DE102014205081A1

DE102014205081A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102014205081A1
Application number: DE102014205081.2A
Authority: DE
Inventors: Benno Andreas-Schott
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2015-09-24
Also published as: CN106104878B; US10804545B2; WO2015139793A1; US20170098836A1; CN106104878A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (10) mit wenigstens einer Membran-Anordnung (13), welche zwischen wenigstens zwei Polarplatten (14) der Brennstoffzelle (10) angeordnet ist. Die Brennstoffzelle (10) weist außerhalb eines aktiven Bereichs (16) der Membran-Anordnung (13) wenigstens ein Strömungsbereichs-Paar (25) auf, welches beidseitig der Membran-Anordnung (13) angeordnete, sich überlappende Strömungsbereiche (20) umfasst. Kennzeichnend ist vorgesehen, dass in einem der sich überlappenden Strömungsbereiche (20), einseitig der Membran-Anordnung (13), zwischen der Membran-Anordnung (13) und einer der Polarplatten (14), eine Abstützung (18), ausgebildet zur Abstützung der Membran-Anordnung (13), angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit wenigstens einer Membran-Anordnung, welche zwischen wenigstens zwei Polarplatten der Brennstoffzelle angeordnet ist. Die Brennstoffzelle weist außerhalb eines aktiven Bereichs der Membran-Anordnung wenigstens ein Strömungsbereichs-Paar auf, welches beidseitig der Membran-Anordnung angeordnete, sich überlappende Strömungsbereiche umfasst.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (englisch: stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den, über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100°C beschränkt. In Abgrenzung von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen), deren elektrolytische Leitfähigkeit auf einen durch elektrostatische Komplexbindung an ein Polymergerüst der Polymerelektrolytmembran gebundenen Elektrolyten beruht (beispielsweise Phosphorsäure-dotierte Polybenzimidazol(PBI)-Membrane) und die bei Temperaturen von 160°C betrieben werden, wird dieser Brennstoffzellentyp auch als Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet.
Beispielsweise die DE 10 2005 057 045 A1 offenbart eine Brennstoffzelleneinheit mit Bipolarplatten, welche zwischen Fluidportbereichen und einem Flussfeld einen Verteilerbereich und einen Sammelbereich aufweisen. Eine Membran-Elektroden-Einheit wird dabei zwischen erhabenen Stützstellen der Verteiler- und Sammelbereiche geklemmt. Die Verteiler- und Sammelbereiche sollen außerhalb des Flussfelds (außerhalb eines aktiven Bereichs der Membran-Elektroden-Einheit) eine möglichst gleichmäßige Zu- und Abfuhr der Reaktanten ermöglichen.
Andere bekannte Verteiler- und Sammelbereiche weisen Strukturen mit z. B. rinnenförmigen Vertiefungen auf. Eine die Membran der Membran-Elektroden-Einheit umschließende Barrierelage (oft auch als Randverstärkung bezeichnet) kann nach dem Betrieb der Brennstoffzelle Verformungen im Bereich einer Verteiler- oder Sammelstruktur aufweisen. Dies führt zu einer Reduzierung von durchströmbaren Querschnitten innerhalb der Verteiler- oder Sammelstruktur und somit zu einer Ungleichverteilung der Reaktanten im Flussfeld.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, welches sich durch eine erhöhte Haltbarkeit auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird eine Brennstoffzelle mit wenigstens einer Membran-Anordnung, welche zwischen wenigstens zwei Polarplatten der Brennstoffzelle angeordnet ist, zur Verfügung gestellt. Die Brennstoffzelle weist außerhalb eines aktiven Bereichs der Membran-Anordnung wenigstens ein Strömungsbereichs-Paar auf, welches beidseitig der Membran-Anordnung angeordnete, sich überlappende Strömungsbereiche umfasst. Kennzeichnend ist vorgesehen, dass in einem der sich überlappenden Strömungsbereiche, einseitig der Membran-Anordnung, zwischen der Membran-Anordnung und einer der Polarplatten eine Abstützung angeordnet ist, welche zur Abstützung der Membran-Anordnung ausgebildet ist.
