DE102016206140A1

DE102016206140A1 - Bipolar plate and fuel cell stack

Info

Publication number: DE102016206140A1
Application number: DE102016206140.2A
Authority: DE
Inventors: Hannes Scholz; Tobias Lösche-Ter Horst
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-04-13
Filing date: 2016-04-13
Publication date: 2017-10-19

Abstract

Um eine Bipolarplatte (10) für eine Brennstoffzelle zu schaffen, die einen verbesserten Schutz vor Kurzschlüssen bietet, wird vorgeschlagen, dass die Bipolarplatte (10) einen umlaufenden Rand (22) aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist, wobei eine oder beide Seiten des Randes (22) über die Bipolarplatte (10) hinausragt oder -ragen und wobei die beiden Seiten des umlaufenden Rands (22) ausgeformt sind, jeweils zumindest ein Zentrierelement (28, 29; 30, 31) auszubilden, wobei das zumindest eine Zentrierelement (28, 29; 30, 31) der einen Seite mit dem zumindest einen Zentrierelement (28, 29; 30, 31) der anderen Seite korrespondierend ausgestaltet ist. Zudem wird ein Brennstoffzellenstapel, zumindest zwei derartige Bipolarplatten (10) aufweisend, vorgeschlagen.In order to provide a bipolar plate (10) for a fuel cell, which offers improved protection against short-circuits, it is proposed that the bipolar plate (10) has a peripheral edge (22) of an electrically insulating material, wherein one or both sides of the edge (22). 22) over the bipolar plate (10) protrudes or protruding and wherein the two sides of the peripheral edge (22) are formed, each at least one centering element (28, 29, 30, 31) form, wherein the at least one centering element (28, 29 30, 31) of one side with the at least one centering element (28, 29, 30, 31) of the other side is configured correspondingly. In addition, a fuel cell stack comprising at least two such bipolar plates (10) is proposed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle sowie einen Brennstoffzellenstapel, zumindest zwei Bipolarplatten aufweisend. The invention relates to a bipolar plate for a fuel cell and a fuel cell stack comprising at least two bipolar plates.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (englisch: stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad. Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of a proton-conducting membrane and one, both sides of the membrane disposed electrode (anode and cathode). In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a large number of stacked MEAs whose electrical powers are added together. During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H ₂ or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H ₂ to H ⁺ takes place with emission of electrons. Via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H ⁺ from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of O ₂ to O ^2- taking place of the electrons takes place. At the same time, these oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water. The direct conversion of chemical to electrical energy fuel cells achieve over other electricity generators due to the circumvention of the Carnot factor improved efficiency.

Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100 °C beschränkt. In Abgrenzung von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen), deren elektrolytische Leitfähigkeit auf einen durch elektrostatische Komplexbindung an ein Polymergerüst der Polymerelektrolytmembran gebundenen Elektrolyten beruht (beispielsweise Phosphorsäure-dotierte Polybenzimidazol(PBI)-Membrane) und die bei Temperaturen von 160°C betrieben werden, wird dieser Brennstoffzellentyp auch als Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet. Currently the most advanced fuel cell technology is based on polymer electrolyte membranes (PEMs), where the membrane itself consists of a polymer electrolyte. In this case, acid-modified polymers, in particular perfluorinated polymers, are often used. The most common representative of this class of polymer electrolytes is a membrane of a sulfonated polytetrafluoroethylene copolymer (trade name: Nafion; copolymer of tetrafluoroethylene and a sulfonyl fluoride derivative of a perfluoroalkyl vinyl ether). The electrolytic conduction takes place via hydrated protons, which is why the presence of water is a prerequisite for the proton conductivity and moistening of the operating gases is required during operation of the PEM fuel cell. Due to the necessity of the water, the maximum operating temperature of these fuel cells is limited to below 100 ° C at standard pressure. In contrast to high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells (HT-PEM fuel cells) whose electrolytic conductivity is based on an electrode bound by electrostatic complexation to a polymer backbone of the polymer electrolyte membrane electrolyte (for example, phosphoric acid-doped polybenzimidazole (PBI) membranes) and at temperatures of 160 ° C, this type of fuel cell is also referred to as a low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (NT-PEM fuel cell).

