DE102015223040A1

DE102015223040A1 - Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellensystem mit einer solchen

Info

Publication number: DE102015223040A1
Application number: DE102015223040.6A
Authority: DE
Inventors: Ian Stewart; Bevan Moss
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-11-23
Filing date: 2015-11-23
Publication date: 2017-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (10), umfassend – eine Membran-Elektroden-Anordnung (14) und eine Bipolarplatte (15), die aufeinander angeordnet sind, – ein elastisches Dichtungselement (17), das zwischen der Bipolarplatte (15) und der Membran-Elektroden-Anordnung (14) angeordnet ist, und – eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung, die ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement (18) umfasst, welches die Bipolarplatte (15) kontaktierend zwischen der Bipolarplatte (15) und dem Dichtungselement (17) angeordnet ist und zumindest durch elastische Verformung des elastischen Dichtungselements (17) fixiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel), ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Brennstoffzelle sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
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-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ → H₂O).
Aufgrund der elektrischen Reihenschaltung der Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels fließt durch jede Einzelzelle der gleiche Strom (I_Stapel = I_Zelle) und sollte idealerweise über jede Einzelzelle die gleiche Einzelzellspannung vorliegen, wobei sich die Gesamtspannung des Stapels aus der Summe der Einzelzellenspannungen sämtlicher Zellen ergibt (U_Stapel = N·U_Zelle). Dementsprechend kann die Einzelzellenspannung in einem ersten Ansatz aus der gemessenen Gesamtspannung des Stapels dividiert durch die Anzahl N der Zellen ermittelt werden. In der Praxis existieren jedoch teilweise gravierende Abweichungen der Einzelzellspannungen untereinander. Dies resultiert beispielsweise aus reversiblen oder irreversiblen Degenerationserscheinungen einzelner Zellen, ungleichmäßiger Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, unterschiedliche Temperaturen der Einzelzellen usw. Aus verschiedenen Gründen ist die genaue Kenntnis der Einzelzellspannungen jedoch wünschenswert, beispielsweise um zu vermeiden, dass diese einen kritischen Höchstwert überschreiten.
Aus diesem Grund sind Brennstoffzellenstapel bekannt, deren Einzelzellen oder Pakete von Einzelzellen mit einer Einzelzellspannungsüberwachung ausgestattet sind (CVM für cell voltage monitor). Beispielsweise sind ringförmige Einzelzellspannungs-Messeinrichtungen bekannt, die um den gesamten Außenumfang der Bipolarplatte gespannt werden, um deren Spannung abzugreifen. Dieses System hat den Vorteil, für eine große Anzahl unterschiedlicher Plattengestaltungen eingesetzt werden zu können. Nachteilig ist jedoch, dass die Montage der Messeinrichtung aufwendig ist.
JP 2004288426 A offenbart einen Brennstoffzellenstapel mit einer Einzelzellspannungsüberwachung, die einen Messstecker umfasst, welcher in einer Aussparung zwischen zwei Karbon-Separatoren des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Der Messstecker umfasst zwei elektrische Flachkabel, die beidseits eines isolierenden elastischen Körpers angeordnet sind. Der elastische Körper wird beim Einführen des Messsteckers komprimiert, um ein Herausfallen des Steckers zu verhindern. Der elastische Körper kann konkave Abschnitte aufweisen, in welchen konvexe Abschnitte der Separatoren eingreifen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle vorzuschlagen, die eine Einzelzellspannungsüberwachung zumindest ausgewählter Zellen erlaubt, welche einfach aufgebaut ist und sich leicht montieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle (beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel), ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Brennstoffzelle sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle, umfasst:

– eine Membran-Elektroden-Anordnung und eine Bipolarplatte, die aufeinander angeordnet sind,
– ein elastisches Dichtungselement, das zwischen der Bipolarplatte und der Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet ist, und
– eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung, die ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement umfasst, welches die Bipolarplatte kontaktierend zwischen der Bipolarplatte und dem Dichtungselement angeordnet ist und zumindest durch elastische Verformung des elastischen Dichtungselements fixiert ist.

