WO2017016976A1

WO2017016976A1 - Bipolarplatte und membran-elektroden-einheit für eine in einem brennstoffzellenstapel angeordnete brennstoffzelle, brennstoffzelle und brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: WO2017016976A1
Application number: PCT/EP2016/067423
Authority: WO
Inventors: Christian Martin ZILLICH
Original assignee: Volkswagen Ag
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2016-07-21
Publication date: 2017-02-02
Also published as: CN107925107B; CN107925107A; EP3329536A1; DE102015214517A1; US10879549B2; US20180366752A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (1) für eine Brennstoffzelle (100) umfassend eine profilierte Anodenplatte (7) und eine profilierte Kathodenplatte (8), jeweils aufweisend einen aktiven Bereich (6) sowie zwei Verteilerbereiche (2) zur Zu- und Ableitung von Betriebsmedien zu beziehungsweise aus dem aktiven Bereich (6), wobei die Verteilerbereiche (2) jeweils einen Anodengashauptport (3) zur Zu- und Abführung von Brennstoff, einen Kathodengashauptport (4) zur Zu- und Abführung von Oxidationsmittel, welcher derart angeordnet ist, dass von diesem ausgehend Kathodenkanäle (41) zumindest über den Verteilerbereich (2) der Bipolarplatte (1) geradlinig verlaufen und eine Strömungsrichtung aufweisen, die einer Hauptströmungsrichtung in den Kathodenkanälen (41) im aktiven Bereich entspricht, sowie einen Kühlmittelhauptport (5) zur Zu- und Abführung von Kühlmittel aufweisen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kühlmittelhauptport (5) und der Anodengashauptport (3) einander benachbart, zu dem Kathodengashauptport (4) benachbart und außerhalb einer Flucht des aktiven Bereichs angeordnet sind.

Description

Beschreibung

Bipolarplatte und Membran-Elektroden-Einheit für eine in einem Brennstoffzellenstapel angeordnete Brennstoffzelle, Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfassend eine profilierte Anodenplatte und eine profilierte Kathodenplatte, jeweils aufweisend einen aktiven Bereich sowie zwei Verteilerbereiche zur Zu- und Ableitung von Betriebsmedien zu beziehungsweise aus dem aktiven Bereich, wobei die Verteilerbereiche jeweils einen Anodengashauptport zur Zu- und Abführung von Brennstoff, einen Kathodengashauptport zur Zu- und Abführung von Oxidationsmittel, welcher derart angeordnet ist, dass von diesem ausgehend Kathodenkanäle zumindest über den Verteilerbereich der Bipolarplatte geradlinig verlaufen und eine

Strömungsrichtung aufweisen, die einer Hauptströmungsrichtung in den Kathodenkanälen im aktiven Bereich entspricht. Weiter weisen die Verteilerbereiche einen Kühlmittelhauptport zur Zu- und Abführung von Kühlmittel auf, wobei die Platten derart ausgebildet und übereinander angeordnet sind, dass die Bipolarplatte Kanäle für die Betriebsmedien aufweist, welche die Betriebsmittelhauptports beider Verteilerbereiche verbinden und wobei die Verteilerbereiche einen ersten Überschneidungsabschnitt, in dem Kathodenkanäle und Anodenkanäle einander nicht fluidverbindend überschneiden, und einen zweiten Überschneidungsabschnitt aufweisen, in dem Anodenkanäle und Kühlmittelkanäle einander nicht fluidverbindend überschneiden. Ferner betrifft die Erfindung eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer viereckigen Form sowie eine Brennstoffzelle aufweisend die Bipolarplatte und die Membran-Elektroden-Einheit.

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. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ -> 2 H⁺ + 2 e^"). Über 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 des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (V2 0₂ + 2 e -> 0^2~). Gleichzeitig reagieren im

Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2 H⁺ + O^2" -> H₂0). Durch die direkte Umsetzung von chemischer Energie in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen

Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot- Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad. Die Kathodenreaktion stellt unter anderem aufgrund der gegenüber von

Wasserstoff geringeren Diffusionsgeschwindigkeit von Sauerstoff das

geschwindigkeitslimitierende Glied der Brennstoffzellenreaktion dar.

In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten eines Brennstoffzellenstapels ist jeweils eine Bipolarplatte angeordnet, die einerseits Kanäle zur Zuführung der Prozessgase zu der Anode

beziehungsweise Kathode der benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten aufweist sowie Kühlkanäle zur Abführung von Wärme. Bipolarplatten bestehen zudem aus einem elektrisch leitfähigen Material, um die elektrische Verbindung herzustellen. Sie weisen somit die dreifache Funktion der Prozessgasversorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, der Kühlung und der elektrischen Anbindung auf.

Bipolarplatten sind in unterschiedlichen Bauweisen bekannt. Grundsätzliche Ziele bei dem Design von Bipolarplatten stellen die Gewichtsreduzierung, die Bauraumreduzierung sowie die Erhöhung der Leistungsdichte dar. Diese Kriterien sind insbesondere für den mobilen Einsatz von Brennstoffzellen wichtig, beispielsweise für die elektromotorische Traktion von Fahrzeugen.

US 2005/0058864 A1 (US 6,974,648 B2) und US 2006/0029840 A1 (US 7,601 ,452 B2) beschreiben Bipolarplatten für Brennstoffzellen, die aus zwei gewellten und ineinander verschachtelten Platten aufgebaut sind. Jede der Platten weist eine Mäanderprofilierung auf, sodass auf beiden Seiten jeweils Rinnen ausgebildet werden, die von wallartigen Erhebungen begrenzt werden. Dabei weisen die beiden Platten unterschiedliche Breiten der ausgebildeten Rinnen beziehungsweise Erhebungen auf. In dem verschachtelten Gefüge der Platten werden geschlossene Kanäle ausgebildet, welche als Kühlkanäle dienen. Die zu beiden Seiten des Gefüges vorhandenen offenen Kanäle (Rinnen) sind im zusammengebauten

Brennstoffzellenstapel auf der einen Seite der Anode und auf der anderen Seite der Kathode der benachbarten MEA zugewandt und dienen ihrer Versorgung mit Luft/Sauerstoff beziehungsweise Brennstoff/Wasserstoff.

Die in WO 03/050905 A2 gezeigte Bipolarplatte weist auf einer Seite durchgehende

Vertiefungen zur Ausbildung von Anodenkanälen und auf der anderen Seite durchgehende Vertiefungen zur Ausbildung von Kathodenkanälen auf. Ferner verfügt die Platte über eingeschlossene Kühlmittelkanäle. Sämtliche Kanäle verlaufen parallel zueinander.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, die sich durch eine kompakte Form und eine erhöhte Leistungsdichte auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch das Bereitstellen einer Bipolarplatte und einer Membran-Elektroden- Einheit mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst sowie durch eine diese Komponenten aufweisende Brennstoffzelle.

Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle umfassend eine profilierte Anodenplatte und eine profilierte Kathodenplatte, jeweils aufweisend einen aktiven Bereich sowie zwei Verteilerbereiche zur Zu- und Ableitung von Betriebsmedien zu beziehungsweise aus dem aktiven Bereich, wobei die Verteilerbereiche jeweils einen Anodengashauptport zur Zu- und Abführung von Brennstoff, einen Kathodengashauptport zur Zu- und Abführung von Oxidationsmittel, sowie einen Kühlmittelhauptport zur Zu- und

Abführung von Kühlmittel aufweisen. Dabei ist der Kathodengashauptport derart angeordnet, dass von diesem ausgehend Kathodenkanäle zumindest über den Verteilerbereich der Bipolarplatte geradlinig verlaufen und eine Strömungsrichtung aufweisen, die einer

Hauptströmungsrichtung der Kathodenkanäle im aktiven Bereich entspricht. Ferner sind die Platten derart ausgebildet und übereinander angeordnet, dass die Bipolarplatte Kanäle für die Betriebsmedien aufweist, welche die Betriebsmittelhauptports beider Verteilerbereiche verbindet, wobei die Verteilerbereiche einen ersten Überschneidungsabschnitt aufweisen, in dem Kathodenkanäle und Anodenkanäle einander nicht fluidverbindend überschneiden und einen zweiten Überschneidungsabschnitt aufweisen, in dem Anodenkanäle und

Kühlmittelkanäle einander nicht fluidverbindend überschneiden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kühlmittelhauptport und der Anodengashauptport einander benachbart, zu dem Kathodengashauptport benachbart und außerhalb einer Flucht des aktiven Bereichs angeordnet sind. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Bipolarplatte liegt insbesondere in einer erhöhten

Leistungsdichte. Diese wird dadurch erzielt, dass aufgrund der Anordnung der Hauptports im Verteilerbereich dieser einen größeren Bereich aufweist, in dem sich Kathodenkanäle und Anodenkanäle überlagern. Dieser Bereich wird mit Vorteil bereits für die

Brennstoffzellenreaktion und damit zur Energieerzeugung genutzt. Inaktive Bereiche werden im Verteilerbereich reduziert.

Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Bipolarplatte eine sehr kompakte Form auf.

Anstelle der bekannten Doppel-T-Form mit zwei Schenkeln je Verteilerbereich weist die erfindungsgemäße Bipolarplatte vorzugsweise eine Doppel-L-Form und damit lediglich einen Schenkel je Verteilerbereich auf. Die Länge der zuführenden Strömungskanäle im

Verteilerbereich kann aufgrund der Anordnung der Hauptports ebenfalls reduziert werden.

Somit kann eine Brennstoffzelle mit erfindungsgemäßer Bipolarplatte bei kleinerer Zellfläche die gleiche Brennstoffzellenleistung generieren wie eine Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte nach dem Stand der Technik.

Als Port sind vorliegend Öffnungen in der Bipolarplatte zu verstehen, welche in einem

Brennstoffzellenstapel Kanäle zur Führung von Betriebsmedien ergeben.

Eine erfindungsgemäße Bipolarplatte hat weiterhin den Vorteil, dass aufgrund der Geradlinigkeit der Kathodenkanäle ein Wasseraustrag begünstigt ist und somit eine Verstopfung von

Kathodenkanälen infolge einer Wasseransammlung weitestgehend oder vollständig

unterbunden wird. Ferner führt die erfindungsgemäße Überschneidung von Anoden- und Kathodenkanälen zu einer im Wesentlichen homogenen Verteilung von Brennstoff und

Kühlmittel über den Überschneidungsabschnitt. Dies begünstigt wiederum eine homogene Verteilung des Drucks von Reaktantenfluiden (da diese insbesondere gasförmig vorliegen, werden sie nachfolgend auch als Reaktantengase bezeichnet) innerhalb der Kathodenkanäle über die gesamte Fläche der Bipolarplatte.

Unter Kanälen werden offene (also rinnenförmige) und/oder geschlossene (also röhrenförmige), Fluid-Verbindungen zum Transport der Betriebsmittel verstanden. Sie können als diskrete Kanäle und/oder als Flussfeld beziehungsweise Strömungsfeld, welches eine Querströmung erlaubt, ausgebildet sein. Im ersten Überschneidungsabschnitt sind die Kathoden- und

Anodenkanäle vorzugsweise in diskreten Kanälen und zueinander parallel angeordnet. Ferner sind die Kathodenkanäle im ersten Überschneidungsabschnitt bevorzugt in einem Winkel im Bereich von 0° bis 70 ° insbesondere bevorzugt im Bereich von 10° bis 50° zueinander, angeordnet.

Vorliegend wird eine Bipolarplatte in drei Bereiche unterteilt, umfassend zwei Verteilerbereiche und einen aktiven Bereich. Ein erster Verteilerbereich dient dabei der Zuleitung von

Betriebsmedien zu dem aktiven Bereich der Bipolarplatte, ein zweiter Verteilerbereich der Ableitung der Betriebsmedien aus dem aktiven Bereich. Bevorzugt sind beide Verteilerbereiche gleich ausgeführt und insbesondere durch Rotationssymmetrie ineinander überführbar. In den Verteilerbereichen sind wiederum die Betriebsmittelhauptports, also Anodengashauptport, Kühlmittelhauptport und Kathodengashauptport, angeordnet. Vorzugsweise sind innerhalb eines Verteilerbereichs der Kathodengashauptport und entweder der Kühlmittelgashauptport oder der Anodengashauptport entlang einer ersten Seitenkante der Bipolarplatte angeordnet. Weiterhin bevorzugt sind innerhalb eines Verteilerbereichs der Kühlmittelgashauptport und der Anodengashauptport entlang einer zur ersten Seitenkante benachbarten zweiten Seitenkante angeordnet. Dabei ist die erste Seitenkante bevorzugt im rechten Winkel zur

Erstreckungsrichtung des aktiven Bereichs angeordnet.

Üblicherweise sind die Betriebsmittelhauptports anhand ihrer Ausbildung, insbesondere ihrer Größenverhältnisse klassifizierbar. So weist sowohl im Stand der Technik als auch in vorliegender Erfindung der Kathodengashauptport von den drei verschiedenen

Betriebsmittelhauptports stets die größte lichte Fläche auf, die lichte Fläche des

Anodengashauptports ist hingegen zumeist kleiner ausgeführt als die Flächen von

Kathodengashauptport und Kühlmittelhauptport. So ist in vorliegender Erfindung auch im passiven Zustand die Funktion des jeweiligen Betriebsmittelhauptports eindeutig identifizierbar.