Wie bereits beschrieben, wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel sogenannte Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmitteln, also den Reaktanten und üblicherweise auch einer Kühlflüssigkeit sicherstellen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten. As already described, the fuel cell is formed by a plurality of individual cells arranged in the stack, so that it is referred to as a fuel cell stack. As a rule, so-called bipolar plates are arranged between the membrane-electrode units, which ensure that the individual cells are supplied with the operating means, that is to say the reactants and usually also a cooling liquid. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.

Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten und den Bipolarplatten sind Dichtungen angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume nach außen und je nach Bauform auch gegen die Medienführungen abdichten und ein Austreten der Betriebsmedien aus der Brennstoffzelle oder ein Übertreten verhindern. Dies wird beispielsweise in der DE102013208839A1 offenbart. Es wird weiterhin eine elektrisch nicht leitende Beschichtung einer Bipolarplatte, insbesondere im Randbereich beschrieben, die eine verbesserte innere Isolation aufweist. Zum Zentrieren der Bipolarplatten sind hier Zentrieröffnungen vorgesehen. Between the membrane-electrode assemblies and the bipolar plates seals are arranged, which seal the anode and cathode spaces to the outside and depending on the design against the media guides and prevent leakage of the operating media from the fuel cell or trespassing. This is for example in the DE102013208839A1 disclosed. Furthermore, an electrically non-conductive coating of a bipolar plate, in particular in the edge region, which has improved internal insulation is described. For centering the bipolar plates centering openings are provided here.

Bei einer Montage von Brennstoffzellenstapeln werden die einzelnen Bipolarplatten üblicherweise zur Zentrierung zum Beispiel an Stangen oder anders gearteten Anschlägen ausgerichtet. Dabei werden vom Zentrierwerkzeug meist Bereiche an innen- oder außenliegenden Rändern der Bipolarplatten berührt. Da die Membran an diesen Stellen nicht überstehen darf, kann es aufgrund des geringen Isolationswiderstandes leicht zu elektrischen Kurzschlüssen kommen. When assembling fuel cell stacks, the individual bipolar plates are usually aligned for centering, for example, on rods or other types of stops. In this case, the centering tool usually touches areas on inner or outer edges of the bipolar plates. Since the membrane must not survive at these points, it can easily come to electrical short circuits due to the low insulation resistance.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte und einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, bei der die Bipolarplatte einen verbesserten Schutz vor Kurzschlüssen bietet und gleichzeitig eine gute Zentrierbarkeit der Bipolarplatten und der dazwischen angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten ermöglicht. Zudem soll der Brennstoffzellenstapel vor von außen eintretenden Verunreinigungen geschützt werden. The invention has for its object to provide a bipolar plate and a fuel cell stack, in which the bipolar plate provides improved protection against short circuits while allowing good centerability of the bipolar plates and the membrane electrode units arranged therebetween. In addition, the should Protected fuel cell stack from entering from outside contaminants.

Erfindungsgemäß wird eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, die einen umlaufenden Rand aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist, wobei eine oder beide Seiten des Randes über die Bipolarplatte beziehungsweise über die durch die Bipolarplatte ausgebildete Ebene hinausragt beziehungsweise -ragen und wobei die beiden Seiten des umlaufenden Rands so ausgeformt sind, jeweils zumindest ein Zentrierelement auszubilden. Das zumindest eine Zentrierelement der einen Seite ist dabei mit dem zumindest einen Zentrierelement der anderen Seite des umlaufenden Randes korrespondierend ausgestaltet. According to the invention, a bipolar plate for a fuel cell is provided which has a peripheral edge made of an electrically insulating material, wherein one or both sides of the edge protrude beyond the bipolar plate or over the plane formed by the bipolar plate and wherein the two sides of the peripheral edge are formed so each form at least one centering. The at least one centering element of one side is designed to correspond with the at least one centering element of the other side of the peripheral edge.

Die korrespondierende Ausgestaltung betrifft vorzugsweise eine Zentrierfähigkeit in einer oder mehrerer Achsen. The corresponding embodiment preferably relates to a centering capability in one or more axes.

