WO2019096480A1

WO2019096480A1 - Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: WO2019096480A1
Application number: PCT/EP2018/076586
Authority: WO
Inventors: Peter Dollinger; Markus GRETZER; Hans Reiss; Ludwig HÖGG; Norbert KLUY
Original assignee: Audi Ag
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2018-10-01
Publication date: 2019-05-23
Also published as: DE102017220354A1; CN111357142A; US20200280076A1; US11990649B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (12), der aus einer Mehrzahl an in einer Stapelrichtung übereinander gestapelten Einheitszellen (11) gebildet ist, die jeweils einen oder mehrere Medienkanäle (8) und eine Membranelektrodenanordnung (2) aufweisen, welche eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Membran umfasst, sowie mit einer im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung verlaufenden Medienführung (22). Die Medienführung (22) ist derart mit dem Brennstoffzellenstapel (12) verbindbar oder verbunden, um ein Medium im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen (8) der Einheitszellen (11) des Brennstoffzellenstapels (12) zu führen.

Description

Brennstoffzellenvorrichtung

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoff- zellenstapel, der aus einer Mehrzahl an in einer Stapelrichtung übereinan- dergestapelten Einheitszellen („unit cell“) gebildet ist. Jede der Einheitszellen weist einen oder mehrere Medienkanäle und eine Membranelektrodenanord- nung (MEA) auf. Die Membranelektrodenanordnung umfasst eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Membran. Die Brennstoffzellenvorrichtung weist außerdem eine im Wesentli- chen parallel zur Stapelrichtung verlaufende Medienführung auf.

Bekannte Brennstoffzellenvorrichtungen besitzen Kanäle, die innerhalb des Brennstoffzellenstapels entlang der Stapelrichtung ausgebildet sind. Um zu gewährleisten, dass die Reaktionsmedien sich nicht durchmischen, ist eine aufwändige Dichtungsstruktur von Nöten. Beim Betrieb des Brennstoffzellen- stapels ist außerdem sicherzustellen, dass die Medien nicht nach außen an die Umwelt gelangen.

In der DE 10 2007 023 544 A1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gezeigt. Sammelleitungen für die Be- triebsmedien und/oder für das Kühlmedium werden durch eine Umfangsdich- tung umschlossen. Dabei muss gewährleistet sein, dass jede der Einheitszel- len des Brennstoffzellenstapels die Sammelleitung entsprechend abdichtet oder einen entsprechenden Durchgang vorsieht für das jeweils dem aktiven Bereich zuzuführende Medium. Eine derartige Dichtungsstruktur ist aufwän- dig in der Herstellung. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellen- vorrichtung bereitzustellen, bei der die Medienzufuhr zum Brennstoffzellen- stapel vereinfacht ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Merk- malsbestand des Anspruchs 1 gelöst. Insbesondere ist dabei die Medienfüh- rung derart mit dem Brennstoffzellenstapel verbindbar oder verbunden, um ein Medium im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen der Einheitszellen des Brennstoffzellenstapels zu führen.

Eine derartige Anordnung ist vorteilhaft, da für die Medienführung ein ande- res Material gewählt werden kann als für die Einheitszellen bzw. für die Bipo- larplatten der Einheitszellen. Außerdem lässt sich die Anzahl der Dichtungs- spuren reduzieren, die für eine Abdichtung der Medienführungen hergestellt werden müssen. Dadurch ist auch die Fertigungskomplexität reduziert.

Es ist von Vorteil, wenn die Medienführung einen Führungssteg sowie mit diesem verbundene Führungsschenkel umfasst. Die Führungsschenkel sind dabei mit dem Brennstoffzellenstapel verbindbar oder verbunden. Damit lässt sich eine U-Form beschreiben, wobei das offene Ende des„U“ zum Brenn- stoffzellenstapel zeigt und damit die Medien von außen an den Brennstoffzel- lenstapel herangeführt werden. Die Medien strömen also innerhalb der Me- dienführungen im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung. In den Brenn- stoffzellenstapel gelangen sie in einer lateralen oder seitlichen Richtung (x-y- Richtung) bezüglich der Stapelrichtung.

Für eine verbesserte Abdichtung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Medienführung mit dem Brennstoffzellenstapel mittels Fügelinien verbun- den ist. Diese Fügelinien verlaufen im Wesentlichen in Stapelrichtung und sind beidseitig der Medienkanäle angeordnet. Vorzugsweise erstrecken sich die Fügelinien - wie auch die Medienführung - in Stapelrichtung (z-Richtung) über die gesamte Länge des Brennstoffzellenstapels. Durch die an der Au- ßenkante des Brennstoffzellenstapels vorgesehenen Fügelinien lässt sich eine Abdichtung der Medienführung gegenüber der Umgebung erreichen. Vorzugsweise ist das Material der Fügelinien ausgewählt, um die Medienfüh- rung mit dem Brennstoffzellenstapel stoffschlüssig zu verbinden; mithin die Medienführung mit dem Brennstoffzellenstapel zu verkleben.

