WO2021260113A1 - Brennstoffzellenanordnung und verfahren zur herstellung einer brennstoffzellenanordnung - Google Patents

Brennstoffzellenanordnung und verfahren zur herstellung einer brennstoffzellenanordnung Download PDF

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Markus Ochs
Stefan GRANZOW
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Vitesco Technologies GmbH
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell arrangement according to the preamble of claim 1 and a method for producing a fuel cell arrangement according to the preamble of claim 10.
  • Such a fuel cell arrangement is also referred to as a fuel cell stack in the prior art and has fuel cells stacked in a stacking direction, each of which is plate-shaped and, viewed orthogonally to the stacking direction, extends in a first transverse direction and a second transverse direction orthogonal thereto.
  • the individual fuel cells each have, stacked in the stacking direction:
  • a membrane-electrode unit comprising an electrolyte membrane and electrode layers arranged on both sides thereof in the stacking direction, which form an anode and a cathode for an electrochemical reaction of the fuel with an oxidizing agent
  • the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel e.g. hydrogen
  • a continuously supplied oxidizing agent e.g. oxygen or air
  • the reactants of the electrochemical reaction i.e. the fuel (e.g. hydrogen) and the oxidizing agent (e.g. air), must be different when viewed in the stacking direction Sides of the membrane-electrode assembly are fed within each fuel cell.
  • the fuel e.g. hydrogen
  • the oxidizing agent e.g. air
  • the bipolar half-plates of each fuel cell are each designed with the above-mentioned channel structure on their sides facing the membrane-electrode unit in order to transfer the fuel and the oxidizing agent on the respective sides of the membrane-electrode unit via these channel structures into the there to introduce adjacent respective gas diffusion layer and thus to bring it up to the respective electrode layer on the corresponding side of the electrolyte membrane via the respective gas diffusion layer.
  • the electrode layers are usually formed from a carbon material and coated or interspersed with a suitable catalyst.
  • the electrode layer on the fuel side forms an anode and the electrode layer on the oxidizing agent side forms a cathode of the membrane-electrode unit.
  • the product of the electrochemical reaction taking place in the individual fuel cells can be discharged via the fuel cell area carrying the oxidizing agent (for example air).
  • the fuel-carrying area i.e. the anode-side channel structure, gas diffusion layer, electrode layer (anode), and the oxidizing agent-carrying area, ie cathode-side channel structure, gas diffusion layer, electrode layer (cathode)
  • the fuel-carrying area i.e. the anode-side channel structure, gas diffusion layer, electrode layer (anode)
  • the oxidizing agent-carrying area ie cathode-side channel structure, gas diffusion layer, electrode layer (cathode
  • At least one of the two areas must be sealed off from the surroundings of the fuel cell or the fuel cell stack (e.g. atmosphere) in order to prevent such an exchange via the surroundings.
  • at least the fuel-carrying area is sealed off from the environment in order to prevent a loss of fuel from this fuel cell area into the environment and an entry of a medium (e.g. air) from the environment into this fuel cell area.
  • the oxidizing agent-carrying area can also be configured "open" to the environment.
  • the oxidizing agent channel structure provided in the individual fuel cells can be open on two opposite sides of the fuel cell when viewed in a transverse direction in order to enable the oxidizing agent (e.g. air) to flow in this transverse direction through the fuel cell arrangement during operation.
  • the oxidizing agent can, for. B. be driven through the laterally open fuel cell assembly with a fan and at the same time ensure cooling.
  • both the fuel-conducting area and the oxidizing agent-conducting area of the fuel cell stack are sealed off from one another and from the environment.
  • seals are z. B. separately manufactured and inserted between the bipolar plate and membrane-electrode unit seals, or z. B. a dispensing / spraying of sealing material on the respective components of the fuel cells (z. B. bipolar plate, membrane-electrode unit) during an assembly process, or a prefabrication of components of the fuel cells with already molded seals.
  • each bipolar plate located there is spaced apart from one another at the transitions between fuel cells that are adjacent to one another in the stacking direction and a cooling medium (e.g. air or water) is guided in the spaces thus existing in order to cool the fuel cell arrangement in this way, it is required Furthermore, each bipolar plate has a further seal (or, for example, welding of bipolar half-plates) all around, on a lateral edge area of the fuel cell arrangement, usually even viewed in a circumferential direction of the fuel cell arrangement, in order to prevent the escape of cooling medium.
  • a cooling medium e.g. air or water
  • the fuel cell arrangement according to the invention is characterized in that the bipolar half-plates are shaped in this way on a lateral edge area are that the bipolar half-plates in this lateral edge area abut one another or at least protrude close to one another in such a way that a cavity extending continuously in the stacking direction is formed on a corresponding lateral edge area of the fuel cell arrangement, and that this cavity is filled with a sealing material.
  • the cavity extends "continuously in the stacking direction" is intended to mean that there are paths within the cavity at the lateral edge region of the fuel cell arrangement which go from a first (e.g. "lowermost") fuel cell in the stacking direction to one in the stacking direction last (z. B. "top”) fuel cell run.
  • sections of the cavity can in this case, in particular, e.g. B. viewed in the stacking direction through openings going through the two bipolar half-plates located there, which thus connect the areas of the cavity below and above the respective transition area with one another.
  • the cavity filled with the sealing material can also make the seals previously applied or molded onto certain components of the fuel cells (e.g. bipolar plate, membrane-electrode unit) unnecessary.
  • the seal By filling the cavity with the sealing material, the seal can advantageously be introduced in a single process step.
  • the aforementioned "abut one another" or “protrude close to one another" of the bipolar half-plates realizes a delimitation of the cavity at the relevant points, ie at these points the sealing material cannot escape during filling.
  • B. be given that a remaining minimum gap width is less than 0.1 mm, in particular less than 0.05 mm.
  • the cavity is preferably completely filled with sealing material.
  • a continuous seal is advantageously created, which preferably essentially fills the entire cavity.
  • the cavity is thus preferably essentially completely filled by the sealing material. This means that preferably no or no significant cavities that are not filled with sealing material remain in the cavity.
  • a substantially coherent, continuous seal is formed which, like the cavity itself, preferably extends over the entire length of the stack in the stacking direction. However, it preferably extends continuously over at least two, three or more adjacent fuel cells in the stack.
  • Another advantage of the invention can result in configurations in which, with the aid of the cavity filled with sealing material, mechanical tensioning of the electrochemically active surfaces or areas (e.g. membrane-electrode units, gas diffusion layers) is no longer as in the prior art is necessarily coupled with a mechanical bracing of sealing layers in the fuel cell stack. So z. B. a more uniform force distribution in the active areas advantageously increase the power density of the fuel cell arrangement.
  • the individual fuel cells preferably each have a plate-like shape with an at least approximately rectangular contour, so that a corresponding roughly cuboid fuel cell stack results.
  • the fuel cells of the fuel cell arrangement are designed to be suitable for operation with hydrogen as the fuel, e.g. B. with an electrolyte membrane designed as a proton conducting membrane.
  • z. B a design of the fuel cell assembly for operation with a different fuel such.
  • the fuel cell arrangement is designed to be suitable for operation with air as the oxidizing agent.
  • operation with pressure charging of the fuel cell stack with the oxidizing agent in which the oxidizing agent is supplied under a pressure (supply pressure) that is higher than that of ambient atmospheric pressure on an inlet side for the oxidizing agent.
  • the inlet pressure can e.g. B. greater than 1.2 bar, in particular greater than 1.5 bar.
  • an inlet pressure of less than 5 bar, in particular less than 4 bar is usually sufficient.
  • the oxidizing agent is discharged at an outlet side at which a negative pressure prevails that is below atmospheric ambient pressure.
  • the outlet pressure can e.g. B. less than 0.8 bar, in particular less than 0.6 bar.
  • an outlet pressure of at least 0.1 bar is usually advantageous.
  • the channel structures of the individual fuel cells provided in the context of the invention can each have several, e.g. B. more than 10, or z. B. have more than 50, parallel channels.
  • Each of the channel structures can e.g. B. in particular each have rectilinear and parallel channels.
  • straight channels of the fuel channel structures and the oxidizing agent channel structures run in a common (same) direction orthogonal to the stacking direction of the fuel cell arrangement.
  • these different directions of the channels can be provided oriented orthogonally to one another.
  • more complicated courses of the respective channels can in principle also be provided for the fuel channel structures and / or the oxidizing agent channel structures, such as, for. B. Gradients containing bends and / or curvatures, z. B. meandering courses in the "fuel cell plane" spanned by the first and second transverse directions.
  • the channels of the channel structures can, for. B. have a rectangular or rounded-rectangular cross-section and can, for. B. have been formed by milling, punching, embossing or etching in the course of manufacturing the bipolar half-plates or bipolar plates.
  • the bipolar half-plates are formed from a metallic material.
  • the bipolar half-plates can in particular, for. B. of a carbon material or z. B. be formed from an electrically conductive plastic material (z. B. appropriately doped, z. B. With carbon black), or from another electrically conductive material.
  • the bipolar half-plates provided in the invention are each prefabricated separately from one another and inserted into the stack during the production of the fuel cell arrangement by stacking the individual components.
  • bipolar half-plates for the interior of the fuel cell stack are each prefabricated separately from one another, but have been connected to one another in pairs before they are inserted into the fuel cell assembly, e.g. B. by gluing or welding, so that bipolar plates are used in the manufacture of the fuel cell stack (the each composed of two bipolar half-plates).
  • individual bipolar half-plates (“end plates") can be arranged at the two ends viewed in the stacking direction.
  • an outer side (i.e. the side facing away from the channel structure) of the anode-side bipolar half-plate, e.g. B. directly on an outside (ie facing away from the channel structure) of the cathode-side bipolar half-plate of an adjacent (adjacent) fuel cell in the stacking direction, or the outside of the cathode-side bipolar half-plate of a fuel cell directly on the outside of the anode-side bipolar half-plate of an adjacent fuel cell apply, be it with or without a fixed connection such as B. Bonding, welding, etc.
  • the bipolar half-plates located there are spaced apart from one another in their central region at each transition between fuel cells that are adjacent to one another in the stacking direction.
  • a cooling medium z. B. air or water
  • another channel structure for guiding a cooling medium such. B. be designed cooling water.
  • the gas diffusion layers are formed from a carbon fleece.
  • other materials can also be considered.
  • the anode and cathode forming electrode layers of the membrane electrode unit of the fuel cells are with a catalyst such as, in particular, B. coated or interspersed with a material containing platinum or palladium.
  • a so-called sub-seal is provided on a lateral edge region (in particular at least on the lateral edge) of the membrane-electrode unit.
  • the sub-gasket is a arranged there on both sides of the membrane-electrode unit and z. B. the side edge of the membrane-electrode unit enclosing (encompassing) sealing surface ready.
  • the subgasket can, for. B. already formed in the manufacture of the membrane-electrode unit as part of the same, z. B. have been molded.
  • sub-seals can e.g. B. are manufactured separately and inserted in the manufacture of the fuel cell assembly at the relevant points.
  • the membrane-electrode unit protrudes laterally over the side edges of the adjacent gas diffusion layers on the side edge area of the fuel cells.
  • the cavity extends all around, viewed in a circumferential direction of the fuel cell arrangement. This is intended to mean that in the area of each fuel cell there is at least one annularly closed path within the cavity and running completely around the circumference of the fuel cell stack.
  • the filling of the cavity with sealing material preferably extends continuously through this path and forms an annularly closed seal.
  • an outer wall of the cavity is formed by lateral edges of the bipolar half-plates resting against one another.
  • This embodiment relating to the formation of an outer wall of the cavity is in the area of a transition between adjacent fuel cells Unproblematic insofar as two bipolar half-plates face each other in this area, which are at the same electrical potential when the fuel cell arrangement is in operation.
  • Fuel cell arrangement at different electrical potentials can be provided at least in one contact area (contact surface between the bipolar half-plates), which z. B. can be accomplished by an electrically insulating coating on at least one of the two bipolar half-plates (or z. B. by an insulation layer inserted there).
  • an outer wall of the cavity is formed by lateral edges of the bipolar half-plates projecting close to one another (e.g. with a gap width of less than 0.1 mm).
  • This modified embodiment can be used to form an outer wall of the cavity both in the area of a fuel cell and in the area of a transition between adjacent fuel cells.
  • (electrically insulating) sealing material can penetrate into a gap located in the relevant area between the lateral edges of the bipolar half-plates.
  • a projection formed on the lateral edge of one of the two bipolar half-plates then rests against the lateral edge of the other bipolar plate formed without a projection (or protrudes close to it), or the projection rests on the lateral edge of one of the two bipolar half-plates a projection formed on the lateral edge of the other bipolar plate (or protrudes close to it).
  • both the side edge of the anode-side bipolar half-plate and the side edge of the cathode-side bipolar half-plate have such a projection, these projections viewed in the stacking direction z. B. can be dimensioned at least approximately the same height (and thus, viewed in the stacking direction, each end approximately in the middle of the fuel cell).
  • an inner wall of the cavity is formed in the area of each fuel cell by intermediate areas of the bipolar half-plates, which are each on one of the two sides (anode side or cathode side) of a side edge area (in particular e.g. B. the side edge) of the membrane-electrode assembly.
  • the intermediate areas of the bipolar half-plates z. B. in each case on one of the two sides of a subgasket (and this may be compress something), which is arranged on the lateral edge area or edge of the membrane-electrode unit, z. B. integrally formed engages around the side edge, or z. B. consists of two parts, which are each arranged on one of the two sides of the lateral edge region or edge.