Durch die Abstützung wird eine Verformung der Membran-Anordnung verringert oder verhindert. Dadurch, dass die Abstützung nur einseitig der Membran-Anordnung angeordnet ist, erfolgt eine mögliche Strömungsbeeinträchtigung (wenn überhaupt) durch die Abstützung in nur einem der beiden Strömungsbereiche des Strömungsbereichs-Paars.
Durch die räumliche Ausdehnung der Abstützung kann es somit vorkommen, dass bei einer gleichbleibenden Dicke einer Einzelzelle der Brennstoffzelle ein freier Querschnitt jenes Strömungsbereichs verringert wird, in welchem die Abstützung angeordnet ist. Diese Verringerung des freien Querschnitts ist bevorzugt auf beide, gegenüberliegende Strömungsbereiche des Strömungsbereichs-Paars aufgeteilt. Dies kann durch eine entsprechende Dimensionierung der Polarplatte erreicht werden. Vorzugsweise weist die Polarplatte Kanäle auf, deren Grund bei einem Übergang von dem aktiven Bereich in den die Abstützung aufweisenden Strömungsbereich absinkt (eine Stufe bildet). Im gegenüberliegenden Strömungsbereich, in welchem somit keine Abstützung vorhanden ist, steigt der Grund der Kanäle beim Übergang von dem aktiven Bereich zum Strömungsbereich an. Durch diese Ausgestaltung wird eine Verringerung eines durchströmten Querschnitts aufgrund der Abstützung (welche in die Kanäle ragen kann) auf beide gegenüberliegende Strömungsbereiche aufgeteilt, wodurch gleichmäßigere Strömungsbedingungen in den beiden Strömungsbereichen erreicht werden.
Die Polarplatten werden oftmals auch als Separatorplatten bezeichnet und können insbesondere als Bipolarplatten ausgebildet sein, welche beidseitig zur Versorgung von Membran-Anordnungen mit Reaktanten eingerichtet sind. Die Polarplatten können alternativ auch als Monopolarplatten ausgebildet sein, welche einseitig zur Versorgung einer Membran-Anordnung mit einem Reaktanten eingerichtet sind. Bipolarplatten weisen üblicherweise eine Mittenebene auf, welche, sofern die Bipolarplatte (wie bekannt) aus zwei Blechen gebildet ist, eine Teilungsebene zwischen diesen beiden Blechen ist. Wird eine Verringerung eines durchströmten Querschnitts aufgrund der Abstützung auf beide gegenüberliegende Strömungsbereiche aufgeteilt (siehe oben), so ist diese Teilungsebene keine durchgängige Ebene, sondern eine Fläche, welche bei dem Übergang vom aktiven Bereich hin zu den sich überlappenden Strömungsbereichen einen Versatz aufweist. Der Versatz verläuft dabei in Richtung jenes Strömungsbereichs, welcher keine Abstützung aufweist.
Die Abstützung ist insbesondere derart ausgebildet, dass sich die Membran-Anordnung über die Abstützung an der Polarplatte abstützt. Die Abstützung weist insbesondere eine flächige Gestalt auf, wodurch ein Anpressdruck der Polarplatte auf die Membran-Anordnung auf eine größere Fläche verteilt wird, als dies ohne Abstützung der Fall wäre.
Umfasst die erfindungsgemäße Brennstoffzelle mehr als eine Membran-Anordnung, so kann die Brennstoffzelle auch als Brennstoffzellenstapel bezeichnet werden. Typischerweise sind Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels, welche jeweils eine der Membran-Anordnungen umfassen, elektrisch in Reihe geschaltet.
Im Betrieb der Brennstoffzelle werden die Strömungsbereiche insbesondere derart mit Reaktanten beaufschlagt, dass in dem Strömungsbereich, in welchem die Abstützung angeordnet ist, ein geringerer Druck herrscht als in dem gegenüberliegenden Strömungsbereich des Strömungsbereichs-Paars. Somit wird die Membran-Anordnung gegen die Abstützung gepresst. Wäre die Abstützung auf der Seite mit höherem Druck angeordnet, so ist es von Vorteil, die Abstützung mit der Membran-Anordnung mechanisch zu verbinden, z. B. zu verkleben, um ein Loslösen der Membran-Anordnung von der Abstützung zu verhindern.
Die beiden Strömungsbereiche des Strömungsbereichs-Paars überlappen sich in einer insbesondere rechtwinkeligen Draufsicht auf die Membran-Anordnung, wobei man sich die beiden Strömungsbereiche auf eine Mittenebene der Membran-Anordnung projiziert denken kann.
