Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle Fuel cell, fuel cell stack and method for sealing a fuel cell
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektroden-Anordnung, welche zwischen einem ersten Verteilelement zum Beaufschlagen einer Anode der Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Brennstoff und einem zweiten Verteilelement zum Beaufschlagen einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Oxidationsmittel angeordnet ist. Die Brennstoffzelle umfasst ein Dichtelement, welches mit der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden ist. Hierbei sind das Dichtelement und wenigstens eines der Verteilelemente zumindest bereichsweise kontaktiert, wodurch ein Anlagebereich ausgebildet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl derartiger Brennstoffzellen und ein Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle.The invention relates to a fuel cell with a membrane-electrode arrangement, which is arranged between a first distribution element for charging an anode of the membrane electrode assembly with a fuel and a second distribution element for charging a cathode of the membrane-electrode assembly with an oxidizing agent , The fuel cell comprises a sealing element, which is connected to the membrane electrode assembly. Here, the sealing element and at least one of the distribution elements are at least partially contacted, whereby a contact area is formed. Furthermore, the invention relates to a fuel cell stack with a plurality of such fuel cells and a method for sealing a fuel cell.
Die EP 1 614 181 B1 beschreibt eine Membran-Elektroden-Anordnung mit integrierter Dichtung. Ein an einem Rand der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnete Dichtelement ist in einem Anbindungsbereich zwischen der Dichtung und der Membran-Elektroden-Anordnung so ausgebildet, dass Dichtmaterial Poren der Kathode bzw. der Anode durchdringt. Die porösen Elektroden sind also in dem Anbindungsbereich mit dem Material des Dichtelements gesättigt. Im Anbindungsbereich bildet das Dichtmaterial ein Kissen, dessen Dicke größer ist als eine Dicke der planaren Membran-Elektroden-Anordnung. Das Dichtmaterial bildet darüber hinaus einen zweiten, zum Rand hin weiter außen als das Kissen angeordneten Dichtwulst, wobei eine Dicke des Dichtwulstes größer ist als eine Dicke des Kissens. Wird nun die Membran-Elektroden-Anordnung mit der integrierten Dichtung zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet, so ist der Dichtwulst in Nuten der Bipolarplatten aufgenommen. Die Nuten weisen eine Breite auf, dass in ihnen neben dem Dichtwulst auch das Kissen aufgenommen ist. Werden dann die Bipolarplatten zusammengepresst, so verformt sich der umlaufende Dichtwulst. Der Dichtwulst kann beim Zusammenpressen der Bipolarplatten vergleichsweise stark komprimiert und dabei deformiert werden, ohne dass
die Kompression des Dichtelements zu einer Scherbeanspruchung im Bereich des Kissens führt. Dadurch ist sichergestellt, dass das Zusammenpressen des Dichtelements nicht zu einem Loslösen der Dichtung von der Membran-Elektroden-Anordnung in dem Anbindungsbereich führt. An dem Kissen ist eine Schräge ausgebildet, welche vor dem Zusammenpressen der Bipolarplatten mit einer in der Nut ausgebildeten Schräge in Anlage gebracht wird, um die Bipolarplatten bezüglich der Membran-Elektroden-Anordnung definiert auszurichten und zu zentrieren.EP 1 614 181 B1 describes a membrane-electrode assembly with integrated seal. A sealing element arranged at an edge of the membrane-electrode arrangement is formed in a connection region between the seal and the membrane-electrode arrangement in such a way that sealing material penetrates pores of the cathode or of the anode. The porous electrodes are thus saturated in the connection region with the material of the sealing element. In the connection region, the sealing material forms a cushion whose thickness is greater than a thickness of the planar membrane-electrode arrangement. The sealing material also forms a second, more towards the edge of the outside than the cushion arranged sealing bead, wherein a thickness of the sealing bead is greater than a thickness of the pad. If the membrane-electrode assembly with the integrated seal is now arranged between two bipolar plates, then the sealing bead is received in grooves of the bipolar plates. The grooves have a width that in addition to the sealing bead and the cushion is added. If the bipolar plates are then pressed together, the peripheral sealing bead deforms. The sealing bead can be relatively compressed during compression of the bipolar plates and thereby deformed without the compression of the sealing element leads to a shear stress in the region of the pad. This ensures that the compression of the sealing element does not lead to a detachment of the seal from the membrane-electrode assembly in the connection region. Formed on the pad is a bevel which, prior to compression of the bipolar plates, is brought into abutment with a groove formed in the groove to properly align and center the bipolar plates with respect to the membrane-electrode assembly.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Brennstoffzelle der eingangs genannten Art, einen verbesserten Brennstoffzellenstapel und ein verbessertes Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle bereitzustellen.The object of the present invention is to provide an improved fuel cell of the aforementioned type, an improved fuel cell stack and an improved method for sealing a fuel cell.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Des Weiteren wird diese Aufgabe durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13, und durch Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by a fuel cell having the features of patent claim 1. Furthermore, this object is achieved by a fuel cell stack having the features of patent claim 13, and by methods having the features of patent claim 14. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the respective dependent claims.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung, welche zwischen zwei Verteilelementen angeordnet ist. Ein erstes der zwei Verteilelemente dient zum Beaufschlagen einer Anode der Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Brennstoff. Das zweite Verteilelement dient zum Beaufschlagen einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Oxidationsmittel. Ein Dichtelement ist mit der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden. Hierbei sind das Dichtelement und wenigstens eines der Verteilelemente zumindest bereichsweise in Kontakt, so dass ein Anlagebereich ausgebildet ist. In dem Anlagebereich ist eine Gleitfläche bereitgestellt, mittels welcher bei einem Zusammendrücken der zwei Verteilelemente die zwischen den zwei Verteilelementen angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Schubspannung beaufschlagbar ist.The fuel cell according to the invention comprises a membrane-electrode arrangement which is arranged between two distribution elements. A first of the two distribution elements is used to apply a fuel to an anode of the membrane-electrode arrangement. The second distribution element is used to apply a cathode to an electrode of the membrane-electrode assembly with an oxidizing agent. A sealing element is connected to the membrane-electrode assembly. Here, the sealing element and at least one of the distribution elements at least partially in contact, so that a contact area is formed. In the contact area, a sliding surface is provided, by means of which, when the two distribution elements are compressed, a shear stress can be applied to the membrane-electrode arrangement arranged between the two distribution elements.