  • the "intermediate area" of a bipolar half-plate is to be understood as an area which (viewed in the lateral direction) lies between the lateral edge and a central area of the relevant bipolar half-plate.
  • the intermediate area of the anode-side bipolar half-plate and / or the intermediate area of the cathode-side bipolar half-plate has a protrusion protruding in the stacking direction (and towards the respective other bipolar half-plate).
  • both the intermediate area of the anode-side bipolar half-plate and the intermediate area of the cathode-side bipolar half-plate have such a projection, these projections, viewed in the stacking direction, preferably being at least approximately the same size.
  • an inner wall of the cavity is in the region of a transition between (viewed in the stacking direction) adjacent fuel cells is formed by intermediate areas of the bipolar half-plates which rest against one another or at least protrude close to one another.
  • the bipolar half-plates located there (or at least their middle areas) at the transitions between adjacent fuel cells in the stacking direction can be spaced apart from one another when viewed in the stacking direction, in particular in order to guide a cooling medium in the area of these transitions between the fuel cells.
  • the intermediate area of at least one of the two bipolar half-plates has a protrusion protruding in the stacking direction and towards the other bipolar half-plate in order to bridge the gap and form the inner wall of the cavity.
  • the seal realized by the sealing material located in the cavity is formed from an elastic plastic material which, during the manufacture of the fuel cell assembly, is in a flowable, ie z. B. liquid to viscous state was filled into the cavity and then cured (in a preferably permanently elastic state).
  • the sealing material is a polymer material such as e.g. B. a silicone material. Also z. B. a rubber material (z. B. FKM) or z. B. an epoxy material such. B. Propylene oxide (PO) can be used as a sealing material. After filling the cavity with flowable sealing material this can, for. B. thermally and / or (z. B. formed as a multi-component material) chemically cured to a desired degree of hardness, z. B. be networked.
  • a polymer material such as e.g. B. a silicone material.
  • z. B. FKM z. B. FKM
  • an epoxy material such.
  • B. Propylene oxide (PO) can be used as a sealing material. After filling the cavity with flowable sealing material this can, for. B. thermally and / or (z. B. formed as a multi-component material) chemically cured to a desired degree of hardness, z. B. be networke
  • the fuel cell arrangement furthermore has a housing which at least partially surrounds the stacked fuel cells together with the seal formed in the lateral edge region.
  • the housing can e.g. B. represent or have a frame structure by means of which the stacked arrangement of the fuel cells is fixed and, if necessary, braced (for example, pressure-loaded in the stacking direction).
  • the housing can e.g. B. be composed of several housing parts that were positioned and connected to one another during the manufacture (assembly) of the fuel cell assembly.
  • the invention relates to a method for producing a fuel cell arrangement, which has:
  • a fuel cell arrangement by stacking fuel cells in a stacking direction, each of which is plate-shaped and, viewed orthogonally to the stacking direction, extends in a first transverse direction and a second transverse direction orthogonal thereto, the fuel cells each having, stacked in the stacking direction: an anode-side bipolar -Half-plate with a fuel channel structure for guiding a fuel; an anode-side gas diffusion layer; a membrane-electrode unit, comprising an electrolyte membrane and electrode layers arranged on both sides thereof in the stacking direction, which form an anode and a cathode for an electrochemical reaction of the fuel with an oxidizing agent; a cathode-side gas diffusion layer; and a cathode-side bipolar half-plate with an oxidizing agent channel structure for guiding the oxidizing agent,
  • the bipolar half-plates are shaped on a lateral edge area in such a way that the bipolar half-plates come to rest against one another or at least come so close to one another when they are stacked at this lateral edge area a corresponding lateral edge area the fuel cell arrangement a cavity extending continuously in the stacking direction is formed, and that the method further comprises filling the cavity with a sealing material.
  • the "coming close to one another" of the bipolar half-plates realizes a delimitation of the cavity at the relevant points, so that the sealing material does not escape at these points during filling.
  • this can in practice, for. B. imply that the bipolar half-plates come closer to each other than 0.1 mm, in particular closer than 0.05 mm, at these points.
  • the production method comprises, after filling with the sealing material, the implementation of temperature control of the fuel cell arrangement (for the thermally induced or accelerated curing of the sealing material).
  • a temperature control z. B a temperature of more than 50 ° C, in particular more than 100 ° C can be provided.
  • the production method comprises, after the sealing material has hardened, mechanical bracing of the fuel cell arrangement or at least its lateral edge region.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a fuel cell according to an exemplary embodiment according to the prior art
  • FIG. 2 shows a sectional view of a fuel cell arrangement composed of stacked fuel cells according to an exemplary embodiment, in a first stage of the lowering position
  • FIG. 3 shows a sectional view of the fuel cell arrangement from FIG. 2 in a subsequent second stage of the lowering position
  • FIG. 4 shows a sectional view of the fuel cell arrangement from FIG. 3 in a subsequent third stage of the lowering position
  • FIG. 5 shows a sectional view of a fuel cell arrangement according to a further exemplary embodiment, in a representation corresponding to FIG. 4.
  • FIG. 1 shows a fuel cell 20 with a conventional structure, by means of which the chemical reaction energy of a supplied fuel (e.g. hydrogen) and a supplied oxidizing agent (e.g. air) can be converted into electrical energy.
  • a supplied fuel e.g. hydrogen
  • a supplied oxidizing agent e.g. air
  • the fuel cell 20 is designed in the form of a plate and extends in a plate plane of this shape in a first transverse direction x and a second transverse direction y orthogonal thereto (for example with a rectangular contour).
  • Fuel cells 20 a fuel cell assembly (“fuel cell stack”) is formed.
  • the fuel cell 20 is in each case composed of a plurality of components which are designed in the form of a plate and are arranged in a stacked manner in the stacking direction z.
  • Electric current generated during operation of the fuel cell 20 is dissipated via the bipolar half-plate 22 made of electrically conductive material (e.g. metal).
  • an electrically conductive gas diffusion layer 26 e.g. carbon fleece
  • an electrically conductive gas diffusion layer 26 which is permeable to the fuel, via which the fuel becomes a in the stacking direction z adjoining membrane electrode unit 28 arrives.
  • the membrane-electrode unit 28 comprises an electrically non-conductive (in the case of hydrogen as fuel, proton-conductive) electrolyte membrane 30 and, viewed in the stacking direction z, electrically conductive electrode layers 32 arranged on both sides thereof and interspersed with a catalyst 35 (e.g. platinum or palladium) and 34 (e.g. made of metal).
  • a catalyst 35 e.g. platinum or palladium
  • 34 e.g. made of metal
  • the fuel e.g. hydrogen
  • the oxidizing agent air
  • this electrically conductive gas diffusion layer 36 permeable to the oxidizing agent is adjoined by an electrically conductive cathode-side bipolar half-plate 38, on the inside of which a channel structure 40 for guiding the oxidizing agent is formed, hereinafter also referred to as oxidizing agent channel structure 40.
  • the product of the electrochemical reaction for example water
  • the oxidizing agent e.g. air
  • the oxidant channel structure 40 of the bipolar half-plate 38 includes.
  • the bipolar half-plate 38 also serves on the cathode side to carry away the electrical current generated by the fuel cell 20.
  • the fuel-carrying area, ie fuel channel structure 24, gas diffusion layer 26, electrode layer 32 (anode), and the oxidizing agent-carrying area, ie oxidizing agent channel structure 40, gas diffusion layer 36, electrode layer 34 (cathode), must be sealed off from one another in order to prevent a gas exchange between these areas which is detrimental to the performance efficiency.
  • the fuel cell 20 has a seal 50 on its lateral edge area which rests against the bipolar half-plate 22, the bipolar half-plate 38 and the membrane-electrode unit 28 in order to move from the bipolar half-plate 22 to the membrane-electrodes -Unit 28 to and from the membrane-electrode unit 28 to the bipolar half-plate 38 to be sealed.
  • the seal 50 closes in the lateral direction (transverse direction y in FIG. 1) flush with the lateral edges 23, 39 of the bipolar half-plates 22, 38.
  • the present invention aims at a fuel cell such. B. the one shown in Fig. 1, or formed from such fuel cells in the case of one Fuel cell arrangement to show a novel way with which seals for the desired guidance of fuel and / or oxidizing agent and / or optionally cooling medium provided in a space between two adjacent fuel cells can be realized.
  • a first exemplary embodiment is described below with reference to FIGS. 2 to 4 and a second exemplary embodiment of a fuel cell arrangement ("fuel cell stack") with such a novel seal is described with reference to FIG. 5 (to replace the seal 50 shown in FIG. 1). .
  • FIG. 2 illustrates an exemplary embodiment of a fuel cell arrangement 10, after a first step of its lowering position has been completed, in which a plurality of fuel cells 20 have been arranged stacked in a stacking direction z.
  • Each of the fuel cells 20, which are identical in the example, is plate-shaped like the conventional fuel cell shown in FIG in the order given) on: an anode-side bipolar half-plate 22 with a fuel channel structure 24 for guiding a fuel; an anode-side gas diffusion layer 26; a membrane-electrode unit 28 with an electrolyte membrane 30 and electrode layers 32 and 34 arranged on both sides thereof in the stacking direction z, which represent an anode 32 and a cathode 34 for the electrochemical reaction; a cathode-side gas diffusion layer 36; and a cathode side Bipolar half-plate 38 with an oxidizing agent channel structure 40 for guiding the oxidizing agent.
  • the fuel cell arrangement 10 has at least one fuel inlet and at least one fuel outlet (not shown in the figures), each of which is via Breakthroughs (through openings) arranged congruently in the xy plane in the individual fuel cells 20 are connected to the individual fuel channel structures 24.
  • at least one fuel supply duct running through the fuel cell arrangement 10 in the stacking direction z and at least one fuel discharge duct running through the fuel cell arrangement 10 in the stacking direction z can be formed for the fuel cell arrangement 10 through inlet through-openings and outlet through-openings that are congruent in each case in the x-y plane.
  • the fuel cell arrangement 10 in order to supply the oxidizing agent channel structures 40 with the oxidizing agent, has at least one oxidizing agent inlet and at least one oxidizing agent outlet, each of which is provided via openings in the fuel cells 20 with the individual oxidizing agent channel structures that are congruently arranged in the xy plane 40 are connected.
  • at least one oxidizing agent supply channel running through the fuel cell arrangement 10 in the stacking direction z and at least one oxidizing agent discharge channel running through the fuel cell arrangement 10 in the stacking direction z can be formed by inlet and outlet through-openings which are congruently arranged in the x-y plane (not shown in the figures).
  • the bipolar half-plates 22, 38 are shaped on a lateral edge area (shown on the left in Fig. 2) in such a way that the bipolar half-plates 22, 38 rest against one another in places due to the stacking on this lateral edge area come or at least come close that a cavity 49 extending continuously in the stacking direction z is formed on a corresponding lateral edge region of the fuel cell arrangement 10.
  • the cavity 49 extends in a closed ring in the circumferential direction around the respective fuel cell 20 without interruptions (in the sectional view of FIG. 2, the cavity 49 is relatively wide in these areas). In these areas, the cavity 49 is delimited laterally outward or laterally inward by an "outer wall” running in a closed ring shape and an “inner wall” running in a closed ring shape Projections) are formed, which will be explained in more detail below.
  • the cavity 49 does not extend continuously but with interruptions in a closed ring in the circumferential direction, as the cavity 49 is formed in these areas is through one or more openings (e.g. arranged evenly distributed over the circumference) in the stacking direction z (the vertical direction in FIG. 2) through the two bipolar half-plates.
  • the sectional plane of the sectional view of FIG. 2 runs in the area of such an opening.
  • these openings form, so to speak, “riser sections” of the cavity 49 while it is being filled with the sealing material 50.
  • 3 and 4 illustrate the further course of the production process for the fuel cell arrangement 10 and show, in a representation corresponding to FIG. 2, further stages of this production process, in which the cavity 49 is gradually filled with an initially still liquid sealing material 50.
  • the filling with the sealing material 50 takes place from bottom to top, ie the sealing material 50 is at a (not shown in the figures) lower end of the fuel cell stack ("lower end plate") over one or more Openings located there are supplied to the cavity 49.
  • a lower end plate (and / or upper end plate) can, for. B. be provided with only one opening extending in the stacking direction z, or z. B. with fewer openings extending in the stacking direction z than the bipolar half-plates 22, 38 in the interior of the stack.
  • the bipolar half-plates 22, 38 preferably have a plurality of such openings.
  • FIG. 3 shows a second stage in which the sealing material 50 in the cavity 49 has reached the area of the fuel cell 20 identified in the figures
  • FIG. 4 shows a subsequent third stage in which the sealing material 50 has reached the area of this fuel cell 20 lying section of the cavity 49 is already completely filled.
  • the sealing material 50 is gradually filled through the aforementioned openings in the bipolar half-plates 22, 38 into the sections of the cavity 49 located in the area of the individual fuel cells 20 and surrounding these fuel cells 20.
  • curing takes place.
  • the curing can, for. B. be realized by a subsequent waiting time at a preferably elevated temperature, in which (z. B. thermally and / or chemically caused) a curing or crosslinking of the Sealing material 50 takes place. This preferably creates a seal 50 extending in one piece through the entire cavity.
  • the filling of the sealing material 50 into the cavity 49 can, for. B. be done by a gravimetrically driven "running in”.
  • the sealing material 50 can also be subjected to pressure, so that in this case filling can also take place in particular “from bottom to top” (by “pressing in” the sealing material 50).
