WO2021136623A1 - Brennstoffzellenstack - Google Patents

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WO2021136623A1
WO2021136623A1 PCT/EP2020/083932 EP2020083932W WO2021136623A1 WO 2021136623 A1 WO2021136623 A1 WO 2021136623A1 EP 2020083932 W EP2020083932 W EP 2020083932W WO 2021136623 A1 WO2021136623 A1 WO 2021136623A1
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fuel cell
membrane
ccm
centering
dam
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PCT/EP2020/083932
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Inventor
Eberhard Maier
Arnold Gente
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell stack according to the preamble of the independent device claim and a corresponding method for producing a fuel cell stack.
  • Fuel cell stacks are known in principle. In today's fuel cell stacks, it is often difficult to center the membrane in such a way that the active surface of the membrane is sufficiently aligned with respect to the bipolar plate. Problems can arise if the membrane is not aligned flush with the edge regions of the bipolar plate in the edge regions of the membrane and in the port regions of the fuel cell stack. A residue of the membrane and / or the sealing layer of the membrane in these edge areas potentially leads to a short circuit between the different electrical potentials of the successive bipolar plates. Mechanical damage due to an insufficiently rigid structure of the fuel cell stack exacerbate this problem. However, if the membrane or the sealing layer of the membrane sufficiently protrudes from the edge areas of the bipolar plate, this problem can usually be prevented.
  • the invention provides a fuel cell stack with the features of the independent device claim, in particular from the characterizing part. Furthermore, according to a second aspect, the invention provides a method for producing a fuel cell stack. Further advantages, features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the fuel cell stack according to the invention naturally also apply in connection with the method according to the invention and vice versa, so that with regard to the disclosure, reference is or can always be made to the individual aspects of the invention.
  • the present invention provides a fuel cell stack, comprising at least one fuel cell, which has a membrane for separating an anode side of the fuel cell from a cathode side of the fuel cell, an anode-side gas diffusion layer, a cathode-side gas diffusion layer and a bipolar plate for separating the fuel cell from an adjacent fuel cell or a housing.
  • the membrane protrudes in an edge area that is located outside an active surface of the membrane, the anode-side gas diffusion layer and the cathode-side gas diffusion layer (at least in a direction perpendicular to the channels of the bipolar plate), and that the membrane in the edge area of the anode side or from the cathode side has a centering dam.
  • the fuel cell stack within the meaning of the invention can have one or more fuel cells which are stacked on top of one another in layers and can be clamped between two end plates.
  • the idea of the invention lies in the fact that the centering dam provides an optimized edge region of the membrane, which improves the centering of the membrane and the bipolar plate within the Fuel cell stacks made possible, which offers improved protection against leakage currents and which ensures improved sealing of the fuel cell.
  • the centering dam With the centering dam, a stiffer area is integrated at the edge of the membrane.
  • the centering dam is used in an advantageous manner to align the bipolar plate and the centering aid for the membrane with respect to the bipolar plate.
  • the protruding area of the membrane over the anode-side gas diffusion layer and / or the cathode-side gas diffusion layer can prevent electrical short circuits between the successive bipolar plates of adjacent fuel cells and mechanical damage to the successive bipolar plates.
  • the edge area of the membrane also makes the fuel cell robust against mechanical stress in this area. This can have considerable advantages when stacking the fuel cells to form a fuel cell stack.
  • the edge area of the membrane can be designed to be flush with the edge areas of the bipolar plates or protrude from them, as desired. This enables leakage currents to be reduced. Incorrect alignment of the membrane is immediately visible at the edge area through the protruding centering dam. In this way, errors when centering the membrane are reliably avoided.
  • the centering dam increases the structural rigidity of the membrane when assembling the fuel cell stack.
  • the invention can provide that the centering dam is firmly attached to the membrane.
  • the handling of the membrane with the centering dam attached to it can thus be facilitated when assembling the fuel cell stack.
  • the integral connection can provide a sealing connection between the membrane and the centering dam.
  • the invention can provide that the centering dam is injection-molded, vulcanized or printed onto the membrane.
  • a flexible fastening of the centering dam on the membrane can thus be made possible.
  • plastics can be processed by injection molding.
  • Thermoplastics such as natural rubbers or synthetic rubbers, can be converted into elastomeric plastics by vulcanizing (Rubbers) are transferred.
  • Rubberers vulcanizing
  • the invention can provide that the membrane is provided with an elastic sealing layer (so-called subgasket) in the edge area, the centering dam being firmly attached to the sealing layer.
  • the centering dam can serve as an expanded seal.
  • the invention can provide that the centering dam is injection-molded, vulcanized or printed onto the sealing layer.
  • the centering dam is produced by folding a sealing layer.
  • the sealing layer can be provided as a thin, flat elastic layer, for example made of a thermoplastic material. By folding such a layer, rigid elements with sealing properties can be provided.
  • Such a centering dam can also be advantageous because no additional materials and / or tools are required to manufacture the centering dam.
