WO2019096482A1

WO2019096482A1 - Brennstoffzellenanordnung und einheitszelle für einen brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: WO2019096482A1
Application number: PCT/EP2018/076591
Authority: WO
Inventors: Markus GRETZER; Norbert KLUY
Original assignee: Audi Ag
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2018-10-01
Publication date: 2019-05-23
Also published as: KR20200087154A; JP6932851B2; CN111344887A; US20200280078A1; DE102017220353B4; KR102595055B1; JP2021503161A; DE102017220353A1; US11557772B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (1) mit einer Membranelektrodenanordnung (2), welche eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Membran umfasst, mit einem im Wesentlichen durch die Membranelektrodenanordnung (2) vorgegebenen aktiven Bereich (3), und mit einer der Membranelektrodenanordnung (2) lateral zugeordneten Dichtungsstruktur (4). Die Dichtungsstruktur (4) umfasst eine sich in oder über einen Randbereich (5) außerhalb des aktiven Bereichs (3) erstreckende Dichtungszunge (6) zur axialen gasdichten Abdeckung eines in einer benachbarten Bipolarplatte (7) ausgebildeten und im Randbereich (5) befindlichen Medienkanals (8). Außerdem betrifft die Erfindung eine Einheitszelle für einen Brennstoffzellenstapel mit einer solchen Brennstoffzellenanordnung.

Description

Brennstoffzellenanordnung und

Einheitszelle für einen Brennstoffzellenstapel

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung sowie eine Einheitszel- le für einen Brennstoffzellenstapel mit einer solchen Brennstoffzellenanord- nung.

Eine Brennstoffzellenanordnung umfasst insbesondere eine Membranelekt- rodenanordnung, welche eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Membran umfasst. Durch die Membra- nelektrodenanordnung bzw. durch deren Abmessungen wird im Wesentli- chen ein aktiver Bereich vorgegeben, in welchem die elektrochemische Re- aktion einer Brennstoffzelle erfolgt. Der Membranelektrodenanordnung ist dabei lateral eine Dichtungsstruktur zugeordnet, die insbesondere gewähr- leistet, dass die Reaktionsmedien nur dorthin strömen können, wo sie für die elektrochemische Reaktion benötigt werden.

In der DE 19703214 C 1 ist eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gezeigt. Hierbei wird eine Dichtung randseitig an die Kathode und die Anode der Membranelektrodenanordnung ange- bracht oder einimprägniert. Um der Anode oder der Kathode ein Medium zu- zuführen ist eine senkrechte, d.h. in einer Stapelrichtung verlaufende Zufüh- rung in die Membranelektrodenanordnung eingearbeitet, die lateral ausgebil- dete Öffnungen zur Kathode oder zur Anode hinaufweist. Diese Ausgestal- tung ist nachteilhaft, denn aufgrund der sich senkrecht durch die Membra- nelektrodenanordnung erstreckende Durchführung reduziert sich der durch die Membranelektrodenanordnung vorgegebene aktive Bereich. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellena- nordnung bereitzustellen, bei der der aktive Bereich erhalten bleibt oder ma ximiert ist. Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ent- sprechende Einheitszelle für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, der sich besonders günstig hersteilen lässt.

Die die Brennstoffzellenanordnung betreffende Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenanordnung mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 ge- löst. Insbesondere umfasst dabei die Dichtungsstruktur eine sich in oder über einen Randbereich erstreckende Dichtungszunge. Der Randbereich ist au- ßerhalb des aktiven Bereichs angeordnet. Insbesondere wird also der aktive Bereich umfangsseitig durch den nicht aktiven Randbereich begrenzt. Die sich in oder über den Randbereich erstreckende Dichtungszunge ist ausge- staltet zur axialen gasdichten Abdeckung eines in einer benachbarten Bipo- larplatte ausgebildeten und im Randbereich befindlichen Medienkanals. Der Randbereich und die Dichtungszunge lassen sich auf minimal Abmessungen reduzieren, so dass eine laterale, mithin senkrecht zur Stapelrichtung orien- tierte Zuführung von Medien, wie Reaktionsmedien oder Kühlmedien möglich ist.

Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Dichtungsstruktur, insbesondere deren Dichtungszunge, formstabil gebildet ist hinsichtlich einer auf diese axi- al einwirkenden Druck-und/oder Zugbeanspruchung. Damit ist gewährleistet, dass die Brennstoffzellenanordnung sich formstabil und flächig auf eine Bipo- larplatte auflegen lässt. Ist hingegen nur die Dichtungszunge, formstabil aus- geführt, so lässt sich eine flächige Abdeckung von dem einen oder den meh- reren in einer benachbarten Bipolarplatte ausgebildeten Medienkanäle im Randbereich erzielen. Vorzugsweise ist die Dichtungsstruktur aus einem Kunststoff oder einem Kunststoffgemisch gebildet. Um ihre Formstabilität auch bei einem Heißpressvorgang zu bewahren, ist es von Vorteil, wenn die ser Kunststoff oder diese Kunststoffmischung eine hohe thermische (Form- )Stabilität aufweist. Um die Dichtungsfunktion der Dichtungszunge zu gewährleisten, kann es sinnvoll sein, dass sich die Dichtungszunge über den Randbereich hinaus erstreckt.

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.

Die die Einheitszelle („Unit cell“) für einen Brennstoffzellenstapel betreffende Aufgabe wird durch eine Einheitszelle mit dem Merkmalsbestand des An- spruchs 5 gelöst.

Insbesondere umfasst diese eine Brennstoffzellenanordnung sowie eine be- nachbart zur Membranelektrodenanordnung angeordnete erste Bipolarplatte. Die erste Bipolarplatte untergliedert sich ebenfalls in einen Randbereich und einen aktiven Bereich, wobei sie am Randbereich einen durch die Dich- tungszunge der Brennstoffzellenanordnung axial gasdicht abgedeckten Me- dienkanal umfasst. Dieser Medienkanal ist ausgestaltet, ein Medium in den oder aus dem aktiven Bereich zu transportieren.

Auch hier hat sich der Vorteil gezeigt, dass die Bipolarplatte flächenmäßig minimiert werden kann. Dabei bleibt die aktive Fläche bzw. der aktive Be- reich erhalten und der Randbereich außerhalb des aktiven Bereichs kann auf eine Minimalfläche reduziert werden. Die Zuführung des betreffenden Medi- ums erfolgt dann durch eine getrennte Vorrichtung, so dass die Bipolarplatte frei von in Stapelrichtung ausgebildeten Medienzuführungen gestaltet ist. Die Zuführung des Mediums in den aktiven Bereich erfolgt dabei lateral oder seit- lich, mithin also senkrecht zur Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels.

Um den aktiven Bereich noch weiter vergrößern zu können, ist es sinnvoll, wenn die erste Bipolarplatte im Randbereich einen ersten Medieneintrittska- nal und einen ersten Medienaustrittskanal umfasst. Im aktiven Bereich ist in der Bipolarplatte ein erstes Flussfeld ausgebildet, welches mit dem ersten Medieneintrittskanal und dem ersten Medienaustrittskanal strömungsverbun- den ist. Außerdem umfasst die Dichtungsstruktur eine sich in den oder über den Randbereich erstreckende als erste Eintrittsdichtungszunge gebildete Dichtungszunge zur axialen gasdichten Abdeckung des ersten Medienein- trittskanals. Ferner ist eine sich in den oder über den Randbereich erstre- ckende als erste Austrittsdichtungszunge gebildete Dichtungszunge zur axia- len gasdichten Abdeckung des ersten Medienaustrittskanals vorgesehen.

