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WO2011026543A1 - Brennstoffzelleneinheit, brennstoffzellenstapel mit brennstoffzelleneinheiten - Google Patents

Brennstoffzelleneinheit, brennstoffzellenstapel mit brennstoffzelleneinheiten Download PDF

Info

Publication number
WO2011026543A1
WO2011026543A1 PCT/EP2010/004610 EP2010004610W WO2011026543A1 WO 2011026543 A1 WO2011026543 A1 WO 2011026543A1 EP 2010004610 W EP2010004610 W EP 2010004610W WO 2011026543 A1 WO2011026543 A1 WO 2011026543A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
seal
cell unit
mea plate
bipolar plates
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/004610
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Martin Erdmann
Martin Keuerleber
Uwe Pfister
Harald Tober
Original Assignee
Daimler Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler Ag filed Critical Daimler Ag
Publication of WO2011026543A1 publication Critical patent/WO2011026543A1/de

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Classifications

    • 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
    • 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
    • H01M8/028—Sealing means characterised by their material
    • H01M8/0284—Organic resins; Organic polymers
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    • 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
    • H01M8/0286—Processes for forming seals
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
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    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Fuel cell unit fuel cell stack with
  • the invention relates to a fuel cell unit with an MEA plate, with bipolar plates adjacent thereto, which are arranged such that an electrode space is formed on both sides of the MEA plate, with a seal, wherein the seal seals at least one of the electrode spaces and with a Weglandstopper Scheme , which is designed for spacing the bipolar plates and / or the MEA plate.
  • the invention also relates to a
  • Fuel cell systems are considered mobile
  • the fuel cell systems include one or more fuel cell stacks in which a plurality of individual fuel cells are arranged. It is common to place more than 50 or 100 such fuel cells per stack to achieve sufficient voltage.
  • the stack construction is also occupied with problems in terms of sealing and mechanical stress of the individual fuel cell or stacked body.
  • z. B a fuel cell stack with 100 fuel cells, so there are 200 electrode spaces, so cathode or
  • Anode rooms as well as a corresponding number of supply or discharge lines for the working gases.
  • One of the bipolar plates per fuel cell has a stopper in an edge region, which is provided, for example, by a thickening of the
  • Bipolar plate is formed so that the gap between the bipolar plates within a reasonable amount
  • the invention is based on the object
  • a fuel cell unit which is preferably suitable and / or designed for integration in a fuel cell stack for a vehicle.
  • the fuel cell unit comprises a MEA plate (membrane-electrode assembly), which at least one membrane, in particular a proton-conducting membrane (PEM), and preferably catalyst layers and / or
  • MEA plate and bipolar plates are used as stacked bodies in a fuel cell stack and / or in the
  • Fuel cell unit arranged. In the electrode spaces, which are separated by the membrane, takes place during operation of the electrochemical process through which
  • the fuel cell unit has a
  • the Hinterlandstopper Scheme which is designed for spacing the bipolar plates and / or the MEA plate in the stacking direction.
  • the Hinterlandstopper Bachelor is outside the electrode spaces, so separated from the electrode spaces by the seal arranged.
  • the seal is applied to the MEA plate via a spraying process.
  • Fuel cell stack or in the fuel cell unit the MEA plate can be applied. This will be the
  • the seal is made in a LIM (Liquid Injection Molding) process.
  • the MEA plate is placed in a tool and the seal, for example, as a liquid
  • Preferred materials for gaskets are elastomers, e.g. Silicones, silicone rubbers (eg VMQ, FVMQ), silicone-based elastomers (eg fluorosilicone, FVMQ), thermoplastic elastomers (TPE), butyl rubbers (HR), polybutyl rubbers (PIB), ethylene-propylene rubbers (EPDM), fluororubbers (FKM, FFKM ), as well as polyamide elastomers and
  • one of the aforementioned silicone material is preferred as the sealing material. It is particularly preferred if the seal after the
  • Spray process with the MEA plate is permanently connected.
