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1. (WO2019048156) MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY, FUEL CELL STACK, AND VEHICLE COMPRISING SUCH A FUEL CELL STACK
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Membran-Elektroden-Anordnung, Brennstoffzellenstapel sowie Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Anordnung, einen

Brennstoffzellenstapel mit derartigen Membran-Elektroden-Anordnungen. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, das einen solchen Brennstoffzellenstapel 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-Anordnung (MEA für memhrane 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 Flussfeldoder 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 -> 2 H+ + 2 e"). 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 02 zu O2" unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (14 02 + 2 e" -> O2"). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die

Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2" + 2 H+ -> H20).

Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (z.B. Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (z.B. Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.

Brennstoffzellenstapel unterliegen Kompressionsdrücken, wobei typischerweise Hardware-Federn Einsatz finden, welche ein erhebliches Gewicht beitragen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Membran-Elektroden-Anordnung und einen Brennstoffzellenstapel mit einer solchen Membran-Elektroden-Anordnung vorzuschlagen, welche Kompressionseigenschaften und den strukturellen Aufbau des Brennstoffzellenstapels verbessern.

Diese Aufgabe wird durch eine Membran-Elektroden-Anordnung, einen

Brennstoffzellenstapel, mit einer solchen Membran-Elektroden-Anordnung sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Die Membran-Elektroden-Anordnung gemäß der Erfindung umfasst ein

Membrangefüge mit einer Anodenschicht, einer Kathodenschicht und einer

Membranschicht, wobei die Membranschicht zwischen Anodenschicht und

Kathodenschicht positioniert ist. Ferner umfasst die Membran-Elektroden-

Anordnung eine auf der Anodenschicht angeordnete anodenseitige

Gasdiffusionslage. Ferner umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung eine auf der Kathodenschicht angeordnete kathodenseitige Gasdiffusionslage. Ferner weist wenigstens eine der anodenseitigen Gasdiffusionslage und der kathodenseitigen Gasdiffusionslage auf der vom Membrangefüge abgewandten Seite eine

Strukturierung auf. Erfindungsgemäß umfasst die Strukturierung eine Vielzahl von Säulen zur Ausbildung eines lateral offenen Strömungsfeldes, wobei die Säulen Anlegeflächen zum Anlegen einer Bipolarplatte aufweisen. Durch die Säulen der Gasdiffusionslage wird vorteilhaft eine Federwirkung unter Kompression erzielt, wodurch beispielsweise eine Hardware-Feder ersetzt werden kann. Ferner werden durch diese Säulen auch induzierte Spannungen verringert.

Bevorzugt weist die anodenseitige Gasdiffusionslage auf der vom Membrangefüge abgewandten Seite eine erste Strukturierung auf und die kathodenseitige

Gasdiffusionslage weist auf der vom Membrangefüge abgewandten Seite eine zweite Strukturierung auf, wobei die erste Strukturierung eine Vielzahl von ersten Säulen zur Ausbildung eines lateral offenen Strömungsfeldes umfasst, wobei die ersten Säulen erste Anlegeflächen zum Anlegen einer Bipolarplatte aufweisen. Ferner umfasst die zweite Strukturierung eine Vielzahl von zweiten Säulen, wobei die zweiten Säulen zweite Anlegeflächen zum Anlegen einer Bipolarplatte aufweisen. Hierbei ergibt sich eine beidseitige Säulenstruktur, wodurch die

Federwirkung weiter verbessert bzw. verstärkt wird. Auch induzierte Spannungen könne weiter verringert werden.

Bevorzugt sind erste Säulen und zweite Säulen derart positioniert, dass zu jeder ersten Säule eine zweite Säule bezüglich dem Membrangefüge gegenüber positioniert ist. Hierbei ergibt sich eine beidseitige Säulenstruktur, wobei die Säulen eine linear Anordnung bilden. Die Kompressionseigenschaften und die

Federwirkung werden dadurch weiter verstärkt.