Der eine oder die mehreren ersten Medieneintrittskanäle und der eine oder die mehreren Medienaustrittskanäle können an derselben oder an unter- schiedlichen Kanten der Bipolarplatte ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine erste Medieneintrittskanal an einer ersten Kante der Bipolarplatte ausgebildet und der mindestens eine erste Medienaustrittskanal an einer der ersten Kante gegenüberliegenden Kante der Bipolarplatte angeordnet. Bei einer gegenüberliegenden Anordnung des Medieneintrittskanals und des Medienaustrittskanals kann es auch sinnvoll sein, dass der Medieneintrittskanal an der einen Kante lateral versetzt ge- genüber dem ersten Medienaustrittskanal an der anderen gegenüberliegen- den Kante angeordnet ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Brennstoffzellenstapels sieht eine zweite Bipolarplatte vor, welche einen zweiten Medieneintrittskanal und einen zwei- ten Medienaustrittskanal umfasst. Auch die zweite Bipolarplatte weist ein zweites Flussfeld auf, welches mit dem zweiten Medieneintrittskanal und dem zweiten Medienaustrittskanal strömungsverbunden ist. Zudem umfasst die Dichtungsstruktur eine sich in den oder über den Randbereich erstre- ckende zweite Eintrittsdichtungszunge zur axialen gasdichten Abdeckung des zweiten Medieneintrittskanals und eine sich in den oder über den Rand- bereich erstreckende zweite Austrittsdichtungszunge zur axialen gasdichten Abdeckung des zweiten Medienaustrittskanals. Auch bei der zweiten Bipo- larplatte können die Medienkanäle an gleichen oder an unterschiedlichen Kanten angeordnet sein. Mit dieser Ausgestaltung ist der Vorteil verbunden, dass nunmehr zwei ver schiedene Medien über den Randbereich in den aktiven Bereich gelangen können. Vorzugsweise sind dies die beiden Reaktionsmedien eines Brenn- stoffzellensystems; es ist aber auch möglich, dass ein Kühlmedium Einsatz findet. Außerdem lässt sich mit dieser Ausgestaltung der aktive Bereich noch immer maximieren und - bei entsprechender Gestaltung der Dichtungszun- gen - der Randbereich minimieren.

Um die erste Bipolarplatte und die zweite Bipolarplatte betriebssicher und gasdicht miteinander verbinden zu können, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn zwischen der ersten Bipolarplatte und der zweiten Bipolarplatte eine Aussparungen aufweisende Verbundschicht vorgesehen ist. Diese Verbund- schicht ist ausgestaltet, den aktiven Bereich lateral gasdicht abzudichten. Im Bereich der Aussparungen ist ein oder sind mehrere Medien kanäle freigehal- ten. Somit ist gewährleistet, dass durch die Verbundschicht keine Medienka- näle, zum Beispiel Medieneintrittskanäle oder Medienaustrittskanäle durch die Verbundschicht abgedichtet oder verstopft werden. Die Verbundschicht ist dabei als eine Fügeschicht zu verstehen, die aus einem Fügematerial zum Fügen der ersten Bipolarplatte mit der zweiten Bipolarplatte ausgebildet ist. Die Verbundschicht kann u-förmig auf die Bipolarplatte aufgebracht sein, womit sie den aktiven Bereich frei hält.

Zur zusätzlichen Abdichtung und zur betriebssicheren Verbindung der Bi po- larplatten mit der Brennstoffzellenanordnung hat es sich als vorteilhaft ge- zeigt, wenn die Verbundschicht mehrteilig gebildet ist, und wenn die erste Eintrittsdichtungszunge und die erste Austrittsdichtungszunge die Ausspa- rungen der Verbundschicht überragen zur Ausbildung von Überständen. Durch den Überstand ist gewährleistet, dass auch im Falle eines in Stapel- richtung ausgeübten Drucks oder Zugs auf den Brennstoffzellenstapel, die Dichtungszunge nicht so weit verschoben, komprimiert oder gedehnt wird, dass diese ihre Dichtungsfunktion verlieren könnte.

Die Abdichtung kann zusätzlich verbessert werden, wenn auf die erste Ein- trittsdichtungszunge und auf die erste Austrittsdichtungszunge eine Überlap- pungen mit der Verbundschicht ausbildende Verbindungsschicht aufgebracht ist. Auch die Verbindungsschicht kann als eine Fügeschicht verstanden wer den, die einerseits mit der Verbundschicht verfügt wird, und andererseits im Bereich der Medien kanäle die erste Bipolarplatte mit der zweiten Bipolarplat- te verfügt.

