WO2022258105A1 - Brennstoffzellenanordnung - Google Patents

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WO2022258105A1
WO2022258105A1 PCT/DE2022/100400 DE2022100400W WO2022258105A1 WO 2022258105 A1 WO2022258105 A1 WO 2022258105A1 DE 2022100400 W DE2022100400 W DE 2022100400W WO 2022258105 A1 WO2022258105 A1 WO 2022258105A1
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WO
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fuel cell
cell arrangement
sealing device
area
process gas
Prior art date
Application number
PCT/DE2022/100400
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ann-Kathrin Henss
Barnaby Law
Wolfram Kaiser
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Publication date
Application filed by MTU Aero Engines AG filed Critical MTU Aero Engines AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell arrangement with at least two bipolar plates and at least one membrane-electrode arrangement arranged between two bipolar plates and at least one flow influencing element arranged between a bipolar plate and a membrane-electrode arrangement.
  • Fuel cells are electrochemical devices that generate heat and electrical energy from a fuel and an oxidant.
  • Known fuel cells use, for example, hydrogen as a proton source and oxygen, in particular from the
  • a fuel cell arrangement usually has a large number of membrane-electrode arrangements whose electrical power and potentials add up.
  • a bipolar plate is arranged between each two membrane-electrode assemblies (MEA), on the side surfaces of which the process gases containing fuel or oxidizer are guided to the membrane-electrode assemblies.
  • MEA membrane-electrode assemblies
  • a membrane electrode assembly has both an anode and a cathode region, with the fuel being routed to the anode region and the oxidant being routed to the cathode region.
  • the fuel is catalytically oxidized at the anode with the release of electrons.
  • ions pass through the electrolyte, which is usually present in the form of a membrane, to the cathode area, where they react with the oxidizing agent (oxygen) supplied to the cathode and the electrons conducted to the cathode via an external circuit.
  • oxidizing agent oxygen
  • Gas diffusion media also arranged on the membrane-electrode assembly are treated as elements of the membrane-electrode assembly within the scope of the description of the present invention and accordingly are not mentioned further.
  • a flow influencing element for example in the form of a perforated plate, is arranged between the bipolar plate and a membrane-electrode assembly, which improves the controlled supply of process gas to the membrane-electrode assembly and its local water balance. In this way, the efficiency of the fuel cell or of the fuel cell system can be increased.
  • a sealant in the form of a sealing bead on one of the components arranged together applied to the bipolar plate or the membrane-electrode assembly, which forms a sealing effect when the elements are clamped to one another.
  • the transition area between a reaction area and an inlet or outlet area represents an area that is difficult to seal.
  • insert sheets or folding inlays are used for this purpose, as proposed, for example, in German patent application DE 10 2005 058 350 A1.
  • the known solutions increase the complexity and the susceptibility to errors when assembling a fuel cell arrangement and, for example, require additional components for the fuel cell arrangements.
  • a fuel cell arrangement is proposed with at least two bipolar plates and at least one membrane electrode arrangement arranged between two bipolar plates and at least one flow influencing element arranged between a bipolar plate and a membrane electrode arrangement.
  • the flow influencing element has at least one sealing device for sealing off at least one area between the bipolar plate and the membrane-electrode arrangement.
  • Fuel cell assemblies typically include a number of alternately arranged bipolar plates and membrane electrode assemblies (MEA).
  • a bipolar plate arranged between two membrane-electrode assemblies physically and electrically conductively connects the anode of one membrane-electrode assembly to the cathode of the membrane-electrode assembly on the other side of the bipolar plate.
  • a flow influencing element is also arranged for each individual fuel cell between at least one bipolar plate, such as the cathode bipolar plate, and a membrane-electrode assembly, which element controls the flow of a process gas between a bipolar plate and a membrane-electrode assembly in the Affected sense of an improved supply of process gas to the membrane electrode assembly.
  • the flow influencing element has suitable flow influencing devices such as flow openings for process gas.
  • the flow influencing element of the fuel cell arrangement has at least one sealing device for sealing at least one area between the bipolar plate and the membrane electrode arrangement.
  • the at least one area between the bipolar plate and the membrane-electrode arrangement can be, for example, a partial area of the active cell area.
  • the sealing device can be formed by a sealing surface or sealing geometry formed on the flow influencing element, or in connection with a sealing means which interacts with the sealing device on the flow influencing element.
  • the flow influencing element like in particular the other elements of a fuel cell arrangement, also has an essentially two-dimensional extension and is arranged between a bipolar plate and a membrane-electrode arrangement.
  • the flow influencing element is arranged between elements between which process gas is conducted for the operation of the fuel cell.
  • those areas of the fuel cell arrangement in which process gas is conducted must be made gas-tight.
  • a seal may be required, in particular with respect to the surrounding area or with respect to other areas of the fuel cell arrangement in which (also) a process gas or a cooling medium is routed.
  • a suitable seal contributes to a high degree of efficiency of the fuel cell arrangement and to reliable operation.
  • a flow influencing element can be formed, for example, from a metal sheet whose two-dimensional extension can essentially correspond to the bipolar plate, the membrane-electrode arrangement and/or the cross section of the fuel cell arrangement perpendicular to the flow influencing element. It can
  • Flow influencing element have flow guide devices, which are designed in particular in the form of or in connection with one or more through-openings and can be overflown or flown through by a process gas.
  • the flow influencing element is used, a component that is already available and is inexpensive compared to the bipolar plate or the membrane-electrode arrangement. This already leads to cost savings in the case of rejected parts due to faulty sealing devices in series production.
