DE102010011206A1 - Fuel cell stack i.e. proton exchange membrane fuel cell stack, for producing power, has bipolar plates whose edges rest against outer structure, where supply of fuel and oxidant and removal of products takes place over edges of plates - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellen- oder Elektrolyseurstapel sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.The present invention relates to a fuel cell or Elektrolyseurstapel and a method for its preparation.
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, in der aus der Reaktion eines Brennstoffes mit einem Oxidationsmittel Strom gewonnen wird. Sie umfasst einen festen oder flüssigen Elektrolyten, welcher für Ionen durchlässig, für die Elektronen jedoch undurchlässig ist, sowie einen Katalysator, der Elektronen vom Brennstoff abtrennt. Die Ionen werden durch den Elektrolyten zur Kathode transportiert, während die Elektronen von der Anode über einen äußeren Leiter zur Kathode transportiert werden, wo die Ladung der Ionen wieder ausgeglichen wird. Häufig finden Wasserstoff (H) als Brennstoff und Sauerstoff (O) oder Luft als Oxidationsmittel Verwendung, wobei die Reaktion zu Wasser beziehungsweise Wasserdampf als Reaktionsprodukt führt. Die zugehörigen Reaktionen sind dann:
Neben Wasserstoff kommen aber auch andere Stoffe, bspw. Methan oder Alkohole kommen grundsätzlich als Brennstoffe in Frage. In einem Elektrolyseur wird dagegen die umgekehrte Reaktion zur Aufspaltung eines Reaktanden, beispielsweise Wasser, in seine Bestandteile, etwa Wasserstoff und Sauerstoff, durch Zufuhr von elektrischer Leistung herbeigeführt.In addition to hydrogen but other substances, for example. Methane or alcohols are basically considered as fuels in question. In an electrolyzer, however, the reverse reaction for the decomposition of a reactant, for example water, into its constituents, such as hydrogen and oxygen, by supplying electrical power is brought about.
Ein Beispiel für eine typische Wasserstoff-Brennstoffzelle ist die sog. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC). Darin wird der Elektrolyt durch eine für Protonen durchlässige und für Elektronen undurchlässige Polymermembran gebildet, die eine plattenförmige Anode von einer ebenfalls plattenförmigen Kathode trennt. Andere typische Elektrolyte in Brennstoffzellen sind gelöste Laugen oder Säuren, Alkalicarbonatschmelzen oder Keramiken.An example of a typical hydrogen fuel cell is the so-called Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC). In it, the electrolyte is formed by a permeable to protons and for electron-impermeable polymer membrane which separates a plate-shaped anode of a plate-shaped cathode also. Other typical electrolytes in fuel cells are dissolved alkalis or acids, alkali carbonate melts or ceramics.
Die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser in einer solchen Anordnung führt je nach Konstruktion von Anode, Kathode und Elektrolyt zu einer Spannung von 0,6 bis 0,7 Volt. Da aber häufig höhere Spannungen benötigt werden, schaltet man eine Vielzahl solcher Zellen in Reihe. Eine solche Reihenschaltung wird in der Regel in Form eines Brennstoffzellenstapels realisiert, der eine Anzahl von Bipolarplatten mit dazwischen befindlichen Elektrolyten umfasst. Die Bipolarplatten weisen dabei eine Anodenseite und eine Kathodenseite auf. Die bei der Reaktion des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff frei werdende Wärme wird durch ein Kühlmedium aus dem Brennstoffzellenstapel abgeführt. Typische Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel sind bspw. in
Stand der Technik ist, dass alle Medien, also der Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlfluid, durch Kanäle zu- und abgeführt werden, die durch Aussparungen innerhalb der gestapelten Bipolarplatten gebildet sind. Jede dieser Aussparungen muss an den Kanten abgedichtet werden, wie dies bspw. in
Bei Flüssigkeitskühlung dürfen nur nichtleitende Spezialkühlmedien verwendet werden, um einen Kurzschluss der Brennstoffzellen zu vermeiden, was in der Praxis zu Oxidationsproblemen sowie zu hohen Anforderung bei Medienaufbereitung und Handhabung führt. Zusätzlich sind nachgeschaltete Wärmetauscher erforderlich, um die Wärme vom Spezialkühlmedium auf ein gebräuchliches Sekundär-Kreislaufmedium zu übertragen. Bei Temperaturen über 100°C muss bei Einsatz von Kühlwasser der Druck des Primär-Kühlsystems über die Siedegrenze erhöht werden, was zusätzliche Anforderungen an die Stabilität der zahlreichen Dichtungen stellt.For liquid cooling, only non-conductive special cooling media may be used to avoid a short circuit of the fuel cells, which leads in practice to oxidation problems as well as to high demands in media preparation and handling. In addition, downstream heat exchangers are required to transfer the heat from the special cooling medium to a common secondary circulation medium. At temperatures above 100 ° C, the pressure of the primary cooling system above the boiling limit must be increased when using cooling water, which places additional demands on the stability of the numerous seals.
Im Lichte des beschriebenen Standes der Technik ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Brennstoffzellenstapel zur Verfügung zu stellen. Eine zweite Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Herstellen von Brennstoffzellenstapeln zur Verfügung zu stellen, mit dem sich vorteilhafte Brennstoffzellenstapel herstellen lassen.In light of the described prior art, it is a first object of the present invention to provide an advantageous fuel cell stack. A second object is to provide a method for producing fuel cell stacks, with which advantageous fuel cell stacks can be produced.