Die Bipolarplatte ist nach einer bevorzugten Ausführungsform rechteckig ausgeformt, wobei aber grundsätzlich die erfindungsgemäße Ausgestaltung auch bei jeder anderen Form realisierbar ist. The bipolar plate is formed rectangular according to a preferred embodiment, but in principle the inventive design can be realized in any other form.

Diese vorteilhafte Ausgestaltung bietet einen weitgehenden Schutz vor Kurzschlüssen und ferner vor Beschädigungen bei der Montage, da durch den umlaufenden Rand aus elektrisch isolierendem Material Kurzschlüsse durch Grate, abstehende oder verbogene Kanten an den Rändern der Bipolarplatten, durch Verschmutzungen mit elektrisch leitfähigen Substanzen, die zu Kriechströmen führen können, durch leitfähige Partikel, beispielsweise Metallstaub, die am Rand eines Brennstoffzellenstapels eindringen können, durch Berühren von im Betrieb befindlicher Brennstoffzellenstapel ohne Gehäuse, beispielsweise mit metallischen Werkzeugen, vermieden werden können. This advantageous embodiment provides extensive protection against short circuits and also from damage during assembly, as caused by the peripheral edge of electrically insulating material short circuits due to burrs, protruding or bent edges on the edges of the bipolar plates, by contamination with electrically conductive substances that cause leakage currents may be avoided by conductive particles, such as metal dust, which can penetrate the edge of a fuel cell stack, by touching in-service fuel cell stack without housing, for example with metallic tools, can be avoided.

Zudem kann durch die in den Rand integrierten Zentrierelemente eine sehr einfache und präzise Zentrierung von gestapelten Einzelzellen vorgenommen werden, ohne dass durch Zentrierwerkzeuge oder durch die Bipolarplatte geführte Stangen die Gefahr von Beschädigungen der Bipolarplatten besteht. In addition, a very simple and precise centering of stacked individual cells can be carried out by the centering elements integrated in the edge, without the risk of damage to the bipolar plates caused by centering tools or rods guided by the bipolar plate.

Der umlaufende Rand kann beispielsweise derart an der Bipolarplatte festgelegt sein, dass dieser die Bipolarplatte beidseitig umgreift. Dann steckt die Bipolarplatte wie eine Feder in einer Nut (umlaufender Rand). For example, the peripheral edge may be fixed to the bipolar plate in such a way that it encompasses the bipolar plate on both sides. Then the bipolar plate is like a spring in a groove (circumferential edge).

Nachstehende Ausführungen betreffen die erfindungsgemäß ausgestaltete Bipolarplatte sowie einen Brennstoffzellenstapel gleichermaßen. The following statements relate to the inventively designed bipolar plate and a fuel cell stack alike.

Die Zentrierelemente haben so zu beschaffen sein, dass beim Aufbau eines Brennstoffzellenstapels aus den erfindungsgemäßen Bipolarplatten dieser nach dem Stapeln eine ausreichende, das heißt eine präzise, Zentrierung der einzelnen Bipolarplatten und dazwischen angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten aufweist. Dieser ist lediglich noch zu verspannen, gegebenenfalls unter zusätzlicher Verwendung einfacher äußerer Anlageflächen. The centering elements have to be such that, when a fuel cell stack is constructed from the bipolar plates according to the invention, they have sufficient, ie precise, centering of the individual bipolar plates and membrane electrode units arranged therebetween after stacking. This is only to be braced, possibly with the additional use of simple outer contact surfaces.

Die an den Enden eines Brennstoffzellenstapels üblicherweise vorzusehenden Endplatten sind ebenfalls mit einem umlaufenden Rand versehen, wobei es jedoch ausreichend ist, wenn die zum Stapel weisende Seite des Randes mit mindestens einem Zentrierelement ausgestaltet ist, das mit dem Zentrierelement der benachbarten Bipolarplatte korrespondiert. The end plates usually to be provided at the ends of a fuel cell stack are also provided with a peripheral edge, but it is sufficient if the stack-facing side of the edge is configured with at least one centering element which corresponds to the centering element of the adjacent bipolar plate.