  • the flow influencing element is essentially two-dimensional and designed to be rather rigid in comparison to a flexible seal, so that the at least one sealing device can be correctly positioned during assembly of the fuel cell arrangement.
  • the assembly of the fuel cell arrangement can also be carried out precisely and automatically by arranging the at least one sealing device on the flow influencing element in contrast to an arrangement on a more flexible support element such as a membrane-electrode arrangement.
  • forming or arranging the sealing device on the flow influencing element can also reduce the risk of damage to a bipolar plate or a membrane electrode assembly when forming or arranging a sealing device and when assembling the fuel cell assembly.
  • the proposed embodiment of a fuel cell arrangement enables improved sealing and simplified assembly of the proposed fuel cell arrangement.
  • the at least one sealing device extends at least partially around a reaction region which is designed for a process gas to flow over the membrane electrode arrangement.
  • the sealing device seals at least part of the reaction area of the fuel cell, which is arranged between the bipolar plate and the membrane-electrode arrangement, from the environment and/or other areas of the fuel cell arrangement.
  • the at least one sealing device extends at least partially around a feed area, which is designed to feed process gas to the reaction area.
  • the sealing device seals
  • feed line areas formed by feed line openings formed in the membrane-electrode assemblies and/or in the bipolar plates differ from the environment and/or other areas of the fuel cell assembly.
  • the at least one sealing device extends at least partially around a discharge area, which is designed to discharge process gas from the reaction area.
  • the sealing device seals, for example, drainage areas formed in the membrane-electrode assemblies and/or in the bipolar plates drainage openings from the environment and/or other areas of the fuel cell assembly.
  • the at least one sealing device extends over a transition area which is designed to supply a process gas from the feed area to the reaction area or to discharge a process gas from the reaction area to the discharge area.
  • the sealing device forms part of one or more flow channels for process gas, depending on the design, in particular of a flow field or of its feed line area in the bipolar plate.
  • the geometry of the sealing device can also affect the flow behavior of the process gas, particularly in the transition area.
  • the at least one sealing device extends at least partially along the edge of the flow influencing element.
  • a sealing device extending at least partially along the edge of the flow influencing element is usually used to seal off the fuel cell arrangement from the environment.
  • the at least one sealing device is designed to seal the area between the bipolar plate and the membrane-electrode arrangement in a positive and/or non-positive manner.
  • the sealing device can, for example, have a recess in some areas or an undercut, which interacts with a corresponding design of the bipolar plate or the membrane-electrode arrangement.
  • the sealing device can have, for example, a spring element such as a sealing lip or the like, which is supported on a corresponding surface of the bipolar plate or the membrane-electrode assembly, with the sealing effect being established during assembly in particular by tensioning the fuel cell assembly.
  • the sealing device can also have both a positive and a non-positive mode of operation, such as a sealing bead formed on the flow influencing element.
  • the at least one sealing device is designed to accommodate a preformed sealing element.
  • the preformed sealing element can have an essentially two-dimensional extension, which in particular forms a positive and/or non-positive sealing effect between the flow influencing element and a bipolar plate or membrane-electrode arrangement arranged thereon.
  • Such a sealing element often exhibits elastic behavior and is usually made from a material that is resistant to heat and process gases.
  • the at least one sealing device is designed to materially seal the area between the bipolar plate and the membrane-electrode arrangement.
  • the flow influencing element is designed to accommodate a particularly plastically and/or elastically deformable sealant or such a sealing element, which is used when arranging a bipolar plate or a membrane electrode assembly on the flow influencing element, particularly when assembling the fuel cell assembly forms a sealing effect between the flow influencing element and the element adjacent to it.
  • the flow influencing element has a multiplicity of regularly arranged passage openings. Depending on the size and arrangement of the passage openings formed therein, through which a process gas can flow, such a flow influencing element can influence the volume flow of the process gas, which Arrangement arranged anode or cathode overflows. In this way, the efficiency of the fuel cell can be increased using the flow influencing element.
  • at least two of the types of sealing devices described above are provided on at least one side of a flow influencing element facing the bipolar plate or the membrane electrode arrangement, thereby enabling further improved sealing and simplified assembly of the proposed fuel cell arrangement.
  • a flow influencing element for a fuel cell arrangement which has at least one or more properties and features of the flow influencing elements previously described in connection with the various embodiments of the fuel cell arrangement.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary fuel cell arrangement
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a bipolar plate of an exemplary fuel cell arrangement
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the bipolar plate from FIG. 2 and an exemplary flow influencing element
  • FIG. 4a shows a schematic representation of a view of a further exemplary flow influencing element from FIG. 3; and FIG. 4b shows a schematic representation of the opposite view of the flow influencing element from FIG. 3, both with an applied elastomer seal 1 shows a schematic representation of an exemplary fuel cell arrangement 1 with at least two, in the representation five, bipolar plates 10 and at least one, in the representation three, membrane-electrode assemblies 20 arranged between two bipolar plates 10 each. Between one bipolar plate 10 and one membrane -Electrode arrangement 20 is in each case a flow influencing element 30 is arranged.
  • the fuel cell arrangement 1 has an end plate 3 on each side.
  • the charge transport within the fuel cell arrangement 1 is indicated by arrows. As can also be seen in the illustration in FIG. 1, the two have the outside of the
  • End plates 3 arranged bipolar plates 10 (formally these can also be referred to as monopolar plates) on one side and the other bipolar plates 10 on both sides flow profiles 11a for guiding a process gas in the reaction area 11 on the membrane electrode assembly 20.