  • the invention can provide that the centering dam has a height which is less than the height of a coolant channel of the bipolar plate (or the height of the bipolar plate). In this way, manufacturing tolerances can be bridged when providing the membranes, the gas diffusion layers and / or the bipolar plates, which can be of considerable advantage when the membrane and the bipolar plate are stacked.
  • the invention can provide that the centering dam has a height which is 0.5 to 0.99, in particular 0.7 to 0.9, the height of a coolant channel of the bipolar plate. In this way, manufacturing tolerances when providing the membranes, the gas diffusion layers and / or the bipolar plates can be compensated for in an improved manner. Furthermore, in the case of a fuel cell stack, the invention can provide that the bipolar plate has a closed coolant channel in the edge region of the membrane. The closed coolant channel can advantageously be used to rest against the centering dam in order to center the membrane in the fuel cell stack and to seal the at least one fuel cell.
  • the closed coolant channel can advantageously be produced by bending two plates of the bipolar plate in the same direction.
  • a curved edge can be provided on the bipolar plate, which can come to rest on the centering dam in a sealing manner.
  • the closed coolant channel can be aligned at an angle between 0 ° and 90 °, in particular between 30 ° and 60 °, preferably 45 °, to the membrane. In this way, the sealing support on the centering dam can be made possible in a simple manner.
  • the invention can provide that the centering dam in the edge region of the membrane is adapted to the geometry of the bipolar plate in order to center the membrane in the fuel cell stack and to seal the at least one fuel cell.
  • This makes it possible for the membrane to be centered in the edge area by the centering dam resting on the inclined surface (or on the closed coolant channel) of the bipolar plate.
  • it can thus be ensured that a closed and sealed area can be produced between the membrane and the bipolar plate at the edge area of the membrane.
  • the invention can provide that the centering dam is designed in the form of a trapezoid.
  • the base of the trapezoid can advantageously rest on the membrane or on a sealing layer of the membrane.
  • a stable support of the centering dam on the membrane and also an improved support the centering dam on the inclined surface (or on the closed coolant channel) of the bipolar plate can advantageously rest on the membrane or on a sealing layer of the membrane.
  • the invention can provide that the trapezoid has a leg which is aligned parallel to the closed coolant channel of the bipolar plate and rests in a sealing manner on the closed coolant channel of the bipolar plate. The sealing of the fuel cell and the centering of the membrane with respect to the bipolar plate can thus be ensured in an improved manner.
  • the invention can provide a method for producing a fuel cell stack, according to which at least one fuel cell is provided which has a membrane for separating an anode side of the fuel cell from a cathode side of the fuel cell, an anode-side gas diffusion layer, a cathode-side gas diffusion layer and a bipolar plate Has separating the fuel cell from an adjacent fuel cell or a housing.
  • the membrane is positioned in such a way that the edge region of the membrane, which is located outside an active surface of the membrane, protrudes from the anode-side gas diffusion layer and / or the cathode-side gas diffusion layer (at least in a direction perpendicular to the channels of the bipolar plate) , and that the membrane is formed with a centering dam in the edge region from the anode side or from the cathode side.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a fuel cell stack according to the invention
  • FIG. 1 serves to explain the problem on which the invention is based.
  • FIG. 1 shows a known fuel cell stack 100, it being possible when assembling such a fuel cell stack 100 that a membrane CCM is not precisely aligned with respect to a bipolar plate BBP. If the membrane CCM is not aligned flush with the edge regions of the bipolar plate BPP in the edge regions R of the membrane CCM and in the port regions of the fuel cell stack 100, problems can arise. A residue of the membrane CCM with respect to the bipolar plates BPP in these edge areas R can lead to a short circuit between successive bipolar plates BPP.
  • FIG. 2 shows a fuel cell stack 100 according to the invention, having at least one fuel cell 101 or more fuel cells 101, the or each fuel cell 101 having a membrane CCM that separates an anode side A from a cathode side K of the fuel cell 101, an anode-side gas diffusion layer GDLA, a cathode-side gas diffusion layer GDLK, and a bipolar plate BPP, the fuel cell 101 from a adjacent fuel cell 101 or a housing (not shown) separates.
  • a membrane CCM that separates an anode side A from a cathode side K of the fuel cell 101
  • an anode-side gas diffusion layer GDLA anode-side gas diffusion layer
  • GDLK cathode-side gas diffusion layer
  • BPP bipolar plate
  • the invention provides that the membrane CCM protrudes in an edge region R, which is located outside an active surface AF of the membrane CMM, the anode-side gas diffusion layer GDLA and the cathode-side gas diffusion layer GDLK (at least in a direction perpendicular to the channels of the bipolar plate BPP), and that the membrane CMM has a centering dam 10 in the edge region R from the anode side A or from the cathode side K.
  • a closed coolant channel GK of the bipolar plate BPP of an adjacent fuel cell 101 lies against the membrane CCM from the cathode side K.