Der aktive Bereich, welcher zwischen den beiden Verteilerbereichen angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass im zusammengebauten Zustand des Brennstoffzellenstapels dieser Bereich einer Elektrode der Membran-Elektroden-Einheit gegenüberliegt. Er ist durch die Verteilerbereiche begrenzt und zumeist in rechteckiger Form ausgebildet. Das heißt, im aktiven Bereich finden die chemischen Reaktionen statt, welche Grundlage für die Energieerzeugung in einer Brennstoffzelle sind.

Bei den Betriebsmedien handelt es sich vorliegend um Fluide, also flüssig oder gasförmig vorliegende Stoffe, welche durch die jeweiligen Betriebsmittelhauptports über geeignete Zuführungen auf die Platte geführt werden. Dabei handelt es sich um zwei Reaktandenfluide, insbesondere ein Kathodenbetriebsmittel (Oxidationsmittel) und ein Anodenbetriebsmittel (Brennstoff) sowie ein Kühlmittel, vorzugsweise Wasser. Bevorzugt wird Sauerstoff als

Oxidationsmittel und Wasserstoff als Brennstoff verwendet.

Vorliegend verlaufen die Kathodenkanäle einer Bipolarplatte zumindest über den

Verteilerbereich geradlinig beziehungsweise umlenkungsfrei, also ohne Richtungsänderung. Darunter ist vorliegend zu verstehen, dass die Kathodenkanäle in Aufsicht auf die

Kathodenplatte keine Kehren aufweisen. Vorzugsweise sind sie parallel zueinander angeordnet. Eine derartige Anordnung findet sich zumindest im Verteilerbereich. Ebenfalls bevorzugt wird diese Anordnung über die gesamte Länge der Bipolarplatte, also auch im aktiven Bereich, fortgeführt. Der geradlinige Verlauf der Kathodenkanäle hat den Vorteil, dass eine

Wasseransammlung und eine damit einhergehende Verstopfung der Kathodenkanäle durch eine Verbesserung des hydraulischen Querschnitts im gesamten Kathodenkanalbereich verhindert werden. Ferner können erfindungsgemäße Bipolarplatten mit Niederdruckstrategie, also einem Betriebsmitteldruck von kleiner 2 bar, betrieben werden.

Die Anodenkanäle sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie sich über die gesamte Breite eines Kathodenflussfeldes erstrecken, wobei das Kathodenflussfeld der Summe aller

Kathodenkanäle entspricht. Dadurch wird vorteilhafterweise erreicht, dass der Brennstoff dem Flussfeld über die gesamte Breite mit einem im Wesentlichen gleichen Anfangsdruck zugeführt wird, wohingegen bei herkömmlichem Aufbau einer Bipolarplatte bereits im Verteilerbereich eine inhomogene Druckverteilung des Brennstoffs erzeugt wird.

Ein Überschneidungsabschnitt im Sinne der Erfindung ist ein Bereich innerhalb eines

Verteilerbereichs der Bipolarplatte, in dem sich mindestens zwei Sorten von Strömungskanälen, also Kühlmittelkanäle, Kathodenkanäle und/oder Anodenkanäle, nicht fluidführend überlagern. Dabei können zwischen jeweils zwei Sorten von Kanälen Winkel im Bereich von 0° bis 180° eingeschlossen werden. Werden Winkel im Bereich von 0° bis 89 ° eingeschlossen, wird die Strömungsrichtung der in den entsprechenden Kanälen geführten Fluide als im Wesentlichen gleich angesehen, liegt der eingeschlossene Winkel hingegen im Bereich von 91 ° bis 180°, ist die Strömungsrichtung im Wesentlichen entgegengesetzt.

Mit besonderem Vorteil verlaufen Anodenkanäle und Kühlmittelkanäle im ersten

Überschneidungsabschnitt parallel zueinander und schließen mit den Kathodenkanälen einen Winkel im Bereich von 10° bis 90°, insbesondere von 20 ° bis 80 °, vorzugsweise von 25° bis 75°, besonders bevorzugt von 35° bis 55°, ein. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist bevorzugt, dass der erste Überschneidungsabschnitt in Erstreckungsrichtung des aktiven Bereichs in dessen Flucht angeordnet ist. Dies stellt sicher, dass die Kathodenkanäle im Verteilerbereich geradlinig verlaufen und zudem die gleiche Strömungsrichtung aufweisen wie im aktiven Bereich. Weiter bevorzugt entspricht die Summe der Breite aller vom Kathodenhauptport ausgehenden Kathodenkanäle im Wesentlichen der Breite des aktiven Bereichs. Weiter bevorzugt sind der Kühlmittelgashauptport und der Anodengashauptport au ßerhalb dieser Flucht, insbesondere einseitig, angeordnet.

Mit Vorteil weist der erste Überschneidungsabschnitt die Form eines, insbesondere

rechtwinkligen, Dreiecks auf. Diese Form zeichnet sich durch ihre Einfachheit aus.

Insbesondere durch diese Ausgestaltung wird der erste Überschneidungsabschnitt von zwei senkrecht zueinander angeordneten Seiten, und damit vollständig und gleichmäßig, mit den Reaktionsgasen beaufschlagt. Somit steht der erste Überschneidungsabschnitt für die

Brennstoffzellenreaktion zur Verfügung.

Diese bevorzugte Form des ersten Überschneidungsabschnitts wird vorzugsweise dadurch erreicht, indem zumindest einer der Betriebsmittelhauptports, insbesondere der

Kathodengashauptport, eine im Wesentlichen dreieckige Form aufweist. Der

Kathodengashauptport ist dann mit Vorteil derart im Verteilerbereich angeordnet, dass eine Ecke, insbesondere der rechte Winkel auf einer dem zweiten Überschneidungsabschnitt abgewandten Seite des Verteilerbereichs angeordnet ist, wobei die zu dem Winkel benachbarte Seitenkante des Dreiecks entlang der Seitenkante der Bipolarplatte verläuft, die zur

Erstreckungsrichtung der Bipolarplatte senkrecht angeordnet ist.

Ferner ist bevorzugt, dass der erste Überschneidungsabschnitt derart angeordnet ist, dass eine erste Seitenkante, insbesondere eine Kathete, des ersten Überschneidungsabschnitts in Verlängerung zu einer Kante des aktiven Bereichs verläuft. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt in der optimalen Nutzung der zur Verfügung stehenden Fläche. Im Zusammenhang mit einer Membran-Elektroden-Einheit, die an der Bipolarplatte angeordnet wird, ergibt sich der Vorteil, dass die Membran vollflächig beschichtet werden kann, ohne dass Bereiche der Elektroden, also der katalytischen Beschichtung, nicht an der Brennstoffzellenreaktion beteiligt sind.