Wirkt beim Zusammendrücken der zwei Verteilelemente in Richtung aufeinander zu ein Druck senkrecht auf die planare Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), so wirkt die Schubspannung, mit welcher die Membran-Elektroden-Anordnung beaufschlagt wird, tangential zu der Membran-Elektroden-Anordnung. Dadurch ist beim Zusammendrücken der Verteilelemente die zwischen diesen angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung in Richtung der Schubspannung spannbar. Im unverpressten Zustand der Brennstoffzelle,
also vor dem Zusammendrücken der zwei Verteilelemente ist hierbei eine von der Membran-Elektroden-Anordnung und dem mit dieser verbundenen Dichtelement eingenommene Fläche kleiner als eine Fläche im verpressten Zustand, in welchem die zwei Verteilelemente zusammengedrückt sind. Durch das beim Zusammendrücken der zwei Verteilelemente bewirkte Gleiten entlang der Gleitfläche ist also die Membran-Elektroden-Anordnung in einen definierten Spannzustand überführbar.When pressure is applied perpendicular to the planar membrane-electrode assembly (MEA) as the two distributing members are compressed toward each other, the shear stress applied to the membrane-electrode assembly acts tangentially to the membrane-electrode assembly. As a result, when the distributor elements are compressed, the membrane-electrode arrangement arranged between them can be tensioned in the direction of the shear stress. In the unpressed state of the fuel cell, in other words, before the compression of the two distribution elements, an area occupied by the membrane-electrode arrangement and the sealing element connected thereto is smaller than a surface in the compressed state in which the two distribution elements are compressed. As a result of the sliding along the sliding surface caused when the two distributing elements are compressed, the membrane-electrode arrangement can therefore be converted into a defined clamping state.
Dadurch ist eine definierte Dichtung zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und dem jeweiligen Verteilelement sowie eine definierte Dichtung zwischen den beiden Verteilelementen erreichbar. Undichtigkeiten sind so besonders sicher und insbesondere über einen langen Betriebszeitraum der Brennstoffzelle hinweg besonders weitgehend vermeidbar. Das auf diese Weise zwischen den Verteilelementen angeordnete Dichtelement sorgt zudem für eine besonders guten Isolierung der Verteilelemente voneinander.As a result, a defined seal between the membrane electrode assembly and the respective distribution element and a defined seal between the two distribution elements can be achieved. Leaks are so particularly safe and particularly largely avoidable over a long period of operation of the fuel cell. The arranged in this way between the distribution elements sealing element also ensures a particularly good insulation of the distribution elements from each other.
Eine derartige Brennstoffzelle ermöglicht eine kostengünstige, besonders prozesssichere und reproduzierbare Montage. Darüber hinaus weist die Brennstoffzelle eine besonders lange Lebensdauer auf.Such a fuel cell allows a cost-effective, particularly reliable and reproducible assembly. In addition, the fuel cell has a particularly long life.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Gleitfläche als Schräge an dem Dichtelement bereitgestellt. Hierbei gleitet beim Zusammendrücken der zwei Verteilelemente wenigstens eines der Verteilelement entlang der Schräge herab und beaufschlagt so die Membran-Elektroden-Anordnung mit der Schubspannung.In an advantageous embodiment of the invention, the sliding surface is provided as a slope on the sealing element. During the compression of the two distribution elements, at least one of the distribution elements slides down along the slope and thus acts on the membrane-electrode arrangement with the shear stress.