  • the seal is forcibly mounted at the same time.
  • the connection between MEA plate and seal for example, via a
  • Material bond, a bond and / or a positive connection with the MEA plate done.
  • a positive connection e.g. corresponding recesses or through holes may be provided in the MEA plate.
  • the seal is formed completely circumferentially around the MEA plate. With a circumferential seal, the electrode spaces can be sealed very easily. Particularly preferably, the seal in a one-piece design seals both the
  • the seal surrounds the gas diffusion layer or layers in the stacking direction of the MEA plate and / or laterally seals.
  • the lateral and / or encompassing seal is completely circumferential around the MEA plate.
  • the Hinterlandstopper Schemee can also be made of an electrically insulating material. In a preferred embodiment of the invention, the electrical insulation between the
  • the seal extends to between the Schulandstopper Schemee the adjacent bipolar plates.
  • the seal also forms an elastic and / or electrically insulating intermediate element between the two
  • This embodiment has the advantage that components can be saved, as can be dispensed with an additional electrically insulating / elastic intermediate layer between the Deutschenlandstopper Symposiumen.
  • the bipolar plates may e.g. consist of a metallic or a graphitic material.
  • the Deutschenlandstopper Schemee are integrally formed with the bipolar plates.
  • the Schulandstopper Schemee are integrally formed with the bipolar plates.
  • a metallic material for example, when the
  • Bipolar plates are made of stainless steel sheets, the Schulandstopper Schemee can be introduced by forming.
  • the inland stopper regions are preferably created by ablating other regions.
  • Other manufacturing methods such as e.g. Urformen, joining etc. for the production of
  • the Hinterlandstopper Schemee can also be implemented yielding and / or elastic, wherein the elastic property is achieved either by a formula elasticity and / or a material elasticity. In the interpretation, however, it is preferred - as already explained - when the main force closure over the Deutschenlandstopper Schemee and only a side force across the seal or the active areas of
  • Fuel cell unit ie via the gas diffusion layer and the membrane are derived.
  • Another object of the invention relates to a
  • Fuel cell stack which is suitable and / or designed for a vehicle, in particular, to provide drive energy for a drive motor.
  • Fuel cell stack has a variety of
  • Fuel cell units is achieved that the end plates of the fuel cell stack over the
  • Figure 1 is a schematic longitudinal section along the
  • FIG. 1 shows in a schematic
  • Fuel cell unit 1 is designed in particular for mobile use, for example in a vehicle, for generating the drive energy.
  • a plurality for example, more than 50 or 100 such
  • Fuel cell units arranged in a fuel cell stack Fuel cell units arranged in a fuel cell stack.
  • the MEA plate 2 comprises a membrane 4, on both sides of each of which a catalyst layer 5 and a
  • Membrane 4, catalyst layer 5 and gas diffusion layer 6 extend flat in a plane perpendicular to the plane of the drawing.
  • the membrane 4 which is designed in particular as a proton exchange membrane (PEM)
  • PEM proton exchange membrane
  • Bipolar plates 3 the anode or cathode space 7 a, b is completed in or against the stacking direction S.
  • Bipolar plates 3 may be made of a graphitic material or - as shown here - of a metallic material, for example made of stainless steel sheets.
  • the seal between the bipolar plates 3 and the MEA plate 2 is effected by a seal 8, which is formed circumferentially around the anode or cathode space 7a, b.
  • seal 8 is designed as a LIM seal, that is to say a liquid injection molding seal, and is injection-molded laterally against the MEA plate 2 prior to installation of the MEA plate 2.
  • the seal 8 surrounds the MEA plate 2 such that the gas diffusion layers 6 are also encompassed in a U-shape.
  • the bipolar plates 3 show, at their edge regions facing away from the anode or cathode space 7a, an inland stop 9, that is to say a region whose
  • Extension or thickness in the stacking direction S is greater than the other bipolar plate 3.