Mit Vorteil ist der erste Überschneidungsabschnitt ferner derart angeordnet, dass eine zweite Seitenkante, insbesondere Kathete, des ersten Überschneidungsabschnitts mit einer begrenzenden Grenzlinie des aktiven Bereichs verläuft. Dabei verläuft die Grenzlinie senkrecht zur Erstreckungsrichtung des aktiven Bereichs und grenzt diesen von dem Verteilerbereich ab.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte weist im Verteilerbereich ferner einen zweiten

Überschneidungsabschnitt auf. In diesem verlaufen nur die Anodenkanäle und die

Kühlmittelkanäle, welche sich in einem Winkel größer 0 ° insbesondere in einem Winkel im Bereich von 55° bis 125° vorzugsweise im Bereich von 70° bis 1 10° überschneiden. Der zweite Überschneidungsabschnitt weist keine Kathodenkanäle auf und liegt gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung au ßerhalb der Flucht des aktiven Bereichs. Dies ermöglicht eine maximale Ausdehnung des ersten Überschneidungsabschnitts sowie eine kompakte Form der Bipolarplatte.

Weiter bevorzugt verlaufen die Anodenkanäle im zweiten Überschneidungsabschnitt derart, dass eine Strömungsrichtung in einer dem aktiven Bereich abgewandten Richtung verläuft. Das heißt, das Anodengas strömt in diesem Abschnitt im Wesentlichen entgegengesetzt zu einer Strömungsrichtung des Kathodengases in den Kathodenkanälen innerhalb des ersten

Überschneidungsabschnitts. Mit anderen Worten verlaufen die Anodenkanäle im zweiten Überschneidungsabschnitt in einem Winkel im Bereich von 91 ° bis 180°, insbesondere im Bereich von 100° bis 170°, zu den Kathodenkanälen im ersten Überschneidungsabschnitt. Die Kühlmittelkanäle im zweiten Überschneidungsabschnitt weisen zu den Kathodenkanälen innerhalb des ersten Überschneidungsabschnitts hingegen bevorzugt einen Winkel im Bereich von 0 ° bis 90 °, insbesondere im Bereich von 20° bis 80 °, auf. In dieser Ausgestaltung weist der Kühlmittelhauptport eines Verteilerbereichs den größtmöglichen Durchmesser auf. Zudem sind die Kühlmittelkanäle derart angeordnet, dass das Kühlmittel stark gerichtet und gleichmäßig verteilt in den aktiven Bereich geführt wird, ohne starke Kehren zu durchlaufen, in welchen es zu einer Ansammlung von Sedimenten oder Eis kommen könnte.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit, die eine Membran umfasst, die eine viereckige Form mit zwei parallelen Längsseiten und zwei einander gegenüberliegenden Kurzseiten aufweist, wobei zumindest ein durch eine Kurzseite und eine dazu benachbarte Längsseite eingeschlossener Winkel von 90° verschieden ist. Ferner umfasst die Membran-Elektroden-Einheit zwei beidseitig der Membran angeordnete Elektroden, wobei die Elektrodenfläche die gleiche Form aufweist, wie die Membranfläche. Erfindungsgemäß entspricht die Form der Elektrodenfläche der Form der Membranfläche. Vorliegend ist unter dem eingeschlossenen Winkel stets der kleinere von den Kurz- und Längsseiten eingeschlossene Winkel zu verstehen, auch wenn dieser nicht dem Innenwinkel des Vierecks entspricht. Die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit ist somit derart gestaltet, dass sie an die erfindungsgemäße Bipolarplatte angeordnet werden kann.

Die Elektroden einer Brennstoffzelle liegen üblicherweise als katalytische Beschichtung auf den Gasdiffusionslagen vor, die dann als Gasdiffusionselektroden bezeichnet werden. Die

Elektroden können jedoch auch als katalytische Beschichtung auf der Membran vorliegen. In diesem Fall spricht man auch von katalytisch beschichteten Membranen oder CCM (für catalytic coated membrane). Es sind verschiedene Techniken bekannt, um zur Herstellung einer CCM ein Membranmaterial mit einem katalytischen Material zu beschichten und so die

Katalysatorschichten zu erzeugen. Hierzu zählen unter anderem Druckverfahren,

Sprühverfahren, Abscheidungsverfahren, Aufstreichverfahren. Für die Massenherstellung sind preiswerte Verfahren mit hohen Produktionsraten wünschenswert.

Die erfindungsgemäße Membran hat gegenüber bekannten Membranen den Vorteil, dass sich ein Teil des aktiven Bereichs funktional in den Verteilerbereich der Bipolarplatte erstreckt und somit die Leistungsdichte der Membran-Elektroden-Einheit erhöht ist. Die erfindungsgemäße Membran ist derart ausgestaltet, dass vorteilhafter Weise die gesamte Membran zur Herstellung einer Membran-Elektroden-Einheit aktiviert wird, also mit einem katalytischen Material beschichtet wird (catalytic coated membrane, CCM). Alternativ ist eine an die Membran angrenzende Gasdiffusionsschicht im gesamten an die Membran angrenzenden Bereich mit einem katalytischen Material beschichtet, wodurch die nutzbare aktive Fläche maximiert und die Leistungsdichte der Membran-Elektroden-Einheit erhöht wird.

Derjenige Bereich einer MEA, der im Brennstoffzellenstapel mit beiden Reaktantengasen für die Anode und Kathode beaufschlagt wird und an dem die Brennstoffzellenreaktion unter

Erzeugung von Elektrizität stattfindet, wird als aktivierter Bereich bezeichnet. Der aktivierte Bereich nimmt jedoch nur einen Teil der Gesamtfläche der MEA ein. Die übrigen Bereiche, die eine variable Form aufweisen können, dienen der Zuführung und Verteilung der Betriebsmedien zu dem aktivierten Bereich und der Abdichtung sowie der mechanischen Stabilisierung der MEA. Diese Bereiche werden als nicht aktive beziehungsweise inaktive Bereiche bezeichnet. In herkömmlichen Brennstoffzellen weist der aktivierte Bereich die Form des aktiven Bereichs der Bipolarplatte und damit zumeist eine rechteckige Form auf. In dem Bestreben, eine hohe Flächenausnutzung für den aktivierten Bereich zu erzielen, sind in jüngster Zeit auch

Anordnungen mit nicht rechteckigen aktivierten Bereichen entwickelt worden, beispielsweise mit einer regelmäßigen oder unregelmäßigen sechseckigen Kontur wie in Figur 2 gezeigt. Aus Kostengründen wünschenswert ist grundsätzlich, einzig den aktivierten Bereich mit der katalytischen Schicht auszustatten. Die selektive Beschichtung des aktivierten Bereichs ist mit Druckverfahren, beispielsweise Offset- oder Siebdruck möglich. Diese Verfahren sind jedoch im Falle des Siebdrucks vergleichsweise zeitaufwendig oder erfordern eine kostenintensive Maschinerie (Offsetdruck). Schneller und mit wenig Aufwand verbunden sind demgegenüber kontinuierliche Beschichtungsverfahren, bei denen das Membranmaterial kontinuierlich mit dem katalytischen Material beschichtet wird und die katalytisch beschichtete Membran später durch einen Konfektionsschritt ausgeschnitten wird. Nachteilig ist hier, dass im Falle nicht rechteckiger aktivierter Bereiche die Beschichtung von inaktiven Bereichen der Membran oder des

Membranverschnitts unvermeidlich ist. Sofern inaktive Bereiche unerwünscht mit katalytischem Material beschichtet werden, müssen diese Bereiche nachträglich beispielsweise durch

Aufbringen von Diffusionsbarriereschichten blockiert werden. In jedem Fall bedeutet die überschüssige Beschichtung einen Verlust an katalytischem Material.