  • the centering dam 10 is shown in FIG. 2 merely by way of example from the anode side A of the fuel cell 101, with the centering dam 10 also being possible from the cathode side K of the fuel cell 101.
  • the bipolar plate BPP of an adjacent fuel cell 101 can be bent in a different direction in the edge region R of the membrane CCM and rest against the membrane CCM of the adjacent fuel cell 101 from the anode side A of the fuel cell 101.
  • the membrane CCM can have two edge regions R to the left and right of the active area AF.
  • the edge regions R can be aligned parallel or essentially parallel to the coolant channels KK in the bipolar plates BPP.
  • the centering dam 10 can consequently be aligned parallel or essentially parallel to the coolant channels KK in the bipolar plates BPP. It is conceivable that the centering dam 10 can be embodied in the shape of a bead. With the help of the centering dam 10, an optimized edge area R of the membrane is provided, which enables an improved centering of the membrane CMM and the bipolar plate BPP within the fuel cell stack 100, which offers improved protection against leakage currents and which improves the sealing of the fuel cell stack 100 (at least in one direction perpendicular to the channels of the bipolar plate BPP).
  • the centering dam 10 creates a stiffer area at the edge area R of the membrane CMM.
  • the centering dam 10 can thus serve to align the bipolar plate BPP and to center the membrane CCM with respect to the bipolar plate BPP.
  • the protruding area of the membrane CCM over the anode-side gas diffusion layer GDLA and the cathode-side gas diffusion layer GDLK can prevent electrical short circuits between the successive bipolar plates BPP of adjacent fuel cells 101 and mechanical damage to the successive bipolar plates BPP.
  • the edge area R of the membrane CCM can be made flush with the edge areas of the bipolar plates BPP or protrude from them.
  • the centering dam 10 can be firmly attached to the membrane CMM or to a sealing layer SG, so-called subgasket, of the membrane CCM, for example by injection molding, vulcanization or printing.
  • the centering dam 10 can be produced by folding the sealing layer SG.
  • the sealing layer SG is mostly a thin, flat elastic layer which can be folded up or rolled up to form a rigid centering dam 10 with sealing properties.
  • the centering dam 10 can have a height that is less than the height of a coolant channel KK of the bipolar plate BPP or, in other words, less than the height of the bipolar plate BPP. In this way, manufacturing tolerances can be compensated that can arise during the manufacture of the membranes CCM, the gas diffusion layers GDLA, GDLK and / or the bipolar plates BPP. As is also indicated in FIG. 2, the centering dam 10 can have a height which is 0.5 to 0.99, in particular 0.7 to 0.9, the height of a coolant channel KK of the bipolar plate BPP.
  • the bipolar plate BPP in the sense of the invention can have a closed coolant channel GK in the edge region R of the membrane CCM.
  • the closed coolant channel GK serves to improve the support on the centering dam 10.
  • the closed coolant channel GK can be formed by bending two plates 1, 2 of the bipolar plate BPP in the same direction. The bend takes place at an angle between 0 ° and 90 °, in particular between 30 ° and 60 °, preferably 45 °, to the membrane CMM.
  • the centering dam 10 in the edge region R of the membrane CCM can advantageously be adapted to the geometry of the bipolar plate BPP, in particular the closed coolant channel GK of the bipolar plate BPP, in order to center the membrane CMM in the fuel cell stack 100 and to seal the at least one fuel cell 101.
  • the membrane CMM can be centered in the edge region R by the centering dam 10 resting against the inclined surface of the closed coolant channel GK of the bipolar plate BPP.
  • a closed and sealed area between the membrane CCM and the bipolar plate BPP can be produced by the centering dam 10 at the edge area R of the membrane CCM.
  • the centering dam 10 can be trapezoidal and / or bead-shaped in the context of the invention.
  • the base of the trapezoid can advantageously rest on the membrane CMM or on the sealing layer SG of the membrane CMM.
  • the leg of the trapezoid which rests against the inclined surface of the closed coolant channel GK of the bipolar plate BPP, can be aligned parallel to the closed coolant channel GK of the bipolar plate BPP.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstack (100), aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle (101), die eine Membran (CCM) zum Trennen einer Anodenseite (A) der Brennstoffzelle (101) von einer Kathodenseite (K) der Brennstoffzelle (101), eine anodenseitige Gasdiffusionslage (GDLA), eine kathodenseitige Gasdiffusionslage (GDLK) und eine Bipolarplatte (BPP) zum Trennen der Brennstoffzelle (101) von einer benachbarten Brennstoffzelle (101) oder einem Gehäuse aufweist. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Membran (CCM) in einem Randbereich (R), der sich außerhalb einer aktiven Fläche (AF) der Membran (CCM) befindet, die anodenseitige Gasdiffusionslage (GDLA) und die kathodenseitige Gasdiffusionslage (GDLK) übersteht, und dass die Membran (CCM) im Randbereich (R) von der Anodenseite (A) oder von der Kathodenseite (K) einen Zentrierungsdamm (10) aufweist.

