinterlandstopperbereich, umlaufend und/oder unterbrochen und/oder nur in Bereichen positioniert sein. Auch sind
Insellösungen als selektive Stützbereiche denkbar.
In einer konstruktiven Konkretisierung ist vorgesehen, dass die MEA-Platte einen MEA-Rahmen aufweist, in den eine bzw. die Membran eingelegt und/oder eingespannt ist. Zur
Entlastung der Membran stützt sich der Abstandsabschnitt an dem MEA-Rahmen ab, so dass diese bei Belastungen in
Stapelrichtung nicht oder zumindest weniger verformt wird.
Es ist möglich, dass der Abstandsabschnitt als ein separates Bauteil oder als separate Bauteile in den
Brennstoffzellenstapelabschnitt eingebracht ist bzw. sind. Es ist jedoch mehr bevorzugt, wenn der Abstandsabschnitt mit der Bipolarplatte fest verbunden und/oder sogar einstückig und/oder einmaterialig ausgebildet ist. Zur Erzeugung des Abstandsabschnitts kann die Bipolarplatte entsprechend urgeformt oder umgeformt werden. Diese Fertigungsweise ist insbesondere bevorzugt wenn die Bipolarplatte aus einem metallischen Material gefertigt ist. Beispielsweise kann die Bipolarplatte aus einem Edelstahlblech gebildet sein, in dass die Abstandsbereiche eingeformt sind. Es ist auch möglich, den Abstandsabschnitt an die Bipolarplatte durch Fügen anzusetzen oder subtraktiv zu fertigen, also durch Abtragen anderer Bereiche zu erzeugen. Die letztgenannten Alternativen könnten sich anbieten, wenn die Bipolarplatte aus einem graphischen Werkstoff hergestellt ist. Auch sind Mischformen mit einstückig/einmaterialig angeordneten und separaten
Abstandsabschnitten möglich.
Wie bereits zuvor ausgeführt, kann es sich als vorteilhaft erweisen, dass der Abstandsabschnitt in Stapelrichtung elastisch und/oder nachgiebig ausgebildet ist, um z.B.
Fertigungstoleranzen ausgleichen zu können oder einen
definierten Verspannungszustand zu erreichen. Es kann dabei vorgesehen sein, dass der Abstandsabschnitt
werkstoffelastisch realisiert ist und/oder dass der
Abstandsabschnitt aufgrund seiner Form eine Formelastizität aufweist. Beispielsweise kann der Abstandsabschnitt Bereiche aufweisen, welche in Stapelrichtung zueinander federnd angeordnet sind. Bei einer möglichen Ausführungsform sind ist der Abstandsabschnitt durch Sickenbereiche gebildet, die in die Bipolarplatten eingeformt sind und aufgrund ihrer Form einfedern können.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es möglich, dass der Abstandsabschnitt elastisch oder auch starr ausgebildet ist, wobei zur Erzeugung einer gewissen
Elastizität in Stapelrichtung zwischen dem Abstandsabschnitt und der MEA-Platte und/oder zwischen dem Abstandsabschnitt und der Bipolarplatte elastische Zwischenbereiche, zum
Beispiel Gummilagen, angeordnet sind. Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dichtung des Brennstoffzellenstapelabschnitts aus einer Dichtungsmasse gemäß dem nachfolgend beschriebenen Verfahren gebildet ist:
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage des Brennstoffzellenstapelabschnitts, wie er zuvor beschrieben wurde bzw. nach einem der vorhergehenden Figuren, wobei in einem Auftragschritt die Dichtungsmasse z.B. aus einer Düse, insbesondere als Dichtungsraupe, auf die Bipolarplatte und/oder auf die MEA-Platte aufgebracht wird und in einem Montageschritt die Bipolarplatte und die MEA- Platte in einer Endposition in den
Brennstoffzellenstapelabschnitt montiert und optional
verspannt werden. Während der Montage und/oder nach dem
Verspannen ist die Dichtungsmasse in einem unausgehärteten und/oder plastisch verformbaren und/oder flüssigen und/oder pastösen Zustand. Dabei wird unter dem Begriff
„unausgehärtete Dichtungsmasse" eine Dichtungsmasse
verstanden, die nicht oder höchstens teilweise, aber nicht vollständig ausgehärtet ist.