  • these are yielding and / or elastic.
  • the elasticity is achieved in the embodiment in Figure 1 by a formula elasticity.
  • By Schulandstopper 9, a spacing of the bipolar plates 3 is ensured to each other outside the sealed area. This also leads to forces in the stacking direction S being removed via the hinterland stops 9 and not or less via the seals 8 or the gas diffusion layers 6.
  • the hinterland stops 9 are supported in the stacking direction S on both sides on the bipolar plates 3. In the embodiment shown, the
  • the hinterland stopper 9 are electrically insulated by an insulation 10.
  • the insulation 10 may be formed as an elastic intermediate layer be and thus represents another component, the interpretation of the relationship between the main power flow on the hinterland stopper 10 and the seal 8 is to influence.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of the fuel cell unit 1 as a second embodiment of the invention.
  • the insulation 10 is an integral part of the gasket 8.
  • the insulation 10 may be injected as a separate component into the gasket 8 and thus connected thereto.
  • the insulation 10 is injected together with the seal 8, ie urgeformt in the tool.
  • the Schulandstopper 9 are based on this

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelleneinheit bzw. einen Brennstoffzellenstapel mit derartigen Brennstoffzelleneinheiten vorzuschlagen, welche wirtschaftlich zu fertigen ist und zugleich eine hohe Funktionssicherheit bereitstellt. Es wird eine Brennstoffzelleneinheit 1 mit einer MEA-Platte 2, mit dazu benachbarten Bipolarplatten 3, die so angeordnet sind, dass sich beidseitig zu der MEA-Platte 2 jeweils ein Elektrodenraum 7a, b ausbildet, mit einer Dichtung 8, wobei die Dichtung 8 mindestens einen der Elektrodenräume 7a, b abdichtet, einen Hinterlandstopperbereich 9, welcher zur Beabstandung der Bipolarplatten 3 und/oder der MEA-Platte 2 ausgebildet ist, vorgeschlagen, wobei die Dichtung 8 über ein Spritzverfahren an die MEA-Platte 2 appliziert ist.

Description

Brennstoffzelleneinheit, Brennstoffzellenstapel mit
BrennstoffZeileneinheiten
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit mit einer MEA-Platte, mit dazu benachbarten Bipolarplatten, die so angeordnet sind, dass sich beidseitig zu der MEA-Platte jeweils ein Elektrodenraum ausbildet, mit einer Dichtung, wobei die Dichtung mindestens einen der Elektrodenräume abdichtet und mit einem Hinterlandstopperbereich, welcher zur Beabstandung der Bipolarplatten und/oder der MEA-Platte ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch einen
Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl dieser
BrennstoffZeileneinheiten .
Brennstoffzellensysteme werden als mobile
Energieversorgungseinheiten bei Fahrzeugen eingesetzt und stellen den für einen Antriebsmotor notwendigen Strom zur Verfügung. Die Brennstoffzellensysteme umfassen ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel, in denen eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen angeordnet sind. Es ist üblich, mehr als 50 oder 100 derartiger Brennstoffzellen pro Stapel anzuordnen, um eine ausreichende Spannung bzw. Leistung zu erreichen.
Die Stapelbauweise ist jedoch auch mit Problemen hinsichtlich der Abdichtung und der mechanischen Belastung der einzelnen Brennstoffzellen bzw. Stapelkörper belegt. Betrachtet man z. B. einen Brennstoffzellenstapel mit 100 Brennstoffzellen, so ergeben sich 200 Elektrodenräume, also Kathoden- oder
Anodenräume, sowie eine entsprechende Anzahl von Zu- oder Ableitungen für die Arbeitsgase.