Description

Beschreibung
Titel
Brennstoffzellenstack
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstack nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruches sowie ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstacks.
Stand der Technik
Brennstoffzellenstacks sind grundsätzlich bekannt. Bei heutigen Brennstoffzellenstacks ist es häufig schwierig, die Membran so zu zentrieren, dass die aktive Fläche der Membran bezüglich der Bipolarplatte ausreichend ausgerichtet ist. Wenn in den Randbereichen der Membran und in den Portbereichen des Brennstoffzellenstacks die Membran nicht bündig zu den Randbereichen der Bipolarplatte ausgerichtet ist, kann es zu Problemen kommen. Ein Rückstand der Membran und/oder der Dichtungsschicht der Membran in diesen Randbereichen führt potenziell zu einem Kurzschluss zwischen den unterschiedlichen elektrischen Potenzialen der aufeinander folgenden Bipolarplatten. Mechanische Beschädigungen aufgrund eines nicht ausreichend steifen Aufbaus des Brennstoffzellenstacks verstärken diese Problematik. Wenn jedoch die Membran oder die Dichtungsschicht der Membran die Randbereiche der Bipolarplatte ausreichend übersteht, kann diese Problematik zumeist verhindert werden. Allerdings ist dieser Überstand in den Portbereichen der Brennstoffzelle wegen Drosselung der Medienströme oder auch an den Bereichen des Brennstoffzellenstacks, welche zur Ausrichtung der Membranen und der Bipolarplatten beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstacks verwendet werden sollen, nicht immer gewünscht. Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt einen Brennstoffzellenstack mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil, vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstacks vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstack beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt einen Brennstoffzellenstack vor, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle, die eine Membran zum Trennen einer Anodenseite der Brennstoffzelle von einer Kathodenseite der Brennstoffzelle, eine anodenseitige Gasdiffusionslage, eine kathodenseitige Gasdiffusionslage und eine Bipolarplatte zum Trennen der Brennstoffzelle von einer benachbarten Brennstoffzelle oder einem Gehäuse aufweist. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Membran in einem Randbereich, der sich außerhalb einer aktiven Fläche der Membran befindet, die anodenseitige Gasdiffusionslage und die kathodenseitige Gasdiffusionslage (zumindest in eine Richtung senkrecht zu Kanälen der Bipolarplatte) übersteht, und dass die Membran im Randbereich von der Anodenseite oder von der Kathodenseite einen Zentrierungsdamm aufweist.
Der Brennstoffzellenstack im Sinne der Erfindung kann eine oder mehrere Brennstoffzellen aufweisen, die lagenartig aufeinander gestapelt und zwischen zwei Endplatten verspannt sein können.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass durch den Zentrierungsdamm ein optimierter Randbereich der Membran bereitgestellt wird, welcher eine verbesserte Zentrierung der Membran und der Bipolarplatte innerhalb des Brennstoffzellenstacks ermöglicht, welcher eine verbesserte Absicherung gegen Kriechströme bietet und welcher eine verbesserte Abdichtung der Brennstoffzelle sicherstellt. Mit dem Zentrierungsdamm wird ein steiferer Bereich am Randbereich der Membran integriert. Der Zentrierungsdamm dient auf eine vorteilhafte Weise der Ausrichtung der Bipolarplatte und der Zentrierhilfe für die Membran bezüglich der Bipolarplatte. Durch den überstehenden Bereich der Membran über die anodenseitige Gasdiffusionslage und/oder die kathodenseitige Gasdiffusionslage kann elektrischer Kurzschluss zwischen den aufeinander folgenden Bipolarplatten benachbarter Brennstoffzellen sowie die mechanische Beschädigung der aufeinander folgenden Bipolarplatten verhindert werden. Der Randbereich der Membran macht außerdem die Brennstoffzelle in diesem Bereich robust gegen mechanische Beanspruchung. Dies kann beim Stapeln der Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstack erhebliche Vorteile mit sich bringen. Der Randbereich der Membran kann je nach Wunsch bündig zu den Randbereichen der Bipolarplatten ausgeführt sein oder diese überstehen. Somit können Kriechströme reduziert werden. Eine fehlerhafte Ausrichtung der Membran ist am Randbereich sofort durch den hervorstehenden Zentrierungsdamm sichtbar. Auf diese Weise werden Fehler beim Zentrieren der Membran zuverlässig vermieden. Außerdem wird mithilfe des Zentrierungsdamms die strukturelle Steifigkeit der Membran beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels erhöht.
Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellenstack vorsehen, dass der Zentrierungsdamm stoffschlüssig auf der Membran befestigt ist. Somit kann die Handhabung der Membran mit dem daran befestigten Zentrierungsdamm beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels erleichtert werden. Außerdem kann durch die stoffschlüssige Verbindung eine dichtende Verbindung zwischen der Membran und dem Zentrierungsdamm bereitgestellt werden.