Diesem Gegenstand der Erfindung liegt die Überlegung
zugrunde, dass sich beim Zusammenbau des
Brennstoffzellenstapelabschnitts trotz aller
Fertigungsgenauigkeiten Toleranzen zwischen den
Stapelkörpern, also den Bipolarplatten und den MEA-Platten ergeben können, die zu einem unerwünschten Verspannen der Stapelkörper führen können. Um diesen Fall nach Möglichkeit auszuschließen, wird vorgeschlagen, die Dichtungen oder zumindest einen Teil davon, als Dichtungsmasse auf die
Stapelkörper auszutragen und diese zu montieren, solange die Dichtungsmasse noch nicht ausgehärtet ist. Die Dichtungsmasse ist dann in der Lage, sich den Gegebenheiten in dem Brennstoffzellenstapelabschnitt optimal hinsichtlich der Form durch plastische Verformung anzupassen. Besonders vorteilhaft ist dieses Verfahren im Zusammenhang mit den
Abstandsabschnitten, insbesondere den
Hinterlandstopperbereichen, da der
Brennstoffzellenstapelabschnitt verspannt werden kann, ohne dass der Dichtungsbereich unter eine Minimaldicke kommt, da der Abstand zwischen Bipolarplatte und MEA-Platte durch den Abstandsabschnitt gewährleistet ist.
Bei dem Verfahren kann vorgesehen sein, die Dichtungsmasse auf einen bereits montierten Stapelkörper, also einer
Bipolarplatte oder einer MEA-Platte, aufzubringen und dann den nächsten Stapelkörper aufzulegen, oder zunächst einen zu montierenden Stapelkörper beidseitig oder auch nur auf einer Seite mit der Dichtungsmasse zu versehen und dann in dem Brennstoffzellenstapelabschnitt zu montieren.
Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist der
Brennstoffzellenstapelabschnitt so ausgebildet, dass die Dichtungsmasse die Bipolarplatte und die MEA-Platte stoff- und/oder haftschlüssig fügt. Durch die stoff- und/oder haftschlüssige Verbindung kann das Betriebsverhalten des Brennstoffzellenstapelabschnitts weiter abgesichert werden, da neben einer Verspannung oder einer Kompression der
Stapelkörper bereits eine vollständige Verbindung vorliegt.
Es ist möglich, dass ein Brennstoffzellenstack oder -stapel durch mehrere Brennstoffzellenstapelabschnitte gebildet wird, wobei hier vorgesehen sein kann, dass zwischen den einzelnen Brennstoffzellenstapelabschnitten die Dichtungsmasse so angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass sich kein
Stoffschluss ergibt, um eine spätere Demontage, zum Beispiel zu Reparaturzwecken, zu ermöglichen. 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 einen
Brennstoffzellenstapelabschnitt in einem Randbereich als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 in gleicher Darstellung wie die Figur 1 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 3 in gleicher Darstellung wie die vorhergehenden
Figuren ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig.4 a,b zwei Ausführungsformen von Bipolarplatten zum
Einsatz in den Ausführungsbeispielen in den vorhergehenden Figuren .
Einander entsprechende oder gleiche Teile sind jeweils mit einander entsprechenden oder gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Figur 1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung einen Längsschnitt durch einen
Brennstoffzellenstapelabschnitt 1 als ein erstes
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der
Brennstoffzellenstapelabschnitt 1 ist insbesondere zum mobilen Einsatz z.B. in einem Fahrzeug zur Erzeugung der Antriebsenergie dimensioniert.
In dem gezeigten Bereich sind drei Stapelkörper in einer Stapelrichtung S angeordnet, wobei mittig eine MEA-Platte 2 liegt, die in Stapelrichtung S beidseitig an Bipolarplatten 3 angrenzt. Die MEA-Platte 2 umfasst eine Membran 4, an die beidseitig jeweils eine Katalysatorschicht 5 und eine
Gasdiffusionslage 6 angrenzen. Membran 4, Katalysatorschicht 5 und Gasdiffusionslage 6 erstrecken sich flächig in einer Ebene senkrecht zu der Zeichenebene. Durch die Membran 4, welche insbesondere als eine Protonenaustauschmembran (PEM) ausgebildet ist, wird ein Anodenraum und ein Kathodenraum 7 a,b voneinander getrennt. Die Membran 4 ist randseitig in einen MEA-Rahmen 8 eingespannt, der die Membran 4 umlaufend hält. Durch die angrenzenden Bipolarplatten 3 wird der
Anoden- bzw. Kathodenraum 7 a, b in bzw. gegen Stapelrichtung abgeschlossen. Der MEA-Rahmen 8 wird auch als ein MEA-Frame und die Gesamtanordnung als frame-sealed MEA bezeichnet.