Der (chemisch) aktive Bereich der Membran-Anordnung ist jener Bereich, in welchem im Betrieb der Brennstoffzelle die Brennstoffzellenreaktion stattfindet. Die Membran-Anordnung kann dazu in ihrem aktiven Bereich vorzugsweise beidseitig Elektroden aufweisen, welche eine katalytische Beschichtung umfassen können. In diesem Fall wird eine kompakte Einheit aus Membran und Elektroden gebildet, welche oft auch als Membran-Elektroden-Anordnung oder Membran-Elektroden-Einheit bezeichnet wird.
Beidseitig der Membran-Anordnung bedeutet im Sinne der Erfindung auf beiden (gegenüberliegenden) Flachseiten (Hauptseiten) der Membran-Anordnung. Einseitig der Membran-Anordnung bedeutet somit auf lediglich einer der beiden Flachseiten der Membran-Anordnung. Die Abstützung befindet sich im jeweiligen Strömungsbereichs-Paar somit auf nur einer der beiden Flachseiten, während auf der anderen Flachseite im jeweiligen Strömungsbereichs-Paar keine Abstützung vorhanden ist. Durch die nur einseitig vorhandene Abstützung ist die Abstützung nur dort vorhanden, wo sie notwendig ist, wodurch eine unnötige Erhöhung der Dicke der Brennstoffzelle oder eines Strömungsverlusts in den Strömungsbereichen verhindert wird. Eine solche unnötige Erhöhung der Dicke der Brennstoffzelle oder eines Strömungsverlusts wäre z. B. dann gegeben, wenn die Abstützung in beiden Strömungsbereichen des jeweiligen Strömungsbereichs-Paars vorgesehen wären.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass wenigstens einer der sich überlappenden Strömungsbereiche des Strömungsbereichs-Paars ein Sammelbereich zum Sammeln eines aus dem aktiven Bereich abgeführten Reaktanten und/oder Reaktionsprodukts ist, und die Abstützung im Sammelbereich angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltungen wird eine unkontrollierte Verringerung eines freien, durchströmbaren Querschnitts im Sammelbereich aufgrund einer Verformung der Membran-Anordnung verhindert. Durch die gleichbleibenden, während des Betriebs nicht schrumpfenden Querschnitte, wird eine mit der Betriebszeit zunehmende Ungleichverteilung von Reaktanten verringert, insbesondere verhindert. Alternativ kann der wenigstens eine der sich überlappende Strömungsbereich des Strömungsbereichs-Paars auch ein Verteilerbereich zum Verteilen eines Reaktanten auf den aktiven Bereich sein, wobei dann die Abstützung anstatt im Sammelbereich im Verteilerbereich angeordnet ist.
Bevorzugt ist gemäß obenstehender Ausgestaltung vorgesehen, dass der mit dem Sammelbereich überlappende Strömungsbereich des Strömungsbereichs-Paars ein Verteilerbereich zum Verteilen eines Reaktanten auf den aktiven Bereich ist. Mit dem Verteilerbereich auf der einen Seite der Membran-Anordnung und dem überlappenden Sammelbereich auf der anderen Seite der Membran-Anordnung geht in der Regel eine beträchtliche Druckdifferenz einher. Durch die Abstützung in dem Sammelbereich wird einer Verformung der Membran-Anordnung durch diese Druckdifferenz entgegengewirkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelle wenigstens zwei Strömungsbereichs-Paare umfasst, wobei der Verteilerbereich eines ersten Strömungsbereichs-Paars und der Sammelbereich eines zweiten Strömungsbereichs-Paars auf der gleichen Seite der Membran-Anordnung angeordnet sind. Daraus ergibt sich, dass sich der Verteilerbereich des zweiten Strömungsbereichs-Paars und der Sammelbereich des ersten Strömungsbereichs-Paars die andere Seite der Membran-Anordnung teilen. Somit wird die Brennstoffzelle nach dem Gegenstrom-Prinzip durchströmt, das bedeutet, dass die beiden, auf gegenüberliegenden Seiten der Membran-Anordnung strömenden Reaktanten in entgegengesetzte Richtungen strömen. Besonders bei solchen Brennstoffzellen ist die Erfindung von Vorteil, da jeweils ein Sammelbereich mit typischerweise relativ niedrigem Druck mit einem Verteilerbereich mit typischerweise relativ hohem Druck überlappt. Eine alternative Definition wäre, dass beide Seiten der Membran-Anordnung jeweils einen Verteilerbereich aufweisen, welchem auf der anderen Seite jeweils ein Sammelbereich gegenüber liegt. Die Abstützungen sind auf beiden Seiten lediglich im Sammelbereich angeordnet.
