DE102009039901A1 - Fuel cell unit, fuel cell stack with fuel cell units - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit mit einer MEA-Platte, mit dazu benachbarten Bipolarplatten, die so angeordnet sind, dass sich beidseitig zu der MEA-Platte jeweils ein Elektrodenraum ausbildet, mit einer Dichtung, wobei die Dichtung mindestens einen der Elektrodenräume abdichtet und mit einem Hinterlandstopperbereich, welcher zur Beabstandung der Bipolarplatten und/oder der MEA-Platte ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl dieser Brennstoffzelleneinheiten. Brennstoffzellensysteme werden als mobile Energieversorgungseinheiten bei Fahrzeugen eingesetzt und stellen den für den Antriebsmotor notwendigen Strom zur Verfügung. Die Brennstoffzellensysteme umfassen ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel, in denen eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen angeordnet sind. Es ist üblich, mehr als 50 oder 100 derartiger Brennstoffzellen pro Stapel anzuordnen, um eine ausreichend Spannung bzw. Leistung zu erreichen. Die Stapelbauweise ist jedoch auch mit Problemen hinsichtlich der Abdichtung und der mechanischen Belastung der einzelnen ...The invention relates to a fuel cell unit with an MEA plate, with adjacent bipolar plates, which are arranged such that an electrode space is formed on both sides of the MEA plate, with a seal, the seal sealing at least one of the electrode spaces and with a hinterland stop area , which is designed to space the bipolar plates and / or the MEA plate. The invention also relates to a fuel cell stack with a plurality of these fuel cell units. Fuel cell systems are used as mobile energy supply units in vehicles and provide the electricity required for the drive motor. The fuel cell systems comprise one or more fuel cell stacks in which a multiplicity of individual fuel cells are arranged. It is customary to arrange more than 50 or 100 such fuel cells per stack in order to achieve sufficient voltage or power. However, the stacked construction is also problematic with regard to the sealing and the mechanical load on the individual ...
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit mit einer MEA-Platte, mit dazu benachbarten Bipolarplatten, die so angeordnet sind, dass sich beidseitig zu der MEA-Platte jeweils ein Elektrodenraum ausbildet, mit einer Dichtung, wobei die Dichtung mindestens einen der Elektrodenräume abdichtet und mit einem Hinterlandstopperbereich, welcher zur Beabstandung der Bipolarplatten und/oder der MEA-Platte ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl dieser Brennstoffzelleneinheiten.The invention relates to a fuel cell unit with an MEA plate, with bipolar plates adjacent thereto, which are arranged such that an electrode space is formed on both sides of the MEA plate, with a seal, wherein the seal seals at least one of the electrode spaces and with a Hinterlandstopperbereich , which is designed for spacing the bipolar plates and / or the MEA plate. The invention also relates to a fuel cell stack having a plurality of these fuel cell units.
Brennstoffzellensysteme werden als mobile Energieversorgungseinheiten bei Fahrzeugen eingesetzt und stellen den für einen Antriebsmotor notwendigen Strom zur Verfügung. Die Brennstoffzellensysteme umfassen ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel, in denen eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen angeordnet sind. Es ist üblich, mehr als 50 oder 100 derartiger Brennstoffzellen pro Stapel anzuordnen, um eine ausreichende Spannung bzw. Leistung zu erreichen.Fuel cell systems are used as mobile power supply units in vehicles and provide the power necessary for a drive motor. The fuel cell systems include one or more fuel cell stacks in which a plurality of individual fuel cells are arranged. It is common to place more than 50 or 100 such fuel cells per stack to achieve sufficient voltage.
Die Stapelbauweise ist jedoch auch mit Problemen hinsichtlich der Abdichtung und der mechanischen Belastung der einzelnen Brennstoffzellen bzw. Stapelkörper belegt. Betrachtet man z. B. einen Brennstoffzellenstapel mit 100 Brennstoffzellen, so ergeben sich 200 Elektrodenräume, also Kathoden- oder Anodenräume, sowie eine entsprechende Anzahl von Zu- oder Ableitungen für die Arbeitsgase.However, the stack construction is also occupied with problems in terms of sealing and mechanical stress of the individual fuel cell or stacked body. Looking at z. B. a fuel cell stack with 100 fuel cells, the result is 200 electrode spaces, ie cathode or anode compartments, and a corresponding number of supply or discharge lines for the working gases.