Die Druckschrift US 2006/70147785 AI, die wohl den
nächstkommenden Stand der Technik bildet, zeigt einen
Brennstoffzellenstapel mit Bipolarplatten und MEA-Einheiten als Stapelkörper, die abwechselnd angeordnet sind, wobei Brennstoffzellen gebildet werden. Eine der Bipolarplatten pro Brennstoffzelle weist in einem Randbereich einen Stopper auf, welcher beispielsweise durch eine Verdickung der
Bipolarplatte gebildet ist, so dass der Zwischenraum zwischen den Bipolarplatten innerhalb eines vernünftigen Maßes
kontrolliert ist und insbesondere kein zu enger oder zu weiter Spalt zwischen den Bipolarplatten entstehen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Brennstoffzelleneinheit bzw. einen Brennstoffzellenstapel mit derartigen BrennstoffZeileneinheiten vorzuschlagen, welche wirtschaftlich zu fertigen ist und zugleich eine hohe
Funktionssicherheit bereitstellt .
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelleneinheit mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch einen
Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruches 14 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der
nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Im Rahmen der Erfindung wird eine Brennstoffzelleneinheit vorgeschlagen, welche bevorzugt für die Integration in einen Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug geeignet und/oder ausgebildet ist. Die Brennstoffzelleneinheit umfasst eine MEA-Platte (Membran-Electrode-Assembly) , welche mindestens eine Membran, insbesondere eine protonenleitende Membran (PEM), sowie vorzugsweise Katalysatorschichten und/oder
Gasdiffusionslagen aufweist.
Dazu benachbart sind Bipolarplatten angeordnet, die
beidseitig zu der MEA-Platte jeweils einen Elektrodenraum, nämlich einen Anodenraum und einen Kathodenraum, ausbilden. MEA-Platte und Bipolarplatten werden als Stapelkörper in einem Brennstoffzellenstapel und/oder in der
Brennstoffzelleneinheit angeordnet. In den Elektrodenräumen, welche durch die Membran voneinander getrennt sind, findet im Betrieb der elektrochemische Prozess statt, durch den
chemische Energie aus einem Brennstoff, meist Wasserstoff, und einem Oxidanten, meist Sauerstoff, in elektrische Energie gewandelt wird.
Es ist eine Dichtung vorgesehen, wobei die Dichtung
mindestens einen, vorzugsweise beide Elektrodenräume,
insbesondere umlaufend abdichtet.
Zudem weist die Brennstoffzelleneinheit einen
Hinterlandstopperbereich auf, welcher zur Beabstandung der Bipolarplatten und/oder der MEA-Platte in Stapelrichtung ausgebildet ist. Der Hinterlandstopperbereich ist außerhalb der Elektrodenräume, also von den Elektrodenräumen durch die Dichtung getrennt, angeordnet.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Dichtung über ein Spritzverfahren an die MEA-Platte appliziert ist.
Vorteile des neuen Konzeptes sind darin zu sehen, dass die Dichtung bereits vor dem Einbau der MEA-Platte in den
Brennstoffzellenstapel bzw. in die Brennstoffzelleneinheit an die MEA-Platte appliziert werden kann. Dadurch wird die
Montage wesentlich vereinfacht, da eine Fehlmontage der
Dichtung als separates Teil nicht erfolgen kann.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Funktion
„Positionierung" der Stapelkörper in Stapelrichtung im Stapel zueinander von der Funktion der Abdichtung der Gase im Stapel entkoppelt ist. Damit kann die Dichtung entlastet werden und optional weicher ausgelegt werden.
Durch diese neue Designfreiheit kann eine optimale Auslegung sowohl für die Positionierungsfunktion als auch für die
Dichtungsfunktion hinsichtlich Werkstoff und
Fertigungstechnologie erreicht werden. Insgesamt ergibt sich eine einfach zu montierende und damit kostengünstige und sehr funktionssichere Brennstoffzelleneinheit .
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Dichtung in einem LIM-Verfahren (Liquid-Inj ection-Molding) hergestellt. Hierbei wird die MEA-Platte in ein Werkzeug eingelegt und die Dichtung zum Beispiel als flüssiger
Zweikomponentenkunststoff angespritzt .