Zur Realisierung eines Brennstoffzellenstapels mit einem hohen Wirkungs- grad, ist es sinnvoll, wenn die Einheitszellen einen aktiven Bereich und einen außerhalb des aktiven Bereichs liegenden Randbereich aufweisen, in wel- chem der eine oder die mehreren Medienkanäle ausgebildet sind zur Füh- rung des mindestens einen Mediums in den oder aus dem aktiven Bereich. Der aktive Bereich ist im Wesentlichen derjenige Bereich, in welchem die elektrochemische Reaktion einer Brennstoffzelle erfolgt. Insbesondere wird der aktive Bereich umfangsseitig durch den nicht aktiven Randbereich be- grenzt. Der Randbereich ist im Wesentlichen dafür vorgesehen, um eine Ab- dichtung zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten zu erzeugen und insbe- sondere die Medienkanäle zur Zuführung von Medien, wie Reaktionsmedien oder Kühlmedien bereitzustellen.

In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Einheitszellen eine erste Bipolarplatte mit einem ersten Medieneintrittskanal und einem ersten Medienaustrittskanal, sowie ein den ersten Medieneintritts- kanal mit dem ersten Medienaustrittskanal verbindendes erstes Flussfeld umfassen. Über dieses Flussfeld kann beispielsweise ein Reaktionsmedium einer sich im aktiven Bereich befindlichen Membranelektrodenanordnung zugeführt werden.

Zur Zuführung eines zweiten Mediums an die Membranelektrodenanord- nung, ist es sinnvoll, wenn die Einheitszellen eine zweite Bipolarplatte mit einem zweiten Medieneintrittskanal und einen zweiten Medienaustrittskanal umfassen. Der zweiten Medieneintrittskanal und der zweiten Medienaus- trittskanal sind über ein zweites Flussfeld miteinander verbunden.

Zur zusätzlichen Abdichtung der Kathode gegenüber der Anode der Memb- ranelektrodenanordnung ist es vorteilhaft, wenn die Dichtungsstruktur einen die Membranelektrodenanordnung lateral abdichtenden Dichtungsrand auf- weist.

Eine einfach herzustellende Brennstoffzellenvorrichtung ist außerdem dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Medienführungen vorgesehen sind. Diese untergliedern sich vorzugsweise in eine erste Medienzuführung zur Zuführung eines ersten Reaktionsmediums und eine erste Medienabführung zur Abführung des zumindest teilverbrauchten ersten Reaktionsmediums. Weiterhin untergliedern sich die mehreren Medienführungen in eine zweite Medienzuführung zur Zuführung eines zweiten Reaktionsmediums und eine zweite Medienabführung zur Abführung des zumindest teilverbrauchten zwei- ten Reaktionsmediums. Somit sind also die beiden Reaktionsmedien seitlich entlang des Brennstoffzellenstapels, d.h. stapelextern, in den Medienführun- gen geführt, wobei sie senkrecht zur Stapelrichtung, mithin lateral in die Ein- heitszellen des Brennstoffzellenstapels eintreten können bzw. oder aus die sen austreten können.

Um zusätzlich ein Kühlmittel stapelextern entlang dem Brennstoffzellenstapel zu führen, und um das Kühlmittel lateral in die Einheitszellen oder zwischen zwei Einheitszellen in den Brennstoffzellenstapel zu führen, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn sich die Medienführungen außerdem in eine Kühl- mittelzuführung und eine Kühlmittelabführung untergliedern.

Im Folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausfüh- rungsbeispielen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Brennstoffzellenvorrichtung in einer Perspektivansicht,

Fig. 2 eine (erste) Bipolarplatte einer Einheitszelle in einer Draufsicht,

Fig. 3 den Schnitt lll-lll aus Figur 2,

Fig. 4 die (erste) Bipolarplatte aus Figur 2 mit aufgebrachter Verbund- schicht, in einer Draufsicht gezeigt, Fig. 5 den Schnitt V-V aus Figur 4 (unverpresster Zustand),

Fig. 6 die (erste) Bipolarplatte aus Figur 4 mit einer darauf aufgelegten

Brennstoffzellenanordnung,

Fig. 7 den Schnitt Vll-Vll aus Figur 6 (unverpresster Zustand),

Fig. 8 die Konfiguration aus Figur 6 mit einer aufgebrachten Verbin- dungsschicht,

Fig. 9 den Schnitt IX-IX aus Figur 8 (unverpresster Zustand), Fig. 10 eine Einheitszelle des Brennstoffzellenstapels mit einer (zweiten)

Bipolarplatte, in einer Draufsicht gezeigt,

Fig. 1 1 die (zweite) Bipolarplatte in einer Unteransicht, d.h. in einer An- sicht auf die der Membranelektrodenanordnung zugewandten Flä- che der zweiten Bipolarplatte,

Fig. 12 ein aus mehreren Einheitszellen entsprechend Figur 10 gebildeter

Brennstoffstoffzellenstapel in einer Perspektivansicht, Fig. 13 die Schnittansicht Xlll-Xlll aus Figur 10 durch eine Mehrzahl an übereinander gestapelten Einheitszellen (verpresster Zustand),