Weiterhin kann Erfindung bei einem Brennstoffzellenstack vorsehen, dass der Zentrierungsdamm auf der Membran angespritzt, anvulkanisiert oder aufgedruckt ist. Somit kann eine flexible Befestigung des Zentrierungsdamms auf der Membran ermöglicht werden. Durch Spitzgießen können nahezu alle Kunststoffe verarbeitet werden. Durch Vulkanisieren können thermoplastische Kunststoffe, wie bspw. Naturkautschuke oder Synthesekautschuke, in elastomere Kunststoffe (Gummis) überführt werden. Durch Druckverfahren können flexible Geometrien hergestellt werden.
Des Weiteren kann Erfindung bei einem Brennstoffzellenstack vorsehen, dass im Randbereich die Membran mit einer elastischen Dichtungsschicht (sog. Subgasket) versehen ist, wobei der Zentrierungsdamm stoffschlüssig auf der Dichtungsschicht befestigt ist. Somit kann der Zentrierungsdamm als eine erweiterte Dichtung dienen.
Zudem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellenstack vorsehen, dass der Zentrierungsdamm auf der Dichtungsschicht angespritzt, anvulkanisiert oder aufgedruckt ist. Die Vorteile von diesen Verfahren sind oben bereits beschrieben. Diese Vorteile werden dabei übernommen.
Außerdem ist es denkbar, dass der Zentrierungsdamm durch Falten einer Dichtungsschicht hergestellt ist. Die Dichtungsschicht kann als eine dünne flache elastische Schicht, bspw. aus einem thermoplastischen Material, bereitgestellt werden. Durch Falten einer solchen Schicht können steife Elemente mit dichtenden Eigenschaften bereitgestellt werden. Ein solcher Zentrierungsdamm kann außerdem vorteilhaft sein, weil keine zusätzliche Materialien und/oder Werkzeuge zum Herstellen des Zentrierungsdamms benötigt werden.
Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellenstack vorsehen, dass der Zentrierungsdamm eine Höhe aufweist, die kleiner der Höhe eines Kühlmittelkanals der Bipolarplatte (bzw. der Höhe der Bipolarplatte) ist. Auf diese Weise können Herstellungstoleranzen beim Bereitstellen der Membranen, der Gasdiffusionslagen und/oder der Bipolarplatten überbrückt werden, was beim Stapeln der Membran und der Bipolarplatte von erheblichen Vorteil sein kann.
Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellenstack vorsehen, dass der Zentrierungsdamm eine Höhe aufweist, die 0,5 bis 0,99, insbesondere 0,7 bis 0,9, der Höhe eines Kühlmittelkanals der Bipolarplatte beträgt. Auf diese Weise können Herstellungstoleranzen beim Bereitstellen der Membranen, der Gasdiffusionslagen und/oder der Bipolarplatten auf eine verbesserte Weise ausgeglichen werden. Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellenstack vorsehen, dass die Bipolarplatte im Randbereich der Membran einen geschlossenen Kühlmittelkanal aufweist. Vorteilhafterweise kann der geschlossene Kühlmittelkanal zum Anliegen am Zentrierungsdamm dienen, um die Membran im Brennstoffzellenstack zu zentrieren, und um die mindestens eine Brennstoffzelle abzudichten.
Vorteilhafterweise kann der geschlossene Kühlmittelkanal durch Biegen von zwei Platten der Bipolarplatte in gleiche Richtung hergestellt werden. Somit kann ein gebogener Rand an der Bipolarplatte bereitgestellt werden, welcher abdichtend am Zentrierungsdamm zur Auflage kommen kann.
Nach einem weiteren Vorteil kann der geschlossene Kühlmittelkanal unter einem Winkel zwischen 0° und 90°, insbesondere zwischen 30° und 60°, vorzugsweise 45°, zur Membran ausgerichtet werden. Auf diese Weise kann die abdichtende Auflage am Zentrierungsdamm auf eine einfache Weise ermöglicht werden.
Zudem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellenstack vorsehen, dass der Zentrierungsdamm im Randbereich der Membran an die Geometrie der Bipolarplatte angepasst ist, um die Membran im Brennstoffzellenstack zu zentrieren, und um die mindestens eine Brennstoffzelle abzudichten. Somit kann ermöglicht werden, dass die Membran durch Anliegen des Zentrierungsdamms an der schrägen Fläche (bzw. am geschlossenen Kühlmittelkanal) der Bipolarplatte im Randbereich zentriert werden kann. Außerdem kann somit sichergestellt werden, dass am Randbereich der Membran ein geschlossener und abgedichteter Bereich zwischen der Membran und der Bipolarplatte hergestellt werden kann.