Durch die Anordnung des Kontaktelements zwischen Bipolarplatte und dem Dichtungselement wird erreicht, dass durch elastische Verformung des Dichtungselements eine reibschlüssige Fixierung des Kontaktelements hergestellt wird. Vorteilhaft ist ferner, dass die fixierende Kompressionskraft in der Stapelrichtung wirkt und Beschädigungen der Bauteile der Brennstoffzelle infolge anderer Krafteinwirkungen vermieden werden. Es ist zu bemerken, dass die Verspannung von Brennstoffzellenstapeln grundsätzlich auch ohne Einzelzellspannungs-Messeinrichtung erfolgt, sodass die gewünschte elastische Verformung des Dichtungselements ohnehin üblicherweise vorliegt. Dieser Aufbau erfordert daher in der einfachsten Ausführung der Erfindung keinerlei konstruktive Anpassungen des Stapels oder seiner Komponenten, der Bipolarplatte oder der Membran-Elektroden-Anordnung. Schließlich zeichnet sich die erfindungsgemäße Brennstoffzelle durch eine hohe Robustheit gegen Erschütterungen sowie durch einfache Montage aus.
Unter dem Begriff „Brennstoffzelle“ wird im Rahmen dieser Erfidnung sowohl eine einzelne Brennstoffzelle als auch ein Stapel mehrerer Einzelzellen verstanden, das heißt eine alternierende Anordnung von Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen. Ferner wird unter dem Begriff „Bipolarplatte“ (auch Flussfeld- oder Separatorplatte genannt) eine elektrisch leitfähige Platte verstanden, welche ausgebildet ist, zumindest eines der Betriebsmedien den katalytischen Elektroden zuzuführen. Bipolarplatten in diesem Sinne umfassen auch Monopolarplatten, welche üblicherweise an den beiden Enden eines Brennstoffzellestapels anageordnet sind.
Das Dichtungselement dient der fluiddichten Abdichtung der Brennstoffzelle, insbesondere der Elektrodenräume, nach außen, sodass die Anoden- und Kathodenbetriebsmedien nicht nach außen entweichen können.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elastische Dichtungselement eine Flachdichtung umfasst, welche zumindest einen Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung flächig umlaufend kontaktiert beziehungsweise auf diesem flächig aufliegt. Flachdichtungen haben den Vorteil, dass die auf das Kontaktelement einwirkende Presskraft sehr gleichmäßig über die Fläche verteilt wird und somit einerseits eine gute Fixierung des Kontaktelements und andererseits ein sicherer elektrischer Kontakt zwischen dem Kontaktelement und der Bipolarplatte erzielt wird. Alternativ kann das Dichtungselement eine Wulstdichtung umfassen, welche zumindest einen Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung umlaufend kontaktiert. Es können auch mehrere Flach- und/oder Wulstdichtungen vorhanden sein, welche ausgebildet sind, einzelne Versorgungsöffnungen, die in inaktiven Bereichen der Membran-Elektroden-Anordnung vorgesehen sind, umlaufend abzudichten.
Gemäß einer speziellen Ausführung umfasst das elastische Dichtungselement eine Netzstruktur, die ausgebildet ist, zumindest einen Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung zu überdecken. Alternativ kann das Netzdichtungselement aufgrund seiner Stoffdurchlässigkeit die Membran-Elektroden-Anordnung vollflächig überdecken. Dabei hält die Netzstruktur die einzelnen Flach- und/oder Wulstdichtungen des Dichtungselements zusammen. Ein eine Netzstruktur umfassendes Dichtungselement hat den Vorteil, als eine eigene Lage, die sämtliche Dichtungen umfasst, sehr einfach auf die Membran-Elektroden-Anordnung oder Bipolarplatte aufgelegt werden zu können, sodass sich die Montage des Brennstoffzellenstapels vereinfacht.
Das Dichtungselement kann stoffschlüssig mit der Membran-Elektroden-Anordnung verbunden sein oder als separate Lage ausgebildet sein, die zwischen jeweils einer Membran-Elektroden-Anordnung und einer Bipolarplatte gestapelt angeordnet ist.
Obwohl durch die elastische Verformung des Dichtungselements bereits ein hoher Anpressdruck und eine sehr gute Fixierung des Kontaktelements erzielt wird, können weitere Maßnahmen vorgesehen sein, diese noch weiter zu verbessern.