Die erste Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellen- oder Elektrolyseurstapel nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels bzw. Elektrolyseurstapels nach Anspruch 20. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels bzw. Elektrolyseurstapels sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Folgenden wird nur noch der Brennstoffzellenstapel explizit genannt, wobei dieser Begriff wegen der hohen konstruktiven Ähnlichkeit zwischen Brennstoffzellen und Elektrolyseuren gleichzeitig auch synonym für Elektrolyseurstapel verstanden werden soll.The first object is achieved by a fuel cell or Elektrolyseurstapel according to
Ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel zur Stromerzeugung aus der Reaktion eines Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel zu einem Reaktionsprodukt umfasst einen Stapel von Bipolarplatten, die jeweils eine Anodenfläche, eine Kathodenfläche und einen Rand aufweisen. In dem Stapel liegen sich jeweils eine Anodenfläche und eine Kathodenfläche zweier benachbarter Bipolarplatten gegenüber. Außerdem befindet sich zwischen zwei im Stapel einander gegenüber liegenden Anoden- und Kathodenflächen ein Elektrolyt. Als Elektrolyt kommen hierbei alle Arten von Elektrolyten in Frage, insbesondere Polymermembranen, gelöste Laugen oder Säuren, Alkalicarbonatschmelzen oder Keramiken. Die Anodenflächen weisen Strömungspfade für den Brennstoff auf wohingegen die Kathodenflächen Strömungspfade für das Oxidationsmittel bzw. das Reaktionsprodukt aufweisen. Im erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel ist eine vom Stapel von Bipolarplatten getrennt ausgebildete und in Stapelrichtung der Bipolarplatten zusammenhängende Außenstruktur vorhanden, an der die Ränder der Bipolarplatten anliegen. Die Zufuhr des Brennstoffes und des Oxidationsmittels in die entsprechenden Strömungspfade sowie die Abfuhr des Reaktionsprodukts aus den entsprechenden Strömungspfaden der Bipolarplatten erfolgt über die Ränder der Bipolarplatten durch die Außenstruktur.An inventive fuel cell stack for generating electricity from the reaction of a fuel with an oxidizing agent to a reaction product comprises a stack of bipolar plates, each having an anode surface, a cathode surface and an edge. In each case one anode surface and one cathode surface of two adjacent bipolar plates lie opposite one another in the stack. In addition, there is an electrolyte between two stacked anode and cathode surfaces. Suitable electrolytes here are all types of electrolytes, in particular polymer membranes, dissolved alkalis or acids, alkali metal carbonate melts or ceramics. The anode surfaces have flow paths for the fuel, whereas the cathode surfaces have flow paths for the oxidant and the reaction product, respectively. In the fuel cell stack according to the invention, an external structure formed separately from the stack of bipolar plates and connected in the stacking direction of the bipolar plates is provided, against which the edges of the bipolar plates rest. The supply of the fuel and the oxidant in the corresponding flow paths and the removal of the reaction product from the corresponding flow paths of the bipolar plates via the edges of the bipolar plates through the outer structure.
Da im erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel die Zufuhr des Brennstoffes und des Oxidationsmittels sowie die Abfuhr des Reaktionsproduktes nicht durch die Bipolarplatten in Stapelrichtung durchbrechende Zufuhr- bzw. Abfuhrkanäle erfolgt, sind zwischen den einzelnen Bipolarplatten keine Dichtungen in Stapelrichtung (Innendichtungen) erforderlich. Es ist lediglich noch eine Dichtanordnung und/oder eine Isolieranordnung am Umfang des Stapels von Bipolarplatten nötig, die zwischen dem Bipolarplattenstapel und der Außenstruktur angeordnet werden kann. Diese kann derart realisiert sein, dass sie den Umfang des Stapels von Bipolarplatten umgibt, und kann insbesondere auch Teil der Außenstruktur sein. Der Wegfall der Innendichtungen verbessert nicht nur die Betriebssicherheit des Stapels von Bipolarplatten, sondern vereinfacht auch die Herstellung der Platten, da diese nun einstückig gefertigt werden können, ohne das Dichtungen eingelegt werden müssten. Außerdem kann wegen des Wegfalls der Durchbrüche die spezifische Leistungsdichte pro Fläche erhöht werden und – abhängig vom eingesetzten Bipolarplattenmaterial – auch die Leistungsdichte pro Gewicht.Since in the fuel cell stack according to the invention the supply of the fuel and the oxidizing agent and the removal of the reaction product is not through the bipolar plates in the stack direction breaking supply and discharge channels, no seals in the stacking direction (inner seals) are required between the individual bipolar plates. It is only necessary a sealing arrangement and / or an insulating arrangement on the periphery of the stack of bipolar plates, which can be arranged between the Bipolarplattenstapel and the outer structure. This can be realized in such a way that it surrounds the circumference of the stack of bipolar plates, and in particular can also be part of the external structure. The omission of the inner seals not only improves the reliability of the stack of bipolar plates, but also simplifies the production of the plates, since they can now be made in one piece, without the seals would have to be inserted. In addition, due to the elimination of the breakthroughs, the specific power density per area can be increased and, depending on the bipolar plate material used, also the power density per weight.
