WO2016110376A1 - Brennstoffzelle mit vorspringender bipolarplatte - Google Patents

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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell with two in the stacking direction of the fuel cell successively arranged bipolar plates through which extends in the stacking direction at least one operating media line, with a membrane-electrode assembly and with an insulating element for electrically insulating the bipolar plates from each other, wherein the
  • Isolation element is arranged transversely to the stacking direction between the operating medium line and the membrane-electrode assembly. Furthermore, the invention relates to a
  • Fuel cell stack for a fuel cell device with at least two fuel cells arranged one behind the other in a stacking direction, wherein between the
  • Fuel cell a gap is provided, which opens into the operating media line.
  • the invention relates to a fuel cell device with a
  • the invention relates to a motor vehicle with a
  • Fuel cells, fuel cell stacks, fuel cell devices and motor vehicles of the type mentioned are well known.
  • Fuel cells use the chemical conversion of a fuel with oxygen to generate electrical energy.
  • fuel cells contain as a core component membrane-electrode assemblies, each of which may be configured as a composite of an ion, in particular protons, conductive membrane and in each case one on both sides of the membrane arranged electrode (anode and cathode).
  • gas diffusion layers can be arranged on both sides of the membrane-electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane.
  • fuel cell devices have a multiplicity of stacked fuel cells whose electrical powers add up.
  • the fuel in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with emission of electrons.
  • an electrolyte or the fuel in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture
  • Membrane which separates the reaction chambers gas-tight from each other and electrically isolated, there is a water-bound or anhydrous transport of protons H + from the
  • the cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of 0 2 to O 2 " under
  • Oxygen anions with the protons transported across the membrane to form water Achieve through the direct conversion of chemical into electrical energy
  • the fuel cell device is thus arranged by a plurality in the stack
  • the bipolar plates may provide electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.
  • the membrane-electrode assembly may displace the isolation member toward the operating media conduit so that the isolation member projects into the service media conduit. Due to the gravity and the elastic properties of the insulating element, it may be the case that the displaced insulating element deforms and at least partially conceals the mouth of the intermediate space in the operating media line. However, one of the operating media required for operating the fuel cell must be conducted through the intermediate space. So, if the isolation element obscures the mouth of the space, it blocks the flow of the space
  • the invention is based on the object, a fuel cell, a
  • Fuel cell stack to provide a fuel cell device and a motor vehicle of the type mentioned, wherein the fuel cell is easy to assemble and
  • the membrane-electrode assembly with large positional tolerances is easy to position without the insulation element can cover the mouth of the gap in the operating media line.
  • the object is achieved in that one of the bipolar plates transversely to the stacking direction at least partially further into the
  • the object is achieved in that at least one of the fuel cells is a fuel cell according to the invention.
  • the problem is solved for the fuel cell device of the type mentioned above in that the
  • Fuel cell stack is a fuel cell stack according to the invention.
  • the object is achieved in that the fuel cell device is a fuel cell device according to the invention.
  • the one of the bipolar plates can support the insulation element, so that the insulation element does not lay in front of the mouth and thus obstruct the operating media flow or even block can. Since one of the bipolar plates protrudes at least in sections from the other of the bipolar plates, the projecting portion does not need to pass through
  • Insulation element to be electrically isolated from the other of the bipolar plates, since this can not come into contact with the other bipolar plate. If the membrane-electrode arrangement is thus arranged in its desired position, then the insulation element does not need to protrude up to the projection.
  • the protruding into the operating medium line section may be a projecting into the operating media line in projection, which is an adjacent portion of the other of the
  • Bipolar plates preferably surmounted. In fact, it may be sufficient to support the insulating element only partially, ie not completely or over the entire surface, in order to prevent it from laying on the mouth opening. As a result, material for the formation of the backup support surface can be saved in order to prevent an unnecessarily high weight of the fuel cell.
  • Both bipolar plates may each have a projecting into the operating media line projection, wherein the projections are spaced apart from each other transversely to the stacking direction.
  • a projection of the projection of one of the bipolar plates in the stacking direction may not overlap the other of the bipolar plates.
  • the projection of the projection of a bipolar plate and the other of the bipolar plates are thus overlapping.
  • projections of the two projections along the stacking direction are preferably also free of overlapping, so that these projections do not overlap in the stacking direction.
  • the projecting into the operating medium line portion may be a pointing away from the center of the fuel cell and the operating medium line edge of the one fuel cell, the edge of a facing away from the center of the fuel cell and the operating medium line contacting edge of the other of the two fuel cells protrudes.