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

Fig. 1 eine Brennstoffzellenanordnung in einer Draufsicht,

Fig. 2 eine (erste) Bipolarplatte 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,

Fig. 5 den Schnitt V-V aus Figur 4,

Fig. 6 eine Einheitszelle, die die (erste) Bipolarplatte aus Figur 4 mit da- rauf aufgelegter Brennstoffzellenanordnung aus Figur 1 umfasst,

Fig. 7 den Schnitt Vll-Vll aus Figur 6,

Fig. 8 die Einheitszelle auf Figur 6 mit einer aufgebrachten Verbindungs- schicht,

Fig. 9 den Schnitt IX-IX aus Figur 8,

Fig. 10 eine Einheitszelle, die derjenigen aus Figur 8 entspricht, aber eine zweite Bipolarplatte umfasst, Fig. 11 den Schnitt XI-XI aus Figur 10 in einem unverpressten Zustand der Einheitszelle,

Fig. 12 in Schnitt Xll-Xll aus Figur 10 in einem verpressten Zustand der

Einheitszelle,

Fig. 13 die (zweite) Bipolarplatte in einer Unteransicht, d.h. in einer An- sicht auf die der Membranelektrodenanordnung zugewandten Flä- che der Bipolarplatte,

Fig. 14 den Schnitt XIV-XIV aus Figur 13 (der Konsistenz halber ist dieser

Schnitt um 180 Grad gedreht gezeigt),

Fig. 15 eine der Figur 14 entsprechende Schnittansicht aus einer ersten

Bipolarplatte und einer zur ersten Bipolarplatte benachbart ange- ordneten zweiten Bipolarplatte,

Fig. 16 einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl an Einheitszellen gemäß Figur 10 in einer Perspektivansicht, und

Fig. 17 den Brennstoffzellenstapel aus Figur 16 mit lateral an den Stapel angebrachten Medienführungen.

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 Brennstoffzellenanordnung 1 gezeigt, die eine in deren Zentrum angeordnete Membranelektrodenanordnung 2 mit einer Kathode, einer Anode und einer zwischen der Kathode und der Anode angeordnete protonenleitfähige Membran umfasst. Durch diese Membranelektrodenano- rdnung 2 wird im Wesentlichen ein aktiver Bereich 3 vorgegeben, der in der Figur durch die innere gestrichelte Linie skizziert ist. Dieser aktive Bereich 3 erstreckt sich nicht nur in einer Ebene (x-y-Ebene) sondern auch in einer Stapelrichtung der Membranelektrodenanordnung 2 (z-Richtung), die aus der Papierebene heraus gerichtet 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 Kathode ge- langt, oder dass das Oxidationsmedium unmittelbar zur Anode gelangt, ist der Membranelektrodenanordnung 2 eine Dichtungsstruktur 4 lateral zuge- ordnet. Diese Dichtungsstruktur 4 umfasst Bestandteile, die sich in einen Randbereich 5 erstrecken bzw. über diesen hinausgehen. Diese Bestandteile sind damit also außerhalb des aktiven Bereichs 3 angeordnet. Mit anderen Worten begrenzt also der Randbereich 5 den aktiven Bereich 3 in radialer, 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 in Figur 1 gezeigte Brennstoffzellenanordnung weist insgesamt vier Dichtungszungen 6 auf.

Zwei der Dichtungszungen 6 sind an der kürzeren Kante 9a der Brennstoff- zellenanordnung 1 sich gegenüberliegend angeordnet. Die anderen beiden Dichtungszungen 6 sind an der langen Kante 9b der Membranelektrodenan- ordnung 1 sich gegenüberliegend und versetzt zueinander angeordnet. Die Dichtungszungen 6 weisen vorliegend alle eine rechteckige Form auf. Mehr- eckige Formen der Dichtungszungen sind aber möglich, wobei auch abge- rundete 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.

In Figur 2 ist eine Bipolarplatte 7 gezeigt, durch die sich gemeinsam mit der Brennstoffzellenanordnung 1 eine Einheitszelle 11 für einen Brennstoffzel- lenstapel 12 bilden lässt. Diese erste Bipolarplatte 7a weist ebenfalls den inneren, gestrichelt dargestellten aktiven Bereich 3 und den äußeren, gestri- chelt dargestellten Randbereich 5 auf. Im Randbereich 5 sind mehrere Medi- enkanäle 8 vorgesehen, 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 Wandungen 14 oder der Stege variie- ren. Auch die Tiefe des durch benachbarte Wandungen 14 gebildeten Kanals kann unterschiedlich tief ausgeführt sein und variieren.