Die Druckschrift
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelleneinheit bzw. einen Brennstoffzellenstapel mit derartigen Brennstoffzelleneinheiten vorzuschlagen, welche wirtschaftlich zu fertigen ist und zugleich eine hohe Funktionssicherheit bereitstellt.The invention has for its object to propose a fuel cell unit or a fuel cell stack with such fuel cell units, which is economical to manufacture and at the same time provides a high level of reliability.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelleneinheit mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruches 14 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.This object is achieved by a fuel cell unit having the features of
Im Rahmen der Erfindung wird eine Brennstoffzelleneinheit vorgeschlagen, welche bevorzugt für die Integration in einen Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug geeignet und/oder ausgebildet ist. Die Brennstoffzelleneinheit umfasst eine MEA-Platte (Membran-Electrode-Assembly), welche mindestens eine Membran, insbesondere eine protonenleitende Membran (PEM), sowie vorzugsweise Katalysatorschichten und/oder Gasdiffusionslagen aufweist.In the context of the invention, a fuel cell unit is proposed, which is preferably suitable and / or designed for integration in a fuel cell stack for a vehicle. The fuel cell unit comprises an MEA plate (membrane-electrode assembly) which has at least one membrane, in particular a proton-conducting membrane (PEM), and preferably catalyst layers and / or gas diffusion layers.
Dazu benachbart sind Bipolarplatten angeordnet, die beidseitig zu der MEA-Platte jeweils einen Elektrodenraum, nämlich einen Anodenraum und einen Kathodenraum, ausbilden. MEA-Platte und Bipolarplatten werden als Stapelkörper in einem Brennstoffzellenstapel und/oder in der Brennstoffzelleneinheit angeordnet. In den Elektrodenräumen, welche durch die Membran voneinander getrennt sind, findet im Betrieb der elektrochemische Prozess statt, durch den chemische Energie aus einem Brennstoff, meist Wasserstoff, und einem Oxidanten, meist Sauerstoff, in elektrische Energie gewandelt wird.Bipolar plates are arranged adjacent thereto and form on both sides of the MEA plate in each case an electrode space, namely an anode space and a cathode space. MEA plate and bipolar plates are arranged as stacked bodies in a fuel cell stack and / or in the fuel cell unit. In the electrode spaces, which are separated by the membrane, takes place during operation of the electrochemical process, is converted by the chemical energy from a fuel, usually hydrogen, and an oxidant, usually oxygen, into electrical energy.
Es ist eine Dichtung vorgesehen, wobei die Dichtung mindestens einen, vorzugsweise beide Elektrodenräume, insbesondere umlaufend abdichtet.There is provided a seal, wherein the seal at least one, preferably both electrode spaces, in particular circumferentially seals.
Zudem weist die Brennstoffzelleneinheit einen Hinterlandstopperbereich auf, welcher zur Beabstandung der Bipolarplatten und/oder der MEA-Platte in Stapelrichtung ausgebildet ist. Der Hinterlandstopperbereich ist außerhalb der Elektrodenräume, also von den Elektrodenräumen durch die Dichtung getrennt, angeordnet.In addition, the fuel cell unit has a Hinterlandstopperbereich, which is designed for spacing the bipolar plates and / or the MEA plate in the stacking direction. The Hinterlandstopperbereich is outside the electrode spaces, so separated from the electrode spaces by the seal arranged.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Dichtung über ein Spritzverfahren an die MEA-Platte appliziert ist.In the context of the invention it is proposed that the seal is applied to the MEA plate via a spraying process.
Vorteile des neuen Konzeptes sind darin zu sehen, dass die Dichtung bereits vor dem Einbau der MEA-Platte in den Brennstoffzellenstapel bzw. in die Brennstoffzelleneinheit an die MEA-Platte appliziert werden kann. Dadurch wird die Montage wesentlich vereinfacht, da eine Fehlmontage der Dichtung als separates Teil nicht erfolgen kann.Advantages of the new concept are that the gasket can be applied to the MEA plate before the MEA plate is installed in the fuel cell stack or in the fuel cell unit. As a result, the assembly is much easier because incorrect assembly of the seal can not be done as a separate part.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Funktion „Positionierung” der Stapelkörper in Stapelrichtung im Stapel zueinander von der Funktion der Abdichtung der Gase im Stapel entkoppelt ist. Damit kann die Dichtung entlastet werden und optional weicher ausgelegt werden.Another advantage is that the function "positioning" of the stacked body in the stacking direction in the stack is mutually decoupled from the function of sealing the gases in the stack. Thus, the seal can be relieved and optionally softer designed.