  • the edges point to an edge region of the fuel cell.
  • the section of the one of the fuel cells projecting into the operating medium line adjoins the intermediate space existing between the fuel cells.
  • the projecting into the operating media line section can thus form a backup support surface for the insulation element.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of the
  • FIGS. 2 and 3 schematic representations of exemplary embodiments of the fuel cell stack according to the invention in sectional views
  • Figure 4 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Figure 5 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Figure 1 shows the fuel cell 1 with two bipolar plates 2, 3, which are arranged in a stacking direction S one behind the other and thus stacked.
  • an operating medium line 4 extends along the stacking direction S.
  • the bipolar plates 2, 3 have openings arranged one behind the other in the stacking direction S and preferably at least substantially aligned with each other.
  • the bipolar plate 2 at least partially projects further into the operating medium line 4 as sections of the other bipolar plate 3.
  • the bipolar plate 2 has at least one projection 5 and, for example, two projections 5, 6 which are transverse to the stacking direction S and, for example, in a width direction B of FIG Fuel cell 1 from the other of the
  • Bipolar plate 3 project and protrude into the operating media line 4.
  • the width direction B preferably points in the direction of an edge region R of the fuel cell 1, in the vicinity of which the operating medium line 4 is arranged. If the bipolar plate 2 has two projections 5, 6, these may be provided at a distance from one another, in particular perpendicular to
  • one of the bipolar plates 2 can protrude at least in sections in the direction of an edge region R of the fuel cell 1 from the other of the bipolar plates 3, so that, for example, the projections 5, 6 extend in the direction of the edge region R out. Between the projections 5, 6 and the edge region R extends
  • the other of the bipolar plates 3 can also have at least one projection 5a and, for example, two projections 5a, 6a which project with respect to portions of one of the bipolar plates 2 into the operating medium line 4, for example in the direction of the edge region R.
  • the protrusions 5, 5a, 6, 6a can mechanically contact each other and thereby generate an electrical short between the bipolar plates 2, 3, the protrusions 5, 6 of the bipolar plate 2 are spaced transversely to the stacking direction S and, for example, in the width direction B from the protrusions 5a, 6a of the bipolar plate 3 is arranged. Consequently, projections of the protrusions 5, 6 in the stacking direction S do not overlap with the protrusions 5a, 6a, but rather extend away from the protrusions 5a, 6a.
  • FIG. 2 shows a fuel cell stack 10 schematically in a lateral sectional view, the sectional view corresponding to a section indicated in FIG. 1 with the designation A-A.
  • A-A the designation of a fuel cell stack
  • the fuel cell stack 10 has the fuel cell 1 of the embodiment of FIG. Furthermore, FIG. 2 shows two further fuel cells 1 a, 1 b, wherein the fuel cells 1, 1 a, 1 b are arranged one behind the other in the stacking direction S and are thus shown combined to form the fuel cell stack 10. Between the fuel cells 1 and 1 a and the
  • Fuel cells 1 and 1 b each have a gap 1 1 is provided.
  • the spaces 1 1 each have an orifice 12, through which the operating medium of the
  • Operating medium line 4 can flow into the respective intermediate space 1 1.
  • Each of the fuel cells 1, 1 a, 1 b has a membrane electrode assembly 13, which is arranged between the bipolar plates 2, 3 of the respective fuel cell 1, 1 a, 1 b. Furthermore, each of the fuel cells 1, 1 a, 1 b has an insulation element 14 which electrically separates the bipolar plates 2, 3 of each of the fuel cells 1, 1 a, 1 b so that the bipolar plates 2, 3 are not connected to one another by an electrical short circuit are.
  • the insulation element 14 may have in its course transversely to the plug-in direction S, for example in the width direction B of the fuel cell stack 10, a thickening 15, which as a sealing element prevents flow through the respective fuel cell 1, 1 a, 1 b transverse to the stacking direction S.
  • the membrane-electrode assembly 13 of the fuel cell 1 b is arranged transversely to the stacking direction S and at least in the width direction B in its desired position. However, the insulation element 14 of the fuel cell 13 does not protrude into the operating medium line 4.
  • Operating medium line 4 protrudes into it.
  • the free end 16 extending into the operating media line 4 can deform and thus cover the outlet opening 12 present between the fuel cells 1 and 1 b, so that between the operating media line 4 and between the operating media line 4
  • Fuel cells 1 and 1 a space provided 1 1 no operating medium can flow.
  • the projection 6a forms a reserve supporting surface 17 for the insulating member 14, so that it is supported by the projection 6a and consequently can no longer cover the mouth opening 12.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the fuel cell stack 10 according to the invention with differently configured fuel cells 1, 1 a, 1 b.