Wie sich aus Figur 3, dem Schnitt lll-lll nach Figur 2 ergibt, ist auch auf der der Membranelektrodenanordnung 2 abgewandten Seite der ersten Bipolar- platte 7a ein Flussfeld 13c ausgebildet, dass dem Durchströmen eines ande- ren Mediums, zum Beispiel eines Kühlungsmediums 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 eine spätere Medienführung 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. Als Material der Verbundschicht 15 kann ein Kunststoff oder eine Kunststoffmischung Verwendung finden, die vorzugs- weise eine geringere thermische Stabilität gegenüber dem Kunststoff oder Kunststoffmischung der Dichtungsstruktur 4 bzw. der Dichtungszungen 6 aufweist. Somit können also die Dichtungszungen 6 beim Fleißpressvorgang in die Verbundschicht 15 einsinken und vorzugsweise mit dieser verschmel- zen, wobei die Dichtungszungen 6 ihre Formstabilität bewahren. Mit anderen Worten liegt der Schmelzpunkt des Materials der Dichtungsstruktur 4 ober- halb des Schmelzpunktes des Materials der Verbundschicht 15. 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 Kan- ten 17a zu erkennen. Die gewählte Darstellung der Verbundschicht 15 ist exemplarisch. Sie kann sehr viel dünner als die erste Bipolarplatte 7a ausge- staltet sein.

Um nun eine Einheitszelle 11 für einen Brennstoffzellenstapel 12 zu bilden, wird die in Figur 1 gezeigte Membranelektrodenanordnung 2 auf die mit der Verbundschicht 15 bedeckte erste Bipolarplatte 7a nach Figur 4 aufgebracht oder aufgelegt (Figur 6). Die Dichtungszunge 6 der Brennstoffzellenanord- nung 1 an der linken Seite deckt dabei die linken Medien kanäle 8 der ersten Bipolarplatte 7a axial gasdicht ab. Die rechte Dichtungszunge 6 der Brenn- stoffzellenanordnung 1 deckt die rechten Medienkanäle 8 der ersten Bipolar- platte 7a axial gasdicht ab. Mit anderen Worten ist also die linke Dichtungs- zunge 6 als eine erste Eintrittsdichtungszunge 6a zur axialen gasdichten Ab- deckung des ersten Medieneintrittskanals 8a links gebildet. Dementspre- chend ist die rechte Dichtungszunge 6 als eine erste Austrittsdichtungszunge 6b zur axialen gasdichten Abdeckung des rechten ersten Medienaustrittska- nal 8b geformt. Die an der langen Kante 17a der Bipolarplatte 7a vorgesehe- nen Dichtungszungen 6 liegen auf der Verbundschicht 15 auf. Sie lassen sich untergliedern in eine zweite Eintrittsdichtungszunge 6c und eine zweite Austrittsdichtungszunge 6d. Vorzugsweise sinken die zweiten Dichtungszun- gen 6c, 6d in die Verbundschicht 15 ein, wenn ein axialer Druck auf die Ein- heitszelle 11 ausgeübt wird; beispielsweise beim (Heiß-)Pressen der Ein- heitszelle 11.

Im zentralen Bereich, also dort, wo sich der aktive Bereich 3 befindet, ist die Dichtungsstruktur 4 der Brennstoffzellenanordnung 1 hinsichtlich ihrer Au- ßenkontur angepasst an die durch die Verbundschicht 15 vorgegebene In- nenkontur. Dabei bilden die dichtungszungenfreien Abschnitte der Dich- tungsstruktur 4 Kontaktpunkte, Kontaktlinien 18 oder Kontaktflächen mit der Verbundschicht aus, so dass eine Dichtfunktion zusätzlich gewährleistet ist.