Bei einer Aufteilung einer möglichen Querschnittsverringerung durch die Abstützung auf beide gegenüberliegende Strömungsbereiche, können innerhalb der Brennstoffzelle der Verteilerbereich der Anodenseite und der Sammelbereich der Anodenseite und/oder der Verteilerbereich der Kathodenseite und der Sammelbereich der Kathodenseite gleich große durchströmbare Querschnitte aufweisen. Ferner können auch die beiden gegenüberliegenden Strömungsbereiche gleich große durchströmbare Querschnitte aufweisen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass wenigstens einer der sich überlappenden Strömungsbereiche des Strömungsbereichs-Paars wenigstens eine, mit dem aktiven Bereich strömungstechnisch verbundene Durchtrittsöffnung der Polarplatte umfasst, und die Abstützung auf der der wenigstens einen Durchtrittsöffnung abgewandten Seite der Membran-Anordnung angeordnet ist. Durchtrittsöffnung können insbesondere Zufuhröffnungen sein, durch welche Reaktanten mit relativ hoher Geschwindigkeit aus der Bipolarplatte ausströmen. Mittels der Abstützung auf der der Durchtrittsöffnung gegenüberliegenden Seite der Membran-Anordnung wird eine Verformung der Membran-Anordnung durch den ausströmenden Reaktanten verhindert.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Abstützung wenigstens zwei Erhebungen der Polarplatte überdeckt. Somit wird die Membran-Anordnung nicht nur an den wenigstens zwei Erhebungen der Polarplatte gepresst, sondern die Last der Pressung mittels der Abstützung auf eine größere Fläche verteilt. Zwischen den Erhebungen weist die Polarplatte Vertiefungen auf, welche im Betrieb der Brennstoffzelle als Kanäle für die Reaktanten dienen.
Vorzugsweise umfasst die Abstützung ein Material einer Gasdiffusionslage der Brennstoffzelle. Ferner kann die Abstützung auch aus dem Material der Gasdiffusionslage ausgebildet sein, also daraus bestehen. Dadurch, dass die Abstützung aus einem für Reaktanten durchlässigen Material ausgebildet ist, wird eine mögliche Erhöhung eines Strömungswiderstands durch den Reaktanten verringert oder verhindert. Ferner bevorzugt kann die Abstützung alternativ auch als Metallblech ausgebildet sein, welches insbesondere höchstens 0,1 mm, bevorzugt höchstens 0,05 mm dick ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Abstützung einstückig mit einer der Gasdiffusionslagen der Brennstoffzelle ausgebildet ist. Somit wird neben den oben erwähnten Vorteilen des Materials der Gasdiffusionslage als Material für die Abstützung auch eine besonders kostengünstige Brennstoffzelle realisiert, da zur Realisierung der Abstützung lediglich die Gasdiffusionslage in dem jeweiligen Strömungsbereich verlängert ausgeführt werden muss.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Membran-Anordnung zumindest im Bereich der sich überlappenden Strömungsbereiche wenigstens eine Barrierelage aufweist, welche insbesondere den aktiven Bereich (der Membran-Anordnung) umlaufend umschließt. Solch eine Barrierelage wird oftmals auch als Randverstärkung, insbesondere als Randverstärkungsfolie bezeichnet, da sie mit einem Rand einer Membran der Membran-Anordnung überlappen kann, und einen im aktiven Bereich angeordneten Teil der Membran umschließt.
Ferner wird ein Kraftfahrzeug umfassend eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt. Die Brennstoffzelle ist typischerweise zur Energieversorgung eines elektrischen Antriebs des Kraftfahrzeugs eingerichtet. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich durch eine erhöhte Haltbarkeit und gleichbleibende Leistungsfähigkeit aus.