Der in den Figuren gezeigte Rahmen 8 besteht aus einem oberen und einem unteren Teil, zwischen denen die Membran 4
randseitig eingelegt bzw. eingespannt ist. Alternativ dazu ist es aber auch möglich, eines der beiden Teile, also entweder das obere oder das untere, wegzulassen. In diesem Fall besteht der Rahmen 8 nur aus dem oberen oder dem unteren Teil und die Membran 4 liegt einseitig auf diesem Teil auf, wobei auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 4 die Dichtung 9 bzw. Dichtungsraupe 10, auf die unten stehend noch näher eingegangen wird, aufliegt. In diesem Fall ist es erforderlich, dass die Membran 4 an dem Teil des Rahmens 8 mit einem geeigneten Klebstoff angeklebt ist. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Rahmen flacher gebaut werden kann und weniger Bauraum erfordert. Ein
entsprechender Brennstoffzellenstapel kann dadurch kompakter ausgebildet werden.
Es ist auch möglich, dass die Membran 4 und der Rahmen 8 bei der in den Figuren gezeigten zweiteiligen Ausführung des Rahmens 8 miteinander verklebt sind, um einen verbesserten Halt der Membran 4 in dem Rahmen 8 zu bewirken.
Die Abdichtung zwischen den Bipolarplatten 3 und der MEA- Platte 2 erfolgt durch Dichtungen 9, welche ebenfalls
umlaufend um den Anoden- bzw. Kathodenraum 7 a,b ausgebildet sind.
Bei der Montage des Brennstoffzellenstapelabschnitts 1 wird auf jede Bipolarplatte 3 eine Raupe 10 aus einer formlosen Dichtungsmasse aufgetragen und dann die Bipolarplatten 3 bzw. MEA-Platten 2 abwechselnd in Stapelrichtung S montiert. Die Dichtungsmasse ist somit während der Montage noch flüssig bzw. pastös und kann sich plastisch an die Geometrie und etwaige Toleranzen von Bipolarplatte 3 und MEA-Platte 2 angleichen. Insbesondere wird der
Brennstoffzellenstapelabschnitt 1 in Stapelrichtung S
verspannt, um die endgültige Form der Dichtung 9 zu
definieren. Erst nach der Verspannung wird die Dichtungsmasse ausgehärtet, so dass die Dichtung 9 entsteht. Das Auftragen der Dichtungsmasse kann beispielsweise mit einer Stempeldüse, Dispenserdüse oder anderen bekannten Verfahren oder in
Kombination daraus erfolgen. Obwohl die Raupen 10 der
späteren Dichtung 9 in der Figur 1 alle gleich dargestellt sind, können sich diese in Durchmesser oder Material
unterscheiden. Auch eine Kombination aus bereits
ausgehärteten Dichtungen und noch auszuhärtenden
Dichtungsmassen ist möglich. Die Werkstoffe können so gewählt werden, dass sie über Druck, Temperatur, Zeit etc. in ihrem Aushärteverhalten gesteuert werden können. Insbesondere können Einkomponenten-, Zweikomponenten-, UV-härtende
Werkstoffe etc. eingesetzt werden. Es können auch mehrere Raupen 10 nebeneinander gesetzt werden, so dass in dem gezeigten Querschnitt mehrere Dichtungen 9 nebeneinander angeordnet wären. Alternativ hierzu können auch
konventionelle Dichtungen wie Gummidichtungen,
Dichtungsschnüre . O-Ring-Dichtungen etc. eingesetzt werden.
Auf der dem in Bezug auf die Dichtung 9 dem Anoden- bzw.
Kathodenraum 7a, b abgewandten Randbereich ist ein
Hinterlandstopper 11, also ein Bereich, dessen Erstreckung oder Dicke in Stapelrichtung S größer als die sonstige
Bipolarplatte 3 ist, ausgeformt. Durch den Hinterlandstopper 11 wird außerhalb des abgedichteten Bereiches eine
Beabstandung der MEA-Platten 2 zu den Bipolarplatten 3 sichergestellt. Dies führt dazu, dass Kräfte in
Stapelrichtung S maßgeblich oder größtenteils über die
Hinterlandstopper 11 abgetragen werden und nicht über die Dichtung 9 und die Gasdiffusionslagen 6. Die
Hinterlandstopper 11 stützen sich dabei in Stapelrichtung S einerseits auf der Bipolarplatte 3 und andererseits auf dem MEA-Rahmen 8 ab. Zum einen wird durch die Hinterlandstopper 8 erreicht, dass die Dichtung 9 aus dem Hauptkraftschluss genommen wird, so dass die Dichtung 9 alternativ auch
eingelegt werden kann.