In bevorzugter Ausgestaltung sind alle Innenwinkel des Vierecks von 90 ° verschieden. Somit kann die Membran die Form eines Trapezes oder eines Parallelogramms aufweisen. Der Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass die Membran individuell an die Bipolarplatte derart angepasst ist, dass sich ein Teil der Membran-Elektroden-Einheit in den Verteilerbereich erstreckt.

Weiterhin bevorzugt sind die gegenüberliegenden Kurzseiten parallel zueinander. Damit hat die erfindungsgemäße Membran in dieser Ausgestaltung die Form eines Parallelogramms, wobei die jeweils gegenüberliegenden Winkel gleich groß sind. Weist die Membran die Form eines Parallelogramms, also eines regelmäßigen Rechtecks auf, so ist die Herstellung gegenüber unregelmäßigen geometrischen Formen vereinfacht.

Ferner betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle, die die erfindungsgemäße Bipolarplatte und die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit umfasst. Die erfindungsgemäße

Brennstoffzelle weist gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Leistungsdichte auf.

Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl abwechselnd mit Bipolarplatten gestapelter Membran-Elektroden-Einheiten gemäß der Erfindung umfasst. Der Brennstoffzellenstapel kann insbesondere in einem Fahrzeug eingesetzt werden, das über einen elektromotorischen Antrieb verfügt, wobei der Brennstoffzellenstapel der

Elektrizitätsversorgung des Elektromotors und/oder einer Traktionsbatterie dient.

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:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels,

Figur 2 eine schematische Prinzipskizze eines Ausschnitts einer Bipolarplatte in einer ersten Ausführungsform der Erfindung in Aufsicht,

Figur 3 eine schematische Prinzipskizze eines Ausschnitts einer Bipolarplatte in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Aufsicht,

Figur 4A eine schematische Darstellung einer Membran-Elektroden-Einheit nach dem

Stand der Technik,

Figur 4B eine schematische Darstellung einer Membran-Elektroden-Einheit gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung,

Figur 5 eine schematische Darstellung einer Membran gemäß einer bevorzugten

Ausgestaltung der Erfindung,

Figur 6A eine schematische Darstellung des Querschnitts einer Membran nach dem

Stand der Technik, und

Figur 6B eine schematische Darstellung des Querschnitts einer Membran in der

bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.

Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Brennstoffzellenstapel 100. Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine erste Endplatte 1 1 1 sowie eine zweite Endplatte 1 12. Zwischen den Endplatten 1 1 1 , 1 12 ist eine Vielzahl übereinander gestapelter Stapelelemente angeordnet, welche Bipolarplatten 1 13 und Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 umfassen. Die Bipolarplatten 1 13 sind mit den Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 abwechselnd gestapelt. Die Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 umfassen jeweils eine Membran und beidseitig der Membran anschließende Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode (nicht dargestellt). An der Membran anliegend, können die Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 zudem (ebenfalls nicht dargestellte) Gasdiffusionslagen aufweisen. Zwischen den Bipolarplatten 1 13 und

Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 sind jeweils Dichtungselemente 1 15 angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume gasdicht nach au ßen abdichten. Zwischen den Endplatten 1 1 1 und 1 12 ist der Brennstoffzellenstapel 100 mittels Spannelementen 1 16, zum Beispiel Zugstangen oder Spannblechen, verpresst.

In Figur 1 sind von den Bipolarplatten 1 13 und den Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 lediglich die Schmalseiten sichtbar. Die Hauptflächen der Bipolarplatten 1 13 und der Membran-Elektroden-Einheiten 1 14 liegen aneinander an. Die Darstellung in Figur 1 ist teilweise nicht dimensionsgetreu. Typischerweise beträgt eine Dicke einer Einzelzelle, bestehend aus einer Bipolarplatte 1 13 und einer Membran-Elektroden-Einheit 1 14, wenige mm, wobei die Membran- Elektroden-Einheit 1 14 die weitaus dünnere Komponente ist. Zudem ist die Anzahl der

Einzelzellen üblicherweise wesentlich größer als dargestellt.

Figur 2 zeigt eine schematische Prinzipskizze eines Ausschnitts einer Bipolarplatte 1 in einer ersten Ausführungsform der Erfindung in Aufsicht auf die Bipolarplatte 1 . Gezeigt ist ein Verteilerbereich 2 und der daran angrenzende aktive Bereich 6 der Bipolarplatte 1 .Der

Verteilerbereich 2 ist breiter ausgebildet als der aktive Bereich 6. Er weist drei

Betriebsmittelhauptports, nämlich einen Kathodengashauptport 4, einen Kühlmittelhauptport 5 und einen Anodengashauptport 3 auf. Diese sind derart angeordnet, dass der

Kathodengashauptport 4 und der Kühlmittelhauptport 5 entlang einer Seitenkante der

Bipolarplatte 1 benachbart zueinander positioniert sind. Ferner ist der Kathodengashauptport 4 in Verlängerung zum aktiven Bereich 6, also mit diesem fluchtend, angeordnet. Der

Anodengashauptport 3, welcher zum Kühlmittelhauptport 5 benachbart ist, liegt hingegen au ßerhalb einer Flucht des aktiven Bereichs 6. Somit zeigt die Bipolarplatte 1 in dem gezeigten Ausschnitt eine L-Form.

Ausgehend von den Betriebsmittelhauptports 3, 4 und 5 führen Strömungskanäle 31 , 41 und 51 über den Verteilerbereich 2 in den aktiven Bereich 6. Dabei überlagern sich zumindest zwei Sorten Strömungskanäle bereichsweise. Es bilden sich ein erster Überschneidungsabschnitt 9 und ein zweiter Überschneidungsabschnitt 10 aus.

Im ersten Überschneidungsabschnitt 9 überlagern sich alle Strömungskanäle 31 , 41 und 51 , wobei Anodenkanäle 31 und Kühlmittelkanäle 51 im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und sich mit den Kathodenkanälen 41 in einem Winkel im Bereich von 10 ° bis 45° überschneiden. Das Überschneiden der Strömungskanäle 31 , 41 und 51 erfolgt nicht fluidführend, sodass es nicht zu einer Vermischung oder einem Austausch von Betriebsmedien kommt. Der erste Überschneidungsabschnitt 9 erstreckt sich in gezeigter Ausführungsform über eine Breite, die dem aktiven Bereich 6 entspricht, hinaus und grenzt über eine Grenzlinie 12 an diesen an. Eine weitere Seitenkante 1 1 des ersten Überschneidungsabschnitts 9 bildet eine Verlängerung einer Längskante 13 des aktiven Bereichs 6. In Abhängigkeit von der Ausformung des Kathodenhauptports 4 weist der erste Überschneidungsabschnitt 9 die Form eines, insbesondere rechtwinkligen, Dreiecks auf. Die Kathodenkanäle 41 verlaufen geradlinig über den Verteilerbereich 2 und gehen direkt in die Kathodenkanäle des aktiven Bereichs 6 über.