Bevorzugte Materialien für Dichtungen sind Elastomere wie z.B. Silikone, Silikonkautschuke (z.B. VMQ, FVMQ) , Elastomere auf Silikonbasis (z.B. Fluorsilikone, FVMQ), thermoplastische Elastomere (TPE) , Butylkautschuke (HR), Polybutylkautschuke (PIB), Ethylen-Propylen-Kautschuke (EPDM) , Fluorkautschuke (FKM, FFKM) , sowie ferner Polyamidelastomere und
Polyurethankautschuke und dergleichen. Prinzipiell kommen auch Kombinationen und Mischungen von den vorstehend
genannten Materialien in Frage. Bei der vorliegenden
Erfindung ist jedoch einer der vorgenannten Silikonwerkstoff als Dichtungsmaterial bevorzugt. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Dichtung nach dem
Spritzverfahren mit der MEA-Platte unlösbar verbunden ist. In dieser Ausführungsform wird bei der Montage der MEA-Platte in dem Stapel bzw. der Brennstoffzelleneinheit zwangsweise zugleich die Dichtung montiert. Die Verbindung zwischen MEA- Platte und Dichtung kann beispielsweise über einen
Stoffschluss , einen Haftschluss und/oder einen Formschluss mit der MEA-Platte erfolgen. Bei einem Formschluss können z.B. entsprechende Aussparungen oder Durchgangsöffnungen in der MEA-Platte vorgesehen sein.
Es ist besonders bevorzugt, wenn die Dichtung vollständig umlaufend um die MEA-Platte ausgebildet ist. Mit einer umlaufenden Dichtung können die Elektrodenräume besonders einfach abgedichtet werden. Besonders bevorzugt dichtet die Dichtung in einer einstückigen Ausbildung sowohl den
Anodenraum als auch den Kathodenraum ab.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist
vorgesehen, dass die Dichtung die Gasdiffusionslage oder -lagen in Stapelrichtung der MEA-Platte umgreift und/oder seitlich abdichtet. Vorzugsweise erfolgt die seitliche und/oder umgreifende Abdichtung vollständig umlaufend um die MEA-Platte. Bei einem Umgreifen zeigt die Dichtung im
Kontaktbereich zu der MEA-Platte in einem Längsschnitt parallel zur Stapelrichtung zum Beispiel eine U-förmige
Gestalt, wobei die freien Schenkel des U auf der Oberseite bzw. Unterseite der MEA-Platte anliegen. Falls nur die
Seitenflächen senkrecht zur Stapelrichtung abgedichtet sein sollen, sind auf der Oberseite bzw. Unterseite der MEA-Platte keine Dichtungsbereiche positioniert. Es ist jedoch besonders bevorzugt, wenn die Dichtung in
Stapelrichtung zumindest in Abschnitten zwischen der MEA- Platte, insbesondere der Gasdiffusionslage, und der
benachbarten Bipolarplatte abdichtend angeordnet ist, so dass sich ein Kraftschluss zwischen Bipolarplatte, Dichtung und Gasdiffusionslage in Stapelrichtung ergibt. Die Dichtung erfolgt somit nicht oder nicht nur zwischen den
Bipolarplatten, sondern zwischen der MEA-Platte und der
Bipolarplatte. Für den Fall, dass die Bipolarplatte
metallisch ausgebildet ist, kann diese eine parallel zur Dichtung verlaufende Sicke aufweisen, um die
Funktionssicherheit der Dichtung zu erhöhen.
Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausbildung ist
vorgesehen, dass sich die Hinterlandstopperbereiche
benachbarter Bipolarplatten gegenseitig abstützen. Der
Kraftfluss erfolgt dann zwischen den Bipolarplatten unter Ausklammerung der MEA-Platte. Es ist dabei optional möglich, dass zwischen den Hinterlandstopperbereichen benachbarter Bipolarplatten eine elektrische Isolierung und/oder ein elastischer Bereich angeordnet ist.