  • the flow influencing element 30 is used to locally influence the flow of the process gas guided through the adjoining flow profile 11 . It is also shown that the bipolar plates 10 have cooling channels 14 through which a coolant can flow.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a bipolar plate 10 of an exemplary fuel cell arrangement 1 with a flow profile 11a arranged thereon, which is designed to conduct a process gas on a membrane electrode arrangement 20 .
  • the flow profile 11a is formed by recesses made in the bipolar plate 10 .
  • the cross section of these recesses is closed by a surface or a recess, in particular a mirror image, which is also elongated, of a membrane electrode arrangement 20 arranged on the bipolar plate 10, so that the flow profile 11a together with the membrane electrode Arrangement 20 forms at least one channel in a reaction area 11 .
  • the recesses of the exemplary embodiment have an essentially U-shaped cross section for guiding process gas.
  • the respective recesses of the flow profile 11a have a meandering course in the exemplary embodiment, as a result of which the process gas flows over a large part of the surface of the membrane -electrode- Arrangement 20 is performed, which enables a favorable reaction of the process gas in the reaction area 11.
  • a supply opening 16 is shown at the top left, which is provided for supplying a first process gas to the flow profile 11a and thus to the reaction area 11 of the fuel cell arrangement 1 .
  • the membrane electrode arrangements 20 and the flow influencing elements 30 also have supply line openings 16 for a first process gas, which are arranged one above the other at corresponding positions and thus form a supply line area 26 for a first process gas, via which the reaction areas 11 a first process gas is supplied to the fuel cell arrangement 1 .
  • a discharge opening 17 for a first process gas is formed in the bipolar plate 10 in FIG. 2 at the bottom right, which opening is provided for discharging in particular used first process gas from the fuel cell.
  • Fuel cell arrangement 1 also has the membrane-electrode arrangements 20 and the flow influencing elements 30 in each case at corresponding positions one above the other on discharge openings 17, which thus form a discharge area 27, through which depleted first process gas and any reaction products are discharged from the fuel cell arrangement 1.
  • the illustrated bipolar plate 10 has a supply opening 13 for a second process gas and a discharge opening 15 for a second process gas, which are each connected to a corresponding flow profile on the back of the bipolar plate 10.
  • the supply and discharge of a coolant as well as a in the bipolar plate arranged, internal cooling flow field are not shown.
  • the partially adjacent or also overlapping areas of the bipolar plate 10 or the fuel cell arrangement 1 can be seen as an example, which are to be sealed off from the environment or from one another in order to ensure a suitable functioning of the
  • Fig. 3 shows a schematic representation of the bipolar plate 10 from Fig. 2 and an exemplary flow influencing element 30.
  • the dimensions and the geometry of the inlet and outlet openings 13, 15 and 16, 17 for the process gases arranged on the flow influencing element 30 correspond those of the bipolar plate 10.
  • the flow influencing element 30 has a multiplicity of regularly or irregularly arranged passage openings 32 through which process gas can flow.
  • figs 4a and 4b each show a schematic representation of a further exemplary flow influencing element 30 from one side each.
  • the regularly arranged passage openings 32 of the flow influencing element 30 can be seen in this exemplary embodiment.
  • a sealing device 40 provided on both sides of the flow influencing element 30 is shown, which is shown in Fig. 4a along the circumference of the flow influencing element 30, along the edge of the reaction area 11 arranged on the bipolar plate 10 and along the edges of the inlet and outlet openings 16, 17 and 13 and 15 is formed.
  • FIG. 4a shows the side facing the membrane-electrode arrangement 20.
  • the other side of the flow influencing element 30 (which faces the bipolar plate 10 in the installed state) has a sealing device 41 which essentially corresponds to the sealing device 40 of the flow influencing element 30 shown in Fig. 4a, with this in the transition areas 12, however, is left out.
  • the sealing in this transition area takes place on the side of the flow influencing element (FIG. 4a) facing the membrane-electrode arrangement.
  • Supporting elements 42 can be arranged on the flow influencing element 30 on the side facing a bipolar plate 10 in the region of the transition regions 12 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung mit wenigstens zwei Bipolarplatten (10) und wenigstens einer zwischen jeweils zwei Bipolarplatten (10) angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung (20), sowie wenigstens einem zwischen jeweils einer Bipolarplatte (10) und einer Membran-Elektroden-Anordnung (20) angeordneten Strömungsbeeinflussungselement (30). Am Strömungsbeeinflussungselement (30) weist dabei wenigstens eine Dichtungseinrichtung (40) auf.

Description

B re nns to ffze Ile nano rdnung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung mit wenigstens zwei Bipolarplatten und wenigstens einer zwischen jeweils zwei Bipolarplatten angeordneten Membran-Elektroden- Anordnung, sowie wenigstens einem zwischen jeweils einer Bipolarplatte und einer Membran- Elektroden-Anordnung angeordneten Strömungsbeeinflussungselement.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die Wärme und elektrische Energie aus einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel erzeugen. Bekannte Brennstoffzellen verwenden beispielsweise Wasserstoff als Protonenquelle und Sauerstoff, insbesondere aus der
Umgebungsluft als Oxidationsmittel. Dabei weist eine Brennstoffzellenanordnung meist eine Vielzahl von Membran-Elektroden- Anordnungen auf, deren elektrische Leistungen und Potentiale sich addieren. Zwischen jeweils zwei Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) ist je eine Bipolarplatte angeordnet, an deren Seitenflächen die brennstoff- bzw. oxidatorhaltigen Prozessgase an die Membran-Elektroden-Anordnungen geführt wird. Eine Membran-Elektroden- Anordnung weist sowohl einen Anoden- als auch einen Kathodenbereich auf, wobei der Brennstoff zum Anodenbereich und das Oxidationsmittel zum Kathodenbereich geführt wird. An der Anode wird der Brennstoff bei üblichen Brennstoffzellen katalytisch unter Abgabe von Elektronen oxidiert. Die verbleibenden Ionen gelangen durch den meist in Form einer Membran vorliegenden Elektrolyten in den Kathodenbereich, wo sie mit dem der Kathode zugeführten Oxidationsmittel (Sauerstoff) sowie den über einen äußeren Stromkreis zur Kathode geleiteten Elektronen reagieren. Ebenso an der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnete Gasdiffusionsmedien werden im Rahmen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung als Elemente der Membran-Elektroden-Anordnung behandelt und entsprechend nicht weiter erwähnt. Bei einigen Ausführungsformen ist zwischen der Bipolarplatte und einer Membran- Elektroden-Anordnung ein Strömungsbeeinflussungselement beispielsweise in Form einer perforierten Platte angeordnet, welches die kontrollierte Zuführung von Prozessgas zur Membran-Elektroden-Anordnung und deren lokalen Wasserhaushalt verbessert. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems erhöht werden.