In vorteilhafter Ausführung der Erfindung weist die Bipolarplatte eine Vertiefung auf, in der das Kontaktelement einliegt. Vorzugsweise entspricht die Kontur der Vertiefung im Wesentlichen der Kontur des Kontaktelements. Durch die Vertiefung wird das Kontaktelement noch besser fixiert und ein Verrutschen innerhalb der Plattenebene vermieden. Zudem erlaubt eine solche Vertiefung die Verwendung vergleichsweiser dicker Kontaktelemente. Vorzugsweise ist die Höhe der Vertiefung geringer als die Dicke des Kontaktelements, um somit weiterhin einen hohen Anpressdruck zu gewährleisten.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Bipolarplatte und/oder das Dichtungselement Fixiermittel zur formschlüssigen Fixierung des Kontaktelements auf. Diese ergänzen die reibschlüssige Fixierung durch die elastische Deformation des Dichtungselements. Hierzu kann das Kontaktelement der Einzelzellspannungs-Messeinrichtung mit korrespondierenden Fixiermitteln ausgestattet sein, die einen Formschluss mit den Fixiermitteln der Bipolarplatte und/oder des Dichtungselements einzugehen vermögen. Beispielsweise umfassen die Fixiermittel zumindest einen Vorsprung der Bipolarplatte und/oder des Dichtungselements, die in zumindest eine hiermit korrespondierende Aussparung des Kontaktelements formschlüssig eingreift.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Dichtungselement Druckverstärkungsmittel zur Verstärkung einer auf das Kontaktelement wirkenden Anpresskraft auf. Beispielsweise sind die Druckverstärkungsmittel als zumindest eine Erhebung ausgebildet, die in Richtung des Kontaktelements weist. Durch die zumindest eine Erhebung wird eine örtliche Verdickung des Dichtungselements erzielt und damit eine punktuelle Verstärkung der Anpresskraft. Auf diese Weise wird ein noch sicherer elektrischer Kontakt zwischen Kontaktelement und Bipolarplatte erzielt.
Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelle eine Mehrzahl einander abwechselnd gestapelter Membran-Elektroden-Anordnungen und Bipolarplatten, das heißt, es handelt sich um einen Brennstoffzellenstapel. Dabei können sämtliche Paare aus Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Anordnung eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung aufweisen. In dieser Ausgestaltung kann die Spannung jeder einzelnen Zelle mit hoher Genauigkeit direkt gemessen werden.
In alternativer Ausgestaltung weisen nur einzelne Paare aus Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Anordnung eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung auf, insbesondere in regelmäßiger Verteilung. Beispielsweise kann jedes fünfte, zehnte oder zwanzigste Paar mit jeweils einer Einzelzellspannungs-Messeinrichtung ausgestattet sein, sodass die mittlere Zellspannung für Pakete mehrerer Einzelzellen erfasst werden kann. Die Ausstattung nur ausgewählter Einzelzellen mit einer Einzelzellspannungs-Messeinrichtung ist kostengünstiger und mit einem geringeren Verkabelungsaufwand verbunden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung aufweist. Insbesondere weist das Brennstoffzellensystem neben der Brennstoffzelle eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung mit den entsprechenden Peripheriekomponenten auf.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie bedient.
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 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
2 eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Anordnung mit Dichtungselement;
3 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte,
4 ein Detailausschnitt eines Randabschnitts einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit Kontaktelement gemäß einer Ausgestaltung, und
5 ein Detailausschnitt eines Randabschnitts eines Dichtungselements mit Kontaktelement gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzelle) 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 kann ein weiteres Stellmittel angeordnet sein, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden.
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 37 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 37 angeordnetes Stellmittel 38 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann ferner ein Befeuchtermodul 39 aufweisen. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
Die 2 und 3 zeigen jeweils eine beispielhafte Membran-Elektroden-Anordnung 14 und Bipolarplatte 15 gemäß der Erfindung in einer Draufsicht.