  • the same reference numerals are used.
  • FIGS. 1 and 2 Only the differences from the exemplary embodiment of FIGS. 1 and 2 will be discussed below.
  • the fuel cell stack 10 is shown cut as indicated in the figure 1 by the section AA.
  • the bipolar plates 2, 3 of at least the fuel cell 1 no projections 5, 6 and 5a, 6a. Rather, an edge 18 adjacent to the operating media line 4 projects beyond the operating medium line 4 adjacent edge 19 of the bipolar plate 2 transversely to the insertion direction S and, for example, in the width direction B.
  • the protruding edge 18 also forms the reserve supporting surface 17 for the free end 16 of the insulating element 14, so that this does not cover the orifice 12 between the fuel cells 1 and 1 a even at an offset V of the membrane electrode assembly 13 and thus at least partially closes ,
  • Figure 4 shows a first embodiment of an inventive
  • Fuel cell device in a schematic view.
  • elements which correspond in function and / or construction elements of the embodiments of the previous figures the same reference numerals are used.
  • the differences from the exemplary embodiments of the previous figures will be discussed below.
  • the fuel cell device 20 has the fuel cell stack 10 of one of the previous exemplary embodiments with a plurality of fuel cells 1. In addition to
  • Operating medium line 4 a further operating media line 4a extends through the fuel cell stack 10, wherein the operating media line 4, 4a are arranged transversely to the insertion direction S and, for example in the width direction B on opposite sides of the bipolar plates 2, 3.
  • the fuel cell stack 10 according to the invention and the invention
  • Fuel cells 1, 1 a, 1 b can have at least two and for example at least four
  • At least two of the operating media lines 4 may be conductively connected to one another by selected intermediate spaces 1 1 operating medium and form an operating media path which is fanned out between the operating media lines 4 in the region of the interspaces 11.
  • the membrane-electrode assemblies 13 are preferably disposed between the operating media conduits 4 of one of the operating media paths.
  • Both sides of the bipolar plates 2, 3 adjoining the operating medium lines 4, 4a can be designed according to the invention with protruding or protruding sections projecting into the operating medium line, for example the projections 5, 5a, 6, 6a.
  • the fuel cell device may have a control device 21, which
  • Control signal transmitted to the fuel cell stack 10 may be connected.
  • FIG. 5 shows a first exemplary embodiment of a motor vehicle according to the invention with the fuel cell device 20.
  • the motor vehicle 30 has a drive device 31, for example an electric motor, which is connected to the fuel cell device 20 so as to transfer drive energy.
  • the fuel cell device 20 generates drive energy, which is used for
  • Fuel cell energy is driven.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (1), einen Brennstoffzellenstapel (10) mit wenigstens zwei Brennstoffzellen (1), eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel und ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung. Um zu verhindern, dass eine fertigungsbedingte Fehlpositionierung einer Membran-Elektroden-Anordnung (13) der Brennstoffzelle (1) zu Behinderungen im Betriebsmedienfluss führt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest eine der Bipolarplatten (2, 3) weiter in eine Betriebsmedienleitung (4) hinein ragt als die andere der Bipolarplatten (2, 3).

Description

Beschreibung
Brennstoffzelle mit vorspringender Bipolarplatte
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit zwei in Stapelrichtung der Brennstoffzelle hintereinander angeordneten Bipolarplatten, durch die sich in der Stapelrichtung wenigstens eine Betriebsmedienleitung erstreckt, mit einer Membran-Elektroden-Anordnung und mit einem Isolationselement zur elektrischen Isolation der Bipolarplatten voneinander, wobei das
Isolationselement quer zur Stapelrichtung zwischen der Betriebsmedienleitung und der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung einen
Brennstoffzellenstapel für eine Brennstoffzellenvorrichtung, mit wenigstens zwei in einer Stapelrichtung hintereinander angeordneten Brennstoffzellen, wobei zwischen den
Brennstoffzellen ein Zwischenraum vorgesehen ist, der in die Betriebsmedienleitung mündet. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem
Brennstoffzellenstapel. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer
Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug bereitstellenden Brennstoffzellenvorrichtung.