Durch diese neue Designfreiheit kann eine optimale Auslegung sowohl für die Positionierungsfunktion als auch für die Dichtungsfunktion hinsichtlich Werkstoff und Fertigungstechnologie erreicht werden. Insgesamt ergibt sich eine einfach zu montierende und damit kostengünstige und sehr funktionssichere Brennstoffzelleneinheit.This new design freedom can provide optimal design for both Positioning function as well as for the sealing function in terms of material and manufacturing technology can be achieved. Overall, this results in an easy to install and therefore cost-effective and very reliable fuel cell unit.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Dichtung in einem LIM-Verfahren (Liquid-Injection-Molding) hergestellt. Hierbei wird die MEA-Platte in ein Werkzeug eingelegt und die Dichtung zum Beispiel als flüssiger Zweikomponentenkunststoff angespritzt. Bei einer möglichen Ausführungsform ist das Dichtungsmaterial ein Silikonwerkstoff.In a preferred embodiment of the invention, the seal is made in a LIM (Liquid Injection Molding) process. Here, the MEA plate is placed in a mold and the seal molded on, for example, as a liquid two-component plastic. In one possible embodiment, the sealing material is a silicone material.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Dichtung nach dem Spritzverfahren mit der MEA-Platte unlösbar verbunden ist. In dieser Ausführungsform wird bei der Montage der MEA-Platte in dem Stapel bzw. der Brennstoffzelleneinheit zwangsweise zugleich die Dichtung montiert. Die Verbindung zwischen MEA-Platte und Dichtung kann beispielsweise über einen Stoffschluss, einen Haftschluss und/oder einen Formschluss mit der MEA-Platte erfolgen. Bei einem Formschluss können z. B. entsprechende Aussparungen oder Durchgangsöffnungen in der MEA-Platte vorgesehen sein.It is particularly preferred if the seal is permanently connected to the MEA plate after the injection molding process. In this embodiment, during assembly of the MEA plate in the stack or fuel cell unit, the seal is forcibly mounted at the same time. The connection between MEA plate and seal can be made, for example, via a material bond, a bond and / or a positive connection with the MEA plate. In a positive connection z. B. corresponding recesses or through holes may be provided in the MEA plate.
Es ist besonders bevorzugt, wenn die Dichtung vollständig umlaufend um die MEA-Platte ausgebildet ist. Mit einer umlaufenden Dichtung können die Elektrodenräume besonders einfach abgedichtet werden. Besonders bevorzugt dichtet die Dichtung in einer einstückigen Ausbildung sowohl den Anodenraum als auch den Kathodenraum ab.It is particularly preferred if the seal is formed completely circumferentially around the MEA plate. With a circumferential seal, the electrode spaces can be sealed very easily. Particularly preferably, the seal in a one-piece design seals both the anode compartment and the cathode compartment.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dichtung die Gasdiffusionslage oder -lagen in Stapelrichtung der MEA-Platte umgreift und/oder seitlich abdichtet. Vorzugsweise erfolgt die seitliche und/oder umgreifende Abdichtung vollständig umlaufend um die MEA-Platte. Bei einem Umgreifen zeigt die Dichtung im Kontaktbereich zu der MEA-Platte in einem Längsschnitt parallel zur Stapelrichtung zum Beispiel eine U-förmige Gestalt, wobei die freien Schenkel des U auf der Oberseite bzw. Unterseite der MEA-Platte anliegen. Falls nur die Seitenflächen senkrecht zur Stapelrichtung abgedichtet sein sollen, sind auf der Oberseite bzw. Unterseite der MEA-Platte keine Dichtungsbereiche positioniert.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the gasket surrounds the gas diffusion layer or layers in the stacking direction of the MEA plate and / or seals laterally. Preferably, the lateral and / or encompassing seal is completely circumferential around the MEA plate. In a gripping around the seal in the contact area to the MEA plate in a longitudinal section parallel to the stacking direction, for example, a U-shaped configuration, wherein the free legs of the U abut on the top and bottom of the MEA plate. If only the side surfaces are to be sealed perpendicular to the stacking direction, no sealing areas are positioned on the top or bottom of the MEA board.