Als Zentrierelemente können alle räumlichen Ausformungen des Randes dienen, die eine Verschiebbarkeit von zwei aufeinander angeordneten Bipolarplatten gegeneinander verhindern. As centering all spatial shapes of the edge can serve to prevent a displacement of two mutually arranged bipolar plates against each other.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist als korrespondierende Ausgestaltung des zumindest einen Zentrierelements eine auf der einen Seite des umlaufenden Randes umlaufende Feder, Wulst oder dergleichen auf, wobei das korrespondierende Zentrierelement auf der anderen Seite des Randes aus einer umlaufenden Nut besteht oder einer entsprechend ausgeformten umlaufenden Vertiefung. Die Feder kann dabei abgerundete Kanten haben oder konisch ausgebildet sein, um ein Zusammenfügen zu erleichtern, wobei das korrespondierende Zentrierelement (Nut, Vertiefung) naturgemäß entsprechend ausgestaltet ist. A preferred embodiment of the invention has, as a corresponding embodiment of the at least one centering on a circumferential side of the peripheral edge spring, bead or the like, wherein the corresponding centering on the other side of the edge consists of a circumferential groove or a correspondingly shaped circumferential recess , The spring may have rounded edges or be conical in order to facilitate assembly, wherein the corresponding centering element (groove, recess) is naturally designed accordingly.

Nach einer Variante der vorgenannten Ausführungsform sind die Zentrierelemente nicht umlaufend ausgebildet, sondern nur in bestimmten Bereichen des Randes vorgesehen. According to a variant of the aforementioned embodiment, the centering elements are not formed circumferentially, but provided only in certain areas of the edge.

Diese können, wie vorbeschrieben, wie Nut und Feder ausgebildet sein, jedoch beispielsweise nur entlang einer Seite der Bipolarplatte im umlaufenden Rand vorgesehen sein, wobei zumindest zwei derartige Zentrierelemente auf unterschiedlichen Seiten der Bipolarplatte bevorzugt sind, um eine höhere Sicherheit gegen das Verschieben der Bipolarplatten beim Zusammenfügen zu Brennstoffzellenstapeln zu erzielen. Auch können die Zentrierelemente vorzugsweise an zumindest zwei Ecken des umlaufenden Randes angeordnet sein. These may, as described above, be formed as tongue and groove, but for example, be provided along one side of the bipolar plate in the peripheral edge, at least two such centering on different sides of the bipolar plate are preferred to provide greater security against the displacement of the bipolar plates Joining to achieve fuel cell stacks. Also, the centering elements may preferably be arranged on at least two corners of the peripheral edge.

Nach anderen Ausführungsformen ist das zumindest eine Zentrierelement punktuell auf dem umlaufenden Rand angeordnet. Bevorzugt sind wiederum zumindest zwei Zentrierelemente auf vorzugsweise unterschiedlichen Seiten der Bipolarplatte. Die Ausgestaltung kann in Form von runden, viereckigen oder sonstig geformten (bezogen auf deren Grundfläche) Erhebungen erfolgen, wobei auf der anderen Seite des Randes korrespondierende Vertiefungen beziehungsweise Bereiche mit einer korrespondierenden Geometrie vorgesehen sind. Da derartige Zentrierelemente auch eine größere Ausdehnung haben können als die Breite des umlaufenden Randes, kann dieser an den Stellen, wo ein derartiges Zentrierelement angeordnet ist, verbreitert sein, wobei die Verbreiterung des Randes sich vorzugsweise in Richtung der Bipolarplatte erstreckt. According to other embodiments, the at least one centering element is arranged selectively on the peripheral edge. In turn, at least two centering elements are preferably on preferably different sides of the bipolar plate. The Embodiment may be in the form of round, square or otherwise shaped (based on the base area) surveys, wherein on the other side of the edge corresponding recesses or areas are provided with a corresponding geometry. Since such centering can also have a greater extent than the width of the peripheral edge, this can be widened at the locations where such a centering element is arranged, wherein the broadening of the edge preferably extends in the direction of the bipolar plate.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bipolarplatte beziehungsweise eines Brennstoffzellenstapels ist das zumindest eine Zentriermittel derart positioniert, dass beim Zusammenbau eines Stapels, die Zentriermittel vorteilhafterweise auch zum Positionieren einer Membran-Elektroden-Einheit dienen. Dazu ist die Anordnung der Zentrierelemente vorzugsweise derart bemessen, dass sich die Membran-Elektroden-Einheit genau zwischen den Zentrierelementen einpassen lässt. According to a particularly preferred embodiment of the bipolar plate according to the invention or of a fuel cell stack, the at least one centering means is positioned such that during assembly of a stack, the centering means advantageously also serve to position a membrane-electrode unit. For this purpose, the arrangement of the centering elements is preferably dimensioned such that the membrane-electrode unit can be fitted exactly between the centering elements.