Alternativ, bevorzugt jedoch ergänzend ist eine weitere Gleitfläche als Schräge an wenigstens einem der zwei Verteilelemente bereitgestellt. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die zwei Verteilelemente die Schräge aufweisen, welche mit einer jeweiligen Schräge an dem Dichtelement korrelieren. Beim Zusammendrücken der zwei Verteilelemente gleiten dann die Schrägen aneinander entlang und bewirken so das Spannen der Membran-Elektroden-Anordnung. Das Vorsehen der Schrägen sowohl an dem Dichtelement als auch an den zwei Verteilelementen vereinfacht ein besonders reibungsarmes Entlanggleiten der Schrägen aneinander.Alternatively, but preferably in addition, a further sliding surface is provided as a slope on at least one of the two distribution elements. In particular, it is advantageous if the two distribution elements have the bevel, which correlate with a respective slope on the sealing element. Upon compression of the two distribution elements then slide the slips along each other and thus cause the tensioning of the membrane-electrode assembly. The provision of the bevels on both the sealing element and on the two distribution elements simplifies a particularly low-friction sliding along the slopes to each other.
Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn in Richtung der Schubspannung eine Länge der Schräge an dem Dichtelement einer Länge der Schräge an dem Verteilelement gleich ist. Dadurch ist eine vergleichsweise große Gleitfläche bereitgestellt, welche ein besonders weitgehendes Verringern der Gleitreibung der Schrägen ermöglicht.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn an zumindest ein Ende der zumindest einen Gleitfläche in Richtung der Schubspannung eine Anlagefläche angrenzt. Bevorzugt ist diese Anlagefläche eben. Des Weiteren können an beiden Enden der Gleitfläche ebene Anlageflächen angrenzen. Eine solche Anlagefläche stellt - im verpressten Zustand der Brennstoffzelle - einen weiteren Anlagebereich zwischen dem Dichtelement und wenigstens einem der Verteilelemente bereit, so dass durch das Dichtelement ein in Richtung der Schubspannung besonders breiter Dichtsaum bereitgestellt ist.It is particularly advantageous if, in the direction of the shear stress, a length of the slope on the sealing element is equal to a length of the slope on the distribution element. As a result, a comparatively large sliding surface is provided, which enables a particularly extensive reduction of the sliding friction of the bevels. As a further advantage, it has been shown when adjacent to at least one end of the at least one sliding surface in the direction of the shear stress a contact surface. Preferably, this contact surface is flat. Furthermore, planar contact surfaces can adjoin at both ends of the sliding surface. Such a contact surface provides - in the compressed state of the fuel cell - another contact area between the sealing element and at least one of the distribution elements, so that is provided by the sealing element in the direction of the shear stress particularly wide Dichtsaum.
Ist die Anlagefläche eben ausgebildet, so ist beim Zusammendrücken der Verteilelemente mit der zwischen den zwei Verteilelementen angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung im Bereich der Anlagefläche eine besonders hohe Dichtkraft erreichbar. Insbesondere ist so beim Zusammendrücken der Verteilelemente eine konstante und konstant hohe Flächenpressung zwischen dem Dichtelement und den Verteilelementen erreichbar.If the abutment surface is of a planar design, a particularly high sealing force can be achieved in the region of the abutment surface when the distributor element is compressed with the membrane-electrode assembly arranged between the two distributor elements. In particular, a constant and constantly high surface pressure between the sealing element and the distribution elements can be achieved when the distribution elements are compressed.
Wenn die zumindest eine Gleitfläche um die Membran-Elektroden-Anordnung umlaufend ausgebildet ist, so erfolgt beim Beaufschlagen der Membran-Elektroden-Anordnung mit der Schubspannung ein umlaufendes und definiertes Spannen der Membran-Elektroden-Anordnung. Bevorzugt erfährt das mit derIf the at least one sliding surface is formed circumferentially around the membrane-electrode arrangement, when the membrane-electrode arrangement is acted upon by the shear stress, a circulating and defined clamping of the membrane-electrode arrangement takes place. Preferably learns with the
Membran-Elektroden-Anordnung verbundene Dichtelement beim Zusammendrücken der Verteilelemente eine äquidistante, umlaufende Umfangsvergrößerung.Membrane electrode assembly connected sealing element during compression of the distribution elements an equidistant, circumferential circumferential enlargement.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist durch das Dichtelement ein, insbesondere biegesteifer, Rahmen für die Membran-Elektroden-Anordnung bereitgestellt. Die Membran-Elektroden-Anordnung mit dem mit dieser verbundenen Dichtelement ist so besonders gut handhabbar.In a further advantageous embodiment of the invention is provided by the sealing element, in particular a more rigid frame for the membrane-electrode assembly. The membrane-electrode assembly with the connected thereto sealing element is so easy to handle.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das, insbesondere ein Elastomer umfassende, Dichtelement mit der Membran-Elektroden-Anordnung verschweißt ist. Das Verbinden der eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) umfassenden Membran-Elektroden-Anordnung mit dem Dichtelement durch ein Kunststoffschweißverfahren sorgt für ein besonders sicheres, der Schubspannung beim Zusammendrücken der Verteilelemente widerstehendes Verbinden des Dichtelements mit der Membran-Elektroden-Anordnung. Das elastische Dichtelement kann als thermoplastisches Elastomer ausgebildet sein, und/oder Gummi und/oder Silikonmaterial aufweisen.