Außerdem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellenstack vorsehen, dass der Zentrierungsdamm in Form eines Trapezes ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise kann dabei die Basis des Trapezes auf der Membran oder auf einer Dichtungsschicht der Membran anliegen. Somit kann eine stabile Auflage des Zentrierungsdamms auf der Membran und zudem eine verbesserte Auflage des Zentrierungsdamms an der schrägen Fläche (bzw. am geschlossenen Kühlmittelkanal) der Bipolarplatte ermöglicht werden.
Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellenstack vorsehen, dass das Trapez einen Schenkel aufweist, der parallel zum geschlossenen Kühlmittelkanal der Bipolarplatte ausgerichtet ist und an dem geschlossenen Kühlmittelkanal der Bipolarplatte abdichtend anliegt. Somit können die Abdichtung der Brennstoffzelle und die Zentrierung der Membran gegenüber der Bipolarplatte auf eine verbesserte Weise sichergestellt werden.
Weiterhin kann die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstacks vorsehen, gemäß welchem mindestens eine Brennstoffzelle bereitgestellt wird, die eine Membran zum Trennen einer Anodenseite der Brennstoffzelle von einer Kathodenseite der Brennstoffzelle, eine anodenseitige Gasdiffusionslage, eine kathodenseitige Gasdiffusionslage und eine Bipolarplatte zum Trennen der Brennstoffzelle von einer benachbarten Brennstoffzelle oder einem Gehäuse aufweist. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Membran derart positioniert wird, dass der Randbereich der Membran, der sich außerhalb einer aktiven Fläche der Membran befindet, die anodenseitige Gasdiffusionslage und/oder die kathodenseitige Gasdiffusionslage (zumindest in eine Richtung senkrecht zu Kanälen der Bipolarplatte) übersteht, und dass die Membran im Randbereich von der Anodenseite oder von der Kathodenseite mit einem Zentrierungsdamm ausgebildet wird. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Brennstoffzellenstacks und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstacks,
Die Figur 1 dient zur Erläuterung der der Erfindung zugrundeliegenden Problematik. Die Figur 1 zeigt einen bekannten Brennstoffzellenstack 100, wobei beim Zusammenbau eines solchen Brennstoffzellenstacks 100 dazu kommen kann, dass eine Membran CCM bezüglich einer Bipolarplatte BBP nicht genau ausgerichtet ist. Wenn in den Randbereichen R der Membran CCM und in den Portbereichen des Brennstoffzellenstacks 100 die Membran CCM nicht bündig zu den Randbereichen der Bipolarplatte BPP ausgerichtet ist, kann es zu Problemen kommen. Ein Rückstand der Membran CCM bezüglich der Bipolarplatten BPP in diesen Randbereichen R kann zu einem Kurzschluss zwischen aufeinander folgenden Bipolarplatten BPP führen. Außerdem kann durch einen Rückstand der Membran CCM bezüglich der Bipolarplatten BPP in den Randbereichen R zur mechanischen Beschädigungen der Membran CCM und/oder der Bipolarplatten BPP und/oder zur Instabilität des Brennstoffzellenstapels 100 kommen. Wenn jedoch die Membran CCM die Randbereiche der Bipolarplatte BPP ausreichend übersteht, kann diese Problematik zumeist überwunden werden. Allerdings kann dieser Überstand der Membran CCM über die Randbereiche der Bipolarplatte BPP in den Portbereichen der Brennstoffzelle 101 oder auch an den Bereichen des Brennstoffzellenstacks 100, welche zur Ausrichtung der Membranen CCM und der Bipolarplatten BPP beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstacks 100 verwendet werden sollen, unvorteilhaft sein.
Die Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstack 100, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder mehrere Brennstoffzellen 101, wobei die oder jede Brennstoffzelle 101 eine Membran CCM, die eine Anodenseite A von einer Kathodenseite K der Brennstoffzelle 101 trennt, eine anodenseitige Gasdiffusionslage GDLA, eine kathodenseitige Gasdiffusionslage GDLK, und eine Bipolarplatte BPP, die die Brennstoffzelle 101 von einer benachbarten Brennstoffzelle 101 oder einem Gehäuse (nicht gezeigt) trennt, aufweist.
Die Erfindung sieht dabei vor, dass die Membran CCM in einem Randbereich R, der sich außerhalb einer aktiven Fläche AF der Membran CMM befindet, die anodenseitige Gasdiffusionslage GDLA und die kathodenseitige Gasdiffusionslage GDLK (zumindest in eine Richtung senkrecht zu Kanälen der Bipolarplatte BPP) übersteht, und dass die Membran CMM im Randbereich R von der Anodenseite A oder von der Kathodenseite K einen Zentrierungsdamm 10 aufweist.
Dabei liegt ein geschlossener Kühlmittelkanal GK der Bipolarplatte BPP einer benachbarten Brennstoffzelle 101 von der Kathodenseite K an der Membran CCM an.