  • a negative pressure can be provided at the opening or openings which are provided at the opposite end of the arrangement.
  • the sealing material 50 can advantageously be "drawn" into the cavity 49 with a negative pressure.
  • the sealing material 50 which maintains an elastic state after curing, forms a "seal 50" on the fuel cells 20 of the fuel cell arrangement 10 and, in the example, seals the fuel-carrying and oxidant-carrying areas from one another, and also seals these areas from the environment , so z. B. the atmosphere or an interior of a (not shown in the figures) housing of the fuel cell arrangement 10.
  • the sealing material 50 or the seal created by its hardening is formed from an electrically insulating, elastic plastic material.
  • the bipolar half-plates 22, 38 for the interior of the fuel cell arrangement 10 were each prefabricated separately from one another and connected to one another in pairs before they were inserted into the fuel cell arrangement 10 (e.g. by gluing or welding), so that in the manufacture of the fuel cell stack 10 bipolar plates were used, each of which is composed of two bipolar half-plates. At the two ends viewed in the stacking direction, individual bipolar half-plates 38 and 22, respectively, were arranged as lower and upper "end plates". In the manufacture of the bipolar half-plates 22, 38 or the The bipolar plates formed therefrom were also formed with their already mentioned openings (for the later passage of the sealing material 50).
  • the bipolar half-plates 22, 38 located there abut each other directly (without a gap) at each transition between fuel cells 20 adjacent to one another in the stacking direction z, both in their central area and in their lateral edge areas.
  • an outer wall (left wall in the figures) of the cavity 49 is formed by adjacent lateral edges of the respective bipolar half-plates 22, 38, and one in Viewed in the lateral direction, the inner wall (in the figures somewhat to the right of the outer wall) of the cavity 49 is formed by "intermediate regions" 23 ', 39' of the bipolar half-plates 22, 38 that lie against one another.
  • the relevant bipolar half-plates 22, 38 are, as already mentioned, provided with openings extending in the stacking direction z, which z. B.
  • the openings can advantageously, for. B. substantially uniformly and in particular z. B. be provided distributed equidistantly over the circumference of the bipolar half-plates 22, 38. Such an opening (as a section of the cavity 49) can be seen in FIGS. 2 to 4, since the sectional plane in these figures runs through such an opening.
  • z. B. at least 10 or z. B. at least 20 such openings are provided.
  • a so-called "sub-seal” 42 is provided in the fuel cells 20 on a lateral edge area of the respective membrane-electrode unit 28, which provides a sealing surface on the membrane-electrode unit 28 and is used during the manufacture of the membrane-electrode unit.
  • Unit 28 formed (z. B. molded) was.
  • the subgasket 42 (which in conventional fuel cell arrangements also serves as a holding frame for the membrane-electrode assembly) could also be omitted.
  • the electrolyte membrane 30 of the membrane-electrode unit 28 protrudes laterally over the lateral edges of the gas diffusion layers 26 and 36, in the example together with the sub-gasket 42 up to the lateral edges 23, 39 of the bipolar Half-plates 22, 38. Notwithstanding this example, the electrolyte membrane 30 could not, or at least less, protrude and in this case z. B. already end at the "intermediate areas" 23 ', 39' of the bipolar half-plates 22, 38.
  • an outer wall of the cavity 49 is formed there by side edges 23, 39 of the respective bipolar half-plates 22, 38 projecting close to one another, the bipolar half-plates 22, 38 in this area as are designed so that the side edge 23 (the anode-side bipolar half-plate 22) and the side edge 39 (the cathode-side bipolar half-plate 38) each have a protrusion protruding in the stacking direction z towards the other bipolar half-plate 38 or 22.
  • the side edge of the membrane-electrode unit 28 is located in a gap between the ends of the projections of the side edges 23, 39, which in the example is formed by the side edge of the electrolyte membrane 30 covered with the sub-gasket 42, but which is different from this example e.g. B. could also be formed only by an outer edge of the sub-seal 42 (since the electrolyte membrane 30 does not extend to the lateral edges 23, 39, but viewed in the lateral direction ends before this, e.g. B. in the area of the cavity 49, or z. B. at the level of the intermediate areas 23 ', 39', or z. B. further inside).
  • the projections of the lateral edges 23, 39, viewed in the stacking direction z are dimensioned to be the same height.
  • the membrane-electrode unit 28 is z. B. with a perforation or z. B. provided with (z. B. arranged distributed over the circumference) openings which allow a passage of the sealing material 50 during the filling of the cavity 49.
  • the sectional plane of FIGS. 2 to 4 runs in the area of such an opening.
  • the lateral edge of the membrane electrode unit 28 could also end in the region of the cavity 49 and the gap mentioned (between the edges 23 and 39) could be dimensioned so that when the cavity 49 is filled, the (electrically insulating ) Sealing material 50 penetrates a little into this gap and thus brings about mechanical stabilization at this point and ensures electrical insulation between the bipolar half-plates 22, 38 within the fuel cell 20.
  • the projections of the side edges 23, 39 of the respective bipolar half-plates 22, 38 could also lie directly against one another, but then at least in the contact area (contact surface between the projections) an otherwise realized electrical insulation is to be provided, e.g. B. by an electrically insulating coating on at least one of the two adjacent projections.
  • an inner wall of the cavity 49 viewed in a lateral direction is formed by the already mentioned "intermediate areas" 23 ', 39' of the bipolar half-plates 22, 38, which are each on one of the two sides (anode side or . On the cathode side) of the membrane-electrode unit 28. Similar to the lateral edges 23, 39, the intermediate areas 23 ', 39' of the bipolar half-plates 22, 38 each have a protrusion protruding in the stacking direction z (and towards the other bipolar half-plate), the ends of these protrusions each at one the two sides of the membrane electrode unit 28 (here: its lower seal 42) are in contact. In this context, it is advantageous in the example that these projections, viewed in the stacking direction z, are of the same size.
  • intermediate area 23 ', 39' of the bipolar half-plates 22, 38 is meant an area which, viewed in the lateral direction, both from the lateral edge 23 or 39 of the relevant bipolar half-plate 22 or 38 and from a central one Area of the relevant bipolar half-plate 22 or 38 is spaced apart.
  • the projections of the intermediate areas 23 ', 39' of the bipolar half-plates 22, 38 are viewed in the stacking direction z within each fuel cell 20 bridged, and in the example shown, the projections form the inner wall of the cavity 49 together with an intermediate section of the membrane electrode unit 28 corresponds at this point.
  • This distance could, however, also be dimensioned to be significantly smaller than the thickness of the membrane electrode unit 28, so that the membrane electrode unit 28 (or in this example especially its lower seal 42) is somewhat compressed (flexibly pressed / deformed).
  • the distance can e.g. B. smaller than 0.9 times, in particular smaller than 0.8 times an uncompressed thickness of the membrane-electrode unit 28.
  • the lateral edge of the membrane-electrode unit 28 could e.g. B. already end in the area of the cavity 49, or z. B. end in the area of the projections of the intermediate areas 23 ', 39' of the bipolar half-plates 22, 38.
  • the sealing material 50 which surrounds the individual fuel cells 20 in each case all around, can advantageously seal the membrane-electrode unit 28 laterally outwards (and thus from the surroundings or a housing).
  • the sealing material 50 can advantageously seal against a gas transfer from one side of the membrane-electrode unit 28 to the other.
  • FIG. 5 illustrates a further exemplary embodiment of a fuel cell arrangement 10, in a sectional view corresponding to FIG. 4, i.e. after a cavity 49 has been filled with a sealing material 50.
  • this spacing serves to guide a cooling medium (for example water) in the area of the transitions between the fuel cells 20 when the fuel cell arrangement 10 is in operation.
  • a cooling medium for example water
  • the bipolar half-plates 22, 38 are also spaced apart from one another at their lateral edge regions, at least one of the two bipolar half-plates has a protrusion protruding towards the other bipolar half-plate on its edge 23 or 39 , and also has at least one of the two bipolar half-plates at its intermediate area 23 ', 39' a protrusion protruding towards the other bipolar half-plate in order to bridge the gap in this transition area and the outer wall of the cavity and the inner wall of the To form a cavity (alternatively, could instead of the projections also z. B. seals to delimit the cavity 49 be inserted between the bipolar half-plates).
  • Sealing material 50 is also advantageously located in an area between the bipolar half-plates and thus also ensures a seal for the cooling medium (e.g. water) located between them in the middle area of the bipolar half-plates. At this point, the sealing material 50 prevents the cooling medium from escaping sideways to the outside.
  • the cooling medium e.g. water

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (10) mit in einer Stapelrichtung (z) gestapelt angeordneten Brennstoffzellen (20), die jeweils plattenförmig ausgebildet sind, sich orthogonal zur Stapelrichtung (z) betrachtet jeweils in ersten und zweiten Querrichtungen (x, y) erstrecken, und jeweils in der Stapelrichtung (z) gestapelt aufweisen: eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte (22) mit einer Brennstoff-Kanalstruktur (24) zur Führung eines Brennstoffes; eine anodenseitige Gasdiffusionslage (26); eine Membran-Elektroden-Einheit (28), aufweisend eine Elektrolytmembran (30) und beiderseits davon angeordnete Elektrodenschichten (32, 34), die eine Anode (32) und eine Kathode (34) für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel ausbilden; eine kathodenseitige Gasdiffusionslage (36); eine kathodenseitige Bipolar-Halbplatte (38) mit einer Oxidationsmittel-Kanalstruktur (40) zur Führung des Oxidationsmittels. Erfindungsgemäß sind die Bipolar-Halbplatten (22, 38) an einem seitlichen Randbereich derart formgestaltet, dass diese an diesem seitlichen Randbereich stellenweise derart aneinander anliegen oder zumindest nahe aneinander heranragen, dass an einem entsprechenden seitlichen Randbereich der Brennstoffzellenanordnung (10) eine in Stapelrichtung (z) durchgehend sich erstreckende Kavität (49) ausgebildet ist, wobei diese Kavität (49) mit einem Dichtungsmaterial (50) gefüllt ist.

Description

Beschreibung
Brennstoffzellenanordnung und Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Eine derartige Brennstoffzellenanordnung wird im Stand der Technik auch als Brennstoffzellenstapel bezeichnet und weist in einer Stapelrichtung gestapelt angeordnete Brennstoffzellen auf, die jeweils plattenförmig ausgebildet sind und sich orthogonal zur Stapelrichtung betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung erstrecken.
Die einzelnen Brennstoffzellen weisen jeweils in der Stapelrichtung gestapelt auf:
- eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer Brennstoff-Kanalstruktur zur Führung eines Brennstoffes,
- eine anodenseitige Gasdiffusionslage,
- eine Membran-Elektroden-Einheit, aufweisend eine Elektrolytmembran und in Stapelrichtung beiderseits davon angeordnete Elektrodenschichten, die eine Anode und eine Kathode für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel ausbilden,
- eine kathodenseitige Gasdiffusionslage,
- eine kathodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer Oxidationsmittel-Kanalstruktur zur Führung des Oxidationsmittels. Zum Stand der Technik derartiger Brennstoffzellenstapel sei beispielhaft auf die Veröffentlichungen EP 2 357 698 B1 , EP 2 445 045 B1 , EP 2 584635 B1 , EP 2 946 431 B1 und EP 3 316 377 A1 verwiesen.
Mit einer Brennstoffzellenanordnung kann durch eine elektrochemische Reaktion die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes (z. B. Wasserstoff) und eines kontinuierlich zugeführten Oxidationsmittels (z. B. Sauerstoff oder Luft) in elektrische Energie gewandelt werden.
Im Betrieb der über die (elektrisch leitfähigen) Bipolar-Halbplatten in elektrischer Reihenschaltung angeordneten Brennstoffzellen müssen die Reaktanten der elektrochemischen Reaktion, also der Brennstoff (z. B. Wasserstoff) und das Oxidationsmittel (z. B. Luft), auf in Stapelrichtung betrachtet unterschiedlichen Seiten der Membran-Elektroden-Einheit innerhalb jeder Brennstoffzelle zugeführt werden.
Zu diesem Zweck sind die Bipolar-Halbplatten jeder Brennstoffzelle auf ihren der Membran-Elektroden-Einheit zugewandten Seiten jeweils mit der oben erwähnten Kanalstruktur ausgebildet, um den Brennstoff und das Oxidationsmittel auf den jeweiligen Seiten der Membran-Elektroden-Einheit über diese Kanalstrukturen in die dort angrenzende jeweilige Gasdiffusionslage einzubringen und somit über die jeweilige Gasdiffusionslage an die jeweilige Elektrodenschicht auf der entsprechenden Seite der Elektrolytmembran heranzuführen.
Die Elektrodenschichten sind üblicherweise aus einem Kohlenstoffmaterial gebildet und mit einem geeigneten Katalysator beschichtet bzw. durchsetzt. Die brennstoffseitige Elektrodenschicht bildet hierbei eine Anode und die oxidationsmittelseitige Elektrodenschicht eine Kathode der Membran-Elektroden-Einheit.
Das Produkt der in den einzelnen Brennstoffzellen ablaufenden elektrochemischen Reaktion, beispielsweise Wasser, kann über den Oxidationsmittel (z. B. Luft)-führenden Brennstoffzellenbereich abgeführt werden. In den einzelnen Brennstoffzellen müssen der Brennstoff-führende Bereich, d.h. anodenseitige Kanalstruktur, Gasdiffusionslage, Elektrodenschicht (Anode), und der Oxidationsmittel-führende Bereich, d.h. kathodenseitige Kanalstruktur, Gasdiffusionslage, Elektrodenschicht (Kathode), gegeneinander abgedichtet sein, um einen der Leistungseffizienz abträglichen Gasaustausch zwischen diesen Bereichen zu verhindern.