In Figur 7, dem Schnitt Vll-Vll aus Figur 6, ist eine unverpresste Schnittdar- stellung der Einheitszelle 11 gezeigt. 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 (Heißpress- 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 nun in Stapelrichtung unterhalb der ersten Eintrittsdichtungszunge 8a zuführen. (Teil- )Verbrauchtes Medium kann dann in Stapelrichtung unterhalb der ersten Austrittsdichtungszunge 8b die Einheitszelle 11 des Brennstoffzellenstapels 12 verlassen.

In Figur 8 ist auf die erste Eintrittsdichtungszunge 8a und auf die erste Aus- trittsdichtungszunge 8b 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 Stapel richtung 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 keine maßstabsgetreue Darstellung gewählt, um die gestapelte An- ordnung der einzelnen Lagen zu verdeutlichen.

Auf die Verbundschicht 15 und die mit dieser verbundenen Verbindungs- schicht 20 kann nun eine zweite Bipolarplatte 7b aufgebracht werden. Dies ist Figur 10 zu entnehmen. Die erste Bipolarplatte 7a und die zweite Bipolar- platte 7b können durch die Fügeschichten miteinander verfügt werden, der art, dass eine höchstens mit geringen Überständen versehene Einheitszelle aus erster Bipolarplatte 7a, Brennstoffzellenanordnung 1 und zweiter Bi po- larplatte 7b entsteht.

Wie die erste Bipolarplatte 7a besitzt auch die in Figur 10 und Figur 13 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. 13). 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.

Während in Figur 11 , dem Schnitt XI-XI aus Figur 10, die Einheitszelle 11 unverpresst bzw. unverfügt gezeigt ist, zeigt Figur 12, der Schnitt Xll-Xll, ei- ne Konfiguration nach dem Fügevorgang. In Figur 11 ist lediglich zu erken- nen, dass in Stapelrichtung die zweite Bipolarplatte 7a auf die Verbindungs- schicht 20 und die Verbundschicht 15 aufgebracht ist. Die beiden Dichtungs- zungen 6c, 6d sind in der unverfügten Darstellung noch zur erkennen. Sie liegen gegenüber der Eintrittsdichtungszunge 6a - bezogen auf die Darstel- lung der Figur 11 -„weiter hinten“, weshalb sie auch keine Schnittschraffur besitzen. Nach dem Verfüge- oder Fleißpressvorgang wären die zweite Ein- trittsdichtungszunge 6c und die zweite Austrittsdichtungszunge 6d in dieser Darstellung nicht mehr sichtbar. Sie wären vorzugsweise in die Verbund- schicht 15 eingebettet. Figur 12 zeigt, dass die Verbundschicht 15 nach dem Verfüge- oder Heiß- pressvorgang sowohl die erste Bipolarplatte 7a als auch die zweite Bipolar- platte 7b berührt oder kontaktiert, wobei die Bipolarplatten 7 über die Ver- bundschicht 15 miteinader verbunden oder miteinander verfügt sind. Es ist zudem zu erkennen, dass die zweiten Medieneintrittskanäle 8c durch eine sich in den oder über den Randbereich 5 erstreckende zweite Eintrittsdich- tungszunge 6c axial gasdicht abdeckt sind. Entsprechend verhält es sich an der gegenüberliegenden Kante 17a der zweiten Bipolarplatte 7b, wo eine sich in den oder über den Randbereich 5 erstreckende zweite Austrittsdich- tungszunge 6d vorgesehen ist zur axialen gasdichten Abdeckung des einen oder der mehreren zweiten Medienaustrittskanäle 8d. In Figur 12 ist außer- dem zu erkennen, dass ein zweites Reaktionsmedium in Stapelrichtung oberhalb der Dichtungsstruktur 4 an die Membranelektrodenanordnung 2 geführt wird. Entsprechend wird auch in Stapelrichtung oberhalb der Dich- tungsstruktur 4 das (teil-)verbrauchte zweite Reaktionsmedium wieder aus der Einheitszelle 11 bzw. aus dem Brennstoffzellenstapel 12 herausgeführt.