Brennstoffzellen, Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellenvorrichtungen und Kraftfahrzeuge der eingangs genannten Art sind allgemein bekannt.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente Membran-Elektroden-Anordnungen, die jeweils als ein Verbund aus einer Ionen, insbesondere Protonen, leitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ausgestaltet sein kann. Zudem können Gasdiffusionsschichten beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den von der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel weisen Brennstoffzellenvorrichtungen eine Vielzahl im Stapel angeordneter Brennstoffzellen auf, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über einen Elektrolyten oder die
Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H+ aus dem
Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von 02 zu O2" unter
Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese
Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen
Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die Brennstoffzellenvorrichtung wird also durch eine Vielzahl im Stapel angeordneter
Brennstoffzellen oder Einzelzellen gebildet, sodass auch vom Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Die Bipolarplatten können für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen sorgen.
Bei der Montage der Brennstoffzelle kann es aufgrund von Toleranzen vorkommen, dass die Membran-Elektroden-Anordnung zwischen den Bipolarplatten quer zur Stapelrichtung außerhalb ihrer Soll-Position angeordnet ist. Dabei ist die Membran-Elektroden-Anordnung vorzugsweise so bemessen, dass die Brennstoffzelle auch mit einer versetzt angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung funktioniert. Allerdings kann die fehlpositionierte Membran- Elektroden-Anordnung das Isolationselement in Richtung auf die Betriebsmedienleitung verdrängen, sodass das Isolationselement in die Betriebsmedienleitung hineinragt. Aufgrund der Schwerkraft und der elastischen Eigenschaften des Isolationselementes kann es dabei sein, dass sich das verschobene Isolationselement verformt und die Mündung des Zwischenraums in die Betriebsmedienleitung zumindest teilweise verdeckt. Durch den Zwischenraum ist jedoch eines der zum Betrieb der Brennstoffzelle benötigten Betriebsmedien zu leiten. Verdeckt das Isolationselement also die Mündung des Zwischenraums, so blockiert es den Fluss des
Betriebsmediums zwischen dem Zwischenraum und der Betriebsmedienleitung, sodass die Brennstoffzelle nicht mehr ordnungsgemäß betreibbar ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle, einen
Brennstoffzellenstapel, eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art bereitzustellen, wobei die Brennstoffzelle einfach zu montieren ist und
insbesondere die Membran-Elektroden-Anordnung mit großen Positionstoleranzen einfach zu positionieren ist, ohne dass das Isolationselement die Mündung des Zwischenraums in die Betriebsmedienleitung verdecken kann. Für die eingangs genannte Brennstoffzelle ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass eine der Bipolarplatten quer zur Stapelrichtung zumindest abschnittsweise weiter in die
Betriebsmedienleitung hinein ragt als ein Abschnitt der anderen der Bipolarplatten. Für den eingangs genannten Brennstoffzellenstapel ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass wenigstens eine der Brennstoffzellen eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist. Die Aufgabe ist für die Brennstoffzellenvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der
Brennstoffzellenstapel ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel ist. Für das eingangs genannte Kraftfahrzeug ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung ist.
Dadurch, dass eine der Bipolarplatten quer zur Stapelrichtung zumindest abschnittsweise weiter in die Betriebsmedienleitung hinein ragt als ein Abschnitt der anderen Bipolarplatten, kann die eine der Bipolarplatten das Isolationselement abstützen, sodass sich das Isolationselement nicht vor die Mündung legen und somit den Betriebsmedienfluss behindern oder sogar blockieren kann. Da die eine der Bipolarplatten von der anderen der Bipolarplatten zumindest abschnittsweise vorspringt, braucht der vorspringende Abschnitt nicht durch das
Isolationselement elektrisch von der anderen der Bipolarplatten isoliert zu sein, da dieser nicht in Kontakt mit der anderen Bipolarplatte treten kann. Ist die Membran-Elektroden-Anordnung also in ihrer Soll-Position angeordnet, so braucht das Isolationselement nicht bis auf den Vorsprung zu ragen.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte und, sofern nicht anders ausgeführt, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile ist im Folgenden eingegangen.
So kann der in die Betriebsmedienleitung ragende Abschnitt ein in die Betriebsmedienleitung hinein ragender Vorsprung sein, der einen benachbarten Abschnitt der anderen der
Bipolarplatten vorzugsweise überragt. Es kann nämlich ausreichen, dass Isolationselement nur teilweise, also nicht vollständig oder vollflächig abzustützen, um zu verhindern, dass es sich auf die Mündungsöffnung legt. Hierdurch kann Material für die Ausbildung der Reservestützfläche eingespart werden, um ein unnötig hohes Gewicht der Brennstoffzelle zu verhindern.