Bei den punktuell ausgebildeten Zentrierelementen, insbesondere wenn der Rand im Bereich des Zentrierelements verbeitert ausgeführt ist, können die Membran-Elektroden-Einheiten über den Zentrierelementen entsprechende Ausschnitte verfügen oder vor dem Zentrierelement enden. In the punctiform centering, in particular when the edge is executed in the region of the centering element, the membrane-electrode units on the centering elements can have corresponding cutouts or ends in front of the centering element.

Bei der Ausführungsform der Bipolarplatte mit den umlaufenden Zentrierelementen in Form von Nut und Feder liegt die Membran-Elektroden-Einheit auf dem umlaufenden Rand auf und erstreckt sich bis zur Feder, wo diese in der Position gehalten wird. In the embodiment of the bipolar plate with the circumferential centering elements in the form of tongue and groove, the membrane-electrode assembly rests on the peripheral edge and extends to the spring, where it is held in position.

Vorzugsweise ist die Tiefe der Nut oder eines anderen durch eine Vertiefung ausgebildeten Zentrierelements derart bemessen, dass diese der Höhe der Feder zuzüglich der Dicke der Membran-Elektroden-Einheit entspricht, sodass vorteilhafterweise die Membran-Elektroden-Einheit sicher fixiert werden kann, ohne dass zu viel Druck bei der Montage des Brennstoffzellenstapels auf diese ausgeübt wird, was diese gegebenenfalls beschädigen könnte. Preferably, the depth of the groove or another formed by a recess centering element is dimensioned such that it corresponds to the height of the spring plus the thickness of the membrane-electrode unit, so that advantageously the membrane-electrode unit can be securely fixed without to a lot of pressure in the assembly of the fuel cell stack is applied to this, which could possibly damage them.

Durch das Aufliegen auf dem umliegenden Rand wird zudem vorteilhafterweise der Abstand der Membran-Elektroden-Einheit zur Bipolarplatte definiert. By resting on the surrounding edge also advantageously the distance of the membrane-electrode unit is defined to the bipolar plate.

Die Zentrierung der Bipolarplatten zueinander und die Zentrierung der Membran-Elektroden-Einheit können dabei auch räumlich getrennt ausgeführt sein. The centering of the bipolar plates to each other and the centering of the membrane-electrode assembly can also be carried out spatially separated.

Eine vereinfachte und besonders bevorzugte Ausführungsform einer Bipolarplatte mit einem umlaufenden Zentrierelement besteht darin, den umlaufenden Rand in zwei Bereiche zu unterteilen. Die Grenze zwischen beiden Bereichen verläuft äquidistant zur Bipolarplatte, sodass die Breite der beiden Bereiche über den gesamten Umfang der Bipolarplatte gleich bleibt. Zur Ausformung eines Zentrierelements ragt der äußere Bereich des umlaufenden Randes auf einer Seite der Bipolarplatte über den direkt an die Bipolarplatte angrenzenden Bereich hinaus, sodass ein Absatz gegeben ist. Auf der anderen Seite des Randes ragt der benachbart zur Bipolarplatte liegende Bereich über den äußeren Bereich hinaus, sodass ebenfalls ein entsprechender Absatz gegeben ist. Die Absätze dienen als Zentrierelement und können auch zur Auflage und/oder Zentrierung der Membran-Elektroden-Einheiten genutzt werden. A simplified and particularly preferred embodiment of a bipolar plate with a circumferential centering element is to divide the peripheral edge into two areas. The boundary between the two areas is equidistant from the bipolar plate, so that the width of the two areas remains the same over the entire circumference of the bipolar plate. To form a centering element, the outer region of the peripheral edge on one side of the bipolar plate protrudes beyond the region directly adjacent to the bipolar plate, so that a shoulder is provided. On the other side of the edge, the region lying adjacent to the bipolar plate protrudes beyond the outer region, so that a corresponding shoulder is likewise provided. The heels serve as a centering element and can also be used for supporting and / or centering the membrane-electrode assemblies.