Die erste Säule kann eine erste Höhe aufweisen, die zweite Säule kann eine zweite Höhe aufweisen, wobei die erste Höhe und/oder die zweite Höhe 250-450 μηι beträgt, noch bevorzugter 300-400 μηι beträgt, besonders bevorzugt 350 μηι beträgt. Diese Höhen sind besondere geeignet, um das Design besonders robust zu

machen. Insbesondere wird durch diese Dicke eine Steifigkeit zum Erzielen einer zurückfedernden Wirkung bewirkt.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, umfassend einen Stapel zwischen zwei Endplatten abwechselnd angeordneter Bipolarplatten und erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Anordnungen. Ein solche

Brennstoffzellenstapel weist eine erhöhte strukturelle Integrität auf wegen der säulenartigen Strukturierung der Membran-Elektroden-Anordnung. Es kann auf eine zusätzliche Hardware-Feder verzichtet werden. Dadurch kann auch das Gewicht des Brennstoffzellenstapel deutlich reduziert werden.

Die Bipolarplatte umfasst bevorzugt eine Anodenplatte, deren Anodenseite der anodenseitigen Gasdiffusionslage der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandt ist, und eine Kathodenplatte, deren Kathodenseite der kathodenseitigen

Gasdiffusionslage der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandt ist, wobei die Anodenseite der Anodenplatte und/oder die Kathodenseite der Kathodenplatte eben ausgebildet sind. Die Bipolarplatte ist demnach auf einer Seite strukturlos ausgebildet, was Produktionskosten reduziert und ein sicheres Aufliegen der Bipolarplatte gewährleistet.

Vorteilhaft umfasst wenigstens eine der Kühlmittelseiten der Anodenplatte oder der Kathodenplatte eine dritte Strukturierung zur Ausbildung eines lateral offenen Kühlmittelströmungsfeldes und die dritte Strukturierung eine Vielzahl von dritten Säulen umfasst, wobei die dritten Säulen mit den ersten Säulen und den zweiten Säulen entlang einer Stapelrichtung übereinander positioniert sind. In anderen Worten sind alle Säulen übereinander gestapelt. Es ergibt sich eine weiterhin verbesserte Federwirkung durch die Säulenstruktur und die strukturelle Robustheit der Bipolarplatten wird erhöht.

Bevorzugt ist entweder die Anodenplatte oder die Kathodenplatte beidseitig flach ausgebildet. Durch die Einfachheit der Bipolarplatte können Kosten und

Produktionsaufwand reduziert werden. Zudem kann die Bipolarplatte besonders stabil ausgebildet werden.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung aufweist. Insbesondere weist das Brennstoffzellensystem neben dem Brennstoffzellenstapel eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung mit den entsprechenden Peripheriekomponenten auf.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem

erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel. 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:

Figur 1 ein Blockschaltbild eines Brenn st off zellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;

Figur 2 eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung in

Schrägansicht nach einer bevorzugten Ausführungsform; und

Figur 3 ein Abschnitt eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel in

Queransicht gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung.

Figur 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 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 1 1 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe

Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 1 1 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine Membranschicht, welche bevorzugt eine ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran ist, sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden umfassen, nämlich eine Anodenschicht und eine Kathodenschicht, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membranschicht ausgebildet sind. 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 stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 1 1 her. Zudem verfügen sie über ein System innerer Kühlmittelkanäle, die der Durchleitung eines Kühlmittels und somit der Temperierung des Stapels 10 dienen. Zudem umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung 14 Gasdiffusionslagen 1410, 1420, die den Bipolarplatten 15 zugewandt sind.

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. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist eine Fördereinrichtung 26 angeordnet, beispielsweise ein elektromotorisch angetriebener Verdichter, welche die Förderung des Anodenabgases bewirkt. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen.

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 angetrieben werden.

Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welche die Kathodenversorgungspfad 31 mit dem Kathodenabgaspfad 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, 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 einen Befeuchter 39 aufweisen. Der Befeuchter 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist er so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass er 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 Figur 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 der Anodenabgaspfad 22 in den Kathodenabgaspfad 32 münden, sodass das Anodenabgas und das

Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.

In der Figur 2 ist eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung 14 nach einer bevorzugten Ausführungsvariante gezeigt. Die Membran-Elektroden-Anordnung 14 umfasst dabei ein Membrangefüge 140 mit einer Anodenschicht, eine Kathodenschicht sowie einer Membranschicht, wobei die Membranschicht zwischen der Anodenschicht und der Kathodenschicht positioniert ist. Auf der Anodenschicht ist ferner eine anodenseitige Gasdiffusionslage 1410 angeordnet. Auf der

Kathodenschicht ist ferner eine kathodenseitige Gasdiffusionslage 1420 angeordnet.