Der Zentrierungsdamm 10 ist in der Figur 2 lediglich beispielhaft von der Anodenseite A der Brennstoffzelle 101 gezeigt, wobei eine Ausbildung des Zentrierungsdamms 10 von der Kathodenseite K der Brennstoffzelle 101 ebenfalls möglich wäre. Im letzteren Falle kann die Bipolarplatte BPP einer benachbarten Brennstoffzelle 101 in dem Randbereich R der Membran CCM in eine andere Richtung gebogen werden und von der Anodenseite A der Brennstoffzelle 101 an der Membran CCM der benachbarten Brennstoffzelle 101 anliegen.
Die Membran CCM kann zwei Randbereiche R links und rechts von der aktiven Fläche AF aufweisen. Die Randbereiche R können dabei parallel oder im Wesentlichen parallel zu den Kühlmittelkanälen KK in den Bipolarplatten BPP ausgerichtet sein.
Der Zentrierungsdamm 10 kann folglich dabei parallel oder im Wesentlichen parallel zu den Kühlmittelkanälen KK in den Bipolarplatten BPP ausgerichtet sein. Dabei ist es denkbar, dass der Zentrierungsdamm 10 wulstförmig ausgebildet sein kann. Mithilfe des Zentrierungsdamms 10 wird ein optimierter Randbereich R der Membran bereitgestellt, welcher eine verbesserte Zentrierung der Membran CMM und der Bipolarplatte BPP innerhalb des Brennstoffzellenstacks 100 ermöglicht, welcher eine verbesserte Absicherung gegen Kriechströme bietet und welcher eine verbesserte Abdichtung des Brennstoffzellenstacks 100 (zumindest in eine Richtung senkrecht zu den Kanälen der Bipolarplatte BPP) sicherstellt.
Der Zentrierungsdamm 10 schafft einen steiferen Bereich am Randbereich R der Membran CMM. Der Zentrierungsdamm 10 kann somit zum Ausrichten der Bipolarplatte BPP und zum Zentrieren der Membran CCM bezüglich der Bipolarplatte BPP dienen. Durch den überstehenden Bereich der Membran CCM über die anodenseitige Gasdiffusionslage GDLA und die kathodenseitige Gasdiffusionslage GDLK kann elektrischer Kurzschluss zwischen den aufeinander folgenden Bipolarplatten BPP benachbarter Brennstoffzellen 101 sowie die mechanische Beschädigung der aufeinander folgenden Bipolarplatten BPP verhindert werden. Wenn gewünscht, kann der Randbereich R der Membran CCM bündig zu den Randbereichen der Bipolarplatten BPP ausgeführt werden oder diese überstehen.
Der Zentrierungsdamm 10 kann stoffschlüssig auf der Membran CMM oder auf einer Dichtungsschicht SG, sog. Subgasket, der Membran CCM befestigt werden, bspw. durch Anspritzen, Anvulkanisieren oder Aufgedrucken.
Wenn die Dichtungsschicht SG im ganzen Randbereich R der Membran CCM gewünscht ist, kann der Zentrierungsdamm 10 durch Falten der Dichtungsschicht SG hergestellt werden. Die Dichtungsschicht SG ist zumeist eine dünne flache elastische Schicht, die zum einem steifen Zentrierungsdamm 10 mit dichtenden Eigenschaften zusammengefaltet oder aufgerollt werden kann.
Wie es aus der Figur 2 erkennbar ist, kann der Zentrierungsdamm 10 eine Höhe aufweisen, die kleiner der Höhe eines Kühlmittelkanals KK der Bipolarplatte BPP oder mit anderen Worten kleiner der Höhe der Bipolarplatte BPP ist. Auf diese Weise können Herstellungstoleranzen ausgeglichen werden, die beim Herstellen der Membranen CCM, der Gasdiffusionslagen GDLA, GDLK und/oder der Bipolarplatten BPP entstehen können. Wie es weiterhin in der Figur 2 angedeutet ist, kann der Zentrierungsdamm 10 eine Höhe aufweisen, die 0,5 bis 0,99, insbesondere 0,7 bis 0,9, der Höhe eines Kühlmittelkanals KK der Bipolarplatte BPP beträgt.
Wie oben bereits erwähnt, kann die Bipolarplatte BPP im Sinne der Erfindung im Randbereich R der Membran CCM einen geschlossenen Kühlmittelkanal GK aufweisen. Der geschlossene Kühlmittelkanal GK dient zu einer verbesserten Auflage am Zentrierungsdamm 10.
Wie es in der Figur 2 erkennbar ist, kann der geschlossene Kühlmittelkanal GK durch Biegen von zwei Platten 1, 2 der Bipolarplatte BPP in gleicher Richtung gebildet werden. Die Biegung erfolgt in einem Winkel zwischen 0° und 90°, insbesondere zwischen 30° und 60°, vorzugsweise 45°, zur Membran CMM.