Der umlaufende Rand ist vorzugsweise aus einem elastomeren Material gefertigt, das einerseits eine Dichtwirkung im Brennstoffzellenstapel aufweist und andererseits eine geeignete mechanische Stabilität besitzt, um beim Zusammenpressen des Stapels definierte Abstände zwischen den Komponenten des Brennstoffzellenstapels nicht zu unterschreiten. The peripheral edge is preferably made of an elastomeric material, on the one hand has a sealing effect in the fuel cell stack and on the other hand has a suitable mechanical stability so as not to fall below the defined intervals between the components of the fuel cell stack when compressing the stack.

Es können aber auch nicht-elastomere Kunststoffe eingesetzt werden, wobei dann vorzugsweise auf beiden Seiten der Bipolarplatte umlaufende Dichtungen vorgesehen sind, die an die Membran-Elektroden-Einheit, angrenzen. However, it is also possible to use non-elastomeric plastics, in which case peripheral seals are preferably provided on both sides of the bipolar plate and adjoin the membrane-electrode unit.

Üblicherweise weist eine Bipolarplatte Durchlässe für die Betriebsmedien, nämlich Reaktantengase und Kühlmittel auf. Diese Durchlässe sind vorzugsweise auf beiden Seiten der Bipolarplatte ebenfalls mit umlaufenden Dichtungen versehen. Typically, a bipolar plate has passages for the operating media, namely, reactant gases and coolant. These passages are preferably also provided on both sides of the bipolar plate with circumferential seals.

Es kann ferner von Vorteil sein, dass der für den umlaufenden Rand verwendete Kunststoff ein Kunststoff der Gruppe der sogenannten „temperaturbeständigen Kunststoffe“ ist. Der Kunststoff weist vorzugsweise eine Temperaturbeständigkeit von wenigstens 150 °C, insbesondere von wenigstens 200 °C, ferner bevorzugt von wenigstens 250 °C, besonders bevorzugt von wenigstens 300 °C auf. It may also be advantageous that the plastic used for the peripheral edge is a plastic of the group of so-called "temperature-resistant plastics". The plastic preferably has a temperature resistance of at least 150 ° C, in particular of at least 200 ° C, further preferably of at least 250 ° C, more preferably of at least 300 ° C.

Ferner wird ein Fahrzeug umfassend einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten zur Verfügung gestellt. Der Brennstoffzellenstapel dient typischerweise zur Speisung einer elektrischen Maschine für den Antrieb des Fahrzeuges mit elektrischer Energie. Das erfindungsgemäße Fahrzeug zeichnet sich besonders durch seine Zuverlässigkeit und seine kompakten Abmaße aus. Furthermore, a vehicle comprising a fuel cell stack according to the invention is provided with bipolar plates according to the invention. The fuel cell stack is typically used to power an electric machine for driving the vehicle with electrical energy. The vehicle according to the invention is characterized in particular by its reliability and its compact dimensions.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it

1 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Bipolarplatte, 1 a plan view of a bipolar plate according to the invention,

2 eine geschnittene Seitenansicht eines Details eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels, 2 a sectional side view of a detail of a fuel cell stack according to the invention,

3 eine geschnittene, perspektivische Ansicht eines Details des Brennstoffzellenstapels nach 2, 3 a cut, perspective view of a detail of the fuel cell stack after 2 .

4 eine Aufsicht auf ein Detail eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels nach einer zweiten Ausführungsform, 4 a plan view of a detail of a fuel cell stack according to the invention according to a second embodiment,

5 eine geschnittene Seitenansicht eines Details des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels nach 4, 5 a sectional side view of a detail of the fuel cell stack according to the invention 4 .

6 eine geschnittene, perspektivische Ansicht eines Details des Brennstoffzellenstapels nach 4, 6 a cut, perspective view of a detail of the fuel cell stack after 4 .