Die anodenseitige Gasdiffusionslage 1410 weist in dieser Ausführungsvariante auf der zum Membrangefüge 140 abgewandten Seite eine erste Strukturierung 141 1 auf. Die erste Strukturierung 141 1 der anodenseitigen Gasdiffusionslage 1410

umfasst eine Vielzahl von ersten Säulen 1412 zur Ausbildung eines lateral offenen Strömungsfeldes. Dieses Strömungsfeld ist bevorzugt für den Transport von Anodenbetriebsgasen wie beispielsweise Sauerstoff, Luft oder auch anderen geeigneten Anodenbetriebsgasen ausgelegt. Diese ersten Säulen 1412 bilden erste Anlegeflächen 1413 aus, welche dabei dem Anlegen einer Bipolarplatte 15 dienen. Ferner weist in dieser Ausführungsvariante die kathodenseitige Gasdiffusionslage 1420 auf der zum Membrangefüge 140 abgewandten Seite eine zweite

Strukturierung 1421 auf, welche in dieser Ausführungsform ebenfalls eine Vielzahl von zweiten Säulen 1422 zum Ausbilden eines lateral offenen Strömungsfeldes aufweist, die wiederum zweite Anlegeflächen 1423 zum Anlegen einer Bipolarplatte ausbilden. Dieses Strömungsfeld ist bevorzugt für den Transport von

Kathodenbetriebsgasen wie beispielsweise Wasserstoff ausgebildet.

Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, dass sowohl die anodenseitige Gasdiffusionslage 1410 als auch die kathodenseitige Gasdiffusionslage 1420 strukturiert sind. In anderen Ausführungsformen der Membran-Elektroden-Anordnung 14 weist nur die anodenseitige Gasdiffusionslage 1410 eine erste Strukturierung 141 1 mit ersten Säulen 1412 zur Ausbildung eines lateral offenen Strömungsfeldes auf, während die kathodenseitige Gasdiffusionslage 1420 beispielsweise eben ausgebildet ist. In einer weiteren Ausführungsform der

Membran-Elektroden-Anordnung 14 weist nur die kathodenseitige Gasdiffusionslage 1420 eine zweite Strukturierung 1421 mit zweiten Säulen 1422 zur Ausbildung eines lateral offenen Strömungsfeldes auf, während die anodenseitige Gasdiffusionslage 1410 beispielsweise eben ausgebildet ist. Demnach ist also stets mindestens eine der Gasdiffusionslagen 1410, 1420 mit einer mit Säulen 1412, 1422 versehenen Strukturierung 141 1 , 1421 ausgebildet.

Vorteile ergeben sich durch die säulenartigen Erhebungen darin, dass diese sich unter Kompression wie Federn verhalten. Damit werden auch induzierte

Spannungen minimiert. Beim Einsatz in einem in einem Brennstoffzellenstapel kann dann auf eine externe Hardware-Feder verzichtet werden, was vorteilhaft zu einer deutlichen Gewichtsreduzierung führt. Als Material für die Gasdiffusionslagen 1410, 1420 und deren Säulen 1412, 1422 kommen bevorzugt kohlenstoff-basierte Materialien zum Einsatz. Beispielsweise kann die Gasdiffusionslage aus einem zweilagigen kohlenstoff-basierten poröses Material bestehen, welches ein

makroporöses Trägermaterial (Kohlenstofffaser-Papier oder Kohlenstofftuch) und eine dünne mikroporöse kohlenstoff basierte Schicht umfasst. In einer derartigen Ausführung bestimmt das Trägermaterial die mechanischen Eigenschaften unter Kompression, Biegung oder Scherung. Auch unterschiedliche morphologische Zustände und Formen des Kohlenstoffs können verwendet werden wie

beispielsweise Kohlenstoff nanostrukturen, Graphen oder Graphenschaum, Kohlenstoffnanoröhrchen oder Kohlenstoff-Nanofasern.