Ein besonders einfaches Montieren der Brennstoffzelle durch Anordnen der Verteilelemente und der Membran-Elektroden-Anordnung mit dem Dichtelement ist dann erreichbar, wenn das jeweilige Verteilelement eine zu der Membran-Elektroden-Anordnung parallele Symmetrieebene aufweist. So kann beim Montieren eine beliebige Seite des Verteilelements der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandt sein. Zum einfachen und betriebssicheren Montieren der Brennstoffzelle ist es zudem vorteilhaft, wenn die zwei Verteilelemente einander in Form und Abmessungen gleich sind.As a further advantage, it has been shown that the, in particular an elastomer comprehensive, sealing element is welded to the membrane-electrode assembly. The joining of the membrane-electrode arrangement comprising a polymer electrolyte membrane (PEM) to the sealing element by a plastic welding process ensures a particularly secure connection of the sealing element to the membrane-electrode arrangement, which resistance is the shear stress when the distribution elements are compressed. The elastic sealing element may be formed as a thermoplastic elastomer, and / or rubber and / or silicone material. A particularly simple mounting of the fuel cell by arranging the distribution elements and the membrane-electrode assembly with the sealing element is achievable if the respective distribution element has a symmetry plane parallel to the membrane-electrode arrangement. Thus, when mounting any side of the distribution element of the membrane electrode assembly may be facing. For simple and reliable assembly of the fuel cell, it is also advantageous if the two distribution elements are the same in shape and dimensions.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist durch zumindest eines der Verteilelemente in wenigstens einem an das Dichtelement angrenzenden Randbereich im Zusammenwirken mit der Membran-Elektroden-Anordnung ein Verteilraum für ein Reaktionsmittel bereitgestellt. Im verpressten Zustand der Verteilelement mit der zwischen diesen angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung ist so vorteilhaft ein Zwischenraum mit einer konstanten, definierten Höhe zwischen der Membran-Elektroden-Anordnung und dem Verteilelement bereitgestellt. Durch das Bereitstellen eines solchen von dem Oxidationsmittel bzw. dem Brennstoff durchströmbaren Zwischenraums mit definierter Höhe ist das Durchströmtwerden der Brennstoffzelle mit dem Reaktionsmittel besonders gut und besonders gut reproduzierbar zu gewährleisten. Dadurch sind insbesondere die elektrochemischen Reaktionen besonders gut kontrollierbar. Insbesondere ist deren Konstanz so über einen besonders langen Zeitraum zu gewährleisten.In a further advantageous embodiment of the invention, a distribution space for a reaction medium is provided by at least one of the distribution elements in at least one edge region adjoining the sealing element in cooperation with the membrane-electrode arrangement. In the compressed state of the distribution element with the membrane-electrode arrangement arranged between them, a gap with a constant, defined height between the membrane-electrode arrangement and the distribution element is advantageously provided. By providing such a gap of defined height through which the oxidizing agent or the fuel can flow, the passage of the fuel cell through the reaction medium can be ensured particularly well and particularly well reproducibly. As a result, in particular the electrochemical reactions are particularly easy to control. In particular, their consistency is to ensure over a particularly long period.
Bevorzugt weist eines der Verteilelemente zumindest auf einer der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandten Seite eine Mehrzahl von, insbesondere zueinander parallelen, Rippen auf. Im verpressten Zustand der Verteilelemente mit der zwischen diesen angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung sind dann die Rippen mit der Membran-Elektroden-Anordnung in Anlage gebracht, so dass besonders gut eine konstante Flächenpressung zwischen dem Verteilelement und der Membran-Elektroden-Anordnung erreichbar ist.Preferably, one of the distribution elements, at least on a side facing the membrane electrode assembly, has a plurality of ribs, in particular parallel to one another. In the compressed state of the distribution elements with the membrane-electrode arrangement arranged therebetween, the ribs are then brought into contact with the membrane-electrode arrangement, so that it is particularly possible to achieve a constant surface pressure between the distribution element and the membrane-electrode arrangement.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Verteilelemente elektrisch leitfähig sind. Die Verteilelemente dienen somit nicht nur zum Verteilen des Reaktionsmittels auf der Anode bzw. der Kathode, sondern insbesondere zum Kontaktieren mehrerer, über die elektrisch leitfähigen Verteilelemente miteinander gekoppelten Brennstoffzellen.Finally, it has proven to be advantageous if the distribution elements are electrically conductive. The distribution elements thus serve not only for distributing the reaction agent on the anode or the cathode, but in particular for contacting a plurality of fuel cells coupled to one another via the electrically conductive distribution elements.