Die Hinterlandstopper 11 sind in diesem Ausführungsbeispiel einstückig an den Bipolarplatten 3 angeformt und können, zum Beispiel durch Urformen oder Umformen, erzeugt sein. Die gezeigten Bipolarplatten 3 sind beispielsweise aus
Edelstahlblechen gefertigt, wobei die Hinterlandstopper 11 als Sicken realisiert sind. Alternativ können die
Hinterlandstopper 11 auch als separate Elemente durch Fügen an den Bipolarplatten 3 befestigt sein. Bei wieder anderen Ausführungsformen ist es möglich, dass die Hinterlandstopper 11 durch Abtragen der restlichen Bereiche der Bipolarplatten 3 erzeugt sind. Um Toleranzen besser aufnehmen zu können, können die
Hinterlandstopper 11 in Stapelrichtung S elastisch und/oder nachgiebig ausgebildet sein. Hierbei ist es möglich, dass die Hinterlandstopper 11 entweder formelastisch, wie in der Figur 1 gezeigt, oder Werkstoffelastisch realisiert sind. Die
Formelastizität ergibt sich bei dem Ausführungsbeispiel in der Figur 1 dadurch, dass die Hinterlandstopper 11 in dem gezeigten Querschnitt ein Tragwerk bilden, welches sich bei Belastung in Stapelrichtung S in eine dazu senkrechte
Richtung verbreitern kann.
Es ist darauf hinzuweisen, dass durch die Abstützung der Hinterlandstopper 11 auf dem MEA-Rahmen 8 für jeden
Elektrodenraum, also für den Anoden- und den Kathodenraum 7a, b eine definierte Dicke in Stapelrichtung S sichergestellt ist. So wird durch die gezeigte Anordnung erreicht, dass die Membran 4 stets in eine vordefinierte Mittellage zwischen den Elektrodenräumen zurückgezogen wird. Es wird dadurch
vermieden, dass sich durch Verschiebung der Membran 4 oder der gesamten MEA-Platte 2 ein Elektrodenraum zu Ungunsten des anderen vergrößert.
Die Figur 2 zeigt eine Alternative zu dem Ausführungsbeispiel in der Figur 1, welche sich durch den Auftrag der
Dichtungsraupe 10 unterscheidet. Bei diesem
Ausführungsbeispiel wird bei der Montage zunächst die
Dichtungsmasse beidseitig auf die MEA-Platte aufgetragen und diese dann montiert.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel in der Figur 3 wird die Dichtungsmasse alternierend auf die Bipolarplatte 3, die MEA- Platte 2, Bipolarplatte 3 etc. als Dichtungsraupe 10
aufgetragen. Dies kann zum einen vor der Montage der
jeweiligen Platten in dem Brennstoffzellenstapelabschnitt 1 oder nach der Montage in dem Brennstoffstapelabschnitt 1 erfolgen .
Die Figur 4a zeigt in einer schematischen Darstellung eine Bipolarplatte 3, wobei grafisch noch einmal die elastische Ausführung des Hinterlandstoppers 11 dargestellt wird. Die Formelastizität erfolgt dadurch, dass durch den
Hinterlandstopper 11 ein sechseckiges Volumen umschlossen wird, welches bei Belastung in Stapelrichtung S in einer dazu senkrechten Richtung verformt kann und auf diese Weise den Hinterlandstopper 11 elastisch macht. Ergänzend kann der Werkstoff der Bipolarplatte 3 zumindest im Bereich des
Hinterlandstoppers elastisch ausgebildet sein. Die
Elastizität kann auch durch entsprechende verschmälerte
Bereiche, Stege, etc erreicht werden.
