DE102010056014A1 - Brennstoffzellenstapel und Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

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Dr.-Ing. Erdmann Christian Martin
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, umfassend Bipolarplatten (1) und zwischen den Bipolarplatten (1) angeordnete Membran-Elektroden-Einheiten (2). Erfindungsgemäß weisen die Bipolarplatten (1) und die Membran-Elektroden-Einheiten (2) zueinander korrespondierende Positionierungselemente (P1 bis P4) zu einer Positionierung der Bipolarplatten (1) und der Membran-Elektroden-Einheiten (2) auf. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, bei dem mehrere Bipolarplatten (1) und Membran-Elektroden-Einheiten (2) abwechselnd gestapelt werden. Erfindungsgemäß werden die Bipolarplatten (1) und die Membran-Elektroden-Einheiten (2) anhand miteinander korrespondierender und an den Bipolarplatten (1) und den Membran-Elektroden-Einheiten (2) angeordneter Positionierungselemente (P1 bis P4) in definierten Positionen zueinander angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, umfassend Bipolarplatten und zwischen den Bipolarplatten angeordnete Membran-Elektroden-Einheiten.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, bei dem mehrere Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten abwechselnd gestapelt werden.
  • Aus dem Stand der Technik sind allgemein Brennstoffzellen und Verfahren zu deren Herstellung bekannt, wobei eine Brennstoffzelle einen Brennstoffzellenstapel, auch Brennstoffzellenstack genannt, umfasst. Dabei bilden Bipolarplatten Elektroden, welche jeweils durch eine Membran, insbesondere eine Membran-Elektroden-Einheit (im Englischen: membrane electrode assembly) oder ein Elektrolyt elektrisch voneinander getrennt sind. Die Bipolarplatten sind aus einer einzelnen Platte oder zwei miteinander verbundenen Platten gebildet.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Brennstoffzellenstapel und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels anzugeben, mittels welchen eine Erhöhung einer Qualität, insbesondere einer Leistungsfähigkeit und einer Langlebigkeit der Brennstoffzelle bei gleichzeitig schneller Fügung des Brennstoffzellenstapels realisierbar sind.
  • Hinsichtlich des Brennstoffzellenstapels wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Ein Brennstoffzellenstapel umfasst Bipolarplatten und zwischen den Bipolarplatten angeordnete Membran-Elektroden-Einheiten. Erfindungsgemäß weisen die Bipolarplatten und die Membran-Elektroden-Einheiten zueinander korrespondierende Positionierungselemente zu einer Positionierung der Bipolarplatten und der Membran-Elektroden-Einheiten auf.
  • Aufgrund der korrespondierenden Positionierungselemente der Bipolarplatten und der Membran-Elektroden-Einheiten sowie der daraus resultierenden vorgegebenen Positionierung der Bipolarplatten und der Membran-Elektroden-Einheiten im Brennstoffzellenstapel ist eine gleichmäßige Anordnung, Ausrichtung und Stapelung der Bipolarplatten und der Membran-Elektroden-Einheiten im Brennstoffzellenstapel möglich, wobei insbesondere eine Zentrierung der jeweiligen Membran-Elektroden-Einheit auf der zugehörigen Bipolarplatte erzielbar ist, was zu einer gleichmäßigen Ausbildung und Anordnung von Anoden- und Kathodenteilen im Brennstoffzellenstapel führt. Weiterhin sind aufgrund der gleichmäßigen Anordnung eine optimierte Medienabdichtung und elektrische Isolierung des Brennstoffzellenstapels und seiner Komponenten, d. h. der Bipolarplatten und der Membran-Elektroden-Einheiten, möglich. Aus der gleichmäßigen Ausbildung und Anordnung von Anoden- und Kathodenteilen sowie der optimierten Medienabdichtung und elektrischen Isolierung resultiert eine Erhöhung der Qualität, insbesondere einer Leistungsfähigkeit und einer Langlebigkeit des Brennstoffzellenstapels. Ferner ist ein Zeitaufwand beim Fügen der Komponenten zum Brennstoffzellenstapel verringert.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch eine Draufsicht einer Bipolarplatte für einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel,
  • 2 schematisch eine Draufsicht einer Membran-Elektroden-Einheit für den erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel,
  • 3 schematisch eine Detaildarstellung eines ersten Positionierungselements der Membran-Elektroden-Einheit,
  • 4 schematisch eine Detaildarstellung eines zweiten Positionierungselements der Membran-Elektroden-Einheit und
  • 5 schematisch die Bipolarplatte gemäß 1 und die Membran-Elektroden-Einheit gemäß 2 im gefügten Zustand in einer Draufsicht.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist eine Bipolarplatte 1 dargestellt. 2 zeigt eine Membran-Elektroden-Einheit 2.