Beide Bipolarplatten können jeweils einen in die Betriebsmedienleitung hinein ragenden Vorsprung aufweisen, wobei die Vorsprünge quer zur Stapelrichtung voneinander beabstandet sind. Eine derartig ausgebildete Brennstoffzelle kann das Isolationselement unabhängig von der Ausrichtung der Brennstoffzelle im Raum in und entgegen der Stapelrichtung abstützen und somit ein Aufliegen des Isolationselementes auf der Mündungsöffnung verhindern.
Beispielsweise kann eine Projektion des Vorsprungs der einen der Bipolarplatten in der Stapelrichtung die andere der Bipolarplatten nicht überlappen. Die Projektion des Vorsprungs der einen Bipolarplatte und die andere der Bipolarplatten sind also überlappungsfrei. Weisen beide der Bipolarplatten Vorsprünge auf, sind Projektionen der beiden Vorsprünge entlang der Stapelrichtung vorzugsweise ebenfalls überlappungsfrei, sodass sich diese Projektionen in der Stapelrichtung nicht überlappen.
Der in die Betriebsmedienleitung ragende Abschnitt kann ein vom Zentrum der Brennstoffzelle weg weisender und die Betriebsmedienleitung kontaktierender Rand der einen der beiden Brennstoffzellen sein, wobei der Rand von einem vom Zentrum der Brennstoffzelle weg weisenden und die Betriebsmedienleitung kontaktierenden Rand der anderen der beiden Brennstoffzellen vorsteht. Beispielsweise weisen die Ränder zu einem Randbereich der Brennstoffzelle. Hierdurch kann das Isolationselement insbesondere in dem Fall abgestützt werden, dass das Isolationselement von der Membran-Elektroden-Anordnung weg vom
Zentrum und beispielsweise zum Randbereich der Brennstoffzelle in Richtung auf die
Betriebsmedienleitung verdrängt ist.
Sind zumindest zwei der Brennstoffzellen zum Brennstoffzellenstapel zusammengefasst, grenzt der in die Betriebsmedienleitung ragende Abschnitt der einen der Brennstoffzellen an den zwischen den Brennstoffzellen vorhandenen Zwischenraum an. Somit kann die
Reservestützfläche platzsparend bereitgestellt und ein Aufliegen des Isolationselementes auf der Mündungsöffnung effektiv verhindert werden.
Der in die Betriebsmedienleitung ragende Abschnitt kann also eine Reservestützfläche für das Isolationselement ausbilden.
Die Erfindung ist nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Brennstoffzelle in einer Aufsicht, Figuren 2 und 3 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in Schnittansichten,
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung in Schnittansichten,
Figur 5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges.
Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der Figur 1 beschrieben.
Figur 1 zeigt die Brennstoffzelle 1 mit zwei Bipolarplatten 2, 3, die in einer Stapelrichtung S hintereinander angeordnet und somit gestapelt sind. Durch die Biploarplatten 2, 3 erstreckt sich entlang der Stapelrichtung S eine Betriebsmedienleitung 4. Um die Betriebsmedienleitung 4 auszubilden, weisen die Bipolarplatten 2, 3 Öffnungen auf, die in der Stapelrichtung S hintereinander angeordnet sind und vorzugsweise zumindest im Wesentlichen miteinander fluchten.
Die Bipolarplatte 2 ragt zumindest abschnittsweise weiter in die Betriebsmedienleitung 4 hinein als Abschnitte der anderen Bipolarplatte 3. Insbesondere weist die Bipolarplatte 2 wenigstens einen Vorsprung 5 und beispielsweise zwei Vorsprünge 5, 6 auf, die quer zur Stapelrichtung S und zum Beispiel in einer Breitenrichtung B der Brennstoffzelle 1 von der anderen der
Bipolarplatte 3 vorstehen und in die Betriebsmedienleitung 4 hineinragen. Die Breitenrichtung B weist vorzugsweise in Richtung auf einen Randbereich R der Brennstoffzelle 1 , in dessen Nähe die Betriebsmedienleitung 4 angeordnet ist. Weist die Bipolarplatte 2 zwei Vorsprünge 5, 6 auf, können diese voneinander beabstandet vorgesehen sein, insbesondere senkrecht zur
Stapelrichtung S und zur Breitenrichtung B.
Insbesondere kann die eine der Bipolarplatten 2 in Richtung auf einen Randbereich R der Brennstoffzelle 1 von der anderen der Bipolarplatten 3 zumindest abschnittsweise vorspringen, sodass beispielsweise die Vorsprünge 5, 6 sich in Richtung auf den Randbereich R hin erstrecken. Zwischen den Vorsprüngen 5, 6 und dem Randbereich R erstreckt sich
vorzugsweise die Betriebsmedienleitung 4.