Beide Bauteile unterteilen sich in einen aktiven Bereich AA und inaktive Bereiche IA. Der aktive Bereich AA zeichnet sich dadurch aus, dass in diesem Bereich die Brennstoffzellreaktionen stattfinden. Zu diesem Zweck weist die Membran-Elektroden-Anordnung 14 im aktiven Bereich AA beidseits der Polymerelektrolytmembran eine katalytische Elektrode 143 auf. Die inaktiven Bereiche IA, lassen sich jeweils in Versorgungsbereiche SA und Verteilerbereiche DA unterteilen. Innerhalb der Versorgungsbereiche SA sind Versorgungsöffnungen 144 bis 147 seitens der Membran-Elektroden-Anordnung 14 beziehungsweise 154 bis 159 seitens der Bipolarplatte 15 angeordnet, die im gestapelten Zustand im Wesentlichen miteinander fluchten und Hauptversorgungskanäle innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 ausbilden. Die Anodeneinlassöffnungen 144 beziehungsweise 154 dienen der Zuführung des Anodenbetriebsgases, also des Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff. Die Anodenauslassöffnungen 145 beziehungsweise 155 dienen der Abführung des Anodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kathodeneinlassöffnungen 146 beziehungsweise 156 dienen der Zuführung des Kathodenbetriebsgases, das insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gemisch, vorzugsweise Luft ist. Die Kathodenauslassöffnungen 147 beziehungsweise 157 dienen der Abführung des Kathodenabgases nach Überströmen des aktiven Bereichs AA. Die Kühlmitteleinlassöffnungen 148 beziehungsweise 158 dienen der Zuführung und die Kühlmittelauslassöffnungen 149 beziehungsweise 159 der Ableitung des Kühlmittels.
Die MEA 14 weist eine Anodenseite 141 auf, die in 2 sichtbar ist. Somit ist die dargestellte katalytische Elektrode 143 als Anode ausgebildet, beispielsweise als Beschichtung auf der Polymerelektrolytmembran. Die in 2 nicht sichtbare Kathodenseite 142 weist eine entsprechende katalytische Elektrode, hier die Kathode auf. Die Polymerelektrolytmembran kann sich über die gesamte Ausbreitung der Membran-Elektroden-Anordnung 14 erstrecken, mindestens aber über den aktiven Bereich AA. In den inaktiven Bereichen IA kann eine verstärkende Trägerfolie angeordnet sein, welche die Membran einfasst.
2 zeigt ferner ein Dichtungselement 17. Vorzugsweise ist auf beiden Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung 14 ein solches Dichtungselement 17 angeordnet. Das Dichtungselement 17 weist eine Flachdichtung auf, die flächig auf dem Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung 14 und diesen umlaufend aufliegt. Zusätzlich kann das Dichtungselement 17 weitere Flachdichtungen aufweisen (nicht dargestellt), welche die einzelnen Versorgungsöffnungen 144 bis 147 umlaufen und abdichten. Das Dichtungselement 17 umfasst vorzugsweise ferner eine Netzstruktur, welche die gesamte Membran-Elektroden-Anordnung 14 überspannt und die einzelnen Dichtungen zusammenhält. Das Dichtungselement 17 ist aus einem elastisch deformierbaren Material, insbesondere einem Elastomer ausgebildet. Hier kommen insbesondere synthetische und natürliche Gummis oder Kautschuke infrage. Besonders bevorzugt sind Silikone, da diese besonders resistent gegenüber chemischen und thermischen Einflüssen sind. Vorzugsweise besteht sowohl die zumindest eine (Flach-)dichtung als auch die Netzstruktur aus dem gleichen Material und ist einstückig ausgebildet. Das Dichtungselement 17 ist vorzugsweise stoffschlüssig mit der Membran-Elektroden-Anordnung 14 verbunden. Dies kann durch eine Klebstoffschicht oder bevorzugt durch direktes Anformen des Dichtungselements 17 an die Stützschicht der Membran-Elektroden-Anordnung 14 beispielsweise durch einen Spritzprozess erfolgen.