Die Dichtanordnung und/oder die Isolieranordnung kann bspw. durch eine Vergussmasse gebildet sein. Diese kann bspw. nach dem Stapeln der Bipolarplatten auf die Umfangsfläche des Stapels aufgebracht werden, bevor der Stapel in die Außenstruktur eingesetzt wird. Wenn zwischen der Außenstruktur und dem Stapel von Bipolarplatten ein Spalt vorhanden ist, kann die Dichtanordnung und/oder die Isolieranordnung auch durch ein in den Spalt eingebrachtes, bspw. gegossenes oder gespritztes, Elastomer gebildet sein. Alternativ kann die Dichtanordnung und/oder die Isolieranordnung auch durch eine um den Umfang des Stapels herum gewickelte oder laminierte Folie, etwa eine Polymerfolie oder eine Folie aus Glaslotmaterial, gebildet sein. Eine weitere Alternative besteht darin, dass die Ränder der Bipolarplatten den Umfang des Stapels von Bipolarplatten bilden und die Ränder jeweils mit einer Dichtung und/oder Isolierung versehen sind, die gegen die Außenstruktur dichtend anliegt. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, individuelle Dichtungen an den Öffnungen des Stapels und/oder der Öffnungen der Außenstruktur anzubringen. Vorzugsweise ist die Dichtanordnung elektrisch isolierend ausgebildet, so dass bspw. elektrisch leitende Kühlfluide zum Kühlen des Bipolarplattenstapels Verwendung finden können.The sealing arrangement and / or the insulating arrangement can be formed, for example, by a potting compound. This can be applied, for example, after stacking the bipolar plates on the peripheral surface of the stack before the stack is inserted into the outer structure. If there is a gap between the outer structure and the stack of bipolar plates, the sealing arrangement and / or the insulating arrangement can also be formed by an elastomer, for example cast or injected, introduced into the gap. Alternatively, the sealing arrangement and / or the insulating arrangement may also be formed by a film wound or laminated around the circumference of the stack, such as a polymer film or a sheet of glass solder material. Another alternative is that the edges of the bipolar plates form the periphery of the stack of bipolar plates and the edges are each provided with a seal and / or insulation, which bears sealingly against the outer structure. Finally, it is also possible to attach individual seals to the openings of the stack and / or the openings of the outer structure. Preferably, the sealing arrangement is designed to be electrically insulating, so that, for example, electrically conductive cooling fluids can be used for cooling the bipolar plate stack.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der Bipolarplattenstapel durch die Außenstruktur, die insbesondere auch verspannt sein kann, mechanisch stabilisiert wird, so dass eine Verwindung des Stapels durch mechanische oder thermische Einwirkung oder sonstigen die Form beeinflussenden Kräften verhindert oder zumindest verringert wird.A further advantage of the invention is that the bipolar plate stack is mechanically stabilized by the external structure, which may in particular also be braced, so that twisting of the stack by mechanical or thermal action or other forces influencing the shape is prevented or at least reduced.
Die Erfindung mittels außenliegender Medienverteilung ermöglicht daher bei extrem reduzierter Zahl Innendichtungen ein kompaktes kostengünstiges und mechanisch stabiles Design von Zellstapeln. Diese ist geeignet für Nieder-, Mittel- und Hochtemperatur-Brennstoffzellensysteme sowie für stapelförmig aufgebaute Elektrolyseure.The invention by means of external media distribution therefore enables a compact, inexpensive and mechanically stable design of cell stacks with an extremely reduced number of internal seals. This is suitable for low-, medium- and high-temperature fuel cell systems as well as for stacked electrolyzers.
In einer konkreten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels sind den Anodenflächen und den Kathodenflächen Brennstoffeintrittsöffnungen bzw. Oxidationsmitteleintrittsöffnungen zugeordnet, die sich in den Rändern der jeweiligen Bipolarplatten befinden. Außerdem sind wenigstens den Kathodenflächen Reaktionsproduktaustrittsöffnungen zugeordnet, die sich in den Rändern der jeweiligen Bipolarplatte befinden. Beispielsweise bei Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel entstehen lediglich durch die kathodische Reaktion an den Kathodenflächen Reaktionsprodukte. Bei anderen Brennstoffen kann dagegen auch die anodische Reaktion an den Anodenflächen ein abzuführendes Reaktionsprodukt (Off-Fluid) bilden. In diesem Fall sind auch den Anodenflächen Reaktionsproduktaustrittsöffnungen zugeordnet. Die Außenstruktur weist in dieser Ausgestaltung sich in Stapelrichtung der Bipolarplatten erstreckende Strömungskanäle auf, wobei wenigstens ein Brennstoffströmungskanal, ein Oxidationsmittelströmungskanal und ein Reaktionsproduktströmungskanal vorhanden sind. Der Brennstoffströmungskanal weist Austrittsöffnungen für den Austritt von Brennstoff auf, der Oxidationsmittelströmungskanal Austrittsöffnungen für den Austritt von Oxidationsmittel und der Reaktionsproduktströmungskanal Eintrittsöffnungen für den Eintritt von Reaktionsprodukt. Dabei fluchten die Austrittsöffnungen des Brennstoffströmungskanals mit den Brennstoffeintrittsöffnungen der Bipolarplatten, die Austrittsöffnungen des Oxidationsmittelströmungskanals mit den Oxidationsmitteleintrittsöffnungen der Bipolarplatten und die Eintrittsöffnungen des Reaktionsproduktströmungskanals mit den Reaktionsproduktaustrittsöffnungen der Bipolarplatten.In a specific embodiment of the fuel cell stack according to the invention, the anode surfaces and the cathode surfaces are assigned fuel inlet openings or oxidant inlet openings which are located in the edges of the respective bipolar plates. In addition, at least the cathode surfaces associated with reaction product outlet openings, which are located in the edges of the respective bipolar plate. For example, in the case of hydrogen as the fuel and oxygen as the oxidizing agent, reaction products are formed only by the cathodic reaction on the cathode surfaces. In contrast, in other fuels, the anodic reaction at the anode surfaces can form a reaction product (off-fluid) to be discharged. In this case, reaction product outlet openings are also assigned to the anode surfaces. The External structure has in this embodiment, in the stacking direction of the bipolar plates extending flow channels, wherein at least one fuel flow channel, an oxidant flow channel and a reaction product flow channel are present. The fuel flow passage has exit ports for the discharge of fuel, the oxidant flow passage exit ports for the exit of oxidant, and the reaction product flow passage entry ports for entry of reaction product. In this case, the outlet openings of the fuel flow channel are aligned with the fuel inlet openings of the bipolar plates, the outlet openings of the oxidant flow channel with the oxidant inlet openings of the bipolar plates and the inlet openings of the reaction product flow channel with the reaction product outlet openings of the bipolar plates.