Dies impliziert insbesondere, dass wenigstens einer der beiden Bereiche gegen die Umgebung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels (z. B. Atmosphäre) hin abgedichtet sein muss, um einen solchen Austausch über die Umgebung zu unterbinden. In der Praxis wird hierbei zumindest der Brennstoff-führende Bereich gegenüber der Umgebung abgedichtet, um einen Verlust von Brennstoff aus diesem Brennstoffzellenbereich in die Umgebung sowie einen Eintrag eines Mediums (z. B. Luft) aus der Umgebung in diesen Brennstoffzellenbereich hinein zu verhindern.
Insbesondere zur Ausbildung einer luftgekühlten Brennstoffzellenanordnung kann der Oxidationsmittel-führende Bereich auch "offen" zur Umgebung hin ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die bei den einzelnen Brennstoffzellen vorgesehene Oxidationsmittel-Kanalstruktur an zwei in einer Querrichtung betrachtet einander entgegengesetzten Seiten der Brennstoffzelle offen sein, um im Betrieb eine Strömung des Oxidationsmittels (z. B. Luft) in dieser Querrichtung durch die Brennstoffzellenanordnung hindurch zu ermöglichen. Hierfür kann das Oxidationsmittel z. B. mit einem Gebläse durch die seitlich offene Brennstoffzellenanordnung hindurchgetrieben werden und hierbei zugleich für eine Kühlung sorgen.
In vielen Fällen ist es jedoch vorteilhafter, wenn sowohl der Brennstoff-führende Bereich als auch der Oxidationsmittel-führende Bereich des Brennstoffzellenstapels gegeneinander und zur Umgebung hin abgedichtet sind. Für derartige Abdichtungen üblich sind z. B. separat gefertigte und zwischen Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Einheit eingelegte Dichtungen, oder z. B. ein Dispensen/Aufspritzen von Dichtungsmaterial an jeweiligen Komponenten der Brennstoffzellen (z. B. Bipolarplatte, Membran-Elektroden-Einheit) während eines Montageprozesses, oder eine Vorfertigung von Komponenten der Brennstoffzellen mit bereits daran angeformten Dichtungen.
Falls an den Übergängen zwischen in Stapelrichtung einander benachbarten Brennstoffzellen die dort befindlichen Bipolar-Flalbplatten voneinander beabstandet sind und in den somit vorhandenen Zwischenräumen ein Kühlmedium (z. B. Luft oder Wasser) geführt wird, um die Brennstoffzellenanordnung in dieser Weise zu kühlen, so benötigt weiterhin jede Bipolarplatte eine an einem seitlichen Randbereich der Brennstoffzellenanordnung, in der Regel sogar in einer Umfangsrichtung der Brennstoffzellenanordnung betrachtet ringsherum umlaufend eine weitere Dichtung (oder. z. B. Verschweißung von Bipolar-Halbplatten), um einen Austritt von Kühlmedium zu verhindern.
Im Stand der Technik erfordern sämtliche Abdichtungen der vorstehend erläuterten Art nachteiliger Weise einen relativ großen Aufwand.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Brennstoffzellenanordnung der eingangs genannten Art bzw. bei deren Herstellung einen neuartigen Weg aufzuzeigen, mit dem Abdichtungen im Hinblick auf die gewünschte Führung von Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder gegebenenfalls separat davon vorgesehenem Kühlmedium in einfacher Weise realisiert werden können.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gemäß eines ersten Aspekts durch eine Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolar-Halbplatten an einem seitlichen Randbereich derart formgestaltet sind, dass die Bipolar-Halbplatten an diesem seitlichen Randbereich stellenweise derart aneinander anliegen oder zumindest nahe aneinander heranragen, dass an einem entsprechenden seitlichen Randbereich der Brennstoffzellenanordnung eine in Stapelrichtung durchgehend sich erstreckende Kavität ausgebildet ist, und dass diese Kavität mit einem Dichtungsmaterial gefüllt ist.
Dass die Kavität sich "in Stapelrichtung durchgehend" erstreckt, soll bedeuten, dass es innerhalb der Kavität am seitlichen Randbereich der Brennstoffzellenanordnung Pfade gibt, die von einer in Stapelrichtung ersten (z. B. "untersten") Brennstoffzelle durchgehend bis hin zu einer in Stapelrichtung letzten (z. B. "obersten") Brennstoffzelle verlaufen. Im Bereich der Übergänge zwischen in Stapelrichtung betrachtet einander benachbarten Brennstoffzellen können Abschnitte der Kavität hierbei insbesondere z. B. durch in Stapelrichtung betrachtet durch die beiden dort befindlichen Bipolar-Halbplatten hindurchgehende Öffnungen gebildet sein, welche somit die Bereiche der Kavität unterhalb und überhalb des jeweiligen Übergangsbereiches miteinander verbinden.
Mit der Erfindung können vorteilhaft beispielsweise weniger Einzelkomponenten bei der Herstellung der Brennstoffzellenanordnung zusammenzuführen (zu Stapeln) sein, da die bei der Erfindung vorgesehene, mit dem Dichtungsmaterial gefüllte Kavität je nach konkreter Ausgestaltung z. B. die bislang üblichen eingelegten Dichtungen zu ersetzen vermag. Darüber hinaus kann die mit dem Dichtungsmaterial gefüllte Kavität auch die bislang an bestimmten Komponenten der Brennstoffzellen (z. B. Bipolarplatte, Membran-Elektroden-Einheit) aufgetragenen oder angeformten Dichtungen entbehrlich machen.
Demzufolge müssen in der Regel auch weniger Toleranzen beachtet werden und die Montagedauer zur Herstellung der Brennstoffzellenanordnung kann vorteilhaft reduziert werden.
Durch eine Befüllung der Kavität mit dem Dichtungsmaterial kann die Dichtung vorteilhaft in einem einzigen Prozessschritt eingebracht werden. Das erwähnte "aneinander anliegen" bzw. "nahe aneinander heranragen" der Bipolar-Halbplatten realisiert an den betreffenden Stellen eine Begrenzung der Kavität, d.h. an diesen Stellen vermag das Dichtungsmaterial während des Befüllens nicht auszutreten. In der Praxis (jedoch auch abhängig z. B. von der Viskosität des Dichtungsmaterials bei der Befüllung) kann "nahe aneinander heranragen" (in Stapelrichtung) z. B. dadurch gegeben sein, dass eine verbleibende minimale Spaltbreite kleiner als 0,1 mm, insbesondere kleiner als 0,05 mm ist.
Die Befüllung der Kavität mit Dichtungsmaterial erfolgt bevorzugt vollständig. Durch die Befüllung der Kavität mit dem Dichtungsmaterial entsteht vorteilhaft eine durchgehende Dichtung, die vorzugsweise im Wesentlichen die gesamte Kavität ausfüllt. Somit ist die Kavität vorzugsweise im Wesentlichen vollständig durch das Dichtungsmaterial gefüllt. Damit ist gemeint, dass in der Kavität vorzugsweise keine oder keine nennenswerten Hohlräume verbleiben, die nicht mit Dichtungsmaterial gefüllt sind. Dadurch wird eine im Wesentlichen zusammenhängende, durchgehende Dichtung gebildet, die sich vorzugsweise, wie die Kavität selbst, über die gesamte Länge des Stapels in Stapelrichtung erstreckt. Vorzugsweise erstreckt sie sich aber zusammenhängend über zumindest zwei, drei oder mehrere benachbarte Brennstoffzellen im Stapel.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung kann sich bei Ausgestaltungen ergeben, bei denen mit Hilfe der mit Dichtungsmaterial gefüllten Kavität eine mechanische Verspannung der elektrochemisch aktiven Flächen bzw. Bereiche (z. B. Membran-Elektroden-Einheiten, Gasdiffusionslagen) nicht mehr wie im Stand der Technik zwingend mit einer mechanischen Verspannung von Dichtungslagen im Brennstoffzellenstapel gekoppelt ist. So kann z. B. eine gleichmäßigere Kraftverteilung in den aktiven Bereichen vorteilhaft die Leistungsdichte der Brennstoffzellenanordnung erhöhen.
Bevorzugt besitzen die einzelnen Brennstoffzellen jeweils eine plattenförmige Gestalt mit wenigstens annähernd rechteckiger Kontur, so dass sich ein dementsprechend etwa quaderförmiger Brennstoffzellenstapel ergibt. In einer Ausführungsform sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung für einen Betrieb mit Wasserstoff als Brennstoff geeignet ausgebildet, z. B. mit einer als Protonenleitmembran ausgebildeten Elektrolytmembran.
Alternativ kommt jedoch auch z. B. eine Ausbildung der Brennstoffzellenanordnung für einen Betrieb mit einem anderen Brennstoff wie z. B. einer organischen Verbindung (z. B. Methan oder Methanol) oder z. B. Erdgas in Betracht.
In einer Ausführungsform ist die Brennstoffzellenanordnung für einen Betrieb mit Luft als Oxidationsmittel geeignet ausgebildet.
In einer Verwendung der Brennstoffzellenanordnung kann ein Betrieb mit Druckaufladung des Brennstoffzellenstapels mit dem Oxidationsmittel vorgesehen sein, bei dem die Zufuhr des Oxidationsmittels unter einem gegenüber atmosphärischem Umgebungsdruck erhöhten Druck (Zufuhrdruck) auf einer Einlassseite für das Oxidationsmittel erfolgt. Der Einlassdruck kann z. B. größer als 1 ,2 bar, insbesondere größer als 1 ,5 bar, sein. Andererseits ist ein Einlassdruck von weniger als 5 bar, insbesondere weniger als 4 bar, zumeist ausreichend.
In einer Ausführungsform einer Verwendung der Brennstoffzellenanordnung erfolgt eine Abfuhr des Oxidationsmittels an einer Auslasseite, an welcher ein Unterdrück herrscht, der unterhalb atmosphärischem Umgebungsdruck liegt. Der Auslassdruck kann z. B. kleiner als 0,8 bar, insbesondere kleiner als 0,6 bar, sein. Andererseits ist zumeist ein Auslassdruck von mindestens 0,1 bar vorteilhaft.
Die im Rahmen der Erfindung vorgesehenen Kanalstrukturen der einzelnen Brennstoffzellen können jeweils mehrere, z. B. mehr als 10, oder z. B. mehr als 50, parallel zueinander verlaufende Kanäle aufweisen. Jede der Kanalstrukturen kann z. B. insbesondere jeweils geradlinig und parallel zueinander verlaufende Kanäle aufweisen. In einer Ausführungsform verlaufen geradlinige Kanäle der Brennstoff-Kanalstrukturen und der Oxidationsmittel-Kanalstrukturen in einer gemeinsamen (gleichen) Richtung orthogonal zur Stapelrichtung der Brennstoffzellenanordnung. In einer anderen Ausführungsform verlaufen solche geradlinigen Kanäle einerseits der Brennstoff-Kanalstrukturen und andererseits der Oxidationsmittel-Kanalstrukturen in unterschiedlichen Richtungen orthogonal zur Stapelrichtung. Insbesondere können diese verschiedenen Richtungen der Kanäle orthogonal zueinander orientiert vorgesehen sein.
Alternativ zu geradlinig verlaufenden Kanälen können für die Brennstoff-Kanalstrukturen und/oder die Oxidationsmittel-Kanalstrukturen jedoch prinzipiell auch kompliziertere Verläufe der jeweiligen Kanäle vorgesehen sein, wie z. B. Verläufe beinhaltend Abwinkelungen und/oder Krümmungen, z. B. mäanderförmige Verläufe in der der von erster und zweiter Querrichtung aufgespannten "Brennstoffzellenebene".
Die Kanäle der Kanalstrukturen können z. B. einen rechteckigen oder abgerundet-rechteckigen Querschnitt besitzen und können z. B. durch ein Einfräsen, ein Stanzen, ein Prägen oder ein Ätzen im Rahmen der Fertigung der Bipolar-Halbplatten bzw. Bipolarplatten ausgebildet worden sein.
In einer Ausführungsform sind die Bipolar-Halbplatten aus einem metallischen Material gebildet. Alternativ können die Bipolar-Halbplatten insbesondere z. B. aus einem Kohlenstoffmaterial oder z. B. aus einem elektrisch leitenden Kunststoffmaterial (z. B. entsprechend dotiert, z. B. mit Ruß) gebildet sein, oder aus einem anderen elektrisch leitfähigen Material.
Gemäß einer Ausführungsform werden die bei der Erfindung vorgesehenen Bipolar-Halbplatten jeweils separat voneinander vorgefertigt und bei der Herstellung der Brennstoffzellenanordnung durch ein Stapeln der einzelnen Komponenten entsprechend in den Stapel eingefügt.
Zumeist bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Bipolar-Halbplatten für das Innere des Brennstoffzellenstapels jeweils separat voneinander vorgefertigt, jedoch vor deren Einfügung in die Brennstoffzellenanordnung paarweise miteinander verbunden wurden, z. B. durch eine Verklebung oder Verschweißung, so dass bei der Herstellung des Brennstoffzellenstapels Bipolarplatten verwendet werden (die jeweils aus zwei Bipolar-Halbplatten zusammengesetzt sind). An den beiden in Stapelrichtung betrachteten Enden können auch bei dieser Ausführungsform jeweils einzelne Bipolar-Halbplatten angeordnet werden ("Endplatten").