Zum Abdichten der Elemente einer Brennstoffzellenanordnung gegeneinander ist es bekannt, ein Dichtmittel in Form einer Dichtraupe auf eine der aneinander angeordneten Komponenten wie der Bipolarplatte, oder der Membran-Elektroden-Anordnung aufzutragen, welches beim Verspannen der Elemente zueinander eine Dichtwirkung ausbildet. Dabei stellt der Übergangsbereich zwischen einem Reaktionsbereich und einem zu- bzw. Ableitungsbereich einen schwierig abdichtbaren Bereich dar. Im Stand der Technik werden hierzu beispielsweise Einlegeblättchen oder Klapp-Inlays verwendet, wie beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 058 350 Al vorgeschlagen wird. Die bekannten Lösungen erhöhen allerdings den Aufwand und die Fehleranfälligkeit beim Zusammenbau einer Brennstoffzellenanordnung und erfordern beispielsweise zusätzliche Bauteile für die Brennstoff zellenanordnungen.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellen anordnung mit einer verbesserten Abdichtung vorzuschlagen, welche keinen erhöhten Montageaufwand erfordert. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Brennstoffzellenanordnung vorgeschlagen, mit wenigstens zwei Bipolarplatten und wenigstens einer zwischen jeweils zwei Bipolarplatten angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung sowie wenigstens einem zwischen jeweils einer Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden-Anordnung angeordneten Strömungsbeeinflussungselement. Dabei weist das Strömungsbeeinflussungselement wenigstens eine Dichtungseinrichtung zum Abdichten wenigstens eines Bereichs zwischen der Bipolarplatte und der Membran-Elektroden- Anordnung auf.
Brennstoffzellenanordnungen weisen gewöhnlich eine Anzahl von abwechselnd angeordneten Bipolarplatten und Membran-Elektroden- Anordnungen (MEA) auf. Eine zwischen zwei Membran-Elektroden- Anordnungen angeordnete Bipolarplatte verbindet die Anode einer Membran-Elektroden-Anordnung mit der Kathode der an der anderen Seite der Bipolarplatte angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung physikalisch und elektrisch leitend. Bei den hier beschriebenen Ausführungen ist pro Einzel-Brennstoffzelle ferner zwischen jeweils mindestens einer Bipolarplatte wie beispielsweise derKathoden-Bipolarplatte, und einer Membran- Elektroden-Anordnung ein Strömungsbeeinflussungselement angeordnet, welches die Strömung eines Prozessgases zwischen einer Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden-Anordnung im Sinne einer verbesserten Zuführung von Prozessgas zur Membran-Elektroden- Anordnung beeinflusst. Hierfür weist das Strömungsbeeinflussungselement geeignete Strömungsbeeinflussungseinrichtungen wie beispielsweise Durchflussöffnungen für Prozessgas auf.
Es wird vorgeschlagen, dass das Strömungsbeeinflussungselement der Brennstoffzellen anordnung wenigstens eine Dichtungseinrichtung zum Abdichten wenigstens eines Bereichs zwischen der Bipolarplatte und der Membran-Elektroden- Anordnung aufweist. Bei dem wenigstens einen Bereich zwischen der Bipolarplatte und der Membran -Elektroden- Anordnung kann es sich beispielsweise um einen ein Teilbereich der aktiven Zellfläche handeln. Dabei kann die Dichtungseinrichtung von einer am Strömungsbeeinflussungselement ausgebildeten Dichtfläche oder Dichtgeometrie gebildet sein, oder in Verbindung mit einem Dichtmittel, welches mit der Dichtungseinrichtung am Strömungsbeeinflussungselement zusammenwirkt.