Zudem kann die Außenstruktur wenigstens einen sich in Stapelrichtung der Bipolarplatten erstreckenden Kühlfluidkanal für ein gasförmiges oder flüssiges Kühlfluid aufweisen. Dadurch kann eine Kühlung am Umfang des Bipolarplattenstaples erfolgen, ohne dass die Bipolarplatten mit dem Kühlfluid unmittelbar in Kontakt kommen. Insbesondere kann sie wenigstens ein Paar sich in Stapelrichtung der Bipolarplatten erstreckender Kühlfluidkanäle aufweist, bei dem die beiden Kühlfluidkanäle in entgegengesetzter Richtung von Kühlfluid durchströmt werden. Die Kühlung im Gegenstrom kann dazu genutzt werden, die Kühlwirkung des Kühlfluids zu vergleichmäßigen.In addition, the outer structure may have at least one cooling fluid channel for a gaseous or liquid cooling fluid extending in the stacking direction of the bipolar plates. As a result, cooling can take place on the circumference of the bipolar plate stack without the bipolar plates coming into direct contact with the cooling fluid. In particular, it may comprise at least one pair of cooling fluid passages extending in the stacking direction of the bipolar plates, in which cooling fluid flows through the two cooling fluid passages in the opposite direction. The cooling in countercurrent can be used to equalize the cooling effect of the cooling fluid.
Weiter erhöht werden kann die Effektivität der Kühlleistung, wenn der Stapel von Bipolarplatten von einem Kühlfluid (Gas oder Flüssigkeit) durchströmte Kühlfluidplatten umfasst, die jeweils auf eine Anzahl von Bipolarplatten folgen, wobei die Zu- und Abfuhr des Kühlfluids über die Außenstruktur erfolgt. Dabei können die Kühlfluidplatten insbesondere gegen die benachbarten Bipolarplatten abgeschlossenen sein und einen der Außenstruktur zugewandten Rand aufweisen, in dem Kühlfluideintrittsöffnungen und Kühlfluidaustrittsöffnungen vorhanden sind. Die Außenstruktur weist dann wenigstens einen sich in Stapelrichtung der Bipolarplatten erstreckenden Kühlfluidzufuhrkanal mit dem Stapel von Bipolarplatten zugewandten Kühlfluidaustrittsöffnungen und wenigstens einen sich in Stapelrichtung der Bipolarplatten erstreckenden Kühlfluidabfuhrkanal mit dem Stapel von Bipolarplatten zugewandten Kühlfluideintrittsöffnungen auf. Dabei fluchten die Kühlfluid-eintrittsöffnungen und Kühlfluidaustrittsöffnungen der Kühlfluidplatten mit den Kühlfluidaustrittsöffnungen des wenigstens einen Kühlfluidzufuhrkanals der Außenstruktur bzw. mit den Kühlfluideintrittsöffnungen des wenigstens einen Kühlfluidabfuhrkanals der Außenstruktur. Mittels der Kühlplatten kann eine interne Kühlung des Stapels im Querschnitt realisiert werden. Wenn die Kühlplatten gegen die angrenzenden Bipolarplatten abgeschlossen sind, kann die Kühlung zudem erfolgen, ohne dass die Bipolarplatten selbst mit dem Kühlfluid in Kontakt treten. Da das Kühlfluid dann nicht mit den stromdurchflossenen Bipolarplatten in Kontakt kommt, können auch leitfähige Kühlfluide zur Anwendung kommen, wie sie bspw. im Fahrzeugbau, in der Gebäudetechnik oder im Anlagenbau Verwendung finden. Insbesondere kann auch nicht deionisiertes Wasser als Kühlfluid Verwendung finden.The effectiveness of the cooling performance can be further increased if the stack of bipolar plates comprises cooling fluid plates through which a cooling fluid (gas or liquid) flows, each of which follows a number of bipolar plates, the supply and removal of the cooling fluid taking place via the external structure. In this case, the cooling fluid plates can in particular be closed off from the adjacent bipolar plates and have an edge facing the outer structure, in which cooling fluid inlet openings and cooling fluid outlet openings are present. The outer structure then has at least one cooling fluid supply channel extending in the stacking direction of the bipolar plates with cooling fluid outlet openings facing the stack of bipolar plates and at least one cooling fluid discharge channel extending in the stacking direction of the bipolar plates with cooling fluid inlet openings facing the stack of bipolar plates. In this case, the cooling fluid inlet openings and cooling fluid outlet openings of the cooling fluid plates are aligned with the cooling fluid outlet openings of the at least one cooling fluid supply channel of the outer structure or with the cooling fluid inlet openings of the at least one cooling fluid discharge channel of the outer structure. By means of the cooling plates, an internal cooling of the stack can be realized in cross section. In addition, when the cooling plates are closed against the adjacent bipolar plates, the cooling may occur without the bipolar plates themselves coming in contact with the cooling fluid. Since the cooling fluid then does not come into contact with the current-carrying bipolar plates, conductive cooling fluids can also be used, as used, for example, in vehicle construction, in building technology or in plant construction. In particular, non-deionized water can also be used as cooling fluid.
Im erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel erstrecken sich die Strömungspfade in den Anodenflächen und den Kathodenflächen vorzugsweise bis zum Rand der der Bipolarplatten, um deren Flächen möglichst optimal auszunutzen.In the fuel cell stack according to the invention, the flow paths in the anode surfaces and the cathode surfaces preferably extend to the edge of the bipolar plates in order to optimally utilize their surfaces.