Im Inneren des Brennstoffzellenstapels kann bei den einzelnen Brennstoffzellen eine Außenseite (d.h. die der Kanalstruktur abgewandte Seite) der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte z. B. direkt an einer Außenseite (d.h. der Kanalstruktur abgewandt) der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte einer in Stapelrichtung benachbarten (angrenzenden) Brennstoffzelle anliegen, bzw. die Außenseite der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte einer Brennstoffzelle direkt an der Außenseite der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte einer benachbarten Brennstoffzelle anliegen, sei es mit oder ohne feste Verbindung wie z. B. Verklebung, Verschweißung etc.
In einer Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung ist vorgesehen, dass an jedem solchen Übergang zwischen Brennstoffzellen die dort befindlichen Bipolar-Halbplatten in deren mittleren Bereich direkt (und ohne größeren Zwischenraum) aneinander anliegen.
In einer anderen Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung ist vorgesehen, dass an jedem Übergang zwischen in Stapelrichtung einander benachbarten Brennstoffzellen die dort befindlichen Bipolar-Halbplatten in deren mittleren Bereich voneinander beabstandet sind. In dem somit vorhandenen Zwischenraum kann im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung z. B. ein Kühlmedium (z. B. Luft oder Wasser) geführt sein, um die Brennstoffzelle damit zu kühlen. Hierbei kann in dem Zwischenraum z. B. eine weitere Kanalstruktur ("Kühlmedium-Kanalstruktur") zur Führung eines Kühlmediums wie z. B. Kühlwasser ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform sind die Gasdiffusionslagen aus einem Kohlenstoff-Vlies gebildet. Alternativ kommen, je nach vorgesehenem Brennstoff und Oxidationsmittel, auch andere Materialien in Betracht.
In einer Ausführungsform sind die Anode und Kathode ausbildenden Elektrodenschichten der Membran-Elektroden-Einheit der Brennstoffzellen mit einem Katalysator wie insbesondere z. B. einem Material enthaltend Platin oder Palladium beschichtet oder durchsetzt.
In einer Ausführungsform ist an einem seitlichen Randbereich (insbesondere zumindest am seitlichen Rand) der Membran-Elektroden-Einheit eine so genannte Unterdichtung vorgesehen. Die Unterdichtung stellt eine dort auf beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit angeordnete und z. B. den seitlichen Rand der Membran-Elektroden-Einheit umschließende (umgreifende) Dichtfläche bereit. Die Unterdichtung kann z. B. bereits bei der Fertigung der Membran-Elektroden-Einheit als Bestandteil derselben ausgebildet, z. B. angeformt worden sein. Alternativ können Unterdichtungen z. B. separat gefertigt werden und bei der Herstellung der Brennstoffzellenanordnung an den betreffenden Stellen eingelegt werden.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass am seitlichen Randbereich der Brennstoffzellen die Membran-Elektroden-Einheit (oder zumindest die Elektrolytmembran der Membran-Elektroden-Einheit) in seitlicher Richtung über seitliche Ränder der benachbarten Gasdiffusionslagen herausragt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kavität sich in einer Umfangsrichtung der Brennstoffzellenanordnung betrachtet ringsherum durchgehend erstreckt. Dies soll bedeuten, dass es im Bereich jeder Brennstoffzelle wenigstens einen ringförmig geschlossen innerhalb der Kavität und vollständig um den Umfang des Brennstoffzellenstapel herum verlaufenden Pfad gibt. Entsprechend erstreckt sich die Befüllung der Kavität mit Dichtungsmaterial vorzugsweise durchgehend durch diesen Pfad und bildet eine ringförmig geschlossene Dichtung.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine in seitlicher Richtung betrachtet äußere Wandung der Kavität gebildet ist durch aneinander anliegende seitliche Ränder der Bipolar-Halbplatten.
Diese Ausführungsform betreffend die Bildung einer äußeren Wandung der Kavität ist im Bereich eines Überganges zwischen einander benachbarten Brennstoffzellen insofern unproblematisch, als sich in diesem Bereich zwei Bipolar-Halbplatten gegenüberstehen, die im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung auf gleichem elektrischen Potential liegen.
Falls diese Ausführungsform jedoch zur Bildung einer äußeren Wandung der Kavität im Bereich einer Brennstoffzelle eingesetzt wird, so liegen die beiden sich gegenüberstehenden Bipolar-Halbplatten im Betrieb der
Brennstoffzellenanordnung auf verschiedenen elektrischen Potentialen. In diesem Fall kann zumindest in einem Anlagebereich (Kontaktfläche zwischen den Bipolar-Halbplatten) eine elektrische Isolierung vorgesehen sein, die z. B. durch eine elektrisch isolierende Beschichtung an wenigstens einer der beiden Bipolar-Halbplatten bewerkstelligt sein kann (oder z. B. durch eine dort eingelegte Isolationslage).
In einer abgewandelten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine in seitlicher Richtung betrachtet äußere Wandung der Kavität gebildet ist durch nahe aneinander heranragende seitliche Ränder der Bipolar-Halbplatten (z. B. mit einer Spaltbreite von kleiner als 0,1 mm).
Diese abgewandelte Ausführungsform kann zur Bildung einer äußeren Wandung der Kavität sowohl im Bereich einer Brennstoffzelle als auch im Bereich eines Überganges zwischen einander benachbarten Brennstoffzellen eingesetzt werden. Bei einem Befüllen der Kavität kann (elektrisch isolierendes) Dichtungsmaterial in einen im betreffenden Bereich zwischen den seitlichen Rändern der Bipolar-Halbplatten befindlichen Spalt eindringen.
In einer Weiterbildung der vorstehenden Ausführungsformen betreffend die Bildung einer äußeren Wandung der Kavität im Bereich einer Brennstoffzelle ist vorgesehen, dass bei jeder Brennstoffzelle der seitliche Rand der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte und/oder der seitliche Rand der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte einen in Stapelrichtung (und zur jeweils anderen Bipolar-Halbplatte hin) abstehenden Vorsprung aufweist. Es liegt dann ein am seitlichen Rand einer der beiden Bipolar-Halbplatten ausgebildeter Vorsprung an dem ohne Vorsprung ausgebildeten seitlichen Rand der anderen Bipolarplatte an (oder ragt nahe an diesen heran), oder es liegt der Vorsprung am seitlichen Rand einer der beiden Bipolar-Halbplatten an einem am seitlichen Rand der anderen Bipolarplatte ausgebildeten Vorsprung an (oder ragt nahe an diesen heran).
Damit kann ein ansonsten innerhalb jeder Brennstoffzelle zwischen den seitlichen Rändern der beiden Bipolar-Halbplatten in Stapelrichtung betrachtet bestehender Abstand überbrückt werden und hierbei die seitlich nach außen hin begrenzende Wandung der Kavität gebildet werden. In einer spezielleren Ausführungsform weist sowohl der seitliche Rand der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte als auch der seitliche Rand der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte einen solchen Vorsprung auf, wobei diese Vorsprünge in Stapelrichtung betrachtet z. B. wenigstens annähernd gleich hoch bemessen sein können (und somit in Stapelrichtung betrachtet jeweils etwa in der Mitte der Brennstoffzelle enden).
Diese Weiterbildung betreffend die Bildung einer äußeren Wandung der Kavität im Bereich einer Brennstoffzelle lässt sich in analoger Weise auch für den Bereich eines Überganges zwischen einander benachbarten Brennstoffzellen einsetzen, d.h. auch in diesem Bereich kann vorgesehen sein, dass der seitliche Rand der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte (einer Brennstoffzelle) und/oder der seitliche Rand der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte (einer benachbarten Brennstoffzelle) einen in Stapelrichtung und zur jeweils anderen Bipolar-Halbplatte hin abstehenden Vorsprung aufweist.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine in seitlicher Richtung betrachtet innere Wandung der Kavität im Bereich jeder Brennstoffzelle gebildet ist durch Zwischenbereiche der Bipolar-Halbplatten, die jeweils an einer der beiden Seiten (anodenseitig bzw. kathodenseitig) eines seitlichen Randbereiches (insbesondere z. B. deren seitlichen Randes) der Membran-Elektroden-Einheit anliegen. Insbesondere können die Zwischenbereiche der Bipolar-Halbplatten z. B. jeweils an einer der beiden Seiten einer Unterdichtung anliegen (und diese ggf. etwas komprimieren), die am seitlichen Randbereich bzw. Rand der Membran-Elektroden-Einheit angeordnet ist, z. B. einstückig ausgebildet deren seitlichen Rand umgreift, oderz. B. aus zwei Teilen besteht, die jeweils auf einer der beiden Seiten des seitlichen Randbereiches bzw. Randes angeordnet sind.
Unter "Zwischenbereich" einer Bipolar-Halbplatte ist ein Bereich zu verstehen, der (in seitlicher Richtung betrachtet) zwischen dem seitlichen Rand und einem mittleren Bereich der betreffenden Bipolar-Halbplatte liegt.
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei der Brennstoffzelle der Zwischenbereich der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte und/oder der Zwischenbereich der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte einen in Stapelrichtung (und zur jeweils anderen Bipolar-Halbplatte hin) abstehenden Vorsprung aufweist.
Damit können innerhalb jeder Brennstoffzelle in Stapelrichtung betrachtet ansonsten vorhandene Abstände zwischen einerseits den beiden Bipolar-Halbplatten und andererseits den beiden Seiten (anodenseitig bzw. kathodenseitig) des seitlichen Randes der Membran-Elektroden-Einheit überbrückt werden. Der oder die Vorsprünge können somit z. B. zusammen mit dem seitlichen Rand der Membran-Elektroden-Einheit die seitlich nach innen hin begrenzende Wandung der Kavität bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist sowohl der Zwischenbereich der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte als auch der Zwischenbereich der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte einen solchen Vorsprung auf, wobei diese Vorsprünge in Stapelrichtung betrachtet bevorzugt wenigstens annähernd gleich hoch bemessen sind. Das "nahe aneinander Heranragen" der Bipolar-Halbplatten erfolgt dann bis auf einen gegenseitigen Abstand, welcher der in Stapelrichtung gemessenen Dicke der Membran-Elektroden-Einheit an der Stelle entspricht, an der die Enden der Vorsprünge daran anliegen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine in seitlicher Richtung betrachtet innere Wandung der Kavität im Bereich eines Überganges zwischen (in Stapelrichtung betrachtet) einander benachbarten Brennstoffzellen gebildet ist durch Zwischenbereiche der Bipolar-Halbplatten, die aneinander anliegen oder zumindest nahe aneinander heranragen.
Wie bereits erwähnt können an den Übergängen zwischen in Stapelrichtung einander benachbarten Brennstoffzellen die dort befindlichen Bipolar-Halbplatten (bzw. zumindest deren mittlere Bereiche) in Stapelrichtung betrachtet voneinander beabstandet sein, insbesondere um im Bereich dieser Übergänge zwischen den Brennstoffzellen ein Kühlmedium zu führen.
Insbesondere in diesem Fall kann vorgesehen sein, dass in jedem dieser Übergangsbereiche der Zwischenbereich wenigstens einer der beiden Bipolar-Halbplatten einen in Stapelrichtung und zur jeweils anderen Bipolar-Halbplatte hin abstehenden Vorsprung aufweist, um den Abstand zu überbrücken und die innere Wandung der Kavität auszubilden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die durch das in der Kavität befindliche Dichtungsmaterial realisierte Dichtung aus einem elastischen Kunststoffmaterial gebildet, das bei der Herstellung der Brennstoffzellenanordnung in einem fließfähigen, also z. B. flüssigen bis zähflüssigen Zustand in die Kavität gefüllt und nachfolgend ausgehärtet wurde (in einen bevorzugt dauerelastischen Zustand).
In einer Ausführungsform ist das Dichtungsmaterial ein Polymermaterial wie z. B. ein Silikonmaterial. Auch kann z. B. ein Kautschukmaterial (z. B. FKM) oder z. B. ein Epoxidmaterial wie z. B. Propylenoxid (PO) als Dichtungsmaterial zum Einsatz kommen. Nach einem Befüllen der Kavität mit fließfähigem Dichtungsmaterial kann dieses z. B. thermisch und/oder (z. B. als Mehrkomponentenmaterial ausgebildet) chemisch bis auf einen gewünschten Härtegrad ausgehärtet, z. B. vernetzt werden.
Durch die Aushärtung bzw. Vernetzung des zunächst fließfähigen Dichtungsmaterials entsteht dann aus einer zusammenhängenden, bzw. durchgehenden Befüllung mit Dichtungsmaterial eine zusammenhängende bzw. einstückige Dichtung. Diese erstreckt sich vorzugsweise durch die gesamte Kavität. In einer Ausführungsform weist die Brennstoffzellenanordnung ferner ein die gestapelten Brennstoffzellen mitsamt der im seitlichen Randbereich ausgebildeten Dichtung wenigstens teilweise umgebendes Gehäuse auf. Das Gehäuse kann z. B. eine Rahmenstruktur darstellen oder aufweisen, mittels welcher die gestapelte Anordnung der Brennstoffzellen fixiert und ggf. verspannt (z. B. in Stapelrichtung druckbelastet) wird. Das Gehäuse kann z. B. aus mehreren Gehäuseteilen zusammengesetzt sein, die bei der Herstellung (Montage) der Brennstoffzellenanordnung zueinander positioniert und miteinander verbunden wurden.