In dieser beispielhaften Ausführung sind die ersten Säulen 1412 und zweite Säulen 1422 derart positioniert, dass zu jeder ersten Säule 1412 eine zweite Säule 1422 bezüglich dem Membrangefüge 140 gegenüberliegt. Es ergibt sich in dieser Ausführung unter Kompression eine verstärkte Federwirkung der

gegenüberliegenden Säulen 1412, 1422, wodurch eine Hardware-Feder für den Brennstoffzellenstapel 10 ersetzt werden kann.

In dieser bevorzugten Ausführungsform ist ferner eine erste Höhe 1414 der ersten Säule 1412 und eine zweite Höhe 1424 der zweiten Säule 1422 identisch. In anderen Ausführungsformen können sich die ersten Säulen 1412 von den zweiten Säulen 1422 unterscheiden. Rein beispielhaft weisen die ersten Säulen 1412 und die zweiten Säulen 1422 einen quadratischen Querschnitt auf. Die Erfindung ist dabei jedoch nicht auf eine bestimmte Querschnittsform beschränkt, sondern es können auch rechteckige oder runde Querschnitte oder andere zweckmäßige Querschnitte in Betracht kommen.

Die Säulen 1412, 1422 in der vorliegenden Ausführungsform bilden beispielhaft ein Gitter aus noppenartigen, bzw. inselartigen Säulen 1412, 1422 aus. Dadurch wird entsprechend ein Strömungsfeld erzeugt, dass lateral offen ist. In anderen Worten stellen die Säulen 1412, 1422 in diesem Fall lediglich ein Gitter aus isolierten Säulen dar, wodurch weiterhin ein sich in zwei Dimensionen erstreckendes verbundenes Strömungsfeld ausgebildet ist.

Die ersten Höhen 1414 der ersten Säulen 1412 der anodenseitigen

Gasdiffusionslagen 1410 weisen vorteilhaft einen Wert von 350 μηι auf, der mit dem Wert der zweiten Höhen 1424 der zweiten Säulen 1422 rein beispielhaft übereinstimmt. Ferner weist die anodenseitige Gasdiffusionslage 1410 einen

ebenen ersten Sockel 1415 auf, bezüglich dessen sich die ersten Höhen 1414 der ersten Säulen 1412 bemessen. Eine erste Sockelhöhe 1416 des ersten Sockels weist rein beispielhaft einen Wert von 185 μηη auf, wobei die Erfindung nicht auf diesen Wert beschränkt ist. Ferner weist in dieser Ausführungsvariante die kathodenseitige Gasdiffusionslage 1420 einen ebenen zweiten Sockel 1425 auf, bezüglich dessen sich die zweiten Höhen 1424 der zweiten Säulen 1422 bemessen. Eine zweite Sockelhöhe 1426 des zweiten Sockels 1425 weist beispielhaft einen gleichen Wert von 185 μηη auf.

In der Figur 3 wird ferner ein Brennstoffzellenstapel 10, beziehungsweise ein Abschnitt eines solchen Brennstoffzellenstapels 10, nach einer bevorzugten

Ausführungsform in Seitenansicht gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst dabei eine erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Anordnung 14, welche zwischen zwei Bipolarplatten 15 eingebracht ist. Dabei erstreckt sich die Stapelung aus den abwechselnd angeordneten Bipolarplatten 15 und Membran-Elektroden-Anordnungen 14 des Brennstoffzellenstapels 10 entlang einer Stapelrichtung S.

Die zwischen den Bipolarplatten 15 positionierte Membran-Elektroden-Anordnung 14 entspricht dabei der in Figur 2 beschriebenen Ausführungsform. Für eine nähere Beschreibung dieser Membran-Elektroden-Anordnung 14 und weiteren

Ausführungsvarianten wird entsprechend auf Figur 2 und die dazugehörige

Beschreibung verwiesen.

Im Folgenden wird die im Brennstoffzellenstapel 10 verwendete Bipolarplatte 15 näher beschrieben. Die Bipolarplatte 15 umfasst dabei eine Anodenplatte 1510, deren Anodenseite 151 1 der anodenseitigen Gasdiffusionslage 1410 der Membran-Elektroden-Anordnung 14 zugewandt ist bzw. an dieser anliegt. Ferner umfasst die Bipolarplatte 15 eine Kathodenplatte 1520, deren Kathodenseite 1521 der kathodenseitigen Gasdiffusionslage 1420 der Membran-Elektroden-Anordnung 14 zugewandt ist.