Die Vorteile der Erfindung zeigen sich insbesondere bei einem Brennstoffzellenstapel, welcher eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Brennstoffzellen umfasst. Wenn nämlich
eine vergleichsweise große Anzahl, beispielsweise 200 bis 350 Stück, einzelner Brennstoffzellen den Brennstoffzellenstapel bilden sollen, so ist das definierte Spannen der jeweiligen Membran-Elektroden-Anordnungen durch die in dem Anlagebereich bereitgestellte Gleitfläche besonders sinnvoll einsetzbar. Durch das Beaufschlagen der einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen mit der Schubspannung sind so nämlich eine hohe Dichtigkeit des Brennstoffzellenstapels und eine konstante Flächenpressung erreichbar. Auch Undefinierte strömungsspezifische Kanalquerschnittsverengungen und Undefinierte Längenausdehnungen des Brennstoffzellenstapels sind so vermeidbar.The advantages of the invention are particularly evident in a fuel cell stack, which comprises a plurality of fuel cells according to the invention. If indeed a comparatively large number, for example 200 to 350 pieces, of individual fuel cells are to form the fuel cell stack, then the defined clamping of the respective membrane electrode assemblies can be used particularly meaningfully by the sliding surface provided in the contact region. By applying the individual membrane-electrode assemblies with the shear stress so namely a high density of the fuel cell stack and a constant surface pressure can be achieved. Also undefined flow-specific channel cross-sectional constrictions and undefined length expansions of the fuel cell stack are thus avoidable.
Beim Zusammenbauen des Brennstoffzellenstapels aus einzelnen Brennstoffzellen ist jeweils ein Verteilelement innerhalb des Brennstoffzellenstapels mit einer oberseitig des Verteilelements angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung und mit einer unterseitig desselben Verteilelements angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung in Kontakt. Mit anderen Worten grenzt ein und dasselbe Verteilelement jeweils zwei Membran-Elektroden-Anordnungen benachbarter Brennstoffzellen voneinander ab. Lediglich bei den zu unterst und zu oberst in dem Stapel angeordneten Membran-Elektroden-Anordnungen bildet zu einer Außenseite des Stapels hin das Verteilelement einen Abschluss.When assembling the fuel cell stack of individual fuel cells, a distribution element within the fuel cell stack is in each case in contact with a membrane-electrode arrangement arranged on the top side of the distribution element and with a membrane-electrode arrangement arranged on the bottom side of the same distribution element. In other words, one and the same distribution element each delimits two membrane-electrode assemblies of adjacent fuel cells from each other. Only in the case of the membrane-electrode assemblies arranged at the bottom and the top in the stack, does the distribution element close to an outside of the stack.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein verbessertes Verfahren zum Abdichten einer Brennstoffzelle bereitgestellt, bei welchem eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Dichtelement verbunden wird, und bei welchem die Membran-Elektroden-Anordnung zwischen einem ersten Verteilelement zum Beaufschlagen einer Anode der Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Brennstoff und einem zweiten Verteilelement zum Beaufschlagen einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung mit einem Oxidationsmittel unter Ausbildung eines Anlagebereichs angeordnet wird. Bei einem Zusammendrücken der zwei Verteilelemente gleiten wenigstens eines der zwei Verteilelemente und das Dichtelement aneinander entlang, wobei die zwischen den Verteilelementen angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Schubspannung beaufschlagt wird. Dadurch wird die Membran-Elektroden-Anordnung in Richtung der Schubspannung, also senkrecht zu der beim Zusammendrücken der zwei Verteilelemente wirkenden Kraft, gespannt.According to another aspect of the invention, there is provided an improved method of sealing a fuel cell in which a membrane-electrode assembly is connected to a sealing member, and wherein the membrane-electrode assembly is interposed between a first manifold member for urging an anode of the membrane assembly. Electrode arrangement is arranged with a fuel and a second distribution element for charging a cathode of the membrane-electrode assembly with an oxidizing agent to form a contact area. When the two distribution elements are compressed, at least one of the two distribution elements and the sealing element slide along one another, wherein a shear stress is applied to the membrane-electrode arrangement arranged between the distribution elements. As a result, the membrane-electrode arrangement is tensioned in the direction of the shear stress, ie perpendicular to the force acting upon compression of the two distribution elements.
Die für die erfindungsgemäße Brennstoffzelle beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Vorteile gelten auch für den erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The preferred embodiments and advantages described for the fuel cell according to the invention also apply to the fuel cell stack according to the invention and to the method according to the invention. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawings. Showing:
Fig. 1 ausschnittsweise eine perspektivische Schnittansicht einer Brennstoffzelle, bei welcher eine Membran-Elektroden-Anordnung in einer Erstreckungsebene der Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Bipolarplatten gespannt gehalten ist;1 shows a detail of a perspective sectional view of a fuel cell, in which a membrane-electrode assembly is held stretched between two bipolar plates in an extension plane of the membrane-electrode assembly;
Fig. 2 ausschnittsweise eine Bipolarplatte der Brennstoffzelle gemäß Fig. 1 mit einem auf der Bipolarplatte angeordneten Dichtrahmen; undFIG. 2 shows a detail of a bipolar plate of the fuel cell according to FIG. 1 with a sealing frame arranged on the bipolar plate; FIG. and
Fig. 3 eine vergrößerte perspektivische Schnittansicht eines Randbereichs der3 is an enlarged perspective sectional view of an edge region of
Brennstoffzelle gemäß Fig. 1.Fuel cell according to FIG. 1.
Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Schnittansicht eine Brennstoffzelle 1 eines Brennstoffzellenstapels. Die Brennstoffzelle 1 umfasst eineFig. 1 shows in a perspective sectional view of a fuel cell 1 of a fuel cell stack. The fuel cell 1 comprises a
Membran-Elektroden-Anordnung 2, bei welcher eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) eine Kathode von einer Anode trennt. Die planare, also sich flach in Richtung einer X-Y-Ebene erstreckende, Membran-Elektroden-Anordnung 2 ist, insbesondere durch Einschweißen mit einem Dichtrahmen 3 verbunden. Hierbei ist die Membran-Elektroden-Anordnung 2 in eine in dem Dichtrahmen 3 ausgebildete Nut 4 eingeführt (vgl. Fig. 2).Membrane electrode assembly 2 in which a polymer electrolyte membrane (PEM) separates a cathode from an anode. The planar, ie, flat in the direction of an X-Y plane extending, membrane-electrode assembly 2 is connected, in particular by welding with a sealing frame 3. In this case, the membrane-electrode assembly 2 is inserted into a groove 4 formed in the sealing frame 3 (see Fig. 2).
Der Dichtrahmen 3 besteht aus einem Elastomer und ist gemäß Fig. 1 mit einer ersten Bipolarplatte 5 sowie mit einer zweiten Bipolarplatte 6 in Anlage. Die Bipolarplatten 5, 6 dienen als Verteilelemente zum Beaufschlagen der Anode der Membran-Elektroden-Anordnung 2 mit einem Brennstoff und zum Beaufschlagen einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung 2 mit einem Oxidationsmittel. Hierbei sorgen die Bipolarplatten 5, 6 dafür, dass die der Brennstoffzelle 1 zugeführten Reaktionsmittel
gleichmäßig und eine kontinuierliche elektrochemische Reaktion begünstigend auf den jeweiligen Elektroden verteilt werden.The sealing frame 3 is made of an elastomer and, according to FIG. 1, is in contact with a first bipolar plate 5 and with a second bipolar plate 6. The bipolar plates 5, 6 serve as distributing elements for charging the anode of the membrane electrode assembly 2 with a fuel and for charging a cathode of the membrane electrode assembly 2 with an oxidizing agent. In this case, the bipolar plates 5, 6 ensure that the fuel cell 1 supplied reactant evenly distributing a continuous electrochemical reaction to the respective electrodes.
Von jeder der Bipolarplatten 5, 6 stehen in Richtung einer Z-Achse, welche senkrecht auf der X-Y-Ebene steht, Rippen 7 ab, wobei zwischen den zueinander parallelen Rippen 7 Kanäle für das Reaktionsmittel ausgebildet sind. Die Rippen 7 stehen sowohl in Richtung der Z-Achse als auch in einer der Richtung der Z-Achse entgegengesetzten Richtung von den Bipolarplatten 5, 6 ab. Die Bipolarplatten 5, 6 sind jeweils symmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene, welche parallel zu der X-Y-Ebene ist.From each of the bipolar plates 5, 6 are in the direction of a Z-axis which is perpendicular to the X-Y plane, ribs 7, wherein 7 channels are formed for the reagent between the mutually parallel ribs. The ribs 7 protrude from the bipolar plates 5, 6 both in the direction of the Z-axis and in a direction opposite to the direction of the Z-axis. The bipolar plates 5, 6 are each symmetrical with respect to a plane of symmetry which is parallel to the X-Y plane.
In einem an den Dichtrahmen 3 angrenzenden Randbereich 8 der Bipolarplatten 5, 6 sind keine Rippen ausgebildet (vgl. Fig. 2), so dass in diesem Randbereich 8 in der Brennstoffzelle 1 im Zusammenwirken mit der Membran-Elektroden-Anordnung 2 ein Verteilraum 9 für das jeweilige Reaktionsmittel bereitgestellt ist. Eine Höhe des Verteilraums 9 entspricht hierbei einer Höhe der Rippen 7.In a bordering on the sealing frame 3 edge region 8 of the bipolar plates 5, 6 no ribs are formed (see Fig .. 2), so that in this edge region 8 in the fuel cell 1 in cooperation with the membrane-electrode assembly 2, a distribution space 9 for the respective reaction agent is provided. A height of the distribution space 9 corresponds to a height of the ribs 7.
Insbesondere aus Fig. 2, welche die untere Bipolarplatte 6 mit dem auf dieser angeordneten Dichtrahmen 3, jedoch ohne die Membran-Elektroden-Anordnung 2 in einer Schnittansicht zeigt, ist erkennbar, dass ein Anlagebereich 10, in welchem der Dichtrahmen 3 und die Bipolarplatten 5, 6 in Kontakt sind, eine Schräge 11 umfasst. Nach innen hin grenzt die Schräge 11 des Dichtrahmens 3 eine erste ebene Anlagefläche 12 an. Des Weiteren weist der Dichtrahmen 3 eine nach außen hin an die Schräge 11 angrenzende weitere, ebenfalls ebene Anlagefläche 13 auf. Die Schräge 11 weist also zu der X-Y-Ebene eine Neigung auf, während die Anlagenflächen 12, 13 parallel zu der X-Y-Ebene sind.2, which shows the lower bipolar plate 6 with the sealing frame 3 arranged thereon, but without the membrane electrode assembly 2 in a sectional view, it can be seen that a contact region 10 in which the sealing frame 3 and the bipolar plates 5 6 are in contact, includes a slope 11. Towards the inside, the bevel 11 of the sealing frame 3 adjoins a first planar contact surface 12. Furthermore, the sealing frame 3 has a further, also flat contact surface 13 which adjoins the bevel 11 towards the outside. The slope 11 thus has an inclination to the X-Y plane, while the abutment surfaces 12, 13 are parallel to the X-Y plane.