Fig. 14 die Schnittansicht XIV-XIV aus Figur 10 durch eine Mehrzahl an übereinander gestapelten Einheitszellen (verpresster Zustand),

Fig. 15 einen senkrecht zur Stapelrichtung verlaufenden Querschnitt durch den Brennstoffzellenstapel aus Figur 12 mit daran ange- brachten Fügelinien, und Fig. 16 einen senkrecht zur Stapelrichtung verlaufenden Querschnitt durch die Brennstoffzellenvorrichtung aus Figur 1 ,

Es sei vorab darauf hingewiesen, dass die Dimensionen, die Größenverhält- nisse und der Maßstab der gezeigten Darstellungen nicht festgelegt sind und variieren können. Insbesondere bei den Schnittdarstellungen sind die einzel- nen Schichten so dargestellt, dass nachvollziehbar ist, in welcher gegenseiti- gen Lage und in welcher Reihenfolge die Einzelschichten aufeinander gesta- pelt sind.

In Figur 1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem Brennstoffzellen- stapel 12 gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 12 ist aus einer Mehrzahl an in einer Stapelrichtung (z-Richtung) übereinander gestapelten Einheitszellen 11 gebildet ist. Die Einheitszellen 11 weisen jeweils einen oder mehrere Medi- enkanäle 8 und eine Membranelektrodenanordnung 2 auf. Jede der Memb- ranelektrodenanordnungen 2 in den Einheitszellen 11 umfasst eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete io- nenleitfähige Membran.

Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 weist außerdem parallel zur Stapelrichtung verlaufende Medienführungen 22 auf, die derart mit dem Brennstoffzellen- stapel 12 verbunden sind, um ein Medium im Wesentlichen lateral zur Sta- pelrichtung in die oder aus den Medien kanälen 8 der Einheitszellen 11 des Brennstoffzellenstapels 12 zu führen. Die vorliegende Brennstoffzellenvor- richtung 1 umfasst hierfür mehrere Medienführungen 22, die sich in eine ers- te Medienzuführung 22a zur Zuführung eines ersten Reaktionsmediums (z.B. Wasserstoff) an die Anoden und in eine erste Medienabführung 22b zur Ab- führung des in den Einheitszellen 11 (teil-)verbrauchten ersten Reaktions- mediums untergliedern. Außerdem untergliedern sich die Medienführungen 22 in eine zweite Medienzuführung 22c zur Zuführung eines zweiten Reakti- onsmediums (z.B. Sauerstoff oder Luft) an die Kathoden und in eine zweite Medienabführung 22d zur Abführung des in den Einheitszellen 11 (teil- )verbrauchten zweiten Reaktionsmediums. Letztlich untergliedern sich die Medienführungen zudem in eine Kühlmittelzuführung 22e zur Zuführung ei- nes Kühlmittels (z.B. flüssiges Wasser) und in eine Kühlmittelabführung 22f zur Abführung von (teil-)erwärmten Kühlmittel.

Beispielhaft sei nachstehend die Herstellung bzw. der Aufbau der gezeigten Einheitszellen 11 des Brennstoffzellenstapels 12 anhand der Figuren 2 bis 11 erläutert.

In Figur 2 ist eine Bipolarplatte 7 von einer der Einheitszellen 11 gezeigt. Diese erste Bipolarplatte 7a weist einen inneren, gestrichelt dargestellten aktiven Bereich 3 und einen äußeren, gestrichelt dargestellten Randbereich 5 auf. Im Randbereich 5 sind mehrere Medienkanäle 8 ausgebildet, die sich in die in der Zeichnung links dargestellten ersten Medieneintrittskanäle 8a und die in der Zeichnung rechts dargestellten ersten Medienaustrittskanäle 8b untergliedern lassen.

Vorliegend sind fünf der ersten Medieneintrittskanäle 8a und fünf der ersten Medienaustrittskanäle 8b in der ersten Bipolarplatte 7a ausgebildet. Eine an- dere Anzahl ist möglich. Die ersten Medieneintrittskanäle 8a sind mit den ersten Medienaustrittskanälen 8b über ein erstes Flussfeld 13a miteinander strömungsverbunden. Dieses Flussfeld 13a befindet sich im aktiven Bereich 3 und kann einer benachbarten Membranelektrodenanordnung 2 ein Reakti- onsmedium zur Verfügung stellen. Im Beispiel nach Figur 2 weist das Fluss- feld 13a mehrere Führungen oder Wände 14 auf zur gleichmäßigen Vertei- lung eines Reaktionsmediums über die Oberfläche der Membranelektro- denanordnung 2. Es ist allerdings auch möglich, andersartige Flussfelder 13a einzusetzen, zum Beispiel solche, bei denen die Strömung des Reakti- onsmediums meanderförmig über den Bereich der aktiven Fläche geführt ist. Außerdem kann auch der Abstand der Wände 14, der Wandungen oder der Stege variieren. Auch die Tiefe des durch benachbarte Wände 14 gebildeten Kanals kann unterschiedlich tief ausgeführt sein und variieren.