In der vorliegenden Ausführungsform ist dabei die Anodenseite 151 1 der

Anodenplatte 1510 eben ausgebildet. In anderen Worten ist die Anodenseite 151 1 strukturlos ausgebildet. Durch die ebene Anodenseite 151 1 wird das von der ersten Strukturierung 141 1 der anodenseitigen Gasdiffusionslage 1410 ausgebildete Strömungsfeld abgedeckt bzw. in eine Stapelrichtung S geschlossen.

Weiterhin ist in der vorliegenden Ausführungsform auch die Kathodenseite 1521 der Kathodenplatte 1520 eben ausgebildet. In anderen Worten ist die Kathodenseite 1521 strukturlos ausgebildet. Durch die ebene Kathodenseite 1521 wird das von der zweiten Strukturierung 1421 der kathodenseitigen Gasdiffusionslage 1420 ausgebildete Strömungsfeld abgedeckt bzw. in Stapelrichtung S geschlossen. Es ergibt sich, dass die Bipolarplatte 15 demnach keine Strukturen für die Betriebsgase aufweisen muss, da diese in der Membran-Elektroden-Anordnung 14 bereits vorliegen. Somit kann ein einfacherer Aufbau der Bipolarplatte 15 erfolgen.

In anderen Ausführungsformen, bei denen nur die kathodenseitige

Gasdiffusionslage 1420 der Membran-Elektroden-Anordnung 14 strukturiert ist, ist dann nur die Kathodenseite 1521 der Kathodenplatte 1520 flach ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen, bei denen nur die anodenseitige Gasdiffusionslage 1410 strukturiert ist, ist dann nur die Anodenseite 151 1 der Anodenplatte 1510 flach ausgebildet.

Ferner bildet in dieser Ausführungsform die Bipolarplatte 15 ein innenliegendes Kühlmittelströmungsfeld aus. Dazu weist hierzu beispielhaft die Kühlmittelseite 1522 der Kathodenplatte 1520 eine dritte Strukturierung 1523 aus. Die dritte

Strukturierung 1523 umfasst dabei entsprechende dritte Säulen 1524 zur

Ausbildung eines lateral offenen Kühlmittelströmungsfeldes, die wiederum dritte Anlegeflächen 1525 zum Anlegen der Anodenplatte 1510 aufweisen. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist die Anodenplatte 1510 beidseitig flach

ausgebildet, so dass Kühlmittelseite der Anodenplatte 1510 das

Kühlmittelströmungsfeld in eine Stapelrichtung S abschließt bzw. abdeckt.

Diese einfach strukturierten Bipolarplatten 15 sind dabei besonders stabil.

Zudem sind die dritten Säulen 1524 derart positioniert, dass die dritten Säulen 1524 mit den ersten Säulen 1412 der Membran-Elektroden-Anordnung 14 und den zweiten Säulen 1422 der Membran-Elektroden-Anordnung 14 entlang der

Stapelrichtung S übereinander positioniert sind. In anderen Worten bilden, die

ersten, zweiten und dritten Säulen 1412, 1422, 1524 eine lineare Anordnung in Stapelrichtung S aus.

Bei Kompression der beschriebenen Brennstoffzellenstapels wird die Membran-Elektroden-Anordnung 14 komprimiert. Dabei wird werden die ersten Säulen 1412 und die zweiten Säulen 1422 jeweils elastisch zusammengestaucht, so dass sich die erste Höhe 1414 und die zweite Höhe 1424 von einem beispielhaften Wert von 350 μηη zum Beispiel auf einen Wert von beispielweise 260 μη 280 μηι verringert. Die ersten und zweiten Säulen 1412, 1422 in Kombination mit den dritten Säulen 1524 haben demnach eine entsprechende Federwirkung, was eine zusätzliche Hardware-Feder für den Brennstoffzellenstapel 10 ersetzt.