Das Strömungsbeeinflussungselement weist wie insbesondere die weiteren Elemente einer Brennstoffzellenanordnung auch eine im wesentlichen zweidimensionale Erstreckung auf und ist jeweils zwischen einer Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet. Entsprechend ist das Strömungsbeeinflussungselement zwischen Elementen angeordnet, zwischen welchen zum Betrieb der Brennstoffzelle Prozessgas geführt wird. Elm ein Entweichen von Prozessgas aus der Brennstoffzelle zu vermeiden sind insbesondere solche Bereiche der Brennstoffzellenanordnung gasdicht auszuführen, in welchen Prozessgas geführt wird. Dabei kann eine Abdichtung insbesondere gegenüber der Elmgebung oder gegenüber anderen Bereichen der Brennstoffzellenanordnung, in welchen (auch) ein Prozessgas oder ein Kühlmedium geführt wird, erforderlich sein. Eine geeignete Abdichtung trägt zu einem hohen Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanordnung und zu einem gesicherten Betrieb bei. Ein Strömungsbeeinflussungselement kann beispielsweise aus einem Metallblech ausgebildet sein, dessen zweidimensionale Erstreckung im Wesentlichen der Bipolarplatte, der Membran- Elektroden-Anordnung und/ oder dem Querschnitt der Brennstoffzellenanordnung senkrecht zum Strömungsbeeinflussungselement entsprechen kann. Dabei kann das
Strömungsbeeinflussungselement Strömungsleiteinrichtungen aufweisen, welche insbesondere in Form von oder in Verbindung mit einer oder mehreren Durchgangsöffnungen ausgebildet und von einem Prozessgas über- bzw. durchströmbar sind. Bei der vorgeschlagenen Brennstoffzellenanordnung wird zum Abdichten von insbesondere Prozessgas führenden Hohlräumen, beispielsweise Hohlräumen, die als makroskopische Fluidverteilerstrukturen an der Bipolarplatte ausgeführt sind, mit dem Strömungsbeeinflussungselement ein bereits vorhandenes und im Vergleich zur Bipolarplatte oder zur Membran-Elektroden-Anordnung kostengünstiges Bauteil eingesetzt. Dies führt bereits zu Kosteneinsparungen bei Ausschussteilen aufgrund fehlerhafter Dichtungseinrichtungen in einer Serienproduktion.
Insbesondere ist das Strömungsbeeinflussungselement im Wesentlichen zweidimensional und im Vergleich zu einer biegeschlaffen Dichtung eher biegesteif ausgebildet, so dass die wenigstens eine Dichtungseinrichtung bei der Montage der Brennstoffzellenanordnung korrekt positionierbar ist. Auch der Zusammenbau der Brennstoffzellenanordnung ist durch eine Anordnung der wenigstens einen Dichtungseinrichtung am Strömungsbeeinflussungselement im Gegensatz zu einer Anordnung an einem eher biegeweichen Trägerelement wie einer Membran- Elektroden-Anordnung präzise und automatisiert durchführbar. Zusätzlich kann durch das Ausbilden bzw. Anordnen der Dichtungseinrichtung am Strömungsbeeinflussungselement auch das Risiko einer Beschädigung einer Bipolarplatte oder einer Membran-Elektroden-Anordnung beim Ausbilden bzw. Anordnen einer Dichtungseinrichtung sowie bei der Montage der Brennstoffzellenanordnung verringert werden. Im Ergebnis ermöglicht die vorgeschlagene Ausführung einer Brennstoffzellenanordnung eine verbesserte Abdichtung sowie eine vereinfachte Montage der vorgeschlagenen Brennstoffzellenanordnung.
Bei einer Ausführung der Brennstoffzellenanordnung erstreckt sich die wenigstens eine Dichtungseinrichtung wenigstens teilweise um einen Reaktionsbereich, der zum Überströmen der Membran-Elektroden-Anordnung durch ein Prozessgas ausgebildet ist. Dabei dichtet die Dichtungseinrichtung wenigstens einen Teil des zwischen der Bipolarplatte und der Membran- Elektroden-Anordnung angeordneten Reaktionsbereichs der Brennstoffzelle gegenüber der Umgebung und/ oder anderen Bereichen der Brennstoffzellenanordnung ab.
Bei einer weiteren Ausführung der Brennstoffzellenanordnung erstreckt sich die wenigstens eine Dichtungseinrichtung wenigstens teilweise um einen Zuleitungsbereich, welcher zum Zuleiten von Prozessgas zum Reaktionsbereich ausgebildet ist. Hierbei dichtet die Dichtungseinrichtung beispielsweise von in den Membran-Elektroden- Anordnungen und/ oder in den Bipolarplatten ausgebildeten Zuleitungsöffnungen gebildete Zuleitungsbereiche gegenüber der Umgebung und/ oder anderen Bereichen der Brennstoffzellenanordnung ab. Bei einer weiteren Ausführung der Brennstoffzellenanordnung erstreckt sich die wenigstens eine Dichtungseinrichtung wenigstens teilweise um einen Ableitungsbereich, welcher zum Ableiten von Prozessgas vom Reaktionsbereich ausgebildet ist. Hierbei dichtet die Dichtungseinrichtung beispielsweise von in den Membran-Elektroden- Anordnungen und/ oder in den Bipolarplatten ausgebildeten Ableitungsöffnungen gebildete Ableitungsbereiche gegenüber der Umgebung und/ oder anderen Bereichen der Brennstoffzellenanordnung ab.
Bei einer weiteren Ausführung der Brennstoffzellenanordnung erstreckt sich die wenigstens eine Dichtungseinrichtung über einen Übergangsbereich, welcher zum Zuführen eines Prozessgases vom Zuleitungsbereich zum Reaktionsbereich oder zum Abführen eines Prozessgases vom Reaktionsbereich zum Ableitungsbereich ausgebildet ist. In einem Übergangsbereich bildet die Dichtungseinrichtung je nach Ausführung insbesondere eines Strömungsfeldes bzw. von dessen Zuleitungsbereich in der Bipolarplatte einen Teil eines oder mehrerer Strömungskanäle für Prozessgas. Dabei kann sich die Geometrie der Dichtungseinrichtung auch auf das Strömungsverhalten des Prozessgases insbesondere im Übergangsbereich auswirken.
Bei einer weiteren Ausführung der Brennstoffzellenanordnung erstreckt sich die wenigstens eine Dichtungseinrichtung wenigstens teilweise entlang des Rands des Strömungsbeein flussungselements. Eine sich wenigstens teilweise entlang des Rands des Strömungsbeein flussungselements erstreckende Dichtungseinrichtung dient üblicherweise zum Abdichten der Brennstoffzellenanordnung gegenüber der Umgebung.