Auch die andere der Bipolarplatten 3 kann wenigstens einen Vorsprung 5a und zum Beispiel zwei Vorsprünge 5a, 6a aufweisen, die mit Bezug auf Abschnitte der einen der Bipolarplatten 2 in die Betriebsmedienleitung 4 vorspringen, beispielsweise in Richtung auf den Randbereich R. Um zu vermeiden, dass die Vorsprünge 5, 5a, 6, 6a einander mechanisch kontaktieren und hierdurch einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Bipolarplatten 2, 3 erzeugen können, sind die Vorsprünge 5, 6 der Bipolarplatte 2 quer zur Stapelrichtung S und zum Beispiel in der Breitenrichtung B beabstandet von den Vorsprüngen 5a, 6a der Bipolarplatte 3 angeordnet. Folglich überlappen sich Projektionen der Vorsprünge 5, 6 in der Stapelrichtung S nicht mit den Vorsprüngen 5a, 6a, sondern erstrecken sich vielmehr beabstandet von den Vorsprüngen 5a, 6a.
Figur 2 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 10 schematisch in einer seitlichen Schnittansicht, wobei die Schnittansicht einen in der Figur 1 mit der Bezeichnung A-A angedeuteten Schnitt entspricht. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen des Ausführungsbeispiels der Figur 1 entsprechen, sind dieselben im Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der Figur 1 eingegangen.
Der Brennstoffzellenstapel 10 weist die Brennstoffzelle 1 des Ausführungsbeispiels der Figur 1 auf. Ferner zeigt die Figur 2 zwei weitere Brennstoffzellen 1 a, 1 b, wobei die Brennstoffzellen 1 , 1 a, 1 b in der Stapelrichtung S hintereinander angeordnet und so zum Brennstoffzellenstapel 10 zusammengefasst dargestellt sind. Zwischen den Brennstoffzellen 1 und 1 a sowie den
Brennstoffzellen 1 und 1 b ist jeweils ein Zwischenraum 1 1 vorgesehen. Die Zwischenräume 1 1 weisen jeweils eine Mündungsöffnung 12 auf, durch die das Betriebsmedium von der
Betriebsmedienleitung 4 in den jeweiligen Zwischenraum 1 1 strömen kann.
Jede der Brennstoffzellen 1 , 1 a, 1 b weist eine Membran-Elektroden-Anordnung 13 auf, die zwischen den Bipolarplatten 2, 3 der jeweiligen Brennstoffzelle 1 , 1 a, 1 b angeordnet ist. Ferner weist jede der Brennstoffzellen 1 , 1 a, 1 b ein Isolationselement 14 auf, das die Bipolarplatten 2, 3 jeder der Brennstoffzellen 1 , 1 a, 1 b elektrisch voneinander trennt, sodass die Bipolarplatten 2, 3 nicht durch einen elektrischen Kurzschluss miteinander verbunden sind. Quer zur
Stapelrichtung S und beispielsweise in der Breitenrichtung B ist das Isolationselement 14 zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung 13 und der Betriebsmedienleitung 4 angeordnet. Das Isolationselement 14 kann in seinem Verlauf quer zur Steckrichtung S, zum Beispiel in der Breitenrichtung B des Brennstoffzellenstapels 10, eine Verdickung 15 aufweisen, welche als ein Dichtelement ein Durchströmen der jeweiligen Brennstoffzelle 1 , 1 a, 1 b quer zur Stapelrichtung S verhindert.
Die Membran-Elektroden-Anordnung 13 der Brennstoffzelle 1 b ist quer zur Stapelrichtung S und zumindest in der Breitenrichtung B in ihrer Soll-Position angeordnet. Das Isolationselement 14 der Brennstoffzelle 13 ragt jedoch nicht in die Betriebsmedienleitung 4 hinein.