Eine Höhe der Anodenplatte 1510 ist beispielhaft mit einem Wert von 150 μηι ausgebildet, wobei die Erfindung nicht auf diesen Wert beschränkt ist. Die Höhe der dritten Säule ist ferner beispielhaft 200 μηι und die Breite der dritten Säule 1524 wie auch der zweiten Säule 1422 und der ersten Säule 1412 beträgt beispielhaft 500 μηι. Diese Bemessungen stellen eine optimierte Ausführungsvariante dar.

Mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode ist die strukturelle Integrität der hierbei beschriebenen Membran-Elektroden-Anordnung 14 und des Brennstoffzellenstapels 10 quantifiziert. Bei einer Kompression der Membran-Elektroden-Anordnung 14 um beispielsweise etwa 204 μηη, was einem Anlegedruck von 1 ,15 MPa entspricht, ergibt sich ein Kontaktdruck von 200KPa an der Grenzfläche von

Gasdiffusionslagen 1410, 1420 und Membrangefüge 140, was einer hohen

Performance entspricht. Die maximal induzierten Zugspannungen an den dritten Anlegeflächen 1525 der Kathodenplatte 1520 der Bipolarplatte 15 betragen dabei 0,16 MPa. Bei lateralen Verschiebungen der Kathodenplatte 1520 gegenüber der Anodenplatte 1510, wie es im Fertigungsprozess durch Toleranzen häufig geschieht, ergibt sich eine maximal induzierte Zugspannung von 3,5 MPa bei lateraler Verschiebung von 250 μηι. Weiterhin wurde mittels numerischer

Strömungsmechanik (CFD) für die Betriebsmittelströmungsfelder in den

Gasdiffusionslagen 1410, 1420 und das Kühlmittelfeldes in den Kühlmittelkanälen Druckabfälle von folgenden Werten gefunden: 350 mbar für Sauerstoff, 130 mbar für Wasserstoff und 500 mbar für das Kühlmittel geführt. Weitere Optimierungen können durch verbesserte Formgestaltung der Säulen erfolgen. Die erzielten

numerischen Werte demonstrieren die verbesserte strukturelle Integrität der vorgeschlagenen Membran-Elektroden-Anordnung 14 und des vorgeschlagenen Brennstoffzellenstapels 10.

In anderen Ausführungsformen kann eine dritte Strukturierung 1523 auch auf der Kühlmittelseite der Anodenplatte 1510 ausgeformt sein. In einem solchen Fall ist dann die Kathodenplatte 1520 beidseitig flach ausgebildet, so dass sich ebenfalls ein innenliegendes Kühlmittelströmungsfeld ausbildet. Alternativ kann die

Bipolarplatte 15 auch integral geformt sein. Als Material können kohlenstoff-basierte Materialien oder Mischungen mit Metallen Einsatz finden.

Bezugszeichenliste

100 Brennstoffzellensystem

10 Brennstoffzellenstapel

1 1 Einzelzelle

12 Anodenraum

13 Kathodenraum

14 Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)

140 Membrangefüge (Membranschicht, Anodenschicht, Kathodenschicht)

1410 anodenseitige Gasdiffusionslage

141 1 erste Strukturierung

1412 erste Säule

1413 erste Anlegefläche

1414 erste Höhe

1415 erster Sockel

1416 erste Sockelhöhe

1420 kathodenseitige Gasdiffusionslage

1421 zweite Strukturierung

1422 zweite Säule

1423 zweite Anlegefläche

1424 zweite Höhe

1425 zweiter Sockel

1426 zweite Sockelhöhe

15 Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)

1510 Anodenplatte

151 1 Anodenseite

1520 Kathodenplatte

521 Kathodenseite

1522 Kühlmittelseite

1523 dritte Strukturierung

1524 dritte Säule

1525 dritte Anlegefläche

20 Anodenversorgung

21 Anodenversorgungspfad

22 Anodenabgaspfad

23 Brennstofftank

24 Stellmittel

25 Brennstoffrezirkulationsleitung

26 Fördereinrichtung

30 Kathodenversorgung

31 Kathodenversorgungspfad

32 Kathodenabgaspfad

33 Verdichter

34 Elektromotor

35 Leistungselektronik

36 Turbine

37 Wastegate-Leitung

38 Stellmittel

39 Befeuchter

S Stapelrichtung