Wie sich aus Figur 3, dem Schnitt lll-lll aus Figur 2 ergibt, ist auch auf der der Membranelektrodenanordnung 2 abgewandten Seite der ersten Bipolar- platte 7a ein Flussfeld 13c ausgebildet, das dem Durchströmen eines ande- ren Mediums, zum Beispiel eines Kühlmittels dient.

Wie Figur 4 zeigt, wird auf die erste Bipolarplatte 7a im Randbereich 5 eine Verbundschicht 15, insbesondere eine Fügeschicht aufgetragen. Diese Ver- bundschicht 15 ist mehrteilig gebildet bzw. weist im Bereich der Medienkanä- le 8a, 8b Aussparungen 16 auf. Die Aussparungen 16 gewährleisten, dass die Medieneintrittskanäle 8a und die Medienaustrittskanäle 8b nicht abge- dichtet sind und später eine Durchführung von Medien zulassen.

Die im Randbereich 5 angebrachte Verbundschicht 15 erstreckt sich entlang der langen Kante 17a der ersten Bipolarplatte 7a, so dass ein bündiger Ab- schluss mit dem durch die Abmessungen der Bipolarplatte 7 vorgegebenen Randbereich 5 entsteht. Durch diese Verbundschicht 15 wird die aktive Flä- che bzw. der aktive Bereich 3 gegenüber der Umwelt abgedichtet, wobei die Wahl des Materials der Verbundschicht 15 so zu treffen ist, dass diese Dicht funktion gewährleistet ist. In Figur 5, dem Schnitt V-V aus Figur 4 ist der bündige Abschluss der Verbundschicht 15 bzw. des Fügematerials mit der Bipolarplatte 7 entlang ihren langen Kanten 17a zu erkennen. Auch die Ab- schnitte der Verbundschicht 15, die sich an den kurzen Kanten 17b befinden, schließen vorzugsweise bündig mit der Bipolarplatte 7 ab. Die gewählte Dar- stellung der Verbundschicht 15 ist exemplarisch. Sie kann sehr viel dünner als die erste Bipolarplatte 7a ausgestaltet sein.

Bei Figur 6 wurde eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Membranelekt- rodenanordnung 2 auf die mit der Verbundschicht 15 bedeckte erste Bipolar- platte 7a nach Figur 4 aufgebracht oder aufgelegt. Im Wesentlichen wird der aktive Bereich 3 durch die Abmessungen der Membranelektrodenanordnung 2 vorgegeben, welcher in der Figur wiederum durch die innere gestrichelte Linie skizziert ist. Der aktive Bereich 3 erstreckt sich aber nicht nur in einer Ebene (x-y-Ebene) sondern auch in der Stapelrichtung (z-Richtung), die aus der Papierebene heraus- oder hineingerichtet ist. Der aktive Bereich 3 ist derjenige Bereich, in welchem die elektrochemische Reaktion der durch die Membranelektrodenanordnung 2 gebildeten Brenn- stoffzelle erfolgt. Bei der elektrochemischen Reaktion wird ein Brennstoff (z.B. Wasserstoff) an die Anode geführt, wo er katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert wird. Diese Protonen werden durch die lo- nen-Austausch-Membran zur Kathode transportiert. Die aus der Brennstoff- zelle abgeleiteten Elektronen fließen über einen elektrischen Verbraucher, vorzugsweise zu einem Elektromotor zum Antrieb eines Fahrzeugs oder zu einer Batterie. Anschließend werden die Elektronen zur Kathode geführt. An der Kathode wird das Oxidationsmedium (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) durch die Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert, die unmittelbar mit den Protonen zu Wasser reagieren.

Um zu gewährleisten, dass der Brennstoff unmittelbar an die Anode gelangt, oder dass das Oxidationsmedium unmittelbar zur Kathode gelangt, ist der Membranelektrodenanordnung 2 eine Dichtungsstruktur 4 lateral zugeordnet. Die Kombination aus der Membranelektrodenanordnung 2 und der Dich- tungsstruktur 4 bildet dabei eine gemeinsame Brennstoffzellenanordnung.

Die Dichtungsstruktur 4 umfasst dabei Bestandteile, die sich in den Randbe- reich 5 erstrecken oder sogar über den Randbereich 5 hinausragen. Diese Bestandteile sind damit also außerhalb des aktiven Bereichs 3 angeordnet. Mit anderen Worten begrenzt der Randbereich 5 den aktiven Bereich 3 in radialer oder lateraler Richtung bzw. umfangsseitig.

Es ist zu erkennen, dass die Dichtungsstruktur 4 eine sich in den oder über den Randbereich 5 erstreckende Dichtungszunge 6 zur axialen gasdichten Abdeckung eines in einer benachbarten Bipolarplatte 7 ausgebildeten und im Randbereich 5 befindlichen Medienkanals 8 umfasst. Die hier gezeigte Brennstoffzellenanordnung weist insgesamt vier Dichtungszungen 6 auf.