Die Membran-Elektroden-Anordnung 13 der Brennstoffzelle 1 ist hingegen quer zur
Stapelrichtung S und beispielsweise in der Breitenrichtung B um einen Versatz V versetzt zur Membran-Elektroden-Anordnung 13 der Brennstoffzelle 1 b angeordnet. Folglich ist auch das Isolationselement 14 der Brennstoffzelle 1 in Richtung auf die Betriebsmedienleitung 4 verschoben, sodass insbesondere ein freies Ende 16 des Isolationselementes 14 in die
Betriebsmedienleitung 4 hinein ragt. Beispielsweise aufgrund der Schwerkraft oder durch ein das freie Ende 16 umströmendes Betriebsmedium kann sich das in die Betriebsmedienleitung 4 hinein erstreckende freie Ende 16 verformen und so die zwischen den Brennstoffzellen 1 und 1 b vorhandene Mündungsöffnung 12 abdecken, sodass zwischen der Betriebsmedienleitung 4 und dem zwischen den Brennstoffzellen 1 und 1 a vorgesehenen Zwischenraum 1 1 kein Betriebsmedium strömen kann. Zumindest der Betrieb der Brennstoffzelle 1 und womöglich auch der Brennstoffzelle 1 a wäre hierdurch nur eingeschränkt oder überhaupt nicht möglich, da dass Betriebsmedium nicht mehr im Betrieb in den Zwischenraum 1 1 hinein oder aus diesem hinaus strömen kann. Der Vorsprung 6a bildet jedoch eine Reservestützfläche 17 für das Isolationselement 14 aus, sodass dieses vom Vorsprung 6a gestützt wird und folglich nicht mehr die Mündungsöffnung 12 abdecken kann.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 10 mit anders ausgestalteten Brennstoffzellen 1 , 1 a, 1 b. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen des Ausführungsbeispiels der Figuren 1 und 2 entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der Figuren 1 und 2 eingegangen.
Auch in der Figur 3 ist der Brennstoffzellenstapel 10 wie in der Figur 1 durch den Schnitt A-A angedeutet geschnitten dargestellt. Allerdings weisen die Bipolarplatten 2, 3 zumindest der Brennstoffzelle 1 keine Vorsprünge 5, 6 beziehungsweise 5a, 6a auf. Vielmehr überragt ein an die Betriebsmedienleitung 4 angrenzender Rand 18 einen an die Betriebsmedienleitung 4 angrenzenden Rand 19 der Bipolarplatte 2 quer zur Steckrichtung S und beispielsweise in der Breitenrichtung B.
Der vorstehende Rand 18 bildet ebenfalls die Reservestützfläche 17 für das freie Ende 16 des Isolationselementes 14 aus, sodass dieses selbst bei einem Versatz V der Membran- Elektroden-Anordnung 13 die Mündungsöffnung 12 zwischen den Brennstoffzellen 1 und 1 a nicht abdeckt und somit zumindest teilweise verschließt.
Figur 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Brennstoffzellenvorrichtung in einer schematischen Ansicht. Für Elemente, die in Funktion und /oder Aufbau Elementen der Ausführungsbeispiele der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zu den Ausführungsbeispielen der bisherigen Figuren eingegangen.
Die Brennstoffzellenvorrichtung 20 weist den Brennstoffzellenstapel 10 eines der vorherigen Ausführungsbeispiele mit mehreren Brennstoffzellen 1 auf. Zusätzlich zur
Betriebsmedienleitung 4 erstreckt sich eine weitere Betriebsmedienleitung 4a durch den Brennstoffzellenstapel 10, wobei die Betriebsmedienleitung 4, 4a quer zur Steckrichtung S und beispielsweise in der Breitenrichtung B aneinander entgegengesetzten Seiten der Bipolarplatten 2, 3 angeordnet sind.
Die erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel 10 sowie die erfindungsgemäßen
Brennstoffzellen 1 , 1 a, 1 b können wenigstens zwei und zum Beispiel zumindest vier
Betriebsmedienleitungen 4 aufweisen. Mindestens zwei der Betriebsmedienleitungen 4 können durch ausgewählte Zwischenräumen 1 1 Betriebsmedium leitend miteinander verbunden sein und einen Betriebsmedienpfad ausbilden, der zwischen den Betriebsmedienleitungen 4 im Bereich der Zwischenräume 1 1 aufgefächert ist. Die Membran-Elektroden-Anordnungen 13 sind vorzugsweise zwischen den Betriebsmedienleitungen 4 eines der Betriebsmedienpfade angeordnet.
Beide an die Betriebsmedienleitungen 4, 4a angrenzenden Seiten der Bipolarplatten 2, 3 können erfindungsgemäß mit vorstehenden beziehungsweise vorspringenden und in die Betriebsmedienleitung hineinragenden Abschnitten, zum Beispiel den Vorsprüngen 5, 5a, 6, 6a, ausgebildet sein. Ferner kann die Brennstoffzellenvorrichtung eine Steuereinrichtung 21 aufweisen, die
Steuersignal übertragend mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden sein kann.
Figur 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges mit der Brennstoffzellenvorrichtung 20.