  • Mehrere Bipolarplatten 1 werden zur Erzeugung eines nicht näher dargestellten Brennstoffzellenstapels mit den Membran-Elektroden-Einheiten 2 abwechselnd übereinander gestapelt.
  • Vorzugsweise werden mehrere der gebildeten Brennstoffzellenstapel elektrisch in Serie geschaltet und planparallel übereinander gestapelt und bilden eine oder mehrere Brennstoffzellen. Jede dieser Brennstoffzellen weist als Elektroden in Form von Gasdiffusionselektroden eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyt, insbesondere eine Elektrolytmembran, auf, die zusammen die Membran-Elektroden-Einheit 2 bilden.
  • Die jeweilige, zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten 2 angeordnete Bipolarplatte 1 dient dabei der Beabstandung der Membran-Elektroden-Einheiten 2, dem Verteilen von Reaktionsstoffen für die Brennstoffzelle über die angrenzenden Membran-Elektroden-Einheiten 2 und dem Abführen der Reaktionsstoffe in hierfür vorgesehenen, jeweils zu den Membran-Elektroden-Einheiten 2 hin offenen Kanälen. Weiterhin dient die Bipolarplatte 1 der Abfuhr der Reaktionswärme über ein in separaten Kühlmittelkanälen geführtes Kühlmittel sowie der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Anode und der Kathode von benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten 2.
  • Als Reaktionsstoffe werden ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel eingesetzt. Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe, so genannte Reaktionsgase, eingesetzt, wobei die Reaktionsgase beispielsweise Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltendes Gas, wie z. B. ein so genanntes Reformatgas, als Brennstoff und Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie z. B. Luft, als Oxidationsmittel umfassen. Unter Reaktionsstoffen werden alle an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Stoffe verstanden, einschließlich der Reaktionsprodukte, wie z. B. Wasser oder Restbrenngas.
  • Die jeweilige Bipolarplatte 1 besteht dabei vorzugsweise in nicht dargestellter Weise aus zwei planparallel miteinander verbundenen Formteilen, welche als Platten ausgebildet sind. Dabei dient eine der Platten als Anodenplatte zur Verbindung mit der Anode der Membran-Elektroden-Einheit 2 und die verbleibende der Platten als Kathodenplatte zur Verbindung mit der Kathode der anderen Membran-Elektroden-Einheit 2.
  • In nicht gezeigter Weise sind an der der einen Membran-Elektroden-Einheit 2 zugewandten Oberfläche der Anodenplatte Anodenkanäle zur Verteilung des Brennstoffs entlang der einen Membran-Elektroden-Einheit 2 angeordnet, wobei an der der anderen Membran-Elektroden-Einheit 2 zugewandten Oberfläche der Kathodenplatte Kathodenkanäle zur Verteilung des Oxidators über der anderen Membran-Elektroden-Einheit 2 angeordnet sind. Die Kathodenkanäle und die Anodenkanäle haben keine Verbindung miteinander.
  • Zur Medienabdichtung und zur elektrischen Isolierung der Bipolarplatte 1 von der Membran-Elektroden-Einheit 2 sind zwischen der Bipolarplatte 1 und der Membran-Elektroden-Einheit 2 in nicht dargestellter Weise eine oder mehrere Dichtungen eingebracht. Die Dichtungen sind dabei insbesondere als Formdichtungen ausgebildet sowie mit der Bipolarplatte 1 und/oder der Membran-Elektroden-Einheit 2 verklebt.
  • Um einen optimalen Betrieb der Brennstoffzelle mit einem hohen Wirkungsgrad und einer hohen Lebensdauer zu erzielen, ist es erforderlich, dass die Bipolarplatten 1 und die Membran-Elektroden-Einheiten 2 im Brennstoffzellenstapel gleichmäßige angeordnet, ausgerichtet und gestapelt sind. Weiterhin ist hierzu eine vollständige Medienabdichtung und elektrische Isolierung der Bipolarplatten 1 gegenüber den jeweiligen Membran-Elektroden-Einheiten 2 erforderlich.
  • Zu diesem Zweck weisen die Bipolarplatten 1 und die Membran-Elektroden-Einheiten 2 erfindungsgemäß zueinander korrespondierende Positionierungselemente P1 bis P4 zur Erzeugung einer vorgegebenen Positionierung der Bipolarplatten 1 und der Membran-Elektroden-Einheiten 2 zueinander auf.