Bei einer weiteren Ausführung der Brennstoffzellenanordnung ist die wenigstens eine Dichtungseinrichtung ausgebildet, den Bereich zwischen der Bipolarplatte und der Membran- Elektroden- Anordnung form- und/ oder kraftschlüssig abzudichten. Dabei kann die Dichtungseinrichtung bei einer formschlüssigen Abdichtung beispielsweise eine bereichsweise Aussparung oder eine Hinterschneidung aufweisen, welche mit einer entsprechenden Gestaltung der Bipolarplatte oder der Membran-Elektroden- Anordnung zusammenwirkt. Bei einer kraftschlüssigen Abdichtung kann die Dichtungseinrichtung beispielsweise ein Federelement wie eine Dichtlippe oder dergleichen aufweisen, welches sich an einer entsprechenden Fläche der Bipolarplatte oder der Membran-Elektroden-Anordnung abstützt, wobei sich die Dichtwirkung bei der Montage insbesondere durch ein Verspannen der Brennstoffzellenanordnung einstellt. Zusätzlich kann die Dichtungseinrichtung aber auch eine sowohl form- als auch kraftschlüssige Wirkungsweise aufweisen, wie beispielsweise eine am Strömungsbeeinflussungselement ausgebildete Dichtsicke.
Bei einer weiteren Ausführung der Brennstoffzellenanordnung ist die wenigstens eine Dichtungseinrichtung ausgebildet, ein vorgeformtes Abdichtungselement aufzunehmen. Dabei kann das vorgeformte Abdichtungselement eine im wesentlichen zweidimensionale Erstreckung aufweisen, welche insbesondere eine form- und/ oder kraftschlüssige Dichtwirkung zwischen dem Strömungsbeeinflussungselement und einer daran angeordneten Bipolarplatte bzw. Membran-Elektroden-Anordnung ausbildet. Ein solches Abdichtungselement weist häufig ein elastisches Verhalten auf und ist zumeist aus einem hitze- und prozessgasbeständigen Werkstoff hergestellt.
Bei einer weiteren Ausführung der Brennstoffzellenanordnung ist die wenigstens eine Dichtungseinrichtung ausgebildet, den Bereich zwischen der Bipolarplatte und der Membran- Elektroden-Anordnung stoffschlüssig abzudichten. Bei einer solchen Ausführung ist das Strömungsbeeinflussungselement ausgebildet, einen insbesondere plastisch und/ oder elastisch verformbaren Dichtstoff bzw. ein derartiges Dichtelement aufzunehmen, welcher bzw. welches bei einem Anordnen einer Bipolarplatte oder einer Membran-Elektroden-Anordnung an dem Strömungsbeeinflussungselement insbesondere bei der Montage der Brennstoffzellenanordnung eine Dichtungswirkung zwischen dem Strömungsbeeinflussungselement und dem diesen benachbarten Element ausbildet.
Bei einer weiteren Ausführung der Brennstoffzellenanordnung weist das Strömungs beeinflussungselement eine Vielzahl von regelmäßig angeordneten Durchgangsöffnungen auf. Ein solches Strömungsbeeinflussungselement kann abhängig von der Größe und Anordnung der darin ausgebildeten Durchgangsöffnungen, welche von einem Prozessgas durchströmbar sind, den Volumenstrom des Prozessgases beeinflussen, welches die an der Membran-Elektroden- Anordnung angeordnete Anode bzw. Katode überströmt. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle mithilfe des Strömungsbeeinflussungselements erhöht werden. Bei einer Ausführung der Brennstoffzellenanordnung sind an wenigstens einer der Bipolarplatte oder der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten Seite eines Strömungsbeeinflussungs elements wenigstens zwei der vorausgehend beschriebenen Arten von Dichtungseinrichtungen vorgesehen, wodurch eine weiter verbesserte Abdichtung sowie eine vereinfachte Montage der vorgeschlagenen Brennstoffzellenanordnung ermöglicht wird.