Zwei der Dichtungszungen 6 sind an der kürzeren Kante 9a der Membra- nelektrodenanordnung 2 sich gegenüberliegend angeordnet. Die anderen beiden Dichtungszungen 6 sind an der langen Kante 9b der Membranelekt- rodenanordnung 2 sich gegenüberliegend und versetzt zueinander angeord- net. Die Dichtungszungen 6 weisen vorliegend alle eine rechteckige Form auf. Mehreckige Formen der Dichtungszungen sind aber möglich, wobei auch abgerundete Dichtungszungen 6 in Betracht kommen.

Die Dichtungsstruktur 4 und insbesondere die Dichtungszungen 6 sind form- stabil gebildet hinsichtlich einer auf diese axial einwirkenden Druck-und/oder Zugbeanspruchung. Weiterhin ist zu erkennen, dass sich die Dichtungszun- gen 6 über den Randbereich 5 hinaus erstrecken. Es ist allerdings auch möglich, dass eine oder mehrere der Dichtungszungen 6 sich lediglich in den Randbereich 5 hinein erstrecken, ihn aber nicht vollständig bedecken oder seitlich über ihn hinausstehen.

Weiterhin ist zu erkennen, dass die Dichtungsstruktur 4 einen die Membra- nelektrodenanordnung 2 lateral abdichtenden Dichtungsrand 10 aufweist.

Die durch den Dichtungsrand 10 gebildete Dichtungslinie dichtet die Memb- ranelektrodenanordnung 2 gegen den seitlichen Austritt von Medien ab.

Die Dichtungszunge 6 der Brennstoffzellenanordnung an der linken Seite deckt dabei die linken Medienkanäle 8 der ersten Bipolarplatte 7a axial gas- dicht ab. Die rechte Dichtungszunge 6 der Brennstoffzellenanordnung deckt die rechten Medienkanäle 8 der ersten Bipolarplatte 7a axial gasdicht ab. Mit anderen Worten ist also die linke Dichtungszunge 6 als eine erste Eintritts- dichtungszunge 6a zur axialen gasdichten Abdeckung des ersten Medienein- trittskanals 8a links gebildet. Dementsprechend ist die rechte Dichtungszun- ge 6 als eine erste Austrittsdichtungszunge 6b zur axialen gasdichten Abde- ckung des rechten ersten Medienaustrittskanal 8b geformt. Die an der langen Kante 17a der Bipolarplatte 7a vorgesehenen Dichtungszungen 6 liegen auf der Verbundschicht 15 auf. Sie lassen sich untergliedern in eine zweite Ein- trittsdichtungszunge 6c und eine zweite Austrittsdichtungszunge 6d.

Als Material der Verbundschicht 15 kann ein Kunststoff oder eine Kunst- stoffmischung Verwendung finden, die vorzugsweise eine geringere thermi- sche Stabilität gegenüber dem Kunststoff oder Kunststoffmischung der Dich- tungsstruktur 4 bzw. der Dichtungszungen 6 aufweist. Somit können also die Dichtungszungen 6 bei einem (Heiß-)Pressvorgang in die Verbundschicht 15 einsinken und vorzugsweise mit dieser verschmelzen, wobei die Dichtungs- zungen 6 ihre Formstabilität bewahren. Mit anderen Worten liegt der

Schmelzpunkt des Materials der Dichtungsstruktur 4 oberhalb des Schmelz- punktes des Materials der Verbundschicht 15.

Im zentralen Bereich, also dort, wo sich der aktive Bereich 3 befindet, ist die Dichtungsstruktur 4 der Brennstoffzellenanordnung hinsichtlich ihrer Au ßen- kontur angepasst an die durch die Verbundschicht 15 vorgegebene Innen- kontur. Dabei bilden die dichtungszungenfreien Abschnitte der Dichtungs- Struktur 4 Kontaktpunkte, Kontaktlinien 18 oder Kontaktflächen mit der Ver- bundschicht 15 aus, so dass eine Dichtfunktion zusätzlich gewährleistet ist.

Figur 7, der Schnitt Vll-Vll aus Figur 6, zeigt eine unverpresste Schnittdar- stellung der teilweisen Einheitszelle 11. Es ist zu erkennen, dass die ersten Dichtungszungen 6a, 6b die Verbundschicht 15 überragen und Überstände 19 mit dieser ausbilden. Hierbei ist die nötige Abdichtung in seitlicher Rich- tung gewährleistet. Auch hier ist die gewählte Darstellung nicht maßstabsge- treu zu verstehen. Die Dicken der einzelnen Schichten können variieren, ins- besondere nach einem Verbindungsvorgang oder Fügevorgang (Fleißpress- vorgang), nach welchem sie wie eine einzige gemeinsame Schicht anmuten oder wirken können. Auch der zwischen der Eintrittsdichtungszunge 6a und den Kanälen 8 liegende Bereich der Aussparung 16 wird dann derart mini- miert, dass die Eintrittsdichtungszungen 6a die Kanäle 8 axial abdecken. Ein Medium lässt sich der Membranelektrodenanordnung 2 lateral und in Stapel- richtung unterhalb der ersten Eintrittsdichtungszunge 8a zuführen. (Teil- )Verbrauchtes Medium kann dann lateral und in Stapelrichtung unterhalb der ersten Austrittsdichtungszunge 8b die Einheitszelle 11 des Brennstoffzellen- stapels 12 verlassen.