Gemäß eines weiteren Aspekts betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung, welches aufweist:
- Bilden einer Brennstoffzellenanordnung durch stapelndes Anordnen von Brennstoffzellen in einer Stapelrichtung, die jeweils plattenförmig ausgebildet sind und sich orthogonal zur Stapelrichtung betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung erstrecken, wobei die Brennstoffzellen jeweils in der Stapelrichtung gestapelt aufweisen: eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer Brennstoff-Kanalstruktur zur Führung eines Brennstoffes; eine anodenseitige Gasdiffusionslage; eine Membran-Elektroden-Einheit, aufweisend eine Elektrolytmembran und in Stapelrichtung beiderseits davon angeordnete Elektrodenschichten, die eine Anode und eine Kathode für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel ausbilden; eine kathodenseitige Gasdiffusionslage; und eine kathodenseitige Bipolar-Halbplatte mit einer Oxidationsmittel-Kanalstruktur zur Führung des Oxidationsmittels,
Gemäß der Erfindung ist bei diesem Herstellungsverfahren vorgesehen, dass die Bipolar-Halbplatten an einem seitlichen Randbereich derart formgestaltet sind, dass die Bipolar-Halbplatten bei dem stapelnden Anordnen an diesem seitlichen Randbereich stellenweise derart aneinander zur Anlage kommen oder zumindest einander so nahe kommen, dass an einem entsprechenden seitlichen Randbereich der Brennstoffzellenanordnung eine in Stapelrichtung durchgehend sich erstreckende Kavität ausgebildet wird, und dass das Verfahren ferner ein Füllen der Kavität mit einem Dichtungsmaterial aufweist.
Das "eineinander nahekommen" der Bipolar-Halbplatten realisiert an den betreffenden Stellen eine Begrenzung der Kavität, so dass an diesen Stellen während des Befüllens das Dichtungsmaterial nicht austritt. Abhängig z. B. von der Viskosität des Dichtungsmaterials bei der Befüllung kann dies in der Praxis z. B. implizieren, dass die Bipolar-Halbplatten an diesen Stellen sich einander näher als 0,1 mm, insbesondere näher als 0,05 mm, kommen. Wie bereits erwähnt, für den Fall, dass an einer betreffenden Stelle zusätzlich auch ein Abschnitt der Membran-Elektroden-Einheit (oder einer sonstigen Lage wie Dichtungs- und/oder elektrische Isolationslage) als Begrenzung der Kavität fungiert, so kann das "eineinander nahe kommen" auch bis auf einen gegenseitigen Abstand bedeuten, welcher der in Stapelrichtung gemessenen Dicke der betreffenden Lage (z. B. Membran-Elektroden-Einheit) entspricht, an der die Bipolar-Halbplatten (bzw. z. B. Enden von daran vorgesehenen Vorsprüngen) daran zur Anlage kommen.
Die für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung beschriebenen Ausführungsformen und besonderen Ausgestaltungen können, einzeln oder in beliebiger Kombination, in analoger Weise auch als Ausführungsformen bzw. besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens vorgesehen sein, und umgekehrt.
In einer Ausführungsform umfasst das Herstellungsverfahren nach der Befüllung mit dem Dichtungsmaterial die Durchführung einer Temperierung der Brennstoffzellenanordnung (zur thermisch induzierten bzw. beschleunigten Aushärtung des Dichtungsmaterials). Bei einer Temperierung kann z. B. eine Temperatur von mehr als 50°C, insbesondere mehr als 100°C vorgesehen sein.
In einer Ausführungsform umfasst das Herstellungsverfahren nach einer Aushärtung des Dichtungsmaterials ein mechanisches Verspannen der Brennstoffzellenanordnung bzw. zumindest deren seitlichen Randbereiches. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben. Es stellen jeweils schematisch dar:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Brennstoffzelle gemäß eines Ausführungsbeispiels nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine Schnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung aus gestapelt angeordneten Brennstoffzellen gemäß eines Ausführungsbeispiels, in einem ersten Stadium der Fierstellung,
Fig. 3 eine Schnittansicht der Brennstoffzellenanordnung von Fig. 2 in einem darauffolgenden zweiten Stadium der Fierstellung,
Fig. 4 eine Schnittansicht der Brennstoffzellenanordnung von Fig. 3 in einem darauffolgenden dritten Stadium der Fierstellung, und
Fig. 5 eine Schnittansicht einer Brennstoffzellenanordnung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, in einer der Fig. 4 entsprechenden Darstellung.
Fig. 1 zeigt eine Brennstoffzelle 20 mit einem herkömmlichen Aufbau, mittels welcher die chemischen Reaktionsenergie eines zugeführten Brennstoffes (z. B. Wasserstoff) und eines zugeführten Oxidationsmittels (z. B. Luft) in elektrische Energie gewandelt werden kann.
Die Brennstoffzelle 20 ist plattenförmig formgestaltet und erstreckt sich in einer Plattenebene dieser Formgestaltung in einer ersten Querrichtung x und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung y (z. B. mit rechteckiger Kontur).
Die Richtung orthogonal zu der von den Querrichtungen x, y aufgespannten Plattenebene wird als Stapelrichtung z bezeichnet, da in der Praxis zumeist aus einer Vielzahl derartiger in Stapelrichtung z gestapelt angeordneter Brennstoffzellen 20 eine Brennstoffzellenanordnung ("Brennstoffzellenstapel") gebildet wird.
Die Brennstoffzelle 20 ist jeweils aus einer Mehrzahl von plattenförmig formgestalteten und in Stapelrichtung z gestapelt angeordneten Komponenten zusammengesetzt.
Es handelt sich dabei zunächst um eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte 22, an deren Innenseite (d.h. der dem Inneren der Brennstoffzelle 20 zugewandten Seite) eine Kanalstruktur 24 zur Führung des Brennstoffes ausgebildet ist, die nachfolgend auch als Brennstoff-Kanalstruktur 24 bezeichnet wird.
Über die aus elektrisch leitfähigem Material (z. B. Metall) hergestellte Bipolar-Halbplatte 22 wird im Betrieb der Brennstoffzelle 20 erzeugter elektrischer Strom abgeführt.
An der Innenseite der Bipolar-Halbplatte 22 und somit an der Brennstoff-Kanalstruktur 24 angrenzend ist eine elektrisch leitfähige und für den Brennstoff durchlässige Gasdiffusionslage 26 (z. B. Kohlenstoff-Vlies) vorgesehen, über welche der Brennstoff im Betrieb der Brennstoffzelle 20 zu einer in Stapelrichtung z daran angrenzenden Membran-Elektroden-Einheit 28 gelangt.
Die Membran-Elektroden-Einheit 28 umfasst eine elektrisch nicht leitfähige (im Falle von Wasserstoff als Brennstoff protonenleitende) Elektrolytmembran 30 und in Stapelrichtung z betrachtet beiderseits davon angeordnete elektrisch leitfähige und mit einem Katalysator 35 (z. B. Platin oder Palladium) durchsetzte Elektrodenschichten 32 und 34 (z. B. aus Metall). Die Elektrodenschicht 32 bildet hierbei die Anode und die Elektrodenschicht 34 die Kathode für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes mit dem Oxidationsmittel.
Im Betrieb der Brennstoffzelle 20 wird der Brennstoff (z. B. Wasserstoff) ausgehend von der Brennstoff-Kanalstruktur 24 über die anodenseitige Gasdiffusionslage 26 an die Elektrodenschicht 32 (Anode) herangeführt, und das Oxidationsmittel (Luft) wird über eine an die Elektrodenschicht 34 (Kathode) angrenzende kathodenseitige Gasdiffusionslage 36 an die Elektrodenschicht 34 herangeführt.
In Stapelrichtung z an diese elektrisch leitfähige, für das Oxidationsmittel durchlässige Gasdiffusionslage 36 angrenzend ist eine elektrisch leitfähige kathodenseitige Bipolar-Halbplatte 38 vorgesehen, an deren Innenseite eine Kanalstruktur 40 zur Führung des Oxidationsmittels ausgebildet ist, nachfolgend auch als Oxidationsmittel-Kanalstruktur 40 bezeichnet.
Das Produkt der elektrochemischen Reaktion, beispielsweise Wasser, kann über den Oxidationsmittel (z. B. Luft)-führenden Brennstoffzellenbereich abgeführt werden, welcher hier z. B. die Oxidationsmittel-Kanalstruktur 40 der Bipolar-Halbplatte 38 beinhaltet. Die Bipolar-Halbplatte 38 dient im Betrieb der Brennstoffzelle 20 kathodenseitig außerdem zur Abfuhr des von der Brennstoffzelle 20 erzeugten elektrischen Stroms.
In der Brennstoffzelle 20 müssen der Brennstoff-führende Bereich, d.h. Brennstoff-Kanalstruktur 24, Gasdiffusionslage 26, Elektrodenschicht 32 (Anode), und der Oxidationsmittel-führende Bereich, d.h. Oxidationsmittel-Kanalstruktur 40, Gasdiffusionslage 36, Elektrodenschicht 34 (Kathode), gegeneinander abgedichtet sein, um einen der Leistungseffizienz abträglichen Gasaustausch zwischen diesen Bereichen zu verhindern.
Zu diesem Zweck weist die Brennstoffzelle 20 an ihrem seitlichen Randbereich eine Dichtung 50 auf, die an der Bipolar-Halbplatte 22, der Bipolar-Halbplatte 38 und der Membran-Elektroden-Einheit 28 anliegt, um von der Bipolar-Halbplatte 22 zur Membran-Elektroden-Einheit 28 hin und von der Membran-Elektroden-Einheit 28 zur Bipolar-Halbplatte 38 hin abzudichten. Die Dichtung 50 schließt in seitlicher Richtung (Querrichtung y in Fig. 1 ) bündig mit seitlichen Rändern 23, 39 der Bipolar-Halbplatten 22, 38 ab.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, bei einer Brennstoffzelle wie z. B. der in Fig. 1 dargestellten, bzw. bei einer aus derartigen Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffzellenanordnung einen neuartigen Weg aufzuzeigen, mit dem Abdichtungen zur gewünschten Führung von Brennstoff und/oder Oxidationsmittel und/oder gegebenenfalls in einem Raum zwischen zwei benachbarten Brennstoffzellen vorgesehenem Kühlmedium realisiert werden können.
Nachfolgend werden mit Bezug auf die Fig. 2 bis 4 ein erstes Ausführungsbeispiel und mit Bezug auf die Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzellenanordnung ("Brennstoffzellenstapel") mit einer solchen neuartigen Dichtung beschrieben (zum Ersatz der in Fig. 1 gezeigten Dichtung 50).
Bei dieser nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für gleichwirkende Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet. Dabei wird im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem bzw. den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen und im Übrigen hiermit ausdrücklich auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele (insbesondere des in Fig. 1 dargestellten Beispiels) verwiesen.
Fig. 2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzellenanordnung 10, nach Abschluss eines ersten Schrittes von deren Fierstellung, in dem in einer Stapelrichtung z gestapelt eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 20 angeordnet wurde.
Jede der im Beispiel identisch ausgebildeten Brennstoffzellen 20 ist wie die in Fig. 1 dargestellte herkömmliche Brennstoffzelle plattenförmig ausgebildet und erstreckt sich orthogonal zur Stapelrichtung z betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung x und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung y, und weist in Stapelrichtung z gestapelt (in der angegebenen Reihenfolge) auf: eine anodenseitige Bipolar-FHalbplatte 22 mit einer Brennstoff-Kanalstruktur 24 zur Führung eines Brennstoffes; eine anodenseitige Gasdiffusionslage 26; eine Membran-Elektroden-Einheit 28 mit einer Elektrolytmembran 30 und in Stapelrichtung z beiderseits davon angeordneten Elektrodenschichten 32 und 34, die eine Anode 32 und eine Kathode 34 für die elektrochemische Reaktion darstellen; eine kathodenseitige Gasdiffusionslage 36; und eine kathodenseitige Bipolar-Halbplatte 38 mit einer Oxidationsmittel-Kanalstruktur 40 zur Führung des Oxidationsmittels.
Um im Betrieb der einzelnen Brennstoffzellen 20 der Brennstoffzellenanordnung 10 die Brennstoff-Kanalstrukturen 24 mit dem Brennstoff zu versorgen bzw. zu durchströmen, weist die Brennstoffzellenanordnung 10 wenigstens einen Brennstoffeinlass und wenigstens einen Brennstoffauslass auf (in den Figuren nicht dargestellt), welche jeweils über in der x-y-Ebene deckungsgleich angeordnete Durchbrüche (Durchgangsöffnungen) in den einzelnen Brennstoffzellen 20 mit den einzelnen Brennstoff-Kanalstrukturen 24 verbunden sind. In dieser Weise kann für die Brennstoffzellenanordnung 10 wenigstens ein in Stapelrichtung z durch die Brennstoffzellenanordnung 10 verlaufender Brennstoffzufuhrkanal sowie wenigstens ein in Stapelrichtung z durch die Brennstoffzellenanordnung 10 verlaufender Brennstoffabfuhrkanal durch jeweils in der x-y-Ebene deckungsgleich angeordnete Einlass-Durchgangsöffnungen und Auslass-Durchgangsöffnungen ausgebildet werden.