Weiterhin wird ein Strömungsbeeinflussungselement für eine Brennstoffzellenanordnung vorgeschlagen, welches wenigstens eine oder mehrere Eigenschaften und Merkmale der im Zusammenhang mit den verschiedenen Ausführungen der Brennstoffzellenanordnung vorausgehend beschriebenen Strömungsbeeinflussungselemente aufweist.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Brennstoffzellenanordnung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte einer beispielhaften Brennstoffzellenanordnung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Bipolarplatte aus Fig. 2 sowie eines beispielhaften Strömungsbeeinflussungse lements ;
Fig. 4a eine schematische Darstellung einer Ansicht eines weiteren beispielhaften Strömungsbeeinflussungselements aus Fig. 3; und Fig. 4b eine schematische Darstellung der gegenüberliegenden Ansicht des Strömungsbeeinflussungselement aus Fig. 3. beide mit aufgebrachter Elastomerdichtung Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Brennstoffzellenanordnung 1 mit wenigstens zwei, in der Darstellung fünf Bipolarplatten 10 und wenigstens einer, in der Darstellung drei zwischen jeweils zwei Bipolarplatten 10 angeordneten Membran-Elektroden- Anordnungen 20. Zwischen jeweils einer Bipolarplatte 10 und einer Membran-Elektroden- Anordnung 20 ist jeweils ein Strömungsbeeinflussungselement 30 angeordnet. An den Seiten weist die Brennstoffzellenanordnung 1 jeweils eine Endplatte 3 auf. Der Ladungstransport innerhalb der Brennstoffzellenanordnung 1 ist durch Pfeile angedeutet. Wie in der Darstellung in Fig. 1 ebenfalls erkennbar ist, weisen die beiden außen an den
Endplatten 3 angeordneten Bipolarplatten 10 (formal können diese auch als Monopolarplatten bezeichnet werden) an einer Seite und die anderen Bipolarplatten 10 an beiden Seiten Strömungsprofile 11a zum Führen eines Prozessgases im Reaktionsbereich 11 an der Membran- Elektroden-Anordnung 20 auf. Das Strömungsbeeinflussungselement 30 dient zum lokalen Beeinflussen der Strömung des durch das angrenzende Strömungs profil 11 geführten Prozessgases. Ferner ist gezeigt, dass die Bipolarplatten 10 von einem Kühlmittel durchströmbare Kühlkanäle 14 aufweisen.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte 10 einer beispielhaften Brennstoffzellenanordnung 1 mit einem daran angeordneten Strömungsprofil 11a, welches zum Führen eines Prozessgases an einer Membran-Elektroden-Anordnung 20 ausgebildet ist. Das Strömungsprofil 11a wird von in die Bipolarplatte 10 eingebrachten Ausnehmungen gebildet. Der Querschnitt dieser Ausnehmungen wird im montierten Zustand der Brennstoffzellen anordnung 1 durch eine Fläche oder eine insbesondere spiegelbildlich ausgeführte, ebenfalls langgestreckte Ausnehmung einer an der Bipolarplatte 10 angeordneten Membran-Elektroden- Anordnung 20 geschlossen, so dass das Strömungsprofil 11a zusammen mit der Membran- Elektroden-Anordnung 20 wenigstens einen Kanal in einem Reaktionsbereich 11 ausbildet. Die Ausnehmungen der beispielhaften Ausführung weisen einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt zum Führen von Prozessgas auf. Die jeweiligen Ausnehmungen des Strömungsprofils 11a weisen beim Ausführungsbeispiel einen mäandrierenden Verlauf auf, wodurch das Prozessgas über einen großen Teil der Oberfläche der Membran -Elektroden- Anordnung 20 geführt wird, was eine günstige Reaktion des Prozessgases im Reaktionsbereich 11 ermöglicht.
In der Darstellung der Bipolarplatte 10 in Fig. 2 ist oben links eine Zuleitungsöffnung 16 dargestellt, welche zum Zuleiten eines ersten Prozessgases zum Strömungsprofil 11a und damit zum Reaktionsbereich 11 der Brennstoffzellenanordnung 1 vorgesehen ist. Bei der beispielhaften Ausführung der Brennstoffzellenanordnung 1 weisen auch die Membran-Elektroden- Anordnungen 20 sowie die Strömungsbeeinflussungselemente 30 jeweils an übereinstimmenden Positionen übereinanderliegend angeordnete Zuleitungsöffnungen 16 für ein erstes Prozessgas auf, welche so einen Zuleitungsbereich 26 für ein erstes Prozessgas ausbilden, über welchen den Reaktionsbereichen 11 der Brennstoffzellenanordnung 1 ein erstes Prozessgas zugeführt wird.
In gleicher Weise ist in der Bipolarplatte 10 in Fig. 2 unten rechts eine Ableitungsöffnung 17 für ein erstes Prozessgas ausgebildet, welche zum Ableiten von insbesondere verbrauchtem ersten Prozessgas aus der Brennstoffzelle vorgesehen ist. Bei der beispielhaften Ausführung der
Brennstoffzellenanordnung 1 weisen auch die Membran-Elektroden- Anordnungen 20 sowie die Strömungsbeeinflussungselemente 30 jeweils an übereinstimmenden Positionen übereinanderliegend angeordnete Ableitungsöffnungen 17 auf, welche so einen Ableitungsbereich 27 ausbilden, über den abgereichertes erstes Prozessgas und gegebenenfalls Reaktionsprodukte aus der Brennstoffzellenanordnung 1 abgeführt wird.
Ferner weist die dargestellte Bipolarplatte 10 eine Zuleitungsöffnung 13 für ein zweites Prozessgas und eine Ableitungsöffnung 15 für ein zweites Prozessgas auf, , welche jeweils mit einem entsprechenden Strömungsprofil auf der Rückseite der Bipolarplatte 10 verbunden sind.Die Zu- und Abführung eines Kühlmittels sowieein in der Bipolarplatte angeordnetes, innenliegendes Kühlflowfield sind nicht dargestellt.
In Fig. 2 sind beispielhaft auch die zum Teil benachbarten bzw. auch überlappenden Bereiche der Bipolarplatte 10 bzw. der Brennstoffzellenanordnung 1 erkennbar, welche gegenüber der Umgebung oder voneinander abzudichten sind, um eine geeignete Funktionsweise der
Brennstoffzellenanordnung 1 zu gewährleisten: entlang des Umfangs der Bipolarplatte 10, entlang des Rands der Reaktionsbereichs 11 und entlang des Umfangs der Zu- und Ableitungsöffnungen 16, 17 für ein erstes Prozessgas sowie der Zu- und Ableitungsöffnungen 13, 15 für ein zweites Prozessgas. Dabei ist auch erkennbar, dass insbesondere der gestrichelt markierte Übergangsbereich 12 besonders anspruchsvoll bezüglich einer geeigneten Abdichtung ist.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Bipolarplatte 10 aus Fig. 2 sowie eines beispielhaften Strömungsbeeinflussungselements 30. Wie gut erkennbar ist, entsprechen die Abmessungen sowie die Geometrie der am Strömungsbeeinflussungselement 30 angeordneten Zu- und Ableitungsöffnungen 13, 15 und 16, 17 für die Prozessgase denjenigen der Bipolarplatte 10. Das Strömungsbeeinflussungselement 30 weist im Reaktionsbereich 11 der Bipolarplatte 10 eine Vielzahl von regelmäßig oder unregelmäßig angeordneten Durchgangsöffnungen 32 auf, welche von Prozessgas durchströmbar sind.