In Figur 8 ist auf die erste Eintrittsdichtungszunge 6a und auf die erste Aus- trittsdichtungszunge 6b eine Verbindungsschicht 20 aufgebracht, die als wei- tere Fügeschicht zu verstehen ist. Die Verbundschicht 15 und die Verbin- dungsschicht 20 gewährleisten eine sichere Verbindung einer ersten Bipo- larplatte 7a in Stapelrichtung mit einer zweiten Bipolarplatte 7b. Die Ver- bundschicht 15 bildet Überlappungen 21 mit der Verbindungsschicht 20 aus, derart, dass die beiden Schichten in Stapelrichtung eine Kontaktfläche besit- zen. Dadurch wird eine Dichtungsfunktion gewährleistet. Die Überlappungen 21 sind Figur 9, dem Schnitt IX-IX aus Figur 8, näher zu entnehmen. Auch hier ist ein unverpresster Zustand gezeigt, der nicht maßstabsgetreu ist, der aber die gestapelte Anordnung der einzelnen Lagen verdeutlichen soll.

Auf die Verbundschicht 15 und die mit dieser verbundenen Verbindungs- schicht 20 kann nun eine zweite Bipolarplatte 7b zur Vervollständigung der Einheitszelle 11 aufgebracht werden. Dies ist Figur 10 zu entnehmen. Die erste Bipolarplatte 7a und die zweite Bipolarplatte 7b können durch die Fü- geschichten miteinander verfügt werden, derart, dass eine höchstens mit geringen Überständen versehene Einheitszelle aus erster Bipolarplatte 7a, Brennstoffzellenanordnung und zweiter Bipolarplatte 7b entsteht. Vorzugs- weise sind aber die einzelnen Lagen der Einheitszelle 11 kantenfrei oder versatzfrei in Stapelrichtung verbunden, so dass eine weiter unten noch zu erörternde Fügelinie 25 auf einfache Weise aufgetragen oder angebracht werden kann.

Wie die erste Bipolarplatte 7a besitzt auch die in Figur 10 und Figur 11 ge- zeigte zweite Bipolarplatte 7b auf ihrer der Membranelektrodenanordnung 2 abgewandten Seite ein Flussfeld 13c zur Führung von einem Kühlmedium. Dieses Flussfeld 13c befindet sich im Wesentlichen im aktiven Bereich 3. Es ist strömungsverbunden mit Kühlmitteleintrittskanälen 8e und mit Kühlmittel- austrittskanälen 8f.

Auf ihrer der Membranelektrodenanordnung 2 zugewandten Seite weist die zweite Bipolarplatte 7b aber einen oder mehrere zweite Medieneintrittskanäle 8c und einen oder mehrere zweite Medienaustrittskanäle 8d auf (Fig. 11 ). Außerdem umfasst sie ein mit dem zweiten Medieneintrittskanal 8c und dem zweiten Medienaustrittskanal 8d strömungsverbundenes zweites Flussfeld 13b, über welches eines der Reaktionsmedien der Membranelektrodenano- rdnung 2 zugeführt werden kann. In Figur 12 ist ein aus mehreren Einheitszellen 11 gebildeter Brennstoffzel- lenstapel 12 dargestellt. Dieser Brennstoffzellenstapel 12 weist den Vorteil auf, dass die Bipolarplatte 7 gegenüber bekannten Bipolarplatten mit gerin- geren Abmessungen ausgestaltet sein können, so dass die Herstellkosten des Brennstoffzellenstapels 12 reduziert sind. Vorliegend sind die Bipolar- platten 7 rechteckig geformt, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf eine richtige Form der Bipolarplatten 7 angewiesen ist, sondern auch ohne Ein- schränkung in beliebige Formen mit zum Beispiel runden oder geschwunge- nen Linienführungen anwendbar ist.

Figur 13 zeigt eine exemplarische Schnittansicht entlang des Schnittes XIII- XIII aus Figur 10 durch einen Brennstoffzellenstapel 12. Es ist zu erkennen, dass die Verbundschicht 15 nach dem Verfüge- oder Heißpressvorgang so- wohl die erste Bipolarplatte 7a als auch die zweite Bipolarplatte 7b berührt oder kontaktiert, wobei die Bipolarplatten 7 über die Verbundschicht 15 mit- einander verbunden oder miteinander verfügt sind. Es ist zudem zu erken- nen, dass die zweiten Medieneintrittskanäle 8c durch die sich in den oder über den Randbereich 5 erstreckenden zweiten Eintrittsdichtungszungen 6c axial gasdicht abgedeckt sind. Entsprechend verhält es sich an der gegen- überliegenden Seite an der zweiten Bipolarplatte 7b, wo sich in den oder über den Randbereich 5 erstreckende zweite Austrittsdichtungszungen 6d vorgesehen ist zur axialen gasdichten Abdeckung der zweiten Medienaus- trittskanäle 8d. In Figur 12 ist außerdem zu erkennen, dass ein zweites Re- aktionsmedium lateral und in Stapelrichtung oberhalb der Dichtungsstruktur 4 an die Membranelektrodenanordnung 2 geführt wird. Entsprechend wird auch in Stapelrichtung oberhalb der Dichtungsstruktur 4 das (teil- )verbrauchte zweite Reaktionsmedium lateral wieder aus den Einheitszellen 11 bzw. aus dem Brennstoffzellenstapel 12 herausgeführt.