Der zweite Überschneidungsabschnitt 10 ist seitlich zu dem ersten Überschneidungsabschnitt 9 benachbart angeordnet. Damit liegt er au ßerhalb einer Flucht des aktiven Bereichs 6. Er ist ebenfalls bevorzugt dreieckig ausgebildet und grenzt mit einer Seitenkante, insbesondere einer Hypotenuse, an die Seitenkante 1 1 des ersten Überschneidungsabschnitts 9 an, die die Verlängerung der Längskante 13 des aktiven Bereichs 6 bildet. An die anderen Seiten des zweiten Überschneidungsabschnitts 10 grenzen der Anodengashauptport 3 und der

Kühlmittelhauptport 5. Der Kühlmittelhauptport 5 liegt dabei bevorzugt benachbart zum

Kathodengashauptport 4, sodass die vom Kühlmittelhauptport 5 ausgehenden Kühlmittelkanäle 51 in einem Winkel zu den Kathodenkanälen 41 auf den ersten Überschneidungsabschnitt 9 treffen und im Wesentlichen die gleiche Strömungsrichtung aufweisen wie die Kathodenkanäle 41 . Sie verlaufen ferner geradlinig über den zweiten Überschneidungsabschnitt 10. Die

Anodenströmungskanäle 31 hingegen treffen ausgehend vom Anodenhauptport 3 in einem Winkel größer Null auf den ersten Überschneidungsabschnitt 9, sodass sie nach ihrem geradlinigen Verlauf über den zweiten Überschneidungsabschnitt 10 eine Strömungsumkehr erfahren, um im ersten Überschneidungsabschnitt 9, bezogen auf die Strömungsrichtung des Anodengases, im Wesentlichen gleichgerichtet zu den Kathodenkanälen 41 zu verlaufen.

Die Strömungskanäle 31 , 41 und 51 verlaufen in der gezeigten Ausführungsform im aktiven Bereich 6 parallel zueinander und geradlinig. Alternativ können zumindest eine Sorte

Strömungskanäle 31 , 41 und/oder 51 mäanderförmig über den aktiven Bereich laufen.

Vorzugsweise ist ferner die Strömungsrichtung der Fluide in den Strömungskanälen 31 , 41 , und/oder 51 gleichgerichtet, obwohl auch Ausführungsformen gewählt werden können, in denen zwei Sorten, beispielsweise Anodenkanäle 31 und Kathodenkanäle 41 , gegenläufig strömen. Figur 3 zeigt eine schematische Prinzipskizze eines Ausschnitts einer Bipolarplatte in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Ausschnitt der Bipolarplatte 1 ist ebenfalls in Aufsicht gezeigt und entspricht im Wesentlichen dem Aufbau der Ausführungsform in Figur 2. Der Unterschied der zweiten Ausführungsform im Vergleich zu der in Figur 2 gezeigten besteht in der Anordnung des Anodengashauptports 3 und des Kühlmittelhauptports 5. Diese sind im Vergleich zur ersten Ausführungsform vertauscht. Dies wirkt sich auf die Anordnung und die Strömungsrichtung von Kühlmittelkanälen 51 und Anodenkanälen 31 aus. Während in der ersten Ausführungsform die Anodenkanäle 31 an der Grenze zwischen zweitem und ersten Überschneidungsabschnitt 9, 10 eine Strömungsumkehr erfahren, trifft dies in der in Figur 3 gezeigten Ausführung für die Kühlmittelkanäle zu. Im Gegenzug verlaufen die Anodenkanäle 31 hier geradlinig über den gesamten Verteilerbereich 2.

Da sich im ersten Überschneidungsabschnitt 9 Kathodenkanäle 41 und Anodenkanäle 31 überlagern, ist dieser Bereich bereits für die Brennstoffzellenreaktion geeignet, da hier sowohl ein Brennstoff als auch ein Oxidationsmittel zur Verfügung steht und somit als aktivierbarer Bereich 28 bezeichnet werden kann. Um diese der Brennstoffzellenreaktion zuzuführen, ist es erforderlich, dass in diesem Bereich eine geeignete Elektrodenoberfläche zur Verfügung steht. Dies kann durch die Bereitstellung einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit 20, wie sie den folgenden Figuren zu entnehmen ist, realisiert werden.

Figur 4A zeigt eine Membran-Elektroden-Einheit 20 nach dem Stand der Technik in Aufsicht auf eine ihrer Flachseiten. Die Membran-Elektroden-Einheit 20 weist die katalytisch beschichtete Membran 21 auf. Im dargestellten Beispiel besitzt die katalytisch beschichtete Membran 21 eine sechseckförmige Kontur. Innerhalb dieser sechseckförmigen Kontur ist ein aktiver Bereich 6 angeordnet, welcher durch eine unterbrochene Linie angedeutet ist. Außerhalb des aktiven Bereichs 6 weist die katalytisch beschichtete Membran 21 aktivierbare Bereiche 28 und inaktive Bereiche 25 auf. Der aktive Bereich 6 weist die Form des aktiven Bereichs 6 der Bipolarplatte 1 auf. Je nachdem, ob und wieviel des aktivierbaren Bereichs 28 eine katalytische Beschichtung 22 aufweist, bildet der aktive Bereich 6 und der aktivierbare Bereich 28 gemeinsam den aktivierten Bereich 29. In diesem aktivierten Bereich 29 findet im Einbauzustand der Membran- Elektroden-Einheit 20 in einen Brennstoffzellenstapel 100 die Brennstoffzellenreaktionen an der Anode und Kathode statt und somit die Erzeugung von Elektrizität. Die inaktiven Bereiche 25 dienen hingegen anderen Funktionen, beispielsweise der Zuführung der Betriebsmedien zu dem aktiven Bereich 6. Idealerweise ist die Polymerelektrolytmembran 21 lediglich im aktiven Bereich 6 mit den katalytische Beschichtungen 22 beschichtet. Die Membran-Elektroden-Einheit 20 umfasst verschiedene Durchgangsöffnungen 3 bis 5, welche der Zu- und Abführung der verschiedenen Betriebsmedien dienen. Diese sind vorzugsweise in einer Schutz- und/oder Stützschicht 26 der Membran angeordnet. So dient ein erster Anodengashauptport 3 der Zuführung des Anodenbetriebsgases zu den Anoden des Brennstoffzellenstapels 100 und ein gegenüberliegender zweiter Anodengashauptport 3 der Abführung des Anodenbetriebsgases. Desgleichen dient ein erster Kathodengashauptport 4 der Zuführung eines Kathodenbetriebsgases an die Kathoden des Brennstoffzellenstapels 100 und ein gegenüberliegender zweiter Kathodengashauptport 4 der Abführung des