Figs. 4a und 4b zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften Strömungsbeeinflussungselements 30 von je einer Seite. In den Figs. 4a und 4b sind die in diesem Ausführungsbeispiel regelmäßig angeordneten Durchgangsöffnungen 32 des Strömungsbeeinflussungselements 30 erkennbar. Darüber hinaus ist eine an beiden Seiten des Strömungsbeeinflussungselements 30 vorgesehene Dichtungseinrichtung 40 dargestellt, welche in Fig. 4a entlang des Umfangs des Strömungsbeeinflussungselements 30, entlang des Rands des an der Bipolarplatte 10 angeordneten Reaktionsbereichs 11 und entlang der Ränder der Zu- und Ableitungsöffnungen 16, 17 sowie 13 und 15 ausgebildet ist. Fig. 4a zeigt die der Membran- Elektroden- Anordnung 20 zugewandte Seite.
Wie in Fig. 4b erkennbar ist, weist die andere Seite des Strömungsbeeinflussungselements 30 (welche im eingebauten Zustand der Bipolarplatte 10 zugewandt ist) eine Dichtungseinrichtung 41 auf, welche im Wesentlichen der Dichtungseinrichtung 40 des in Fig. 4a dargestellten Strömungsbeeinflussungselements 30 entspricht, wobei diese in den Übergangsbereichen 12 allerdings ausgespart ist. Die Abdichtung in diesem Übergangsbereich findet auf der, der Membran-Elektroden- Anordnung zugewandten Seite des Strömungsbeeinflussungselements (Fig. 4a) statt. Am Strömungsbeeinflussungselement 30 können auf der, einer Bipolarplatte 10 zugewandten Seite im Bereich der Übergangsbereiche 12 Abstützelemente 42 angeordnet sein. BEZUGSZEICHENLISTE
I Brennstoffzellenanordnung
3 Endplatte
10 Bipolarplatte
I I Reaktionsbereich 11a Strömungsprofil
12 Übergangsbereich
13 Kühlmittelzuleitungsöffnung
14 Kühlmittelkanal
15 Kühlmittelableitungsöffnung 16 Zuleitungsöffnung
17 Ableitungsöffnung
20 Membran-Elektroden-Anordnung
26 Zuleitungsbereich
27 Ableitungsbereich 30 Strömungsbeeinflussungselement
32 Durchgangsöffnungen
40 Dichtungseinrichtung
41 Dichtungseinrichtung
42 Ab Stützelemente

Claims

ANSPRÜCHE
1. Brennstoffzellenanordnung mit wenigstens zwei Bipolarplatten (10) und wenigstens einer zwischen jeweils zwei Bipolarplatten (10) angeordneten Membran-Elektroden- Anordnung (20), sowie wenigstens einem zwischen jeweils einer Bipolarplatte (10) und einer Membran-Elektroden-Anordnung (20) angeordneten Strömungsbeeinflussungselement (30), dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsbeeinflussungselement (30) wenigstens eine Dichtungseinrichtung (40, 41) zum Abdichten wenigstens eines Bereichs zwischen der Bipolarplatte (10) und der Membran-Elektroden-Anordnung (20) aufweist.
2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wenigstens eine Dichtungseinrichtung (40, 41) wenigstens teilweise um einen Reaktionsbereich (11) erstreckt, der zum Überströmen der Membran-Elektroden- Anordnung (20) durch ein Prozessgas ausgebildet ist.
3. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wenigstens eine Dichtungseinrichtung (40, 41) wenigstens teilweise um einen Zuleitungsbereich (26) erstreckt, welcher zum Zuleiten von Prozessgas zum Reaktionsbereich (11) ausgebildet ist.
4. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wenigstens eine Dichtungseinrichtung (40, 41) wenigstens teilweise um einen Ableitungsbereich (27) erstreckt, welcher zum Ableiten von Prozessgas vom Reaktionsbereich (11) ausgebildet ist.
5. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die wenigstens eine Dichtungseinrichtung (40, 41) über einen Übergangsbereich (12) erstreckt, welcher zum Zuführen eines Prozessgases vom Zuleitungsbereich (26) zum Reaktionsbereich (11) oder zum Abführen eines Prozessgases vom Reaktionsbereich (11) zum Ableitungsbereich (27) ausgebildet ist.
6. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Dichtungseinrichtung (40, 41) wenigstens teilweise entlang des Rands des Strömungsbeeinflussungselements (30) erstreckt.
7. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Dichtungseinrichtung (40, 41) ausgebildet ist, den Bereich zwischen der Bipolarplatte (10) und der Membran-Elektroden- Anordnung
(20) form- und/ oder kraftschlüssig abzudichten.
8. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Dichtungseinrichtung (40, 41) ausgebildet ist, ein vorgeformtes Abdichtungselement aufzunehmen.
9. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Dichtungseinrichtung (40) ausgebildet ist, den Bereich zwischen der Bipolarplatte (10) und der Membran-Elektroden- Anordnung (20) stoffschlüssig abzudichten.
10. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsbeeinflussungselement (30) eine Vielzahl von regelmäßig angeordneten Durchgangsöffnungen (32) aufweist.
11 Strömungsbeeinflussungselement für eine Brennstoffzellenanordnung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche.
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