Die zweite Bipolarplatte 7b einer ersten Einheitszelle 11 bildet mit einer ers- ten Bipolarplatte 7a einer weiteren Einheitszelle 11 dann den vollständigen Kanalquerschnitt für den Durchtritt des Kühlungsmediums. Mit anderen Wor- ten bilden diese dann auch die Kühlmitteleintrittskanäle 8e und die Kühlmit- telaustrittskanäle 8f aus. Die zweite Bipolarplatte 7b der ersten Einheitszelle 11 und die erste Bipolarplatte 7a der weiteren Einheitszelle 11 können dabei ebenfalls mit einem Fügemittel oder Fügemedium miteinander verfügt sein. Alternativ ist eine generativ gefertigte einteilige Ausgestaltung der benach- barten Bipolarplatten 7 möglich.

Figur 14 zeigt eine exemplarische Schnittansicht entlang des Schnittes XIV- XIV aus Figur 10 durch einen Brennstoffzellenstapel 12. Es ist zu erkennen, dass in Stapelrichtung die zweite Bipolarplatte 7a auf die Verbindungsschicht 20 und die Verbundschicht 15 aufgebracht ist. Es ist außerdem zu erkennen, dass ein erstes Reaktionsmedium in Stapelrichtung unterhalb der Dichtungs- Struktur 4 an die Membranelektrodenanordnung 2 geführt wird. Die ersten Medieneintrittskanäle 8a sind hierbei durch die ersten Eintrittsdichtungszun- gen 6a axial gasdicht abgedeckt. Die Zufuhr eines ersten Reaktionsmediums erfolgt seitlich oder in lateraler Richtung bezüglich der Stapelrichtung. Ent- sprechend wird auch in Stapelrichtung unterhalb der Dichtungsstruktur 4 das (teil-)verbrauchte erste Reaktionsmedium wieder aus der Einheitszelle 11 bzw. aus dem Brennstoffzellenstapel 12 lateral oder seitlich herausgeführt.

In Figur 15 ist eine Schnittansicht durch die Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, die im Wesentlichen der Draufsicht auf die Einheitszellen 11 nach Figur 10 entspricht. Es ist zu erkennen, dass nun jedoch Fügelinien 25 am Brennstoffzellenstapel 12 bzw. an dessen Einheitszellen 11 angebracht sind, die im Wesentlichen in Stapelrichtung verlaufen. Die Fügelinien 25 erstre- cken sich entlang des gesamten oder ganzen Brennstoffzellenstapels 12. Die Fügelinien 25 sind links- und rechtsseitig, d.h. beidseitig der Medienkanäle 8 angeordnet, so dass diese die Medienkanäle 8 gegen die Umwelt abdichten. Bei den Fügelinien 25 kommt dasselbe Material wie für die Verbundschicht 15 oder die Verbindungsschicht 20 in Betracht, so dass auch bei den Fügeli- nien 25 von einer Fügeschicht gesprochen werden kann. Der Einsatz eines anderen Materials für die Fügelinien 25 ist möglich. Auf diese Fügelinien 25 können nun die Medienführungen 22 aufgebracht werden, wodurch diese mit dem Brennstoffzellenstapel 12 verbunden werden. Dies ist in Figur 16 näher zu erkennen. Die hier gezeigten Medienführungen 22 weisen einen Führungssteg 23 sowie zwei mit diesem endständig ver- bundene Führungsschenkel 24a, 24b auf. Jeder der Führungsschenkel 24a, 24b ist mittels einer der Fügelinien 25 mit dem Brennstoffzellenstapel 12 ver- bunden; vorzugsweise verklebt. Die offene Seite der Medienführungen 22 weist zum Brennstoffzellenstapel 12, so dass ein durch sie strömendes Me- dium seitlich in die Einheitszellen 12 gelangen kann. Die Medienführungen sind im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig gebildet, eine andere Form- gebung ist aber möglich. Vorzugsweise sind die Medienkanäle 22 aus einem insbesondere formstabilen Kunststoff gebildet. Beim Einsatz von elektrisch isolierenden Fügelinien 25 könnte einer oder könnten mehrere der Medien- kanäle 22 sogar aus einem Metall gebildet sein.