Alternativ kann die erfindungsgemäße Brennstoffzelle auch Teil einer stationären Einrichtung, zum Beispiel einer stationären Stromerzeugungseinrichtung sein, welche sich ebenfalls durch eine erhöhte Haltbarkeit und eine gleichbleibende Leistungsfähigkeit auszeichnet.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Brennstoffzelle gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, und
2 eine Bipolarplatte gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
1 zeigt eine Brennstoffzelle 10 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Von der Brennstoffzelle 10 und einem die Brennstoffzelle 10 umfassenden Kraftfahrzeug 100 ist lediglich ein Teilbereich dargestellt. Im oberen Teil der 1 sind eine Draufsicht auf eine Anodenseite 11 der Brennstoffzelle 10, gefolgt von einer Draufsicht auf eine Kathodenseite 12 der Brennstoffzelle 10 dargestellt. Anschließend ist ein Schnitt A-A durch den Teilbereich der Brennstoffzelle 10 dargestellt. Aus dem Schnitt A-A sind Details C, B, D und E (untereinander nicht maßstabsgetreu) vergrößert dargestellt.
Die Brennstoffzelle 10 umfasst wenigstens eine Membran-Anordnung 13, welche zwischen wenigstens zwei Polarplatten 14 der Brennstoffzelle 10 angeordnet ist. Im dargestellten Beispiel sind die Polarplatten 14 Bipolarplatten, wobei die Brennstoffzelle mehrere Polarplatten 14 und mehrere Membran-Anordnungen 13 umfasst. Die Membran-Anordnungen 13 sind jeweils zwischen zwei Polarplatten 14 angeordnet, wobei dies in 1 nur auf die mittlere Membran-Anordnung 13 zutrifft. Außerhalb eines aktiven Bereichs 16 der Membran-Anordnung 13 weist die Brennstoffzelle 10 wenigstens ein Strömungsbereichs-Paar 25 auf, welches beidseitig der Membran-Anordnung 13 angeordnete, sich überlappende Strömungsbereiche 20 umfasst. In einem der sich überlappenden Strömungsbereiche 20 ist einseitig der Membran-Anordnung 13 zwischen der Membran-Anordnung 13 und einer der Polarplatten 14 eine Abstützung 18 angeordnet. Die Abstützung 18 ist zur Abstützung der Membran-Anordnung 13 ausgebildet. Die Abstützung 18 stützt die Membran-Anordnung 13 dabei an einer angrenzenden Polarplatte 14 ab.
Einer der sich überlappenden Strömungsbereiche 20 eines ersten Strömungsbereichs-Paars 26 je Membran-Anordnung 13 ist ein Verteilerbereich 22 zum Verteilen eines Reaktanten (in diesem Fall eines Kathodengases 52) auf den aktiven Bereich 16. Der zweite der sich überlappenden Strömungsbereiche 20 ist ein Sammelbereich 24 zum Sammeln eines aus dem aktiven Bereich 16 abgeführten Reaktanten (in diesem Fall eines Anodengases 50). Die Abstützung 18 ist dabei im Sammelbereich 24 angeordnet.
Auch in einem zweiten Strömungsbereichs-Paar 28 je Membran-Anordnung 13 ist einer der sich überlappenden Strömungsbereiche 20 ein Verteilerbereich 22 zum Verteilen eines Reaktanten (in diesem Fall eines Anodengases 50) auf den aktiven Bereich 16, während der zweite der sich überlappenden Strömungsbereiche 20 ein Sammelbereich 24 zum Sammeln eines aus dem aktiven Bereich 16 abgeführten Reaktanten (in diesem Fall eines Kathodengases 52) oder Reaktionsprodukts (z. B. Wasser) ist. Die Abstützung 18 ist auch im zweiten Strömungsbereichs-Paar 28 im Sammelbereich 24, und verglichen mit dem ersten Strömungsbereichs-Paar 26 somit auf der gegenüberliegenden Seite der Membran-Anordnung 13 angeordnet.
Im Bereich der Abstützungen 18 können an der gegenüberliegenden Seite der Membran-Anordnungen 13 Durchtrittsöffnungen durch die Oberfläche der Polarplatten 14 angeordnet sein. Die Durchtrittsöffnungen 30 sind mit dem aktiven Bereich 16 strömungstechnisch verbunden.