  • Die Positionierungselemente P1 bis P4 sind hierzu als Aussparungen und als zu den Aussparungen korrespondierende Formelemente ausgebildet.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Membran-Elektroden-Einheit 2 ein als Stegelement oder so genanntes Rippenelement ausgebildetes erstes Positionierungselement P3 und ein als Stiftelement oder so genannter Pin ausgebildetes zweites Positionierungselement P4. Die Positionierungselemente P3, P4 werden insbesondere in einem Umformprozess der Membran-Elektroden-Einheit 2, vorzugsweise in einem so genannten Dornzug-Umformverfahren bei einer definierten Temperatur in diese eingebracht.
  • Die Bipolarplatte 1 umfasst ebenfalls zwei Positionierungselemente P1, P2, wobei ein erstes Positionierungselement P1 als zu dem Positionierungselement P3 der Membran-Elektroden-Einheit 2 korrespondierend ausgebildete Ausformung und ein zweites Positionierungselement P2 als zu dem Positionierungselement P4 der Membran-Elektroden-Einheit 2 korrespondierend ausgebildete Ausformung ausgebildet ist. Die Positionierungselemente P1, P2 werden vorzugsweise in einem Umformprozess der Bipolarplatte 1, insbesondere in einem so genannten Napfzug-Umformverfahren in diese eingebracht.
  • Bei der Herstellung des Brennstoffzellenstapels werden die Bipolarplatten 1 und Membran-Elektroden-Einheiten 2 derart abwechselnd gestapelt, dass diese anhand der miteinander korrespondierenden Positionierungselemente P1 bis P4 in definierten Positionen zueinander angeordnet sind.
  • Aufgrund der Anordnung und Ausbildung der Positionierungselemente P1 bis P4 können die Bipolarplatten 1 und Membran-Elektroden-Einheiten 2 besonders einfach und sicher zueinander positioniert werden. Eine aufwändige und langwierige Ausrichtung der Bipolarplatten 1 und Membran-Elektroden-Einheiten 2 zueinander ist nicht erforderlich.
  • Die Positionierungselemente P1 bis P4 sind dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass diese mit einem definierten Spiel zueinander angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich ist auch eine kraft-, stoff- und/oder formschlüssige Anordnung möglich.
  • 3 zeigt das als Stegelement ausgebildete Positionierungselement P3 in einer Detaildarstellung.
  • In 4 ist das als Stiftelement ausgebildete Positionierungselement P4 in einer Detaildarstellung gezeigt.
  • 5 stellt die Bipolarplatte 1 und die Membran-Elektroden-Einheit 2 im gefügten Zustand dar.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Bipolarplatte
    2
    Membran-Elektroden-Einheit
    P1
    Positionierungselement
    P2
    Positionierungselement
    P3
    Positionierungselement
    P4
    Positionierungselement

Claims (6)

  1. Brennstoffzellenstapel, umfassend Bipolarplatten (1) und zwischen den Bipolarplatten (1) angeordnete Membran-Elektroden-Einheiten (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (1) und die Membran-Elektroden-Einheiten (2) zueinander korrespondierende Positionierungselemente (P1 bis P4) zu einer Positionierung der Bipolarplatten (1) und der Membran-Elektroden-Einheiten (2) aufweisen.
  2. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander korrespondierenden Positionierungselemente (P1 bis P4) mit einem definierten Spiel zueinander angeordnet sind.
  3. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungselemente (P1 bis P4) als Aussparungen und/oder Ausformungen und/oder als zu den Aussparungen und/oder Ausformungen korrespondierende Formelemente ausgebildet sind.
  4. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Formelemente Stiftelemente und/oder Stegelemente sind.
  5. Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Formdichtungen zur Medienabdichtung und zur elektrischen Isolierung vorgesehen sind.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, bei dem mehrere Bipolarplatten (1) und Membran-Elektroden-Einheiten (2) abwechselnd gestapelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatten (1) und die Membran-Elektroden-Einheiten (2) anhand miteinander korrespondierender und an den Bipolarplatten (1) und den Membran-Elektroden-Einheiten (2) angeordneter Positionierungselemente (P1 bis P4) in definierten Positionen zueinander angeordnet werden.
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WO2016110376A1 (de) * 2015-01-05 2016-07-14 Volkswagen Ag Brennstoffzelle mit vorspringender bipolarplatte
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US10020520B2 (en) 2015-01-15 2018-07-10 Volkswagen Ag Bipolar plate and fuel cell comprising a bipolar plate of this type

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