In analoger Weise, um die Oxidationsmittel-Kanalstrukturen 40 mit dem Oxidationsmittel zu versorgen, weist die Brennstoffzellenanordnung 10 wenigstens einen Oxidationsmitteleinlass und wenigstens einen Oxidationsmittelauslass auf, welche jeweils über in der x-y-Ebene deckungsgleich angeordnete Durchbrüche in den Brennstoffzellen 20 mit den einzelnen Oxidationsmittel-Kanalstrukturen 40 verbunden sind. So kann wenigstens ein in Stapelrichtung z durch die Brennstoffzellenanordnung 10 verlaufender Oxidationsmittelzufuhrkanal sowie wenigstens ein in Stapelrichtung z durch die Brennstoffzellenanordnung 10 verlaufender Oxidationsmittelabfuhrkanal durch jeweils in der x-y-Ebene deckungsgleich angeordnete Einlass- und Auslass-Durchgangsöffnungen ausgebildet werden (in den Figuren nicht dargestellt).
Im Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten herkömmlichen Brennstoffzelle bzw. einem damit gebildeten Brennstoffzellenstapel ist im Ausführungsbeispiel der Brennstoffzellenanordnung 10 gemäß Fig. 2 eine andersartige Abdichtung des Brennstoff-führenden Bereiches und des Oxidationsmittel-führenden Bereiches vorgesehen.
Wesentlich ist hierbei zunächst, dass die Bipolar-Halbplatten 22, 38 an einem seitlichen Randbereich (in Fig. 2 links dargestellt) derart formgestaltet sind, dass die Bipolar-Halbplatten 22, 38 durch das stapelnde Anordnen an diesem seitlichen Randbereich stellenweise derart aneinander zur Anlage kommen oder sich zumindest nahe kommen, dass an einem entsprechenden seitlichen Randbereich der Brennstoffzellenanordnung 10 eine in Stapelrichtung z durchgehend sich erstreckende Kavität 49 ausgebildet wird.
In Bereichen der einzelnen Brennstoffzellen 20 erstreckt sich die Kavität 49 jeweils ohne Unterbrechungen ringförmig geschlossen in Umfangsrichtung ringsherum um die jeweilige Brennstoffzelle 20 (In der Schnittansicht von Fig. 2 ist die Kavität 49 in diesen Bereichen relativ breit). In diesen Bereichen ist die Kavität 49 durch eine ringförmig geschlossen verlaufende "äußere Wandung" und eine ringförmig geschlossen verlaufende "innere Wandung" nach seitlich außen bzw. seitlich innen begrenzt, wobei diese Wandungen durch eine spezielle Formgestaltung der Bipolar-Halbplatten (in Stapelrichtung z abstehende Vorsprünge) ausgebildet sind, was nachfolgend noch detaillierter erläutert wird.
In den Bereichen der Übergänge zwischen einander benachbarten Brennstoffzellen 20, d.h. im Bereich der beiden dort einander benachbarten Bipolar-Halbplatten, erstreckt sich die Kavität 49 jedoch insofern jeweils nicht durchgehend sondern mit Unterbrechungen ringförmig geschlossen in Umfangsrichtung ringsherum, als in diesen Bereichen die Kavität 49 gebildet ist durch eine oder mehrere (z. B. gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete) in Stapelrichtung z (in Fig. 2 die Vertikalrichtung) durch die beiden Bipolar-Halbplatten hindurchgehende Öffnungen. Die Schnittebene der Schnittansicht von Fig. 2 verläuft im Bereich einer solchen Öffnung. Diese Öffnungen bilden im dargestellten Beispiel gewissermaßen "Steigleitungsabschnitte" der Kavität 49 während deren Befüllung mit dem Dichtungsmaterial 50. Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen den weiteren Verlauf des Herstellungsverfahrens der Brennstoffzellenanordnung 10 und zeigen in einer der Fig. 2 entsprechenden Darstellung weitere Stadien dieses Herstellungsverfahrens, in denen die Kavität 49 nach und nach mit einem zunächst noch flüssigen Dichtungsmaterial 50 gefüllt wird.
Im dargestellten Beispiel gemäß der Fig. 2 bis 4 erfolgt die Befüllung mit dem Dichtungsmaterial 50 von unten nach oben, d.h. das Dichtungsmaterial 50 wird an einem (in den Figuren nicht dargestellten) unteren Ende des Brennstoffzellenstapels ("untere Endplatte") über eine oder mehrere dort befindliche Öffnungen der Kavität 49 zugeführt. Insbesondere eine solche untere Endplatte (und/oder obere Endplatte) kann z. B. mit nur einer in Stapelrichtung z verlaufenden Öffnung versehen sein, oder z. B. mit weniger in Stapelrichtung z verlaufenden Öffnungen als die Bipolar-Halbplatten 22, 38 im Innern des Stapels. Im Inneren des Stapels besitzen die Bipolar-Halbplatten 22, 38 bevorzugt eine Mehrzahl solcher Öffnungen.
Fig. 3 zeigt ein zweites Stadium, in welchem das Dichtungsmaterial 50 in der Kavität 49 den Bereich der in den Figuren gekennzeichneten Brennstoffzelle 20 erreicht hat, und Fig. 4 zeigt ein nachfolgendes drittes Stadium, in welchem das Dichtungsmaterial 50 den im Bereich dieser Brennstoffzelle 20 liegenden Abschnitt der Kavität 49 bereits vollständig ausfüllt.
Das Dichtungsmaterial 50 wird durch die erwähnten Öffnungen der Bipolar-Halbplatten 22, 38 nach und nach in die im Bereich der einzelnen Brennstoffzellen 20 befindlichen und diese Brennstoffzellen 20 jeweils ringsherum umschließenden Abschnitte der Kavität 49 gefüllt.
Nach vollständiger Befüllung der Kavität 49 mit dem Dichtungsmaterial 50, d.h. im Beispiel bis hin zu einer oder mehreren (nicht dargestellten) Öffnungen, die sich an einem oberen Ende des Brennstoffzellenstapels ("obere Endplatte") befinden, erfolgt eine Aushärtung. Die Aushärtung kann z. B. durch eine nachfolgende Wartezeit bei bevorzugt erhöhter Temperatur realisiert sein, in der (z. B. thermisch und/oder chemisch bewirkt) eine Aushärtung bzw. Vernetzung des Dichtungsmaterials 50 erfolgt. Dadurch entsteht vorzugsweise eine sich einstückig durchgehend durch die gesamte Kavität erstreckende Dichtung 50.
Das Einfüllen des Dichtungsmaterials 50 in die Kavität 49 kann z. B. durch ein gravimetrisch getriebenes "Einlaufenlassen" erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Druckbeaufschlagung des Dichtungsmaterials 50 vorgesehen sein, so dass in diesem Fall ein Befüllen insbesondere auch "von unten nach oben" erfolgen kann (durch ein "Hineinpressen" des Dichtungsmaterials 50). Alternativ oder zusätzlich zu einer Druckbeaufschlagung des zugeführten Dichtungsmaterials 50 kann ein Unterdrück an der oder den Öffnungen vorgesehen sein, die am entgegengesetzten Ende der Anordnung vorgesehen sind. Mit einem Unterdrück kann das Dichtungsmaterials 50 vorteilhaft in die Kavität 49 "eingezogen" werden.
Das nach der Aushärtung einen elastischen Zustand beibehaltende Dichtungsmaterial 50 bildet an den Brennstoffzellen 20 der Brennstoffzellenanordnung 10 eine "Dichtung 50" und realisiert hierbei im Beispiel eine Abdichtung der Brennstoff-führenden und Oxidationsmittel-führenden Bereiche gegeneinander, und außerdem eine Abdichtung dieser Bereiche gegenüber der Umgebung, also z. B. der Atmosphäre bzw. einem Innenraum eines (in den Figuren nicht dargestellten) Gehäuses der Brennstoffzellenanordnung 10.
Das Dichtungsmaterial 50 bzw. die durch dessen Aushärtung geschaffene Dichtung ist aus einem elektrisch isolierenden, elastischen Kunststoffmaterial gebildet.
Im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 bis 4 wurden die Bipolar-Halbplatten 22, 38 für das Innere der Brennstoffzellenanordnung 10 jeweils separat voneinander vorgefertigt und vor deren Einfügung in die Brennstoffzellenanordnung 10 paarweise miteinander verbunden (z. B. durch eine Verklebung oder Verschweißung), so dass bei der Herstellung des Brennstoffzellenstapels 10 Bipolarplatten verwendet wurden, die jeweils aus zwei Bipolar-Halbplatten zusammengesetzt sind. An den beiden in Stapelrichtung betrachteten Enden wurden als untere und obere "Endplatten" jeweils einzelne Bipolar-Halbplatten 38 bzw. 22 angeordnet. Bei der Fertigung der Bipolar-Halbplatten 22, 38 bzw. der daraus gebildeten Bipolarplatten wurden auch deren bereits erwähnte Öffnungen (zum späteren Durchtritt des Dichtungsmaterials 50) ausgebildet.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegen an jedem Übergang zwischen in Stapelrichtung z einander benachbarten Brennstoffzellen 20 die dort befindlichen Bipolar-Halbplatten 22, 38 sowohl in deren mittleren Bereich als auch in deren seitlichen Randbereichen direkt (ohne Zwischenraum) aneinander an.
In diesem Bereich der Übergänge zwischen in Stapelrichtung z betrachtet einander benachbarten Brennstoffzellen 20 wird eine in seitlicher Richtung betrachtet äußere Wandung (in den Figuren linke Wandung) der Kavität 49 durch aneinander anliegende seitliche Ränder der jeweiligen Bipolar-Halbplatten 22, 38 gebildet, und eine in seitlicher Richtung betrachtet innere Wandung (in den Figuren etwas rechts von der äußeren Wandung) der Kavität 49 durch aneinander anliegende "Zwischenbereiche" 23', 39' der Bipolar-Halbplatten 22, 38 gebildet. In diesem Bereich sind die betreffenden Bipolar-Halbplatten 22, 38 wie bereits erwähnt mit in Stapelrichtung z verlaufenden Öffnungen versehen, die z. B. als koaxiale Bohrungen, Durchbrechungen, Perforation oder anderweitige Öffnungen ausgebildet sein können, welche die Bereiche der Kavität 49 unterhalb und überhalb des Übergangsbereiches miteinander kommunizieren lassen, d. h. "fluidtechnisch" miteinander verbinden. Die Öffnungen können vorteilhaft z. B. im Wesentlichen gleichmäßig und insbesondere z. B. äquidistant über den Umfang der Bipolar-Halbplatten 22, 38 verteilt vorgesehen sein. In den Figuren 2 bis 4 ist eine solche Öffnung (als Abschnitt der Kavität 49) ersichtlich, da die Schnittebene in diesen Figuren durch eine solche Öffnung verläuft. In einer vorteilhaften Ausführung sind über den Umfang verteilt z. B. mindestens 10 oder z. B. mindestens 20 solche Öffnungen vorgesehen.
Im dargestellten Beispiel ist bei den Brennstoffzellen 20 an einem seitlichen Randbereich der jeweiligen Membran-Elektroden-Einheit 28 eine so genannte "Unterdichtung" 42 vorgesehen, die eine Dichtfläche an der Membran-Elektroden-Einheit 28 bereitstellt und bei der Fertigung der Membran-Elektroden-Einheit 28 ausgebildet (z. B. angeformt) wurde. Abweichend vom gezeigten Beispiel könnte die Unterdichtung 42 (die bei herkömmlichen Brennstoffzellenanordnungen auch als ein Halterahmen für die Membran-Elektroden-Einheit dient) auch weggelassen werden.
Am seitlichen Randbereich der Brennstoffzellen 20 ragt die Elektrolytmembran 30 der Membran-Elektroden-Einheit 28 in seitlicher Richtung über seitliche Ränder der Gasdiffusionslagen 26 und 36 heraus, und zwar im Beispiel zusammen mit der Unterdichtung 42 bis hin zu den seitlichen Rändern 23, 39 der Bipolar-Halbplatten 22, 38. Abweichend von diesem Beispiel könnte die Elektrolytmembran 30 jedoch auch nicht oder zumindest weniger weit herausragen und in diesem Fall z. B. bereits an den "Zwischenbereichen" 23', 39' der Bipolar-Halbplatten 22, 38 enden.
Was den Bereich der einzelnen Brennstoffzellen 20 selbst anbelangt, so wird dort eine äußere Wandung der Kavität 49 durch nahe aneinander heranragende seitliche Ränder 23, 39 der jeweiligen Bipolar-Halbplatten 22, 38 gebildet, wobei die Bipolar-Halbplatten 22, 38 in diesem Bereich so formgestaltet sind, dass der seitliche Rand 23 (der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte 22) und der seitliche Rand 39 (der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte 38) jeweils einen in Stapelrichtung z zur jeweils anderen Bipolar-Halbplatte 38 bzw. 22 hin abstehenden Vorsprung aufweisen.
Mit diesen Vorsprüngen wird innerhalb jeder Brennstoffzelle 20 der ansonsten zwischen den beiden Bipolar-Halbplatten 22, 38 in Stapelrichtung z betrachtet bestehende Abstand überbrückt und die nach außen hin begrenzende Wandung der Kavität 49 gebildet.
Im dargestellten Beispiel befindet sich in einem Spalt zwischen den Enden der Vorsprünge der seitlichen Ränder 23, 39 der seitliche Rand der Membran-Elektroden-Einheit 28, der im Beispiel vom seitlichen Rand der mit der Unterdichtung 42 belegten Elektrolytmembran 30 gebildet wird, der jedoch abweichend von diesem Beispiel z. B. auch nur von einem äußeren Rand der Unterdichtung 42 gebildet werden könnte (da die Elektrolytmembran 30 nicht bis hin zu den seitlichen Rändern 23, 39 reicht, sondern in seitlicher Richtung betrachtet vor diesen endet, z. B. im Bereich der Kavität 49, oder z. B. auf Höhe der Zwischenbereiche 23', 39', oder z. B. noch weiter innen). Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, dass die Vorsprünge der seitlichen Ränder 23, 39 in Stapelrichtung z betrachtet gleich hoch bemessen sind.