Kathodenbetriebsgases. Schließlich dient ein erster Kühlmittelhauptport 5 der Zuführung eines Kühlmittels zu den internen Kühlmittelkanälen 51 der Bipolarplatten 1 und ein

gegenüberliegender zweiter Kühlmittelhauptport 5 der Abführung des Kühlmittels 52. Die im Einzelnen nicht dargestellten Bipolarplatten 1 weisen einen im Wesentlichen gleichen Zuschnitt wie die dargestellte Membran-Elektroden-Einheiten 20 auf, insbesondere korrespondierende Ports 3, 4 und 5. Auf diese Weise werden im gestapelten Zustand der Membran-Elektroden- Einheiten 20 und Bipolarplatten 1 Betriebsmittelhauptkanäle ausgebildet, welche den

Brennstoffzellenstapel 100 in seiner Stapelrichtung S (siehe Figur 1 ) durchsetzen. (Diese Betriebsmedienhauptkanäle sind in Figur 1 nicht dargestellt, welche lediglich einen Schnitt durch den aktiven Bereich 6 des Brennstoffzellenstapels zeigt.) Die Anoden- und

Kathodengashauptports 3 bis 4 sind über offene Verteilerkanäle der im Stapel 100

angrenzenden Bipolarplatten 1 mit den entsprechenden Anoden- beziehungsweise

Kathodenkanälen 31 , 41 der Bipolarplatten 1 fluidführend verbunden. Die Kühlmittelhauptports 5 sind mit den internen Kühlmittelkanälen 51 der Bipolarplatten 1 verbunden. Die Ports 3, 4 und 5 und die Anoden- beziehungsweise Kathodenkanäle 31 , 41 des aktiven Bereich 6

verbindenden Verteilerkanalstrukturen verlaufen in den inaktiven Bereichen 25.

Zur mechanischen Abstützung ist die Membran 21 üblicherweise beidseitig von jeweils einer Stützschicht 26 eingefasst, welche die Membran 21 an ihren Randbereichen umschließt.

Optional kann sich die Membran 21 auch über die gesamte Fläche der Membran-Elektroden- Einheit 20 erstrecken und an ihren Randbereichen mit Stützschichten 26 laminiert sein. Ferner sind in Figur 4A Dichtungen 27 erkennbar, welche die Betriebsmitteldurchgangsöffnungen 3, 4 und 5 sowie die katalytisch beschichtete Membran 21 einfassen, um diese nach außen abzudichten. Optional können die Dichtungen 27 statt auf der Membran-Elektroden-Einheit 20 auf den Bipolarplatten 1 oder auf beiden angeordnet sein.

Wie bereits ausgeführt, findet die Brennstoffzellenreaktion lediglich im aktivierten Bereich 29 statt. Es wird daher angestrebt, möglichst nur in diesem Bereich die Katalysatorschichten 22 aufzubringen, da das katalytische Material mit Abstand die teuerste Einzelkomponente des Brennstoffzellenstapels darstellt. Auf der anderen Seite wird angestrebt, den aktiven Bereich 6 möglichst groß und die inaktiven Bereiche 25 möglichst klein zu gestalten, um eine möglichst hohe Energieausbeute zu erzielen beziehungsweise den erforderlichen Bauraum und das Gewicht der Brennstoffzelle zu minimieren. Diesem Bestreben entsprechend resultieren Konturen des aktivierten Bereichs 29, die von der herkömmlichen rechteckigen Kontur (wie in Figur 4A gezeigt) abweichen können und eine unregelmäßige Kontur aufweisen.

Die kostengünstige und zeitsparende Massenherstellung katalytisch beschichteter Membranen 21 mit einem nicht rechteckigen aktiven Bereich ist bisher nur unzufriedenstellend gelöst. Beispielsweise kann die Herstellung durch selektive Beschichtungsverfahren erfolgen, bei denen das katalytische Material ausschließlich auf den aktivierten Bereich 6 eines

Membranmaterials aufgebracht wird, beispielsweise durch selektive Druckverfahren wie Siebdruck oder Offsetdruck. Diese Verfahren sind jedoch durch eine langsame

Produktionsgeschwindigkeit (Siebdruck) oder durch kostenintensive Maschinen (Offsetdruck) gekennzeichnet. Schneller und kosteneffizienter sind auf der anderen Seite kontinuierliche Beschichtungsverfahren, bei denen das katalytische Material unter Erzeugung einer konstanten Beschichtungsbreite auf das Membranmaterial aufgebracht wird.

Figur 4B zeigt eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit 20'. Der Grundaufbau der erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit 20' entspricht im Wesentlichen der in Figur 4A gezeigten. Der Unterschied besteht in der Form der Membran 21 und der Elektroden.

Vorliegend weist die Membran 21 eine viereckige Form mit zwei parallelen Längsseiten auf. Die Kurzseiten 23 stehen in einem Winkel zu den Längsseiten 24, der von 90° verschieden ist. In Figur 4B weist die Membran die Form eines Parallelogramms auf.

Im Verteilerbereich 2 sind die Betriebsmittelhauptports 3, 4 und 5 angeordnet. Dabei liegt der Kathodengashautport 4 fluchtend in Verlängerung des aktiven Bereichs 6. Der

Kühlmittelhauptport 5 und der Anodengashauptport 3 sind im Verteilerbereich 2 seitlich von der Membran 21 angeordnet.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Membran 21 gemäß der in Figur 4B bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Die Membran 21 weist in Aufsicht eine viereckige Form auf, wobei die Längsseiten 24 parallel zueinander angeordnet sind. Die Endpunkte der Längsseiten 24 sind durch je eine Kurzseite 23 miteinander verbunden. Dabei schließt eine erste Kurzseite 23 mit den beiden Längsseiten 24 einen Winkel α ein und die zweite Kurzseite 23 mit den Längsseiten 24 einen Winkel ß. Zumindest einer der beiden Winkel α und/oder ß ist von 90° verschieden. In der gezeigten Ausführungsform sind zudem die Winkel α und ß gleich groß. Damit sind die beiden Kurzseiten 23 zueinander parallel und die Membran 21 weist die Form eines Parallelogramms auf. Das größtmögliche Rechteck innerhalb der Membran 21 , welches die gleiche Breite wie die Membran 21 aufweist, entspricht dem aktiven Bereich 6 der in den vorigen Figuren gezeigten Bipolarplatten 1 .