Vorteilhafterweise kann der Zentrierungsdamm 10 im Randbereich R der Membran CCM an die Geometrie der Bipolarplatte BPP, insbesondere des geschlossenen Kühlmittelkanals GK der Bipolarplatte BPP, angepasst sein, um die Membran CMM im Brennstoffzellenstack 100 zu zentrieren, und um die mindestens eine Brennstoffzelle 101 abzudichten. Dabei kann die Membran CMM durch Anliegen des Zentrierungsdamms 10 an der schrägen Fläche des geschlossenen Kühlmittelkanals GK der Bipolarplatte BPP im Randbereich R zentriert werden. Außerdem kann durch den Zentrierungsdamm 10 am Randbereich R der Membran CCM ein geschlossener und abgedichteter Bereich zwischen der Membran CCM und der Bipolarplatte BPP hergestellt werden.
Der Zentrierungsdamm 10 kann im Rahmen der Erfindung trapezförmig und/oder wulstförmig ausgebildet sein. Vorteilhafterweise kann dabei die Basis des Trapezes auf der Membran CMM oder auf der Dichtungsschicht SG der Membran CMM anliegen. Dabei kann der Schenkel des Trapezes, der an der schrägen Fläche des geschlossenen Kühlmittel kanals GK der Bipolarplatte BPP anliegt, parallel zum geschlossenen Kühlmittelkanal GK der Bipolarplatte BPP ausgerichtet sein. Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellenstack (100), aufweisend: mindestens eine Brennstoffzelle (101), die eine Membran (CCM) zum Trennen einer Anodenseite (A) der Brennstoffzelle (101) von einer Kathodenseite (K) der Brennstoffzelle (101), eine anodenseitige Gasdiffusionslage (GDLA), eine kathodenseitige Gasdiffusionslage (GDLK) und eine Bipolarplatte (BPP) zum Trennen der Brennstoffzelle (101) von einer benachbarten Brennstoffzelle (101) oder einem Gehäuse aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (CCM) in einem Randbereich (R), der sich außerhalb einer aktiven Fläche (AF) der Membran (CCM) befindet, die anodenseitige Gasdiffusionslage (GDLA) und die kathodenseitige Gasdiffusionslage (GDLK) übersteht, und dass die Membran (CCM) im Randbereich (R) von der Anodenseite (A) oder von der Kathodenseite (K) einen Zentrierungsdamm (10) aufweist.
2. Brennstoffzellenstack (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierungsdamm (10) stoffschlüssig auf der Membran (CCM) befestigt ist, und/oder dass der Zentrierungsdamm (10) auf der Membran (CCM) angespritzt, anvulkanisiert oder aufgedruckt ist.
3. Brennstoffzellenstack (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Randbereich (R) die Membran (CCM) mit einer elastischen Dichtungsschicht (SG) versehen ist, wobei der Zentrierungsdamm (10) stoffschlüssig auf der Dichtungsschicht (SG) befestigt ist.
4. Brennstoffzellenstack (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierungsdamm (10) auf der Dichtungsschicht (SG) angespritzt, anvulkanisiert oder aufgedruckt ist, oder dass der Zentrierungsdamm (10) durch Falten einer Dichtungsschicht (SG) hergestellt ist.
5. Brennstoffzellenstack (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierungsdamm (10) eine Höhe aufweist, die kleiner der Höhe eines Kühlmittelkanals (KK) der Bipolarplatte (BPP) ist, und/oder dass der Zentrierungsdamm (10) eine Höhe aufweist, die 0,5 bis 0,99, insbesondere 0,7 bis 0,9, der Höhe eines Kühlmittelkanals (KK) der Bipolarplatte (BPP) beträgt.
6. Brennstoffzellenstack (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (BPP) im Randbereich (R) der Membran (CCM) einen geschlossenen Kühlmittelkanal (GK) aufweist.
7. Brennstoffzellenstack (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlossene Kühlmittel kanal (GK) durch Biegen von zwei Platten (1, 2) der Bipolarplatte (BPP) in gleiche Richtung hergestellt ist, und/oder dass der geschlossene Kühlmittelkanal (GK) unter einem Winkel zwischen 0° und 90°, insbesondre zwischen 30° und 60°, vorzugsweise 45°, zur Membran (CCM) ausgerichtet ist.
8. Brennstoffzellenstack (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierungsdamm (10) im Randbereich (R) der Membran (CCM) an die Geometrie der Bipolarplatte (BPP) angepasst ist, um die Membran (CCM) im Brennstoffzellenstack (100) zu zentrieren, und um die mindestens eine Brennstoffzelle (101) abzudichten.
9. Brennstoffzellenstack (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierungsdamm (10) in Form eines Trapezes ausgebildet ist, wobei insbesondere die Basis des Trapezes auf der Membran (CCM) oder auf einer Dichtungsschicht (SG) der Membran (CCM) anliegt.
10. Brennstoffzellenstack (100) nach 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trapez einen Schenkel aufweist, der parallel zum geschlossenen Kühlmittelkanal (GK) der Bipolarplatte (BBP) ausgerichtet ist und an dem geschlossenen Kühlmittelkanal (GK) der Bipolarplatte (BBP) abdichtend anliegt.
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