An den Bipolarplatten 5, 6 sind korrespondierende Schrägen 11 und Anlageflächen 12, 13 bereitgestellt, deren Funktion beim Montieren der Brennstoffzelle 1 mit Bezug auf Fig. 3 beschrieben wird.On the bipolar plates 5, 6 corresponding bevels 11 and contact surfaces 12, 13 are provided, the function of which is described in mounting the fuel cell 1 with reference to FIG. 3.
Beim Montieren der Brennstoffzelle 1 wird zunächst die Membran-Elektroden-Anordnung 2 mit dem Dichtrahmen 3 durch Schweißen verbunden. Der vorliegend rechteckige Dichtrahmen 3 fasst hierbei die Membran-Elektroden-Anordnung 2 umlaufend ein. Im noch nicht verpressten Zustand der Brennstoffzelle 1 , also vor dem Beaufschlagen der Bipolarplatten 5, 6 mit einer in Fig. 3 durch Kraftpfeile veranschaulichten Presskraft 14 ist eine Flächenausdehnung einer Baugruppe, welche die Membran-Elektroden-Anordnung 2 und den mit dieser verbundenen Dichtrahmen 3 umfasst, geringer als eine jeweilige Flächenerstreckung der Bipolarplatten 5, 6. Nach dem Verpressen der Brennstoffzelle 1 ,
also nach dem Zusammendrücken der Bipolarplatten 5, 6 und der zwischen diesen angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung 2 durch Beaufschlagen der Bipolarplatten 5, 6 mit der Presskraft 14 schließt jedoch der Dichtrahmen 3 in Richtung der X-Y-Ebene bündig mit den Bipolarplatten 5, 6 ab. Die Baugruppe erfährt also in Folge des Beaufschlagens der Bipolarplatten 5, 6 mit der Presskraft 14 eine äquidistante Flächenvergrößerung. Diese Flächenvergrößerung geht mit einem definierten Spannen der Membran-Elektroden-Anordnung 2 in der X-Y-Ebene einher.When assembling the fuel cell 1, first, the membrane-electrode assembly 2 is connected to the sealing frame 3 by welding. The present rectangular sealing frame 3 summarizes here the membrane electrode assembly 2 circumferentially. In the not yet compressed state of the fuel cell 1, that is, before the Bipolarplatten 5, 6 with a force in Fig. 3 illustrated by force arrows pressing force 14 is a surface area of an assembly, which the membrane-electrode assembly 2 and the associated with this sealing frame. 3 comprises, smaller than a respective areal extent of the bipolar plates 5, 6. After the compression of the fuel cell 1, Thus, after the compression of the bipolar plates 5, 6 and the arranged between these membrane-electrode assembly 2 by applying the Bipolarplatten 5, 6 with the pressing force 14, however, the sealing frame 3 closes in the direction of the XY plane flush with the bipolar plates 5, 6 from , The assembly thus experiences as a result of the loading of the bipolar plates 5, 6 with the pressing force 14 an equidistant increase in area. This increase in area is accompanied by a defined tensioning of the membrane electrode assembly 2 in the XY plane.
Beim Zusammendrücken der Bipolarplatten 5, 6 gleiten nämlich die an dem Dichtrahmen 3 und an den Bipolarplatten 5, 6 bereitgestellten Schrägen 11 aneinander entlang bis die jeweiligen Anlageflächen 12, 13 des Dichtrahmens 3 und der Bipolarplatten 5, 6 aufeinander liegen. Das Entlanggleiten der Schrägen 11 aneinander bewirkt ein Beaufschlagen der Membran-Elektroden-Anordnung 2 mit einer Schubspannung 15, also mit einer die Membran-Elektroden-Anordnung 2 spannenden Kraft, welche tangential zu der X-Y-Ebene wirkt. Die Schubspannung 15 ist in Fig. 3 durch einen weiteren Kraftpfeil veranschaulicht. Ein Ende der als Gleitfläche dienenden Schräge 11 in Richtung der Schubspannung 15 ist vorliegend durch einen Knick 16 gebildet. Der Knick 16 grenzt also die Schräge 11 von den jeweiligen Anlageflächen 12, 13 ab.When the bipolar plates 5, 6 are compressed, the bevels 11 provided on the sealing frame 3 and on the bipolar plates 5, 6 slide along one another until the respective contact surfaces 12, 13 of the sealing frame 3 and the bipolar plates 5, 6 lie on one another. The sliding of the bevels 11 together causes the diaphragm-electrode assembly 2 to be acted upon by a shear stress 15, that is to say with a force exciting the membrane-electrode assembly 2, which acts tangentially to the X-Y plane. The shear stress 15 is illustrated in FIG. 3 by another force arrow. One end of the sliding surface 11 serving as a slope 11 in the direction of the shear stress 15 is presently formed by a kink 16. The bend 16 thus delimits the bevel 11 from the respective contact surfaces 12, 13.