Die Außenstruktur des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels kann wenigstens ein einkanaliges oder mehrkanaliges Hohlprofilelemt umfassen, wobei die Herstellung, mittels Strangpräzens erfolgen kann und zur Herstellung des Hohlprofils eine Vielzahl unterschiedlicher Matrialien geeignet sind, etwa Keramiken und Kunststoffe, aber auch Metalle wie etwa Aluminium (Al).The outer structure of the fuel cell stack according to the invention may comprise at least one single-channel or multi-channel Hohlprofilelemt, wherein the production can be carried out by means of extrusion and for the production of the hollow profile, a variety of different Matrialien are suitable, such as ceramics and plastics, but also metals such as aluminum (Al).
Vorteilhafterweise ist die Außenstruktur in Umfangsrichtung des Stapels von Bipolarplatten wenigstens zweigeteilt, und es sind Spannmittel vorhanden, welche die Teile der Außenstruktur gegeneinander verspannen und damit die Außenstruktur gegen den Stapel von Bipolarplatten presst. Dies ermöglicht es, bei Verwendung einer elastischen Dichtanordnung mittels Verspannung der Teile der Außenstruktur die Dichtwirkung herbeizuführen. Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Außenstruktur Endplatten aufweist, mittels derer der Stapels von Bipolarplatten in Stapelrichtung verspannt ist, da sich dadurch die Stabilität des Stapels erhöht. Wenigstens eine der Endgatten und/oder wenigstens ein Teil der wenigstens zweigeteilten Außenstruktur kann zudem eine Einstelleinrichtung zum Einstellen des Anpressdrucks gegen den Stapel von Bipolarzellen umfassen.Advantageously, the outer structure is at least two divided in the circumferential direction of the stack of bipolar plates, and there are clamping means which clamp the parts of the outer structure against each other and thus presses the outer structure against the stack of bipolar plates. This makes it possible, when using an elastic sealing arrangement by means of bracing the parts of the outer structure to bring about the sealing effect. Moreover, it is advantageous if the outer structure has end plates, by means of which the stack of bipolar plates is tensioned in the stacking direction, since this increases the stability of the stack. At least one of the Endgatten and / or at least a portion of the at least two-part outer structure may also comprise an adjustment for adjusting the contact pressure against the stack of bipolar cells.
Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels zur Stromerzeugung aus der Reaktion eines Brennstoffs mit einem Oxidationsmittel zu einem Reaktionsprodukt zur Verfügung gestellt. Das Herstellen erfolgt durch Stapeln von Bipolarplatten, die jeweils eine Anodenfläche mit Strömungspfaden für den Brennstoff, eine Kathodenfläche mit Strömungspfaden für das Oxidationsmittel bzw. das Reaktionsprodukt sowie einen Rand aufweisen. Das Stapeln erfolgt derart dass jeweils eine Anodenfläche und eine Kathodenfläche zweier benachbarter Bipolarplatten einander gegenüber liegend angeordnet werden, wobei zwischen den einander gegenüber liegenden Anoden- und Kathodenflächen ein Elektrolyt angeordnet wird. Um den Stapel von Bipolarplatten herum wird eine von den Bipolarplatten getrennt ausgebildete und in Stapelrichtung der Bipolarplatten zusammenhängende Außenstruktur derart angeordnet, dass die Ränder der Bipolarplatten an der Außenstruktur anliegen und die Zufuhr des Brennstoffes und des Oxidationsmittels in die entsprechenden Strömungspfade sowie die Abfuhr des Reaktionsprodukts aus den entsprechenden Strömungspfaden über die Ränder der Bipolarplatten durch die Außenstruktur erfolgen kann. Vorzugsweise wird außerdem eine Dichtanordnung und/oder eine Isolieranordnung zwischen dem Stapel von Bipolarplatten und der Außenstruktur angeordnet.According to the invention, a method for producing a fuel cell stack for generating electricity from the reaction of a fuel with an oxidizing agent to form a reaction product is also provided. They are manufactured by stacking bipolar plates, each having an anode surface with flow paths for the fuel, a cathode surface with flow paths for the oxidant or the reaction product and an edge. The stacking takes place in such a way that in each case one anode surface and one cathode surface of two adjacent bipolar plates are arranged opposite one another, wherein an electrolyte is arranged between the opposing anode and cathode surfaces. Around the stack of bipolar plates becomes a separated from the bipolar plates and arranged in the stacking direction of the bipolar plates outer structure arranged such that the edges of the bipolar plates abut the outer structure and the supply of the fuel and the oxidant in the corresponding flow paths and the removal of the reaction product from the corresponding flow paths over the edges of the bipolar plates can be done through the outer structure. Preferably, furthermore, a sealing arrangement and / or an insulating arrangement is arranged between the stack of bipolar plates and the outer structure.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel herstellen und somit die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung beschriebenen Vorteile realisieren.With the method according to the invention, fuel cell stacks according to the invention can be produced and thus realize the advantages described with reference to the device according to the invention.