In Figur 14, dem Schnitt XIV-XIV aus Figur 13, ist nochmals das an der zwei- ten Bipolarplatte 7b ausgebildete, der Membranelektrodenanordnung 2 ab- gewandte Kühlmittelflussfeld 13c zu erkennen.

In Figur 15 ist zu sehen, dass die zweite Bipolarplatte 7b einer ersten Ein- heitszelle 11 mit einer ersten Bipolarplatte 7a einer weiteren Einheitszelle 11 dann den vollständigen Kanalquerschnitt für den Durchtritt des Kühlungsme- diums bildet. 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.

Die vorliegende Gestaltung erlaubt es, den Randbereich 5 möglichst schmal zu gestalten, um teures Material der Bipolarplatten 7 einzusparen. Durch die gewählte Konfiguration ist dennoch eine sichere Abdichtung jeder Einzelzelle 11 gewährleistet und erlaubt eine Maximierung des aktiven Bereichs 3 ge- genüber bekannten Einheitszellen. In Figur 16 ist exemplarisch ein aus mehreren Einheitszellen 11 gebildeter Brennstoffzellenstapel 12 dargestellt. Dieser Brennstoffzellenstapel 12 weist den Vorteil auf, dass die Bipolarplatte 7 gegenüber bekannten Bipolarplatten mit geringeren Abmessungen ausgestaltet sein können, so dass die Herstell- kosten des Brennstoffzellenstapels 12 reduziert sind. Vorliegend sind die Bipolarplatten 7 rechteckig geformt, wobei die vorliegende Erfindung nicht auf eine richtige Form der Bipolarplatten 7 angewiesen ist, sondern auch oh- ne Einschränkung in beliebige Formen mit zum Beispiel runden oder ge- schwungenen Linienführungen anwendbar ist.

Da auf in Stapelrichtung oder senkrecht ausgebildete Kanäle innerhalb der Bipolarplatten 7 verzichtet werden kann, ist es möglich, die Reaktionsmedien und/oder das Kühlmedium den Einzelzellen oder Einheitszellen radial oder seitlich zu- oder abzuführen.

Eine mögliche Anordnung von Medienführungen 22 ist in Figur 17 gezeigt. Hier sind in Stapelrichtung verlaufende und seitlich an den Brennstoffzellen- stapel 12 angebrachte Medienführungen 22 vorgesehen. Diese Medienfüh- rungen 22 können aus einem anderen Material als die Bipolarplatten 7 gebil det sein, wodurch sich der Brennstoffzellenstapel 12 entsprechend günstig hersteilen lässt. Die beiden Medienführungen 22a, 22b, die an der kurzen Kante der Einheitszellen angeordnet sind, führen beispielsweise ein Ano- dengas (bzw. Wasserstoff) den Anodenräumen bzw. der Anode der Memb- ranelektrodenanordnung 2 zu bzw. ab. Die Medienführung 22c hinten rechts führt beispielsweise ein Kathodengas den Kathodenräumen bzw. der Katho- de der Membranelektrodenanordnung 2 zu, während das (teil-)verbrauchte Kathodengas aus der Medienführung 22d an der langen Kante der Bipolar- platten 7 vorne links wieder herausgeführt wird. Die Medienführungen 22e, 22f an der langen Kante hinten links und an der langen Kante vorne rechts dienen der Zu- und Abführung eines Kühlmediums zwischen der zweiten Bi- polarplatte 7b einer ersten Einheitszelle 11 und der ersten Bipolarplatte 7a einer benachbart zu ersten Einheitszelle 11 angeordneten zweiten Einheits- zelle 11. BEZUGSZEICHENLISTE

1 Brennstoffzellenanordnung

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 Kü h I m ittel a u stritts ka n a I

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 Medienführung

22b Medienführung

22c Medienführung

22d Medienführung

22e Medienführung

22f Medienführung

Claims

ANSPRÜCHE:

1. Brennstoffzellenanordnung (1 )

mit einer Membranelektrodenanordnung (2), welche eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete

Membran umfasst,

mit einem im Wesentlichen durch die Membranelektrodenanordnung (2) vorgegebenen aktiven Bereich (3),

und mit einer der Membranelektrodenanordnung (2) lateral zugeordne- ten Dichtungsstruktur (4),

dadurch gekennzeichnet, dass

die Dichtungsstruktur (4) eine sich in oder über einen Randbereich (5) außerhalb des aktiven Bereichs (3) erstreckende Dichtungszunge (6) umfasst zur axialen gasdichten Abdeckung eines in einer benachbarten Bipolarplatte (7) ausgebildeten und im Randbereich (5) befindlichen

Medienkanals (8).