Die in 3 dargestellte Bipolarplatte 15 weist ebenfalls eine in der Darstellung sichtbare Kathodenseite 152 auf sowie eine nicht sichtbare Anodenseite 151. In typischen Ausführungen ist die Bipolarplatte 15 aus zwei zusammengefügten Plattenhälften, der Anodenplatte und der Kathodenplatte, aufgebaut. Auf der dargestellten Kathodenseite 152 sind Betriebsmittelkanäle 153 als offene rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet, welche die Kathodeneinlassöffnung 156 mit der Kathodenauslassöffnung 157 verbinden. Dargestellt sind lediglich fünf exemplarische Betriebsmittelkanäle 153, wobei üblicherweise eine wesentlich größere Anzahl vorhanden ist. Desgleichen weist die hier nicht sichtbare Anodenseite 151 entsprechende Betriebsmittelkanäle auf, welche die Anodeneinlassöffnung 154 mit der Anodenauslassöffnung 155 verbinden. Auch diese Betriebsmittelkanäle für das Anodenbetriebsmedium sind als offene, rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet. Im Inneren der Bipolarplatte 15, insbesondere zwischen den beiden Plattenhälften, verlaufen eingeschlossene Kühlmittelkanäle, welche die Kühlmitteleinlassöffnung 158 mit der Kühlmittelauslassöffnung 151 verbinden. Mit den unterbrochenen Linien sind in 3 optionale zusätzliche Dichtungen angedeutet, die aufgrund des Dichtungselements 17 aber auch wegfallen können,
In 3 ist ferner eine Vertiefung 150 angedeutet, die im Randbereich der Bipolarplatte 15 ausgebildet ist. Die Vertiefung 150 dient der Aufnahme eines Kontaktelements einer Einzelzellspannungs-Messeinrichtung, wie in den nachfolgenden Figuren dargestellt.
Üblicherweise werden in einem Brennstoffzellenstapel 10 eine Vielzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und Bipolarplatten 15 derart einander abwechselnd aufeinander angeordnet und in Stapelrichtung beispielsweise über Spannelemente verpresst. Dabei ist jeweils eine Anodenseite 151 einer Bipolarplatte 15 einer Anodenseite 141 einer Membran-Elektroden-Anordnung 14 zugewandt und eine Kathodenseite 152 einer Bipolarplatte 15 einer Kathodenseite 141 einer Membran-Elektroden-Anordnung 14.
4 zeigt einen Ausschnitt einer Brennstoffzelle 10, der einen Randbereich einer Bipolarplatte 15 und einer mit einem Dichtungselement 17 ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 14 zeigt. Zur besseren Erkennbarkeit ist die Membran-Elektroden-Anordnung 14 als Explosionsdarstellung beabstandet zur Bipolarplatte 15 dargestellt.
In der Vertiefung 150 der Bipolarplatte 15 ist ein Kontaktelement 18 einer nicht weiter dargestellten Einzelzellspannungs-Messeinrichtung angeordnet, das als Messsensor zur Erfassung der Spannung dient. Das Kontaktelement 18 weist einen streifenförmigen Zuschnitt eines elektrisch leitfähigen Materials auf. Das Kontaktelement 18 ist über nicht dargestellte elektrische Leitungen mit der Messeinrichtung verbunden. Im Betrieb der Brennstoffzelle 10 erfasst das Kontaktelement 18 die Spannung (Halbzellenspannung) der Einzelzelle.
Das in 4 gezeigte Dichtungselement 17 ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung an der Position des Kontaktelements 18 mit Druckverstärkungsmitteln 171 ausgestattet, die im vorliegenden Beispiel als fünf in Richtung des Kontaktelements 18 weisende Erhebungen ausgebildet sind. Durch die Druckverstärkungsmittel/Erhebungen 171 wird erreicht, dass der auf das Kontaktelement 18 wirkende Anpressdruck erhöht wird. Hierdurch wird eine besonders sichere elektrische Kontaktierung der Bipolarplatte 15 erzielt. Die Erhebungen 171 können eine beliebige Kontur aufweisen und in beliebiger Anzahl vorliegen.