Eine Alternative hierzu zeigt die Figur 4b, wobei in
Stapelrichtung S zwischen den Bipolarplatten 3, insbesondere den Hinterlandstoppern 11, und der MEA-Platte 2 zusätzliche elastische Komponenten 12, Schichten und/oder Werkstoffe bzw. eine Kombination davon angeordnet sind. Diese elastischen Bereiche übernehmen oder unterstützen die Elastizität der Hinterlandstopper 11.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzellenstapelabschnitt
2 MEA-Platte
3 Bipolarplatte
4 Membran
5 Katalysatorschicht
6 Gasdiffusionslage
7a, b Anoden- bzw. Kathodenraum
8 MEA-Rahmen
9 Dichtung
10 Dichtungsraupe
11 Hinterlandstopper
12 elastische Komponenten

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellenstapelabschnitt (1) mit mindestens einer Bipolarplatte (3) , mit mindestens einer MEA-Platte (2) , welche in einer
Stapelrichtung (S) benachbart zu der Bipolarplatte (3) so angeordnet ist, dass sich ein Elektrodenbereich (7a, b) ausbildet, mit einer Dichtung (9), wobei die Dichtung (9) zur Abdichtung des Elektrodenbereichs (7a, b) ausgebildet ist, und mit einem Abstandsabschnitt (11) , wobei der
Abstandsabschnitt (11) in der Stapelrichtung (S) auf einer Seite durch die Bipolarplatte (3) abgestützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsabschnitt (11) in Stapelrichtung (S) auf der anderen Seite von der MEA-Platte (2) abgestützt ist.
2. Brennstoffzellenstapelabschnitt (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsabschnitt (11) einen definierten Abstand und/oder einen definierten
Abstandsbereich zwischen der Bipolarplatte (3) und der MEA- Platte (2) einstellt.
3. Brennstoffzellenstapelabschnitt (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Stapelrichtung (S) ein erster Kraftschluss über den Abstandsabschnitt (11) und ein zweiter Kraftschluss über die Dichtung (9) gebildet ist, wobei der erste Kraftschluss einen Hauptkraftschluss bildet.
4. Brennstoffzellenstapelabschnitt (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsabschnitt einen Hinterlandstopperbereich (11) bildet und/oder außerhalb des mit der Dichtung (9) abgegrenzten Elektrodenbereichs (7a, b) angeordnet ist.
5. Brennstoffzellenstapelabschnitt (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsabschnitt (11) um den Elektrodenbereich (7a, b) unterbrochen oder durchgängig umlaufend ausgebildet ist.
6. Brennstoffzellenstapelabschnitt (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die MEA-Platte (2) einen MEA-Rahmen (8) mit einem oberen und einem unteren Teil aufweist, in den eine Membran (4) zwischen dem oberen und dem unteren Teil eingelegt und/oder
eingespannt ist, wobei sich der Abstandsabschnitt (11) an dem MEA-Rahmen (8) abstützt.
7. Brennstoffzellenstapelabschnitt (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) zumindest einseitig mit dem MEA-Rahmen (8) verklebt ist.
8. Brennstoffzellenstapelabschnitt (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die MEA- Platte (2) einen MEA-Rahmen (8) mit einem oberen oder einem unteren Teil aufweist, wobei die Membran (4) auf dem oberen oder unterem Teil aufliegt und mit diesem verklebt ist, wobei sich der Abstandsabschnitt (11) an dem MEA-Rahmen (8) abstützt .
9. Brennstoffzellenstapelabschnitt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsabschnitt (8) mit der Bipolarplatte (3) fest verbunden und/oder einstückig ausgebildet ist.
10. Brennstoffzellenstapelabschnitt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (3) metallisch oder graphitisch ausgebildet ist, wobei der Abstandsabschnitt (11) durch Urformen, Umformen, Fügen und/oder Abtragen gebildet ist.
11. Brennstoffzellenstapelabschnitt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsabschnitt (11) in Stapelrichtung (S) elastisch und/oder nachgiebig ausgebildet ist.
12. Brennstoffzellenstapelabschnitt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsabschnitt (11) formelastisch und/oder
Werkstoffelastisch ausgebildet ist.
13. Brennstoffzellenstapelabschnitt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Abstandsabschnitt (11) und der MEA-Platte (2) elastische Zwischenbereiche (12) angeordnet sind.
14. Brennstoffzellenstapelabschnitt (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (9) aus einer Dichtungsmasse (10) gemäß des nachfolgenden Verfahrens gebildet ist.
15. Verfahren zur Montage des
Brennstoffzellenstapelabschnitts (1) nach Anspruch 12, wobei in einem Auftragsschritt die Dichtungsmasse (10) auf die Bipolarplatte (3) und/oder auf die MEA-Platte (2) aufgebracht wird und in einem Montageschritt die Bipolarplatte (3) und die MEA-Platte (2) in eine Endposition in dem
Brennstoffzellenstapelabschnitt (1) montiert und optional verspannt wird, wobei während der Montage und/oder während des Verspannens die Dichtungsmasse (10) in einem
unausgehärteten und/oder plastisch verformbaren und/oder flüssigen und/oder pastösen Zustand vorliegt.
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