Die vorliegende Gestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung 1 erlaubt es, den Randbereich 5 möglichst schmal zu gestalten, um teures Material der Bipo- larplatten 7 einzusparen. Auch die externen Medienführungen 22 können aus einem anderen Material als die Bipolarplatten 7 und damit günstiger herstellt sein. Auf eine Umfangsdichtung um die Medienführungen 22 herum kann verzichtet werden. Durch die gewählte Konfiguration ist aber dennoch eine sichere Abdichtung jeder Einheitszelle 11 gewährleistet und erlaubt eine Ma- ximierung des aktiven Bereichs 3 gegenüber bekannten Einheitszellen 11.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Brennstoffzellenvorrichtung

2 Membranelektrodenanordnung (MEA)

3 aktiver Bereich

4 Dichtungsstruktur

5 Randbereich

6 Dichtungszunge

6a erste Eintrittsdichtungszunge

6b erste Austrittsdichtungszunge

6c zweite Eintrittsdichtungszunge

6d zweite Austrittsdichtungszunge

7 Bipolarplatte

7a erste Bipolarplatte

7b zweite Bipolarplatte

8 Medienkanal

8a erster Medieneintrittskanal

8b erster Medienaustrittskanal

8c zweiter Medieneintrittskanal

8d zweiter Medienaustrittskanal

8e Kühlmitteleintrittskanal

8f Kühlmittelaustrittskanal

9a kurze Kante der Membranelektrodenanordnung

9b lange Kante der Membranelektrodenanordnung

10 Dichtungsring

11 Einheitszelle

12 Brennstoffzellenstapel

13a erstes Flussfeld

13b zweites Flussfeld

13c Flussfeld (Kühlmedium)

14 Wand

15 Verbundschicht

16 Aussparung

17a lange Kante der Bipolarplatte 17b kurze Kante der Bipolarplatte

18 Kontaktlinien

19 Überstand

20 Verbindungsschicht

21 Überlappungen

22 Medienführung

22a erste Medienzuführung

22b erste Medienabführung

22c zweite Medienzuführung

22d zweite Medienabführung

22e Kühlmittelzuführung

22f Kühlmittelabführung

23 Führungssteg

24a Führungsschenkel (links)

24b Führungsschenkel (rechts)

25 Fügelinie

Claims

ANSPRÜCHE:

Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) mit einem Brennstoffzellenstapel (12), der aus einer Mehrzahl an in einer Stapelrichtung übereinander gesta- pelten Einheitszellen (11 ) gebildet ist, die jeweils einen oder mehrere Medienkanäle (8) und eine Membranelektrodenanordnung (2) aufwei- sen, welche eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Membran umfasst, sowie mit einer im We- sentlichen parallel zur Stapelrichtung verlaufenden Medienführung (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Medienführung (22) derart mit dem Brennstoffzellenstapel (12) verbindbar oder verbunden ist, um ein Me- dium im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen (8) der Einheitszellen (11 ) des Brennstoffzellenstapels (12) zu führen.

Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekenn- zeichnet, dass die Medienführung (22) einen Führungssteg (23) sowie mit diesem verbundene Führungsschenkel (24a, 24b) umfasst, und dass die Führungsschenkel (24a, 24b) mit dem Brennstoffzellenstapel (12) verbindbar oder verbunden sind.

Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Medienführung (22) mit dem Brennstoffzellen- stapel (12) mittels Fügelinien (25) verbunden ist, die im Wesentlichen in Stapelrichtung verlaufen und beidseitig der Medienkanäle (8) angeord- net sind.

Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheitszellen (11 ) einen aktiven Be- reich (3) und einen außerhalb des aktiven Bereichs (3) liegenden Randbereich (5) aufweisen, in welchem der eine oder die mehreren Medienkanäle (8) ausgebildet sind zur Führung des mindestens einen Mediums in den oder aus dem aktiven Bereich (3). Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheitszellen (11 ) eine erste Bipo- larplatte (7a) mit einem ersten Medieneintrittskanal (8a) und einem ers- ten Medienaustrittskanal (8b), sowie ein den ersten Medieneintrittskanal (8a) mit dem ersten Medienaustrittskanal (8b) verbindendes erstes Flussfeld (13a) umfassen.

Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Einheitszellen (11 ) eine zweite Bipolarplatte (7b) mit einem zweiten Medieneintrittskanal (8c) und einem zweiten Medienaus- trittskanal (8d), sowie ein den zweiten Medieneintrittskanal (8c) mit dem zweiten Medienaustrittskanal (8d) verbindendes zweites Flussfeld (13b) umfassen.

Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranelektrodenanordnung (2) lateral eine Dichtungsstruktur (4) zugeordnet ist zur axialen gasdichten Abdeckung des einen oder der mehreren Medienkanäle (8).

Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Dichtungsstruktur (4) einen die Membranelektro- denanordnung (2) lateral abdichtenden Dichtungsrand (10) aufweist.

Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Medienführungen (22) vorge- sehen sind, die als eine erste Medienzuführung (22a) zur Zuführung ei- nes ersten Reaktionsmediums und als eine erste Medienabführung (22b) zur Abführung des zumindest teilverbrauchten ersten Reaktions- mediums, und die als eine zweite Medienzuführung (22c) zur Zuführung eines zweiten Reaktionsmediums und als eine zweite Medienabführung (22d) zur Abführung des zumindest teilverbrauchten zweiten Reakti- onsmediums gebildet sind.

0. Brennstoffzellenvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Medienführungen (22) vorge- sehen sind, die als eine Kühlmittelzuführung (22e) und als eine Kühlmit- telabführung (22f) gebildet sind.