Allgemein ist es nämlich bevorzugt, wenn der
Hauptkraftschluss des Brennstoffzellenstapels über die
Hinterlandstopperbereiche erfolgt und nur ein kleinerer Nebenkraftschluss über die Dichtungen abgetragen wird, um diese unabhängig von mechanischen Belastungen auslegen zu können. Es ist jedoch sinnvoll, zwischen den
Hinterlandstopperbereichen elektrische Isolierungen
anzuordnen, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Alternativ hierzu können die Hinterlandstopperbereiche auch aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt sein. Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die elektrische Isolierung zwischen den
Hinterlandstopperbereichen elastisch ausgebildet, um etwaige Fertigungstoleranzen elastisch ausgleichen zu können.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Dichtung bis zwischen die Hinterlandstopperbereiche der angrenzenden Bipolarplatten. Damit bildet die Dichtung neben der Dichtungsfunktion auch ein elastisches und/oder elektrisch isolierendes Zwischenelement zwischen den
Hinterlandstopperbereichen aus. Diese Ausführungsform hat de Vorteil, dass Bauteile eingespart werden können, da auf eine zusätzliche elektrisch isolierende/elastische Zwischenlage zwischen den Hinterlandstopperbereichen verzichtet werden kann .
Die Bipolarplatten können z.B. aus einem metallischen oder einem graphitischen Werkstoff bestehen. Die
Hinterlandstopperbereiche können umlaufend und/oder
unterbrochen und/oder nur in Bereichen angebracht sein.
Insellösungen sind ebenfalls möglich.
Besonders bevorzugt sind die Hinterlandstopperbereiche einstückig mit den Bipolarplatten ausgebildet. Im Fall eines metallischen Werkstoffes, zum Beispiel, wenn die
Bipolarplatten aus Edelstahlblechen gefertigt sind, können die Hinterlandstopperbereiche durch Umformen eingebracht werden. Im Fall von graphitischen Materialien werden die Hinterlandstopperbereiche vorzugsweise durch Abtragen von anderen Bereichen erzeugt. Andere Fertigungsverfahren wie z.B. Urformen, Fügen etc zur Fertigung der
Hinterlandstopperbereiche sind ebenfalls denkbar. Prinzipiel ist es auch möglich, dass die Hinterlandstopperbereiche als separate Bauteile eingesetzt werden. Die Hinterlandstopperbereiche können in manchen
Ausführungsformen starr oder im Wesentlichen starr
ausgebildet sein. Bei anderen Ausführungsformen können die Hinterlandstopperbereiche auch nachgiebig und/oder elastisch realisiert sein, wobei die elastische Eigenschaft wahlweise durch eine Formelastizität und/oder eine Werkstoffelastizität erreicht wird. Bei der Auslegung ist es jedoch - wie bereits erläutert - bevorzugt, wenn der Hauptkraftschluss über die Hinterlandstopperbereiche und nur ein Nebenkraftschluss über die Dichtung oder die aktiven Bereiche der
Brennstoffzelleneinheit , also über die Gasdiffusionslage und die Membran, abgeleitet werden. Somit wird durch das
Abstützen der Bipolarplatten über die
Hinterlandstopperbereiche der Hauptdichtbereich aus dem
Hauptkraftschluss genommen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft einen
Brennstoffzellenstapel, welcher für ein Fahrzeug geeignet und/oder ausgebildet ist, insbesondere, um Antriebsenergie für einen Antriebsmotor zur Verfügung zu stellen. Der
Brennstoffzellenstapel weist eine Vielzahl von
Brennstoffzelleneinheiten auf, wie sie zuvor beschrieben worden sind bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen
Brennstoffzelleneinheiten wird erreicht, dass die Endplatten des Brennstoffzellenstapels sich über die
Hinterlandstopperbereiche und die aktiven Bereiche abstützen, wobei der Hauptkraftschluss über die
Hinterlandstopperbereiche erfolgt .