Das Kraftfahrzeug 30 weist eine Antriebseinrichtung 31 , beispielsweise einen Elektromotor, auf, der Antriebsenergie übertragend mit der Brennstoffzellenvorrichtung 20 verbunden ist. Im Betrieb erzeugt die Brennstoffzellenvorrichtung 20 Antriebsenergie, welche zur
Antriebseinrichtung 31 geleitet wird, wodurch das Kraftfahrzeug 30 mit elektrischer
Brennstoffzellenenergie antreibbar ist.
Bezugszeichenliste
1 , 1 a, 1 b Brennstoffzelle
, 3 Bipolarplatte
, 4a Betriebsmedienleitung
5, 5a, 6, 6a Vorsprung
10 Brennstoffzellenstapel
1 1 Zwischenraum
12 Mündungsöffnung
13 Membran-Elektroden-Anordnung
14 Isolationselement
15 Verdickung
16 freies Ende des Isolationselementes
17 Reservestützfläche
18 an die Betriebsmedienleitung angrenzender Rand der Bipolarplatte 3
19 an die Betriebsmedienleitung angrenzender Rand der Bipolarplatte 2
20 Brennstoffzellenvorrichtung
21 Steuereinrichtung
30 Kraftfahrzeug
31 Antriebseinrichtung
B Breitenrichtung
S Stapelrichtung
R Randbereich
V Versatz

Claims

Patentansprüche
1 . Brennstoffzelle (1 ) mit zwei in einer Stapelrichtung (S) der Brennstoffzelle (1 )
hintereinander angeordneten Bipolarplatten (2, 3,) durch die sich in der Stapelrichtung (S) wenigstens eine Betriebsmedienleitung (4) erstreckt, mit einer Membran-Elektroden- Anordnung (13) und mit einem Isolationselement (14) zur elektrischen Isolation der Bipolarplatten (2, 3) voneinander, wobei das Isolationselement (14) quer zur Stapelrichtung (S) zwischen der Betriebsmedienleitung (4) und der Membran-Elektroden-Anordnung (13) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Bipolarplatten (2) quer zur Stapelrichtung (S) zumindest abschnittsweise weiter in die Betriebsmedienleitung (4) hinein ragt, als ein Abschnitt der anderen Bipolarplatten (3).
2. Brennstoffzelle (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der in die
Betriebsmedienleitung (4) ragende Abschnitt ein in die Betriebsmedienleitung (4) hinein ragender Vorsprung (5, 6) ist, der einen benachbarten Abschnitt der anderen der
Bipolarplatten (2, 3) quer zur Stapelrichtung (S) überragt.
3. Brennstoffzelle (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beide Bipolarplatten (2, 3) jeweils einen in die Betriebsmedienleitung (4) hinein ragenden Vorsprung (5, 5a) aufweisen, wobei die Vorsprünge (5, 5a) quer zur Stapelrichtung (S) voneinander beabstandet sind.
4. Brennstoffzelle (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der in die
Betriebsmedienleitung (4) ragende Abschnitt ein zu einem Randbereich (R) der
Brennstoffzelle (10) weisender und die Betriebsmedienleitung (4) kontaktierender Rand
(18) der einen der Bipolarplatten (2) ist, wobei der Rand (18) einen zum Randbereich (R) der Brennstoffzelle (1 ) weisenden und die Betriebsmedienleitung (4) kontaktierenden Rand
(19) der anderen der beiden Bipolarplatten (3) quer zur Stapelrichtung (S) überragt.
5. Brennstoffzelle (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Betriebsmedienleitung (4) ragende Abschnitt eine Reservestützfläche (17) für das Isolationselement (14) ausbildet.
6. Brennstoffzellenstapel (10) für eine Brennstoffzellenvorrichtung (20), mit wenigstens zwei in einer Stapelrichtung (S) hintereinander angeordneten Brennstoffzellen (1 , 1 a), wobei zwischen den Brennstoffzellen (1 , 1 a) ein Zwischenraum (1 1 ) vorgesehen ist, der in die Betriebsmedienleitung (4) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Brennstoffzellen (1 , 1 a) eine Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5 ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Betriebsmedienleitung (4) ragende Abschnitt an den Zwischenraum (1 1 ) angrenzt.
Brennstoffzellenvorrichtung (20) mit einem Brennstoffzellenstapel (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (10) ein Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 6 oder 7 ist.
Kraftfahrzeug (30) mit einer Antriebsenergie für das Kraftfahrzeug (30) bereitstellenden Brennstoffzellenvorrichtung (20), dadurch gekennzeichnet, dass die
Brennstoffzellenvorrichtung (20) eine Brennstoffzellenvorrichtung (20) nach Anspruch 8 ist.
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