Eine weitere Ausgestaltung des Kontaktelements 18 und ein hiermit korrespondierendes Dichtungselement 14 zeigt 5, die wiederum nur einen Ausschnitt eines Randbereichs einer mit einem Dichtungselement 17 ausgestatteten Membran-Elektroden-Anordnung 14 zeigt. In dieser Ausführung sind das Dichtungselement 17 sowie das Kontaktelement 18 mit Fixierungsmitteln 172, 181 ausgestattet. Im Einzelnen weist das Kontaktelement 18 beispielsweise zwei Aussparungen 181 auf, während das Dichtungselement 17 hiermit korrespondierende Vorsprünge 172 aufweist, die insbesondere formschlüssig in die Aussparungen 181 des Kontaktelements 18 eingreifen. Durch die Fixierungsmittel 172, 181 wird zusätzlich zu der in Stapelrichtung (z-Richtung) wirkenden reibschlüssigen Fixierung eine formschlüssige Fixierung des Kontaktelements 18 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 erzielt. Diese gewährleistet, dass eine seitliche Verschiebung des Kontaktelements 18 verhindert wird und erleichtert zusätzlich den Zusammenbau des Stapels.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
141: Anodenseite
142: Kathodenseite
143: katalytische Elektrode / Anode
144: Versorgungsöffnung / Anodeneinlassöffnung
145: Versorgungsöffnung / Anodenauslassöffnung
146: Versorgungsöffnung / Kathodeneinlassöffnung
147: Versorgungsöffnung / Kathodenauslassöffnung
148: Versorgungsöffnung / Kühlmitteleinlassöffnung
149: Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung
15: Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
150: Vertiefung
151: Anodenseite
152: Kathodenseite
153: Betriebsmittelkanal (Reaktantenkanal)
154: Versorgungsöffnung / Anodeneinlassöffnung
155: Versorgungsöffnung/ Anodenauslassöffnung
156: Versorgungsöffnung / Kathodeneinlassöffnung
157: Versorgungsöffnung / Kathodenauslassöffnung
158: Versorgungsöffnung / Kühlmitteleinlassöffnung
159: Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung
17: Dichtungselement
171: Druckverstärkungsmittel / Erhebung
172: Fixiermittel / Vorsprung
18: Kontaktelement
181: Fixiermittel / Aussparung
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Brennstofftank
24: Stellmittel
25: Brennstoffrezirkulationsleitung
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Wastegate-Leitung
38: Stellmittel
39: Befeuchtermodul
AA: Aktiver Bereich (Reaktionsbereich, active area)
IA: Inaktiver Bereich (inactive area)
SA: Versorgungsbereich (supply area)
DA: Verteilerbereich (distribution area)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2004288426 A [0006]

Claims

Brennstoffzelle (10), umfassend – eine Membran-Elektroden-Anordnung (14) und eine Bipolarplatte (15), die aufeinander angeordnet sind, – ein elastisches Dichtungselement (17), das zwischen der Bipolarplatte (15) und der Membran-Elektroden-Anordnung (14) angeordnet ist, und – eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung, die ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement (18) umfasst, welches die Bipolarplatte (15) kontaktierend zwischen der Bipolarplatte (15) und dem Dichtungselement (17) angeordnet ist und zumindest durch elastische Verformung des elastischen Dichtungselements (17) fixiert ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Dichtungselement (17) eine Flachdichtung oder eine Wulstdichtung umfasst, welche zumindest einen Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung (14) umlaufend kontaktiert.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Dichtungselement (17) eine Netzstruktur umfasst, die ausgebildet ist, zumindest einen Randbereich der Membran-Elektroden-Anordnung (14) zu überdecken oder die Membran-Elektroden-Anordnung (14) vollflächig zu überdecken.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (15) eine Vertiefung (150) aufweist, in der das Kontaktelement (18) einliegt.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (15) und/oder das Dichtungselement (17) Fixiermittel (172, 181) zur Fixierung des Kontaktelements (18) aufweist/aufweisen, insbesondere zur formschlüssigen Fixierung.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixiermittel (172, 181) zumindest einen Vorsprung (172) der Bipolarplatte (15) und/oder des Dichtungselements (17) umfasst, der in zumindest eine hiermit korrespondierende Aussparung (181) des Kontaktelements (18) formschlüssig eingreift.
Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (17) Druckverstärkungsmittel (171) zur Verstärkung einer auf das Kontaktelement (18) wirkenden Anpresskraft aufweist, wobei das Druckverstärkungsmittel (171) insbesondere als zumindest eine in Richtung des Kontaktelement (18) weisende Erhebung ausgebildet ist.
Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (10) eine Mehrzahl einander abwechselnd gestapelter Membran-Elektroden-Anordnungen (14) und Bipolarplatten (15) umfasst, wobei sämtliche Paare aus Bipolarplatte (15) und Membran-Elektroden-Anordnung (14) eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung () aufweisen.
Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (10) eine Mehrzahl einander abwechselnd gestapelter Membran-Elektroden-Anordnungen (14) und Bipolarplatten (15) umfasst, wobei nur einzelne Paare aus Bipolarplatte (15) und Membran-Elektroden-Anordnung (14) eine Einzelzellspannungs-Messeinrichtung () aufweisen, insbesondere in regelmäßiger Verteilung.
Brennstoffzellensystem (100) umfassend eine Brennstoffzelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.