Die Membran-Anordnung 13 weist neben der Membran 32, welche sich im Wesentlichen auf den aktiven Bereich 16 beschränken kann, eine Barrierelage 34 auf, welche die Membran 32 umlaufend umschließt. Da die Barrierelage 34 in der Regel einen Rand der Membran 32 überlappt und die Membran 32 stabilisiert, wird die Barrierelage 34 oft auch als Randverstärkung oder Randverstärkungsfolie bezeichnet. Die Barrierelage 34 kann auch auf ihrer gesamten Fläche die Membran 32 überlappen. Typischerweise ist die Barrierelage 34 eine Kunststofffolie.
Ferner weist die Membran-Anordnung 13 außerhalb des aktiven Bereichs 16 und außerhalb der Strömungsbereiche 20 Betriebsmittelöffnungen 35 auf, welche im Betrieb der Brennstoffzelle 10 Betriebsmittel (Anodengas, Kathodengas und Kühlmittel) durch die Brennstoffzelle 10 führen.
Zwischen den Membran-Anordnungen 13 und den Polarplatten 14 sind Gasdiffusionslagen 36 angeordnet. Diese erstrecken sich über den aktiven Bereich 16, bilden gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung aber auch die Abstützungen 18. Dadurch können die Abstützungen 18 besonders einfach realisiert werden, indem die Gasdiffusionslagen 36 einfach in jene Strömungsbereiche 20, im Beispiel in die Sammelbereiche 24 verlängert werden, in welchen die Abstützungen 18 angeordnet sein sollen.
2 zeigt die Kathodenseite 12 einer der Polarplatten 14. Die Kathodenseite 12 der Polarplatte 14 weist innerhalb der Brennstoffzelle 10 zur Kathodenseite 12 der Membran-Anordnung 13. Durch die flächige Ausgestaltung der Abstützung 18 überdeckt die Abstützung 18 Erhebungen 38 der Polarplatte 14. Die Position und der Verlauf der Erhebungen 38 sind in 2 schematisch zwischen ebenfalls schematisch dargestellten, oberflächlichen Kanälen 40 der Polarplatte 14 dargestellt. Die Erhebungen 38 und Kanäle 40 im Sammelbereich 24 bilden eine Sammelstruktur, während die Erhebungen 38 und Kanäle 40 im Verteilerbereich 22 eine Verteilerstruktur bilden. Die Kanäle 40 weisen jeweils einen (Kanal-)Grund auf, welcher bei einem Übergang von dem aktiven Bereich 16 in den die Abstützung 18 aufweisenden Strömungsbereich 20 absinkt. Der Grund der Kanäle 40 weist also beim Übergang vom aktiven Bereich 16 zum Sammelbereich 24 eine Absenkung auf.
Die Gasdiffusionslage 36 bedeckt den aktiven Bereich 16 und den Sammelbereich 24, wodurch die Abstützung 18 durch die Gasdiffusionslage 36 gebildet wird. Die Gasdiffusionslage 36 ragt dabei teilweise in die Kanäle 40. Eine Querschnittsverringerung der Kanäle 40 durch die Gasdiffusionslage 36 wird durch die Absenkung des Grunds somit auf beide Seiten der Polarplatte 14 aufgeteilt.
Ferner sind Durchtrittsöffnungen 30 auf der Seite des Verteilerbereichs 22 zu erkennen, in deren Bereich auf der gegenüberliegenden Seite der angrenzenden Membran-Anordnung 13 ebenfalls eine Abstützung 18 angeordnet sein kann. Beispielsweise kann sich die Abstützung 18 bis in diesen Bereich erstrecken.
Die in den beiden 1 und 2 gezeigten Anodenseiten 11 und Kathodenseiten 12 können gemäß einer alternativen Ausgestaltung vertauscht sein. Somit kann die gezeigte Anodenseite 11 die Kathodenseite sein. Folglich ist die in den Figuren gezeigte Kathodenseite 12 dann die Anodenseite. In 2 wäre der Blick somit auf die Anodenseite gerichtet, sodass durch die Durchtrittsöffnungen 30 Anodengas 50 strömt.