Zur Anordnung in einer Membran-Elektroden-Einheit 20' wird beidseits der Membran 21 ein katalytisches Material 22 angeordnet. Dies kann beispielsweise durch katalytische

Beschichtung der Membran 21 oder einer Gasdiffusionslage (nicht gezeigt) erfolgen. Die katalytische Beschichtung 22 wird im aktiven Bereich 6 und erfindungsgemäß zusätzlich im aktivierbaren Bereich 28 und damit vollflächig, mit oder ohne bereichsweise Deaktivierung oder nur bereichsweise erfolgen. Ziel ist es dabei, dass alle Bereiche der späteren Membran- Elektroden-Einheit 20' in den Bereichen eine aktive katalytische Beschichtung 22 aufweisen, in denen Brennstoff und Oxidationsmittel gleichzeitig vorliegen.

Die Figuren 6A und 6B zeigen die Querschnitte einer Membran 21 mit angrenzender katalytischer Beschichtung 22 in zwei Ausführungen. Die Ausführung der Figur 6A zeigt eine partielle katalytische Beschichtung 22, die nur im aktiven Bereich 6 an die Membran angrenzt. Es entstehen inaktive Bereiche 25, die nicht zur Brennstoffzellenreaktion zur Verfügung stehen. Im Gegensatz dazu zeigt Figur 6B eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Membran 21 im Querschnitt, die über die gesamte Fläche eine katalytische Beschichtung 22 aufweist. Die Anordnung dieser Membran 21 in einer Membran-Elektroden-Einheit 20 für eine Bipolarplatte 1 der in den Figuren 2 und 3 beschriebenen Art erhöht die Leistungsdichte der entstehenden Brennstoffzelle, da die Bereiche, in denen die Brennstoffzellenreaktion Energie erzeugt, über den aktiven Bereich 6 hinaus gehen.

Bezugszeichenliste Bipolarplatte

Verteilerbereich

Anodengashauptport

Kathodengashauptport

Kühlmittelhauptgasport

aktiver Bereich

Anodenplatte

Kathodenplatte

erster Überschneidungsabschnitt

zweiter Überschneidungsabschnitt

Seitenkante des ersten Überschneidungsabschnitts Grenzlinie

Längskante des aktiven Bereichs Membran-Elektroden-Einheit

Membran-Elektroden-Einheit nach dem Stand der Technik Membran

katalytische Beschichtung

Kurzseite

Längsseite

inaktiver Bereich

Stützschicht

Dichtung

aktivierbarer Bereich

aktivierter Bereich Anodenkanäle

Kathodenkanäle

Kühlmittelkanäle

Kühlmittel Brennstoffzellenstapel

erste Endplatte 1 12 zweite Endplatte

1 13 Bipolarplatte (Stand der Technik)

1 14 Membran-Elektroden-Einheit

1 15 Dichtungselement

1 16 Spannelement

S Stapelrichtung

Claims

Patentansprüche

1 . Bipolarplatte (1 ) für eine Brennstoffzelle (100) umfassend eine profilierte Anodenplatte (7) und eine profilierte Kathodenplatte (8), jeweils aufweisend einen aktiven Bereich (6) sowie zwei Verteilerbereiche (2) zur Zu- und Ableitung von Betriebsmedien zu beziehungsweise aus dem aktiven Bereich (6), wobei die Verteilerbereiche (2) jeweils

- einen Anodengashauptport (3) zur Zu- und Abführung von Brennstoff,

- einen Kathodengashauptport (4) zur Zu- und Abführung von Oxidationsmittel,

welcher derart angeordnet ist, dass von diesem ausgehend Kathodenkanäle (41 ) zumindest über den Verteilerbereich (2) der Bipolarplatte (1 ) geradlinig verlaufen und eine Strömungsrichtung aufweisen, die einer Hauptströmungsrichtung in den Kathodenkanälen (41 ) im aktiven Bereich (6) entspricht, sowie

einen Kühlmittelhauptport (5) zur Zu- und Abführung von Kühlmittel aufweisen, wobei die Platten (7, 8) derart ausgebildet und übereinander angeordnet sind, dass die Bipolarplatte (1 ) Kanäle (31 , 41 , 51 ) für die Betriebsmedien aufweist, welche die Betriebsmittelhauptports (3, 4, 5) beider Verteilerbereiche (2) verbinden, und wobei die Verteilerbereiche (2) einen ersten Überschneidungsabschnitt (9), in dem Kathodenkanäle (41 ) und Anodenkanäle (31 ) einander nicht fluidverbindend überschneiden, und einen zweiten Überschneidungsabschnitt (10) aufweisen, in dem Anodenkanäle (31 ) und Kühlmittelkanäle (51 ) einander nicht fluidverbindend überschneiden,

dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelhauptport (5) und der

Anodengashauptport (3) einander benachbart, zu dem Kathodengashauptport (4) benachbart und außerhalb einer Flucht des aktiven Bereichs angeordnet sind.

2. Bipolarplatte (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste

Überschneidungsabschnitt (9) in Erstreckungsrichtung des aktiven Bereichs (6) zu dessen Flucht angeordnet ist.

3. Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Überschneidungsabschnitt (9) die Form eines, insbesondere rechtwinkligen, Dreiecks aufweist.

4. Bipolarplatte (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Überschneidungsabschnitt (9) derart angeordnet ist, dass eine erste Seitenkante (1 1 ) des ersten Überschneidungsabschnitts (9) in Verlängerung zu einer Kante des aktiven Bereichs (6) verläuft.

5. Bipolarplatte (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Überschneidungsabschnitt (9) derart angeordnet ist, dass eine zweite Seitenkante (1 1 ) des ersten Überschneidungsabschnitts (9) mit einer Grenzlinie (12) des aktiven Bereichs (6) senkrecht zu dessen Erstreckungsrichtung verläuft.

6. Bipolarplatte (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Überschneidungsabschnitt (10) außerhalb einer Flucht des aktiven Bereichs (6) angeordnet ist.

7. Bipolarplatte (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsrichtung des Anodengases in den Anodenströmungskanälen (31 ) im zweiten Überschneidungsabschnitt (10) in einer dem aktiven Bereich (6)

abgewandten Richtung verläuft.

8. Membran-Elektroden-Einheit (20) umfassend

eine Membran (21 ) aufweisend eine viereckige Form mit zwei parallelen Längsseiten (24) und zwei einander gegenüberliegenden Kurzseiten (23), wobei zumindest ein durch eine Kurzseite (23) und eine dazu benachbarte Längsseite (24)

eingeschlossener Winkel (a) von 90° verschieden ist und

zwei beidseits der Membran (21 ) angeordnete Elektroden,

dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Elektrodenfläche der Membranfläche entspricht.

9. Membran-Elektroden-Einheit (20) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass alle Innenwinkel des Vierecks der Membran (21 ) von 90° verschieden sind.

10. Brennstoffzelle (100) aufweisend eine Bipolarplatte (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 sowie eine Membran-Elektroden-Einheit (20) nach einem der Ansprüche 8 und 9.