Es ist jedoch besonders bevorzugt, wenn die Dichtung in Stapelrichtung zumindest in Abschnitten zwischen der MEA-Platte, insbesondere der Gasdiffusionslage, und der benachbarten Bipolarplatte abdichtend angeordnet ist, so dass sich ein Kraftschluss zwischen Bipolarplatte, Dichtung und Gasdiffusionslage in Stapelrichtung ergibt. Die Dichtung erfolgt somit nicht oder nicht nur zwischen den Bipolarplatten, sondern zwischen der MEA-Platte und der Bipolarplatte. Für den Fall, dass die Bipolarplatte metallisch ausgebildet ist, kann diese eine parallel zur Dichtung verlaufende Sicke aufweisen, um die Funktionssicherheit der Dichtung zu erhöhen.However, it is particularly preferred if the seal in the stacking direction, at least in sections between the MEA plate, in particular the gas diffusion layer, and the adjacent bipolar plate is sealingly arranged, so that there is a frictional connection between the bipolar plate, gasket and gas diffusion layer in the stacking direction. The seal is thus not or not only between the bipolar plates, but between the MEA plate and the bipolar plate. In the event that the bipolar plate is formed metallic, this may have a parallel to the seal extending bead to increase the reliability of the seal.
Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausbildung ist vorgesehen, dass sich die Hinterlandstopperbereiche benachbarter Bipolarplatten gegenseitig abstützen. Der Kraftfluss erfolgt dann zwischen den Bipolarplatten unter Ausklammerung der MEA-Platte. Es ist dabei optional möglich, dass zwischen den Hinterlandstopperbereichen benachbarter Bipolarplatten eine elektrische Isolierung und/oder ein elastischer Bereich angeordnet ist.In a preferred structural design is provided that the Hinterlandstopperbereiche adjacent bipolar plates support each other. The power flow then takes place between the bipolar plates, excluding the MEA plate. It is optionally possible that an electrical insulation and / or an elastic region is arranged between the hinterland stopper regions of adjacent bipolar plates.
Allgemein ist es nämlich bevorzugt, wenn der Hauptkraftschluss des Brennstoffzellenstapels über die Hinterlandstopperbereiche erfolgt und nur ein kleinerer Nebenkraftschluss über die Dichtungen abgetragen wird, um diese unabhängig von mechanischen Belastungen auslegen zu können. Es ist jedoch sinnvoll, zwischen den Hinterlandstopperbereichen elektrische Isolierungen anzuordnen, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Alternativ hierzu können die Hinterlandstopperbereiche auch aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt sein.In general, it is preferred that the main force closure of the fuel cell stack takes place via the hinterland stopper regions and only a smaller secondary force closure is removed via the seals in order to be able to design these independently of mechanical loads. However, it is useful to arrange electrical insulation between the hinterland stopper areas in order to avoid a short circuit. Alternatively, the Hinterlandstopperbereiche can also be made of an electrically insulating material.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die elektrische Isolierung zwischen den Hinterlandstopperbereichen elastisch ausgebildet, um etwaige Fertigungstoleranzen elastisch ausgleichen zu können.In a preferred embodiment of the invention, the electrical insulation between the Hinterlandstopperbereichen is elastically designed to compensate for any manufacturing tolerances elastic.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Dichtung bis zwischen die Hinterlandstopperbereiche der angrenzenden Bipolarplatten. Damit bildet die Dichtung neben der Dichtungsfunktion auch ein elastisches und/oder elektrisch isolierendes Zwischenelement zwischen den Hinterlandstopperbereichen aus. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass Bauteile eingespart werden können, da auf eine zusätzliche elektrisch isolierende/elastische Zwischenlage zwischen den Hinterlandstopperbereichen verzichtet werden kann.In one possible embodiment of the invention, the seal extends to between the Hinterlandstopperbereiche the adjacent bipolar plates. Thus, in addition to the sealing function, the seal also forms an elastic and / or electrically insulating intermediate element between the hinterland stopper areas. This embodiment has the advantage that components can be saved, as can be dispensed with an additional electrically insulating / elastic intermediate layer between the Hinterlandstopperbereichen.
Die Bipolarplatten können z. B. aus einem metallischen oder einem graphitischen Werkstoff bestehen. Die Hinterlandstopperbereiche können umlaufend und/oder unterbrochen und/oder nur in Bereichen angebracht sein. Insellösungen sind ebenfalls möglich.The bipolar plates can z. B. consist of a metallic or a graphitic material. The Hinterlandstopperbereiche may be circumferential and / or interrupted and / or mounted only in areas. Isolated solutions are also possible.