Mittels einer Schraffur ist in 2 die Erstreckung der Gasdiffusionslage 36 schematisch angedeutet. Die Abstützungen 18 können in der Praxis entweder den Membran-Anordnungen 13 oder den Polarplatten 14 zugeordnet werden, wodurch sich bei dem Zusammenbau der Brennstoffzelle 10 leicht zu handhabende Baugruppen ergeben.
Eine derartige Membran-Anordnungs-Baugruppe 42 umfasst somit neben der Membran-Anordnung auch noch wenigstens eine Abstützung 18, im Ausführungsbeispiel also zwei Abstützungen 18 und somit auch zwei Gasdiffusionslagen 36.
Alternativ kann auch mittels der Polarplatten 14 eine Baugruppe gebildet werden, wobei beispielsweise eine Bipolarplatten-Baugruppe 44 neben einer Bipolarplatte noch wenigstens eine Abstützung 18 umfasst. Im Ausführungsbeispiel umfasst die Bipolarplatten-Baugruppe 44 also zwei Abstützungen 18 und somit beide Gasdiffusionslagen 36.
Im Betrieb der Brennstoffzelle 10 strömt durch einlassseitige Durchtrittsöffnungen 30 auf den Anodenseiten 11 der Membran-Anordnungen 13 und der Polarplatten 14 ein Anodengas 50 in die Verteilerbereiche 22 ein. Das Anodengas 50 durchströmt je Membran-Anordnung 13 nacheinander die Verteilerbereiche 22, die aktiven Bereiche 16 und die Sammelbereiche 24. Anschließend wird das verbleibende, nicht umgesetzte Anodengas 50 durch auslassseitige Durchtrittsöffnungen 30 aus der Brennstoffzelle 10 abgeführt und typischerweise rezirkuliert. Das Anodengas 50 strömt bei seinem Weg durch die Brennstoffzelle 10 von einer Anodeneinlassseite 54 zu einer Anodenauslassseite 56.
Auf den Kathodenseiten 12 der Membran-Anordnungen 13 und der Polarplatten 14 strömt ein Kathodengas 52 durch die einlassseitigen Durchtrittsöffnungen 30 in die Verteilerbereiche 22 ein. Das Kathodengas 52 durchströmt je Membran-Anordnung 13 nacheinander die Verteilerbereiche 22, die aktiven Bereiche 16 und die Sammelbereiche 24. Anschließend werden das verbleibende, nicht umgesetzte Kathodengas 52 und im aktiven Bereich 16 gebildete Reaktionsprodukte durch auslassseitige Durchtrittsöffnungen 30 aus der Brennstoffzelle 10 abgeführt. Das Kathodengas 50 strömt dabei von einer Kathodeneinlassseite 58 zu einer Kathodenauslassseite 60.
Wie in den 1 und 2 schematisch ersichtlich ist, werden die Anodenseiten 11 und die Kathodenseiten 12 von dem Anodengas 52 (z. B. Wasserstoff) und dem Kathodengas 54 (z. B. Luft) im Gegenstrom durchströmt. Auf dem Weg durch die Brennstoffzelle 10 erfahren die Gase 52, 54 einen Druckverlust. Das bedeutet, dass an den jeweiligen Eingängen, also in den jeweiligen Verteilerbereichen 22, der Reaktanten höhere Drücke vorliegen als an den jeweiligen Ausgängen, also in den Sammelbereichen 24, der Reaktanten.
Durch diese Druckunterschiede zwischen dem jeweiligen Anodeneingang und dem jeweiligen Kathodenausgang, sowie zwischen dem jeweiligen Kathodeneingang und dem jeweiligen Anodenausgang in Kombination mit erhöhten Temperaturen kann es bei Brennstoffzellen gemäß dem Stand der Technik zu einem Kriechen der Barrierelage 34 kommen. Dies würde in einer verbleibenden Verformung in Richtung des geringeren Drucks resultieren.