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen: Figur 1 einen schematischen Längsschnitt entlang der
Stapelrichtung durch eine BrennstoffZeileneinheit als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 in gleicher Darstellung wie die Figur 1 ein zweites
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Figur 1 zeigt in einer schematischen
Längsschnittdarstellung eine Brennstoffzelleneinheit 1 als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die
Brennstoffzelleneinheit 1 ist insbesondere für einen mobilen Einsatz, zum Beispiel in einem Fahrzeug, zur Erzeugung der Antriebsenergie ausgelegt. Hierzu werden eine Vielzahl, zum Beispiel mehr als 50 oder 100 derartiger
BrennstoffZeileneinheiten in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet .
In dem gezeigten Bereich sind drei Stapelkörper in einer Stapelrichtung S angeordnet, wobei mittig eine MEA-Platte 2 liegt, die in Stapelrichtung S beidseitig an Bipolarplatten 3 angrenzt. Die MEA-Platte 2 umfasst eine Membran 4, an die beidseitig jeweils eine Katalysatorschicht 5 und eine
Gasdiffusionslage 6 angrenzen. Membran 4, Katalysatorschicht 5 und Gasdiffusionslage 6 erstrecken sich flächig in einer Ebene senkrecht zu der Zeichenebene. Durch die Membran 4, welche insbesondere als eine Protonenaustauschmembran (PEM) ausgebildet ist, wird ein Anodenraum und ein Kathodenraum 7a, b voneinander getrennt. Durch die angrenzenden
Bipolarplatten 3 wird der Anoden- bzw. Kathodenraum 7a, b in bzw. gegen die Stapelrichtung S abgeschlossen. Die
Bipolarplatten 3 können aus einem graphitischen Werkstoff oder - wie hier gezeigt - aus einem metallischen Werkstoff, z.B. aus Edelstahlblechen, gefertigt sein. Die Abdichtung zwischen den Bipolarplatten 3 und der MEA- Platte 2 erfolgt durch eine Dichtung 8, welche umlaufend um den Anoden- bzw. Kathodenraum 7a, b ausgebildet ist. Die
Dichtung 8 ist in dem gezeigten Beispiel als LIM-Dichtung, also eine Liquid-Injection-Molding-Dichtung ausgebildet und wird vor dem Einbau der MEA-Platte 2 seitlich umlaufend an die MEA-Platte 2 angespritzt. Wie sich aus der Figur 1 ergibt, umgreift die Dichtung 8 die MEA-Platte 2 so, dass auch die Gasdiffusionslagen 6 u-förmig mit umgriffen sind. Durch diese Ausführung erfolgt die Abdichtung der Kathodenbzw. Anodenräume 7a, b nicht nur in lateraler Richtung neben der MEA-Platte 2, sondern in Stapelrichtung S auch
deckungsgleich zu der MEA-Platte 2.
Konstruktiv betrachtet zeigen die Bipolarplatten 3 an ihren den Anoden- bzw. Kathodenraum 7a, abgewandten Randbereichen einen Hinterlandstopper 9, also einen Bereich, dessen
Erstreckung oder Dicke in Stapelrichtung S größer als die sonstige Bipolarplatte 3 ist. Optional sind diese nachgiebig und/oder elastisch ausgebildet. Die Elastizität wird bei dem Ausführungsbeispiel in der Figur 1 durch eine Formelastizität erreicht. Durch den Hinterlandstopper 9 wird außerhalb des abgedichteten Bereichs eine Beabstandung der Bipolarplatten 3 zueinander sicher gestellt. Dies führt auch dazu, dass Kräfte in Stapelrichtung S über die Hinterlandstopper 9 abgetragen werden und nicht oder weniger über die Dichtungen 8 oder die Gasdiffusionslagen 6. Die Hinterlandstopper 9 stützen sich dabei in Stapelrichtung S beidseitig an den Bipolarplatten 3 ab. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die
Hinterlandstopper 9 einstückig mit den Bipolarplatten 3 ausgebildet. Zueinander sind die Hinterlandstopper 9 durch eine Isolierung 10 elektrisch isoliert. Optional kann die Isolierung 10 als eine elastische Zwischenschicht ausgebildet sein und stellt damit eine weitere Komponente dar, über deren Auslegung das Verhältnis zwischen Hauptkraftfluss über die Hinterlandstopper 10 und die Dichtung 8 zu beeinflussen ist.