Besonders bevorzugt sind die Hinterlandstopperbereiche einstückig mit den Bipolarplatten ausgebildet. Im Fall eines metallischen Werkstoffes, zum Beispiel, wenn die Bipolarplatten aus Edelstahlblechen gefertigt sind, können die Hinterlandstopperbereiche durch Umformen eingebracht werden. Im Fall von graphitischen Materialien werden die Hinterlandstopperbereiche vorzugsweise durch Abtragen von anderen Bereichen erzeugt. Andere Fertigungsverfahren wie z. B. Urformen, Fügen etc zur Fertigung der Hinterlandstopperbereiche sind ebenfalls denkbar. Prinzipiell ist es auch möglich, dass die Hinterlandstopperbereiche als separate Bauteile eingesetzt werden.Particularly preferably, the Hinterlandstopperbereiche are integrally formed with the bipolar plates. In the case of a metallic material, for example, when the bipolar plates are made of stainless steel sheets, the Hinterlandstopperbereiche can be introduced by forming. In the case of graphitic materials, the Hinterlandstopperbereiche preferably generated by ablation of other areas. Other manufacturing processes such. As archetypes, joining etc for the production of Hinterlandstopperbereiche are also conceivable. In principle, it is also possible that the Hinterlandstopperbereiche are used as separate components.
Die Hinterlandstopperbereiche können in manchen Ausführungsformen starr oder im Wesentlichen starr ausgebildet sein. Bei anderen Ausführungsformen können die Hinterlandstopperbereiche auch nachgiebig und/oder elastisch realisiert sein, wobei die elastische Eigenschaft wahlweise durch eine Formelastizität und/oder eine Werkstoffelastizität erreicht wird. Bei der Auslegung ist es jedoch – wie bereits erläutert – bevorzugt, wenn der Hauptkraftschluss über die Hinterlandstopperbereiche und nur ein Nebenkraftschluss über die Dichtung oder die aktiven Bereiche der Brennstoffzelleneinheit, also über die Gasdiffusionslage und die Membran, abgeleitet werden. Somit wird durch das Abstützen der Bipolarplatten über die Hinterlandstopperbereiche der Hauptdichtbereich aus dem Hauptkraftschluss genommen.The Hinterlandstopperbereiche may be rigid or substantially rigid in some embodiments. In other embodiments, the Hinterlandstopperbereiche can also be implemented yielding and / or elastic, wherein the elastic property is achieved either by a formula elasticity and / or a material elasticity. In the design, however, it is preferred, as already explained, for the main force closure to be conducted via the hinterland stopper regions and only a secondary force closure via the seal or the active regions of the fuel cell unit, ie via the gas diffusion layer and the membrane. Thus, by supporting the bipolar plates over the inland stopper regions, the main seal region is removed from the main force fit.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, welcher für ein Fahrzeug geeignet und/oder ausgebildet ist, insbesondere, um Antriebsenergie für einen Antriebsmotor zur Verfügung zu stellen. Der Brennstoffzellenstapel weist eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten auf, wie sie zuvor beschrieben worden sind bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheiten wird erreicht, dass die Endplatten des Brennstoffzellenstapels sich über die Hinterlandstopperbereiche und die aktive Area abstützen, wobei der Hauptkraftschluss über die Hinterlandstopperbereiche erfolgt.Another object of the invention relates to a fuel cell stack, which is suitable and / or designed for a vehicle, in particular in order to provide drive energy for a drive motor. The fuel cell stack has a multiplicity of fuel cell units as described above or according to one of the preceding claims. Through the use of the fuel cell units according to the invention it is achieved that the end plates of the fuel cell stack are supported by the hinterland stopper areas and the active area, with the main force closing occurring via the hinterland stopper areas.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:Further features, advantages and effects of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the invention. Showing:
Die
In dem gezeigten Bereich sind 3 Stapelkörper in einer Stapelrichtung S angeordnet, wobei mittig eine MEA-Platte
Die Abdichtung zwischen den Bipolarplatten
Konstruktiv betrachtet zeigen die Bipolarplatten
Die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Brennstoffzelleneinheitfuel cell unit
- 22
- MEA-PlatteMEA-plate
- 33
- Bipolarplattebipolar
- 44
- Membranmembrane
- 55
- Katalysatorschichtcatalyst layer
- 66
- GasdiffusionslageGas diffusion layer
- 7a, b7a, b
- Anoden- und KathodenraumAnode and cathode compartment
- 88th
- Dichtungpoetry
- 99
- HinterlandstopperHinterland stopper
- 1010
- Isolierunginsulation
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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