2. Brennstoffzellenanordnung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeich- net, dass die Dichtungsstruktur (4), formstabil gebildet ist hinsichtlich einer auf diese axial einwirkenden Druck- und/oder Zugbeanspruchung.

3. Brennstoffzellenanordnung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass sich die Dichtungszunge (4) über den Randbereich (5) hinaus erstreckt.

4. Brennstoffzellenanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsstruktur (4) einen die Membranelektrodenanordnung (2) lateral abdichtenden Dichtungsrand (10) aufweist.

5. Einheitszelle (11 ) für einen Brennstoffzellenstapel (12), mit einer Brenn- stoffzellenanordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 sowie mit einer ersten Bipolarplatte (7a), die benachbart zur Membranelektro- denanordung (2) angeordnet ist, und die am Randbereich (5) einen durch die Dichtungszunge (6) axial gasdicht abgedeckten Medien kanal (8) umfasst, durch welchen ein Medium in den oder aus dem aktiven Bereich (3) transportierbar ist.

Einheitszelle (11 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Bipolarplatte (7a) im Randbereich (5) einen ersten Medienein- trittskanal (8a) und einen ersten Medienaustrittskanal (8b) umfasst, dass die erste Bipolarplatte (7a) im aktiven Bereich (3) ein mit dem ers- ten Medieneintrittskanal (8a) und dem ersten Medienaustrittskanal (8b) strömungsverbundenes erstes Flussfeld (13a) umfasst,

und dass die Dichtungsstruktur (4) eine sich in den oder über den Randbereich (5) erstreckende erste Eintrittsdichtungszunge (6a) zur axialen gasdichten Abdeckung des ersten Medieneintrittskanals (8a) und eine sich in den oder über den Randbereich (5) erstreckende erste Austrittsdichtungszunge (6b) zur axialen gasdichten Abdeckung des ersten Medienaustrittskanals (8b) umfasst.

Einheitszelle (11 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Bipolarplatte (7b) vorgesehen ist, welche einen zweiten Medien- eintrittskanal (8c) und einen zweiten Medienaustrittskanal (8d) umfasst, dass die zweite Bipolarplatte (7b) ein mit dem zweiten Medieneintritts- kanal (8c) und dem zweiten Medienaustrittskanal (8d) ström ungsver- bundenes zweites Flussfeld (13b) umfasst,

und dass die Dichtungsstruktur (4) eine sich in den oder über den Randbereich (5) erstreckende zweite Eintrittsdichtungszunge (6c) zur axialen gasdichten Abdeckung des zweiten Medieneintrittskanals (8c) und eine sich in den oder über den Randbereich (5) erstreckende zwei- te Austrittsdichtungszunge (6d) zur axialen gasdichten Abdeckung des zweiten Medienaustrittskanals (8d) umfasst.

Einheitszelle (11 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwi- schen der ersten Bipolarplatte (7a) und der zweiten Bipolarplatte (7b) eine Aussparungen (16) aufweisende Verbundschicht (15) vorgesehen ist, die ausgestaltet ist, den aktiven Bereich (3) lateral gasdicht abzu- dichten.

9. Einheitszelle (11 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundschicht (15) mehrteilig gebildet ist, und dass die erste Eintritts- dichtungszunge (6a) und die erste Austrittsdichtungszunge (6b) die Aussparungen (16) der Verbundschicht (15) überragen zur Ausbildung von Überständen (19). 10. Einheitszelle (11 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf die erste Eintrittsdichtungszunge (6a) und auf die erste Austrittsdich- tungszunge (6b) eine Überlappungen (21 ) mit der Verbundschicht (15) ausbildende Verbindungsschicht (21 ) aufgebracht ist.