Durch die erfindungsgemäßen einseitigen Abstützungen der Membran-Anordnungen 13, also insbesondere der Barrierelagen 34 (der Randverstärkungen), werden die aus dem Druckunterschied resultierenden Kräfte über die Abstützungen 18, im Beispiel über die verlängerten Gasdiffusionslagen 36 und die Sammelstrukturen der Polarplatten 14 abgestützt. Dadurch, dass die Abstützungen 18 als Verlängerungen der Gasdiffusionslagen 36 ausgeführt sind, wird die Fertigung der Membran-Anordnungen 13, sofern diese als Membran-Anordnungs-Baugruppen 42 gefertigt werden, nur unwesentlich beeinflusst. So wird z. B. kein weiteres Bauteil benötigt. Die Höhe der Sammelstrukturen wird in diesem Fall nur durch eine Lage einer Gasdiffusionslage 36 reduziert. Die Reduzierung der Höhe durch die Gasdiffusionslagen 36 kann ferner auf Kanaltiefen der Anoden- und Kathodensammelstrukturen und Anoden- und Kathodenverteilerstrukturen aufgeteilt werden.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzelle
11: Anodenseite
12: Kathodenseite
13: Membran-Anordnung
14: Polarplatte
16: aktiver Bereich
18: Abstützung
20: Strömungsbereich
22: Verteilerbereich
24: Sammelbereich
25: Strömungsbereichs-Paar
26: erstes Strömungsbereichs-Paar
28: zweites Strömungsbereichs-Paar
30: Durchtrittsöffnungen
32: Membran
34: Barrierelage
35: Betriebsmittelöffnung
36: Gasdiffusionslage
38: Erhebung
40: Kanal
42: Membran-Anordnungs-Baugruppe
44: Bipolarplatten-Baugruppe
50: Anodengas
52: Kathodengas
54: Anodeneinlassseite
56: Anodenauslassseite
58: Kathodeneinlassseite
60: Kathodenauslassseite
100: Kraftfahrzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005057045 A1 [0004]

Claims

Brennstoffzelle (10) mit wenigstens einer Membran-Anordnung (13), welche zwischen wenigstens zwei Polarplatten (14) der Brennstoffzelle (10) angeordnet ist, wobei die Brennstoffzelle (10) außerhalb eines aktiven Bereichs (16) der Membran-Anordnung (13) wenigstens ein Strömungsbereichs-Paar (25) aufweist, welches beidseitig der Membran-Anordnung (13) angeordnete, sich überlappende Strömungsbereiche (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der sich überlappenden Strömungsbereiche (20), einseitig der Membran-Anordnung (13), zwischen der Membran-Anordnung (13) und einer der Polarplatten (14), eine Abstützung (18), ausgebildet zur Abstützung der Membran-Anordnung (13), angeordnet ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der sich überlappenden Strömungsbereiche (20) des Strömungsbereichs-Paars (20) ein Sammelbereich (24) zum Sammeln eines aus dem aktiven Bereich (16) abgeführten Reaktanten und/oder Reaktionsprodukts ist, und die Abstützung (18) im Sammelbereich (24) angeordnet ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Sammelbereich (24) überlappende Strömungsbereich (20) des Strömungsbereichs-Paars (25) ein Verteilerbereich (22) zum Verteilen eines Reaktanten auf den aktiven Bereich (16) ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (10) wenigstens zwei Strömungsbereichs-Paare (25) umfasst, wobei der Verteilerbereich (22) eines ersten Strömungsbereichs-Paars (26) und der Sammelbereich (24) eines zweiten Strömungsbereichs-Paars (28) auf der gleichen Seite der Membran-Anordnung (13) angeordnet sind.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der sich überlappenden Strömungsbereiche (20) des Strömungsbereichs-Paars (25) wenigstens eine, mit dem aktiven Bereich (26) strömungstechnisch verbundene Durchtrittsöffnung (30) der Polarplatte (14) umfasst, und die Abstützung (18) auf der der wenigstens einen Durchtrittsöffnung (30) abgewandten Seite der Membran-Anordnung (13) angeordnet ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung (18) wenigstens zwei Erhebungen der Polarplatte (14) überdeckt.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung (18) ein Material einer Gasdiffusionslage (36) der Brennstoffzelle (10) umfasst.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung (18) und eine Gasdiffusionslage (36) der Brennstoffzelle (10) einstückig ausgebildet sind.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Anordnung (13) zumindest im Bereich der sich überlappenden Strömungsbereiche (20) wenigstens eine Barrierelage (34) aufweist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarplatte (14) Kanäle (40) aufweist, wobei ein Grund der Kanäle (40) bei einem Übergang von dem aktiven Bereich (16) in den die Abstützung (18) aufweisenden Strömungsbereich (20) absinkt.