Insbesondere können Bipolarplatten mit Brennstoffeintrittsöffnungen, Oxidationsmitteleintrittsöffnungen und Reaktionsproduktaustrittsöffnungen, die derart am Umfang der Bipolarplatten angeordnet sind, dass die Strömungsrichtung des einströmenden Brennstoffs, des einströmenden Oxidationsmittels und des ausströmenden Reaktionsprodukts durch die jeweiligen Öffnungen in der Ebene der Strömungspfade der Anodenseite bzw. Kathodenseite verläuft, Verwendung finden. Um beim Anbringen der Dichtanordung und/oder Isolieranordnung ein Verschließen dieser Öffnungen für den Zu- bzw. Abfluss der verschiedenen Fluide zu den bzw. von den Bipolarplatten zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn die Bipolarplatten Vorsprünge aufweisen, welche die jeweiligen Öffnungen umgeben und in Richtung der Plattenebene vom Rand der Bipolarplatten abstehen und welche nach dem Anordnen der Dichtanordnung und/oder Isolieranordnung entfernt werden. Derartige Bipolarplatten können insbesondere in Verbindung mit einer Außenstruktur mit sich in Stapelrichtung der Bipolarplatten erstreckende Strömungskanäle Verwendung finden, wobei wenigstens ein Brennstoffströmungskanal, ein Oxidationsmittelströmungskanal und ein Reaktionsproduktströmungskanal vorhanden sind, und der Brennstoffströmungskanal Austrittsöffnungen für den Austritt von Brennstoff aufweist, der Oxidationsmittelströmungskanal Austrittsöffnungen für den Austritt von Oxidationsmittel aufweist und der Reaktionsproduktströmungskanal Eintrittsöffnungen für den Eintritt von Reaktionsprodukt aufweist.In particular, bipolar plates having fuel entry ports, oxidant entry ports, and reaction product exit ports disposed on the periphery of the bipolar plates such that the flow direction of the incoming fuel, inflow oxidant, and effluent reaction product pass through the respective openings in the plane of the anode side and cathode side flow paths, respectively, may be used Find. In order to avoid closing these openings for the inflow or outflow of the various fluids to and from the bipolar plates when attaching the sealing arrangement and / or insulating arrangement, it is advantageous if the bipolar plates have projections which surround the respective openings and in Direction of the plate plane protrude from the edge of the bipolar plates and which are removed after arranging the sealing arrangement and / or insulating arrangement. Such bipolar plates may be used in particular in connection with an outer structure with flow channels extending in the stacking direction of the bipolar plates, wherein at least one fuel flow channel, an oxidant flow channel and a Reaktionsproduktströmungskanal are present, and the fuel flow channel outlet openings for the discharge of fuel, the oxidant flow channel outlet openings for the exit of oxidant and the reaction product flow channel has inlet openings for the entry of reaction product.
Ein Verschließen der Öffnungen in den Bipolarplatten durch die Dichtung und/oder Isolierung kann in einer ersten Alternative des Anbringens der Dichtanordnung und/oder Isolieranordnung dadurch vermieden werden, dass die Dichtanordnung und/oder Isolieranordnung derart um den Stapel von Bipolarplatten herum angebracht wird, dass die Vorsprünge aus der Dichtanordnung und/oder Isolieranordnung hinausragen, und nach dem Entfernen der Vorsprünge die Außenstruktur derart um den Stapel von Bipolarplatten herum angeordnet wird, dass die Austrittsöffnungen des Brennstoffströmungskanals mit den Brennstoffeintrittsöffnungen der Bipolarplatten fluchten, die Austrittsöffnungen des Oxidationsmittelströmungskanals mit den Oxidations-mitteleintrittsöffnungen der Bipolarplatten fluchten und die Eintrittsöffnungen des Reaktionsproduktströmungskanals mit den Reaktionsproduktaustrittsöffnungen der Bipolarplatten fluchten. Hierbei kann die Dichtanordnung und/oder Isolieranordnung insbesondere in Form einer gasdichten Folie, bspw. aus Elastomer, Glaslot, etc., um den Stapel von Bipolarplatten herum gewickelt oder laminiert werden. Das Entfernen der Vorsprünge kann mechanisch erfolgen, bspw. durch fräsen, schleifen, stanzen, schneiden etc, oder chemisch, bspw. durch ätzen.Closing the openings in the bipolar plates by the seal and / or insulation can be avoided in a first alternative of attaching the sealing arrangement and / or insulating arrangement by mounting the sealing arrangement and / or insulating arrangement around the stack of bipolar plates in such a way that the Protrude projections from the sealing assembly and / or insulating assembly, and after removal of the projections, the outer structure is arranged around the stack of bipolar plates around such that the outlet openings of the fuel flow channel with the fuel inlet openings of the bipolar plates are aligned, the outlet openings of the oxidant flow channel with the oxidizing agent inlet openings of the Bipolar plates are aligned and the inlet openings of the reaction product flow channel with the reaction product outlet openings of the bipolar plates are aligned. In this case, the sealing arrangement and / or insulating arrangement can be wound or laminated around the stack of bipolar plates, in particular in the form of a gas-tight foil, for example of elastomer, glass solder, etc. The removal of the projections can be done mechanically, for example by milling, grinding, punching, cutting etc, or chemically, for example by etching.
In einer zweiten Alternative des Anbringens der Dichtanordnung und/oder Isolieranordnung wird die Außenstruktur derart um den Stapel von Bipolarplatten herum angeordnet, dass die Vorsprünge in die Austrittsöffnungen für den Austritt von Brennstoff, die Austrittsöffnungen für den Austritt von Oxidationsmittel und Eintrittsöffnungen für den Eintritt von Reaktionsprodukt hineinragen. Anschließend wird die Dichtanordnung und/oder Isolieranordnung in Form einer Vergussmasse zwischen den Stapel von Bipolarplatten und die Außenstruktur eingebracht.In a second alternative of attaching the sealing arrangement and / or insulating arrangement, the outer structure is arranged around the stack of bipolar plates such that the projections into the outlet openings for the discharge of fuel, the outlet openings for the discharge of oxidizing agent and inlet openings for the entry of reaction product protrude. Subsequently, the sealing arrangement and / or insulating arrangement is introduced in the form of a potting compound between the stack of bipolar plates and the outer structure.