Im Bereich der Kavität 49 ist die Membran-Elektroden-Einheit 28 z. B. mit einer Perforation oder z. B. mit (z. B. über den Umfang verteilt angeordneten) Durchbrüchen versehen, welche während des Befüllens der Kavität 49 einen Durchtritt des Dichtungsmaterials 50 erlauben. Die Schnittebene der Fig. 2 bis 4 verläuft im Bereich eines solchen Durchbruches.
Abweichend vom dargestellten Beispiel könnte der seitliche Rand der Membran-Elektroden-Einheit 28 auch im Bereich der Kavität 49 endend vorgesehen sein und der erwähnte Spalt (zwischen den Rändern 23 und 39) so bemessen sein, dass beim Befüllen der Kavität 49 das (elektrisch isolierende) Dichtungsmaterial 50 ein Stück weit in diesen Spalt eindringt und so an dieser Stelle eine mechanische Stabilisierung bewirkt und eine elektrische Isolierung zwischen den Bipolar-Halbplatten 22, 38 innerhalb der Brennstoffzelle 20 sicherstellt.
Ebenfalls abweichend vom dargestellten Beispiel könnten die Vorsprünge der seitlichen Ränder 23, 39 der jeweiligen Bipolar-Halbplatten 22, 38 auch direkt aneinander anliegen, wobei dann jedoch zumindest im Anlagebereich (Kontaktfläche zwischen den Vorsprüngen) eine anderweitig realisierte elektrische Isolierung vorzusehen ist, z. B. durch eine elektrisch isolierende Beschichtung an wenigstens einem der beiden aneinander anliegenden Vorsprünge.
Im dargestellten Beispiel wird im Bereich jeder Brennstoffzelle 20 eine in seitlicher Richtung betrachtet innere Wandung der Kavität 49 durch die bereits erwähnten "Zwischenbereiche" 23', 39' der Bipolar-Halbplatten 22, 38 gebildet, die jeweils an einer der beiden Seiten (anodenseitig bzw. kathodenseitig) der Membran-Elektroden-Einheit 28 anliegen. Ähnlich wie die seitlichen Ränder 23, 39 weisen auch die Zwischenbereiche 23', 39' der Bipolar-Halbplatten 22, 38 jeweils einen in Stapelrichtung z (und zur jeweils anderen Bipolar-Halbplatte hin) abstehenden Vorsprung auf, wobei Enden dieser Vorsprünge jeweils an einer der beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit 28 (hier: deren Unterdichtung 42) anliegen. In diesem Zusammenhang ist im Beispiel vorteilhaft, dass diese Vorsprünge in Stapelrichtung z betrachtet gleich hoch bemessen sind.
Mit "Zwischenbereich" (23', 39') der Bipolar-Halbplatten 22, 38 ist ein Bereich gemeint, der in seitlicher Richtung betrachtet sowohl vom seitlichen Rand 23 bzw. 39 der betreffenden Bipolar-Halbplatte 22 bzw. 38 als auch von einem zentralen Bereich der betreffenden Bipolar-Halbplatte 22 bzw. 38 beabstandet liegt.
Mit den Vorsprüngen der Zwischenbereiche 23', 39' der Bipolar-Halbplatten 22, 38 werden innerhalb jeder Brennstoffzelle 20 in Stapelrichtung z betrachtet ansonsten vorhandene Abstände zwischen einerseits den Bipolar-Halbplatten 22, 38 und andererseits den beiden Seiten der Membran-Elektroden-Einheit 28 überbrückt, und die Vorsprünge bilden im dargestellten Beispiel zusammen mit einem Zwischenabschnitt der Membran-Elektroden-Einheit 28 die innere Wandung der Kavität 49. Das aneinander Heranragen der Vorsprünge erfolgt hierbei bis auf einen gegenseitigen Abstand, welcher der Dicke der Membran-Elektroden-Einheit 28 an dieser Stelle entspricht. Dieser Abstand könnte jedoch auch nennenswert kleiner als die Dicke der Membran-Elektroden-Einheit 28 bemessen sein, so dass die Membran-Elektroden-Einheit 28 (bzw. in diesem Beispiel vor allem deren Unterdichtung 42) an dieser Stelle etwas komprimiert (flexibel verpresst/verformt) wird. Der Abstand kann z. B. kleiner als das 0,9-fache, insbesondere kleiner als das 0,8-fache einer unkomprimierten Dicke der Membran-Elektroden-Einheit 28 bemessen sein.
Wie bereits erwähnt könnte abweichend vom dargestellten Beispiel der seitliche Rand der Membran-Elektroden-Einheit 28 z. B. bereits im Bereich der Kavität 49 enden, oder z. B. bereits im Bereich der Vorsprünge der Zwischenbereiche 23', 39' der Bipolar-Halbplatten 22, 38 enden. Insbesondere in letzteren Fällen kann das Dichtungsmaterial 50, welches in den Bereichen der einzelnen Brennstoffzellen 20 diese jeweils ringsherum umschließt, vorteilhaft die Membran-Elektroden-Einheit 28 nach seitlich außen (und somit gegenüber der Umgebung bzw. einem Gehäuse) hin abdichten. Außerdem kann das Dichtungsmaterial 50 vorteilhaft gegenüber einem Gas-Übertritt von einer zur anderen Seite der Membran-Elektroden-Einheit 28 abdichten.
Fig. 5 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzellenanordnung 10, in einer der Fig. 4 entsprechenden Schnittansicht, d.h. nach Befüllung einer Kavität 49 mit einem Dichtungsmaterial 50.
Im Unterschied zu der in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Brennstoffzellenanordnung sind bei der Brennstoffzellenanordnung 10 gemäß Fig. 5 an den Übergängen zwischen einander benachbarten Brennstoffzellen 20 die dort befindlichen Bipolar-Flalbplatten 22, 38 (bzw. zumindest deren mittlere Bereiche) in Stapelrichtung z betrachtet nennenswert voneinander beabstandet.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 dient diese Beabstandung dazu, im Bereich der Übergänge zwischen den Brennstoffzellen 20 im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 10 ein Kühlmedium (z. B. Wasser) zu führen. Hierbei kann z. B. vorgesehen sein, dass in dem Zwischenraum eine weitere Kanalstruktur zur Führung des Kühlmediums ausgebildet ist.
Da im dargestellten Beispiel der Fig. 5 die Bipolar-Flalbplatten 22, 38 auch an deren seitlichen Randbereichen voneinander beabstandet sind, weist wenigstens eine der beiden Bipolar-Flalbplatten an deren Rand 23 bzw. 39 einen zur jeweils anderen Bipolar-Halbplatte hin abstehenden Vorsprung auf, und weist auch wenigstens eine der beiden Bipolar-Flalbplatten an deren Zwischenbereich 23', 39' einen zur jeweils anderen Bipolar-Halbplatte hin abstehenden Vorsprung auf, um in diesem Übergangsbereich den Abstand zu überbrücken und die äußere Wandung der Kavität und die innere Wandung der Kavität auszubilden (Alternativ könnten anstelle der Vorsprünge auch z. B. Dichtungen zur Begrenzung der Kavität 49 zwischen den Bipolar-Halbplatten eingelegt sein).
Vorteilhaft befindet sich Dichtungsmaterial 50 zusätzlich auch in einem Bereich zwischen den Bipolar-Halbplatten und gewährleistet somit auch eine Abdichtung für das im mittleren Bereich der Bipolar-Halbplatten zwischen diesen befindliche Kühlmedium (z. B. Wasser). Das Dichtungsmaterial 50 verhindert an dieser Stelle, dass Kühlmedium seitwärts nach außen austritt.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellenanordnung (10), aufweisend in einer Stapelrichtung (z) gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (20), die jeweils plattenförmig ausgebildet sind und sich orthogonal zur Stapelrichtung (z) betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung (x) und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung (y) erstrecken, wobei die Brennstoffzellen (20) jeweils in der Stapelrichtung (z) gestapelt aufweisen:
- eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte (22) mit einer Brennstoff-Kanalstruktur (24) zur Führung eines Brennstoffes,
- eine anodenseitige Gasdiffusionslage (26),
- eine Membran-Elektroden-Einheit (28), aufweisend eine Elektrolytmembran (30) und in Stapelrichtung (z) beiderseits davon angeordnete Elektrodenschichten (32, 34), die eine Anode (32) und eine Kathode (34) für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel ausbilden,
- eine kathodenseitige Gasdiffusionslage (36),
- eine kathodenseitige Bipolar-Halbplatte (38) mit einer Oxidationsmittel-Kanalstruktur (40) zur Führung des Oxidationsmittels, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Bipolar-Halbplatten (22, 38) an einem seitlichen Randbereich derart formgestaltet sind, dass die Bipolar-Halbplatten (22, 38) an diesem seitlichen Randbereich stellenweise derart aneinander anliegen oder zumindest nahe aneinander heranragen, dass an einem entsprechenden seitlichen Randbereich der Brennstoffzellenanordnung (10) eine in Stapelrichtung (z) durchgehend sich erstreckende Kavität (49) ausgebildet ist, und dass diese Kavität (49) mit einem Dichtungsmaterial (50) gefüllt ist.
2. Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 1 , wobei die Kavität (49) sich in einer Umfangsrichtung der Brennstoffzellenanordnung (10) betrachtet ringsherum durchgehend erstreckt.
3. Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kavität (49) im Wesentlichen vollständig durchgehend mit Dichtungsmaterial (50) befüllt ist, welches eine einstückige Dichtung bildet.
4. Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine in seitlicher Richtung betrachtet äußere Wandung der Kavität (49) gebildet ist durch aneinander anliegende oder zumindest nahe aneinander heranragende seitliche Ränder der Bipolar-Halbplatten (22, 38).
5. Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 4, wobei bei jeder Brennstoffzelle (20) der seitliche Rand der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte (22) und/oder der seitliche Rand der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte (38) einen in Stapelrichtung (z) abstehenden Vorsprung aufweist.
6. Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine in seitlicher Richtung betrachtet innere Wandung der Kavität (49)
- im Bereich jeder Brennstoffzelle (20) gebildet ist durch Zwischenbereiche (23', 39') der Bipolar-Halbplatten (22, 38), die jeweils an einer der beiden Seiten eines seitlichen Randes der Membran-Elektroden-Einheit (28) anliegen, und
- im Bereich eines Überganges zwischen einander benachbarten Brennstoffzellen (20) gebildet ist durch Zwischenbereiche (23', 39') der Bipolar-Halbplatten (22, 38), die aneinander anliegen.
7. Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 6, wobei bei jeder Brennstoffzelle (20) der Zwischenbereich (23') der anodenseitigen Bipolar-Halbplatte (22) und/oder der Zwischenbereich (39') der kathodenseitigen Bipolar-Halbplatte (38) einen in Stapelrichtung (z) abstehenden Vorsprung aufweist.
8. Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei an jedem Übergang zwischen in Stapelrichtung (z) einander benachbarten Brennstoffzellen (20) die dort befindlichen Bipolar-Halbplatten (22, 38) in deren mittleren Bereich direkt aneinander anliegen.
9. Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei an jedem Übergang zwischen in Stapelrichtung (z) einander benachbarten Brennstoffzellen (20) die dort befindlichen Bipolar-Halbplatten (22, 38) in deren mittleren Bereich voneinander beabstandet sind.
10. Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend
- Bilden einer Brennstoffzellenanordnung (10) durch stapelndes Anordnen von Brennstoffzellen (20) in einer Stapelrichtung (z), die jeweils plattenförmig ausgebildet sind und sich orthogonal zur Stapelrichtung (z) betrachtet jeweils in einer ersten Querrichtung (x) und einer dazu orthogonalen zweiten Querrichtung (y) erstrecken, wobei die Brennstoffzellen (20) jeweils in der Stapelrichtung (z) gestapelt aufweisen: eine anodenseitige Bipolar-Halbplatte (22) mit einer Brennstoff-Kanalstruktur (24) zur Führung eines Brennstoffes; eine anodenseitige Gasdiffusionslage (26); eine Membran-Elektroden-Einheit (28), aufweisend eine Elektrolytmembran (30) und in Stapelrichtung (z) beiderseits davon angeordnete Elektrodenschichten (32, 34), die eine Anode (32) und eine Kathode (34) für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel ausbilden; eine kathodenseitige Gasdiffusionslage (36); und eine kathodenseitige Bipolar-Halbplatte (38) mit einer Oxidationsmittel-Kanalstruktur (40) zur Führung des Oxidationsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolar-Halbplatten (22, 38) an einem seitlichen Randbereich derart formgestaltet sind, dass die
Bipolar-Halbplatten (22, 38) bei dem stapelnden Anordnen an diesem seitlichen Randbereich stellenweise derart aneinander zur Anlage kommen oder zumindest einander nahe kommen, dass an einem entsprechenden seitlichen Randbereich der Brennstoffzellenanordnung (10) eine in Stapelrichtung (z) durchgehend sich erstreckende Kavität (49) ausgebildet wird, und dass das Verfahren ferner aufweist: - Füllen der Kavität (49) mit einem Dichtungsmaterial (50).
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