Sobald die jeweiligen Anlageflächen 12, 13 der Bipolarplatten 5, 6 und des Dichtrahmens 3 miteinander in Anlage sind, wirkt die Presskraft 14 auf Bipolarplatten 5, 6 als Dichtkraft auf diese Anlageflächen 12, 13. Somit ist über die gesamte der jeweiligen Bipolarplatte 5, 6 zugewandete Seite des Dichtrahmens 3 eine vollflächige und somit eine besonders hohe Dichtigkeit gewährleistende Dichtung bereitgestellt. Durch den Dichtrahmen 3 sind zudem im verpressten Zustand der Brennstoffzelle 1 die Bipolarplatten 5, 6 elektrisch voneinander isoliert.As soon as the respective contact surfaces 12, 13 of the bipolar plates 5, 6 and the sealing frame 3 are in contact with each other, the pressing force acts 14 on bipolar plates 5, 6 as sealing force on these contact surfaces 12, 13. Thus, over the entire of the respective bipolar plate 5, 6 facing side of the sealing frame 3 a full-surface and thus a particularly high tightness ensuring seal provided. Due to the sealing frame 3, the bipolar plates 5, 6 are also electrically isolated from each other in the compressed state of the fuel cell 1.
Ein Abstand 17 zwischen den Bipolarplatten 5, 6 ist über die gesamte Fläche der Brennstoffzelle 1 nach dem Zusammendrücken der Bipolarplatten 5, 6 und dem In-Anlage-Bringen der Anlageflächen 12, 13 definiert eingestellt und konstant, so dass die Verteilräume 9 der Brennstoffzelle 1 ebenfalls eine konstante Höhenerstreckung aufweisen.A distance 17 between the bipolar plates 5, 6 is defined and constant over the entire surface of the fuel cell 1 after the compression of the bipolar plates 5, 6 and bringing the abutment surfaces 12, 13 into engagement, so that the distribution spaces 9 of the fuel cell 1 also have a constant height extent.
Dies ist einerseits durch die einander gleichen Formen und Abmessungen der Schrägen 11 und der Anlageflächen 12, 13 an dem Dichtrahmen 3 und an den Bipolarplatten 5, 6 gewährleistet, und andererseits durch die definierte Höhe der Rippen 7, welche sich im
verpressten Zustand der Brennstoffzelle 1 mit der Membran-Elektroden-Anordnung 2 in Anlage befinden.This is ensured on the one hand by the identical shapes and dimensions of the bevels 11 and the contact surfaces 12, 13 on the sealing frame 3 and on the bipolar plates 5, 6, and on the other hand by the defined height of the ribs 7, which in compressed state of the fuel cell 1 with the membrane-electrode assembly 2 are in abutment.
Die vorliegend am Beispiel einer einzelnen Brennstoffzelle 1 beschriebene Vorgehensweise beim Herstellen einer Rahmen-Distanz-Spanndichtung der Membran-Elektroden-Anordnung 2 über den Dichtrahmen 3 ist besonders vorteilhaft beim Zusammenbau eines Brennstoffzellenstapels anwendbar. Beim Zusammenbauen des Brennstoffzellenstapels werden eine große Anzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen 2 und Bipolarplatten 5, 6 alternierend aufeinander gestapelt und anschließend durch Beaufschlagen der außen liegenden Bipolarplatten 5, 6 mit der Presskraft 14 verspannt. In dem Brennstoffzellenstapel liegen dann die jeweiligen Membran-Elektroden-Anordnungen 2 in einem definierten Spannzustand vor, in welchem die jeweiligen Dichtrahmen 3 mit den Bipolarplatten 5, 6 bündig abschließen.
The procedure described here using the example of a single fuel cell 1 for producing a frame-distance clamping gasket of the membrane-electrode assembly 2 via the sealing frame 3 is particularly advantageous in the assembly of a fuel cell stack applicable. When assembling the fuel cell stack, a large number of membrane-electrode assemblies 2 and bipolar plates 5, 6 stacked alternately and then clamped by applying the external bipolar plates 5, 6 with the pressing force 14. In the fuel cell stack are then the respective membrane-electrode assemblies 2 in a defined clamping state in which complete the respective sealing frame 3 flush with the bipolar plates 5, 6.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Brennstoffzelle1 fuel cell
2 Membran-Elektroden-Anordnung2 membrane electrode assembly
3 Dichtrahmen3 sealing frame
4 Nut4 groove
5 Bipolarplatte5 bipolar plate
6 Bipolarplatte6 bipolar plate
7 Rippe7 rib
8 Randbereich8 border area
9 Verteilraum9 distribution room
10 Anlagebereich10 investment area
11 Schräge11 slope
12 Anlagefläche12 contact surface
13 Anlagefläche13 contact surface
14 Presskraft14 press force
15 Schubspannung15 shear stress
16 Knick16 kink
17 Abstand
17 distance