In einer dritten Alternative des Anbringens der Dichtanordnung und/oder Isolieranordnung wird die Dichtanordnung und/oder Isolieranordnung auf die dem Stapel von Bipolarplatten zuzuwendenden Flächen der Außenstruktur derart aufgebracht ist, dass die Austrittsöffnungen für den Austritt von Brennstoff, die Austrittsöffnungen für den Austritt von Oxidationsmittel und Eintrittsöffnungen für den Eintritt von Reaktionsprodukt überdeckt sind. Dies kann bspw. durch Laminieren von Folie, das Auftragen von Elastomermaterial, etc. erfolgen. Danach wird die Außenstruktur derart um den Stapel von Bipolarplatten herum angeordnet, dass die Vorsprünge durch die Dichtung und/oder Isolierung hindurch in die Austrittsöffnungen für den Austritt von Brennstoff, die Austrittsöffnungen für den Austritt von Oxidationsmittel und Eintrittsöffnungen für den Eintritt von Reaktionsprodukt hineinragen.In a third alternative of attaching the sealing arrangement and / or insulating arrangement, the sealing arrangement and / or insulating arrangement is applied to the surfaces facing the stack of bipolar plates of the outer structure such that the outlet openings for the escape of fuel, the outlet openings for the discharge of oxidant and Inlets are covered for the entry of reaction product. This can be done, for example, by laminating film, applying elastomeric material, etc. Thereafter, the outer structure is placed around the stack of bipolar plates such that the protrusions extend through the seal and / or insulation into the exit ports for exit of fuel, exit ports for exit of oxidant and entry ports for entry of reaction product.
Sowohl in der ersten Alternative als auch in der zweiten Alternative können die Vorsprünge nach dem Anordnen der Außenstruktur um den Stapel von Bipolarplatten herum durch den Oxidationsmittelströmungskanal, den Brennstoffströmungskanal und den Reaktionsproduktströmungskanal hindurch entfernt werden. Dies ist dann notwendig, wenn die Vorsprünge, welche die Öffnungen in den Bipolarplatten umgeben, diese Öffnungen auch Verschließen. Durch das Verschließen wird sichergestellt, dass das zur Dichtung und/oder Isolierung Verwendete Material nicht in die Strömungspfade der Bipolarplatten eintritt. Allerdings können auch Kanäle durch die Vorsprünge hindurchführen, so dass ein Entfernen der Vorsprünge nicht unbedingt nötig ist, insbesondere in der Alternative, in der die Dichtung und/oder Isolierung in Form einer Vergussmasse zwischen den Stapel von Bipolarplatten und die Außenstruktur eingebracht wird.In both the first alternative and the second alternative, after placing the exterior structure around the stack of bipolar plates, the protrusions may be removed through the oxidant flow channel, the fuel flow channel, and the reaction product flow channel. This is necessary if the projections surrounding the openings in the bipolar plates also close these openings. Closing ensures that the for sealing and / or insulation Material used does not enter the flow paths of the bipolar plates. However, channels may also pass through the protrusions, so that removal of the protrusions is not absolutely necessary, especially in the alternative in which the gasket and / or insulation in the form of a potting compound between the stack of bipolar plates and the outer structure is introduced.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren.Further features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying figures.
Ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel wird nachfolgend mit Bezug auf die
Die Konstruktion des Brennstoffzellenstapels besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer Außenstruktur, die Hohlprofilelemente A, B in form von Strangpressprofilen umfasst, die aus Metall, Kunststoff oder Keramik hergestellt sein können. Die Außenstruktur umgibt einen Stapel von Bipolarplatten
Die Bipolarplatten
Die Hohlprofilelemente A, B der Außenstruktur enthalten Medienkanäle
Der Medienkanal zur Offgas-Abfuhr
Die bei der Reaktion der Brennstoff-Ionen mit dem Oxidationsmittel, im vorliegenden Ausführungsbeispiel also bei der Reaktion des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff der Luft, frei werdende Wärme wird durch ein Kühlmedium aus dem Brennstoffzellenstapel abgeführt. Hierzu sind zwischen den in den Ecken angeordneten Medienkanälen auch Medienkanäle zur Kühlmedienzufuhr
Die über den Medienkanal zur Brennstoffmedienzufuhr
Zwischen den jeweiligen Öffnungen der Medienkanäle
Die Bipolarplatten
Der Außenstruktur wird an den Enden des Bipolaroplattenstapels von einer vordere Endplatte
Ebenso wie die vordere Endplatte
Die Endplatten
Sollte die Temperaturleitfähigkeit der Bipolarplatten
Ein zweites Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel wird nachfolgend mit Bezug auf
Das zweite Ausführungsbeispiel für den erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dadurch, dass der Bipolarplattenstapel außer den Bipolarplatten
In der Figur sind drei Platten des Stapels geschnitten dargestellt. Es sind eine untere Bipolarplatte
Ein weiterer Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die Außenstruktur A, B nicht den kompletten Umfang des Bipolarplattenstapels umschließt. Stattdessen ist die Außenstruktur in Form zweier getrennt ausgebildeter und nicht miteinander verbundener Hohlprofilelemente A, B ausgebildet. Die Hohlprofilelemente können wie im ersten Ausführungsbeispiel in Form von Strangpressprofilen realisiert sein, für die das mit Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel ausgeführte analog gilt. Die Hohlprofilelemente A, B sind mittels Spannelementen
Wie im ersten Ausführungsbeispiel ist der Bipolarplattenstapel an seinen Umfangsflächen mit einer Verbundschicht