Die Figur 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 als ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Vergleich zu der Ausführungsform in der Figur 1 ist die Isolierung 10 ein integraler Bestandteil der Dichtung 8. Bei einer ersten Alternative kann die Isolierung 10 als ein separates Bauteil in die Dichtung 8 eingespritzt sein und so mit dieser verbunden sein. Bei einer anderen Umsetzungsalternative wird die Isolierung 10 gemeinsam mit der Dichtung 8 gespritzt, also im Werkzeug urgeformt. Die Hinterlandstopper 9 stützen sich bei diesem
Ausführungsbeispiel unmittelbar auf der Dichtung 8 bzw. der Isolierung 10 ab.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzelleneinheit
2 MEA-Platte
3 Bipolarplatte
4 Membran
5 Katalysatorschicht
6 Gasdiffusionslage
7a, Anoden- und Kathodenraum
8 Dichtung
9 Hinterlandstopper
10 Isolierung

Claims

Patentansprüche
Brennstoffzelleneinheit (1) mit einer EA-Platte (2), mit dazu benachbarten Bipolarplatten (3), die so
angeordnet sind, dass sich beidseitig zu der MEA-Platte (2) jeweils ein Elektrodenraum (7a, b) ausbildet, mit einer Dichtung (8), wobei die Dichtung (8) mindestens einen der Elektrodenräume (7a,b) abdichtet, einen Hinterlandstopperbereich (9), welcher zur
Beabstandung der Bipolarplatten (3) und/oder der MEA- Platte (2) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet dass die Dichtung (8) über ein Spritzverfahren an die MEA-Platte
(2) appliziert ist.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (8) in einem LIM- Verfahren (Liquid Injection Moulding) Verfahren
hergestellt ist.
3. Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (8) aus Silikon besteht und/oder umfasst.
4. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung mit der MEA-Platte (2) unlösbar verbunden ist.
5. Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Dichtung (8) stoffschlüssig, haftschlüssig und/oder formschlüssig mit der MEA-Platte (2) verbunden ist.
6. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (8) vollständig um die MEA-Platte (2) ausgebildet ist.
7. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die MEA-Platte (2) eine Membran (4), Katalysatorschichten (5) und
Gasdiffusionslagen (6) umfasst, wobei die Dichtung (8) die Gasdiffusionslagen (6) in Stapelrichtung (S)
vollständig umgreift und/oder seitlich abdichtet.
8. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (8) in Stapelrichtung (S) zumindest abschnittsweise zwischen der MEA-Platte (2) , insbesondere der Gasdiffusionslage (6) , und der benachbarten Bipolarplatte (3) abdichtend angeordnet ist.
9. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die
Hinterlandstopperbereiche (9) benachbarter Bipolarplatten (3) gegenseitig abstützen.
10. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Hinterlandstopperbereichen (9) benachbarter
Bipolarplatten (3) eine elektrische Isolierung (10) angeordnet ist.
11. Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung (10) elastisch ausgebildet ist.
12. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Dichtung (8) bis zwischen die Hinterlandstopperbereiche (9) der angrenzenden Bipolarplatten (3) erstreckt.
13. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Hinterlandstopperbereiche (9) elastisch ausgebildet sind.
14. Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug, gekennzeichnet durch eine Vielzahl der BrennstoffZeileneinheiten (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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