Gegenüber den ersten Ausführungsbeispiel ergibt sich durch das zweite Ausführungsbeispiel auch eine vereinfachte Ausgestaltung der Verspannung des Bipolarplattenstapels in Stapelrichtung. Da an zwei gegenüber liegenden Umfangsflächen des Bipolarplattenstapels keine Hohlprofilelemente vorhanden sind, kann beispielsweise ein Spannriemen um den Stapel herum gelegt werden, der zwischen dem Stapel und der vorderen sowie der hinteren Endplatte hindurchgeführt werden kann. Dies ist zwar auch im ersten Ausführungsbeispiel grundsätzlich möglich, würde aber die Ausgestaltung der Endplatten verkomplizieren. Auch kann im zweiten Ausführungsbeispiel auf die Überströmkanäle in wenigstens einer der Endplatten verzichtet werden, da das Kühlmedium aus dem Zufuhrkanal
Nachfolgend wir mit Bezug auf die
Nach dem Aufbringen der Verbundschicht
Außer als Folie kann die Verbundschicht
In einer alternativen Ausgestaltung des Fertigungsverfahrens für den Brennstoffzellenstapel werden erst die Hohlprofilelemente A, B um den noch mit den Vorsprüngen
Wenn die Hohlprofilelemente A, B so ausgebildet sind, dass sie nach der Montage den gesamten Umfang des Bipolarplattenstapels umschließen, besteht auch die Möglichkeit, die Folie oder das Elastomer auf die dem Stapel zuzuwendenden Flächen der Hohlprofilelemente A, B derart aufzubringen, dass die Medienöffnungen in den Hohlprofilen überdeckt werden. Bei der Montage der Hohlprofilelemente A, B wird die Folie beziehungsweise das verfestigte Elastomer dann mittels der Vorsprünge durchstochen, wodurch die Öffnung hergestellt wird. Anschließend werden die Vorsprünge
Wenn ein ein- oder mehrteiliges Hohlprofil verwendet wird, das den gesamten Umfang des Stapels umschließt, besteht eine weitere Fertigungsalternative darin, zuerst die Hohlprofilelemente A, B um den Plattenstapel herum anzuordnen und anschließend eine Vergussmasse in den Zwischenraum zwischen dem Stapel und den Hohlprofilelementen einzubringen. Nach dem Verfestigen der Vergussmasse werden die Vorsprünge dann durch die Medienkanäle hindurch entfernt. Die Vergussmasse kann dann auch zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Stapel und der Außenstruktur genutzt werden. Außerdem kann ein Spannband zum Verspannen des Stapels mit vergossen werden, was die Stabilität weiter erhöht.If a one- or multi-part hollow profile is used, which encloses the entire circumference of the stack, there is a further manufacturing alternative, first to arrange the hollow profile elements A, B around the plate stack around and then to introduce a potting compound in the space between the stack and the hollow profile elements. After solidification of the potting compound, the protrusions are then removed through the media channels. The potting compound can then be used to make a connection between the stack and the outer structure. In addition, a strap for clamping the stack can be shed, which further increases the stability.
Je nach Fertigungsverfahren kann ein Teil des Hohlprofils auch als Montageaufnahme während des Stapelns der Bipolarplatten dienen.Depending on the manufacturing process, a part of the hollow profile can also serve as a mounting receptacle during the stacking of the bipolar plates.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Wie dabei dargelegt worden ist, sind im Rahmen der Erfindung eine Vielzahl von Abweichungen von den jeweiligen konkreten Ausführungsbeispielen möglich.The present invention has been described by means of exemplary embodiments. As has been stated, a large number of deviations from the respective concrete exemplary embodiments are possible within the scope of the invention.
Die vorgestellte Erfindung führt zu einer Vielzahl von Vorteilen: Zum Ersten reduziert dies die Zahl der Dichtungen auf den Bipolarplatten erheblich.The presented invention leads to a number of advantages: Firstly, this considerably reduces the number of seals on the bipolar plates.
Zweitens erlaubt sie den Einsatz üblicher leitfähiger Kühlmedien (wie bspw. Wasser), zusätzlich auch bei höheren Drücken und Temperaturen über der Siedetemperatur des Kühlmediums.Second, it allows the use of conventional conductive cooling media (such as water), in addition, even at higher pressures and temperatures above the boiling point of the cooling medium.
Drittens verbessert sie die Betriebssicherheit und Standfestigkeit von Zellstapeln durch Erhöhung der Zuverlässigkeit der Dichtstrukturen. Third, it improves the operational safety and stability of cell stacks by increasing the reliability of the sealing structures.
Viertens bietet die Erfindung höhere Leistungsdichten, da die auf den Bipolarplatten angeordneten Membran-Elektrodeneinheiten (MEA) die gesamte Fläche nutzen können.Fourth, the invention provides higher power densities because the membrane electrode assemblies (MEA) located on the bipolar plates can utilize the entire area.
Fünftens spart die Erfindung separate axiale Spannelemente ein, da diese Funktion von den Hohlprofilelementen übernommen wird.Fifth, the invention saves separate axial clamping elements, since this function is taken over by the hollow profile elements.
Sechstens erlaubt die Erfindung durch Einbau von Kühlplatten die Anpassung an unterschiedliche Betriebstemperaturbereiche.Sixth, the invention allows for the adaptation to different operating temperature ranges by installing cooling plates.
Siebtens erleichtert die Erfindung die Stapelung von Bipolarplatten-MEA-Bauelementen im Rahmen der Montage von Zellstapeln.Seventh, the invention facilitates the stacking of bipolar plate MEA devices as part of the assembly of cell stacks.
Achtens vereinfacht die Erfindung die Integration des Zellstapels in vorhandene Kühlkreisläufe.Eighth, the invention simplifies the integration of the cell stack into existing cooling circuits.
Neuntens erlaubt die Erfindung die Verwendung einer vereinfachten Endplatte ohne Anschlüsse nach außen und damit den Einbau mit einseitiger Zugänglichkeit.Ninth, the invention allows the use of a simplified end plate without connections to the outside and thus the installation with one-sided accessibility.
Zehntens verhindert die Erfindung das Verwinden des Zellstapels.Tenth, the invention prevents twisting of the cell stack.
In der Summe bietet die Erfindung erhebliches Kostensenkungspotenzial.In sum, the invention offers significant cost reduction potential.
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