7 eine Aufsicht auf ein Detail eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels nach einer dritten Ausführungsform, 7 a plan view of a detail of a fuel cell stack according to the invention according to a third embodiment,

8 eine geschnittene Seitenansicht eines Details des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels nach 7, und 8th a sectional side view of a detail of the fuel cell stack according to the invention 7 , and

9 eine geschnittene, perspektivische Ansicht eines Details des Brennstoffzellenstapels nach 7. 9 a cut, perspective view of a detail of the fuel cell stack after 7 ,

1 zeigt eine Bipolarplatte 10 für eine nicht dargestellte Brennstoffzelle beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel, der Teil eines Brennstoffzellensystems sein kann. Dieses kann wiederum in einem Fahrzeug integriert sein. 1 shows a bipolar plate 10 for a fuel cell or a fuel cell stack, not shown, which may be part of a fuel cell system. This in turn can be integrated in a vehicle.

Die Bipolarplatte 10 weist einen aktiven Bereich AA und inaktive Bereiche IA auf. Der aktive Bereich AA zeichnet sich dadurch aus, dass in diesem Bereich die Brennstoffzellreaktionen stattfinden. Die inaktiven Bereiche IA, lassen sich jeweils in Versorgungsbereiche SA und Verteilerbereiche DA unterteilen. The bipolar plate 10 has an active area AA and inactive areas IA. The active area AA is characterized by the fact that the fuel cell reactions take place in this area. The inactive areas IA can be subdivided into supply areas SA and distribution areas DA.

Die Bipolarplatte 10 besitzt eine in der Darstellung sichtbare Kathodenseite 11 sowie eine nicht sichtbare Anodenseite 12. Auf der dargestellten Kathodenseite 11 sind Betriebsmittelkanäle 13 als offene rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet, welche die Kathodeneinlassöffnung 14 mit der Kathodenauslassöffnung 15 verbinden. Dargestellt sind lediglich fünf exemplarische Betriebsmittelkanäle 13, wobei üblicherweise eine wesentlich größere Anzahl vorhanden ist. Desgleichen weist die hier nicht sichtbare Anodenseite 12 entsprechende Betriebsmittelkanäle auf, welche die Anodeneinlassöffnung 16 mit der Anodenauslassöffnung 17 verbinden. Auch diese Betriebsmittelkanäle für das Anodenbetriebsmedium sind als offene, rinnenartige Kanalstrukturen ausgebildet. Im Inneren der Bipolarplatte 10, insbesondere zwischen den beiden Plattenhälften, verlaufen eingeschlossene Kühlmittelkanäle, welche die Kühlmitteleinlassöffnung 18 mit der Kühlmittelauslassöffnung 19 verbinden. Mit den unterbrochenen Linien sind in 1 um die Bipolarplatte umlaufende Dichtungen 20 und Dichtungen 21, die die Öffnungen 14–19 für die Betriebsmittel umgeben, angedeutet. Die Bipolarplatte 10 weist zudem einen umlaufenden Rand 22 auf. The bipolar plate 10 has a visible cathode side in the illustration 11 and an invisible anode side 12 , On the illustrated cathode side 11 are resource channels 13 formed as open channel-like channel structures, which the cathode inlet opening 14 with the cathode outlet opening 15 connect. Only five exemplary resource channels are shown 13 , where usually a much larger number is available. Likewise, the not visible here anode side 12 corresponding resource channels, which the anode inlet opening 16 with the anode outlet opening 17 connect. These operating medium channels for the anode operating medium are also designed as open, channel-like channel structures. Inside the bipolar plate 10 , in particular between the two plate halves, extend enclosed coolant channels, which the coolant inlet opening 18 with the coolant outlet opening 19 connect. With the broken lines are in 1 around the bipolar plate circumferential seals 20 and seals 21 that the openings 14 - 19 surrounded for the resources, indicated. The bipolar plate 10 also has a circumferential border 22 on.

In den nachfolgend beschriebenen 2 bis 9 sind Detailansichten von verschiedenen Ausführungsformen von Brennstoffzellenstapeln 23 dargestellt. Es sind jeweils drei Bipolarplatten 10 im Wechsel mit Membran-Elektroden-Einheiten 24 angeordnet. Die Bipolarplatten 10 sind aus zwei Teilen bestehend dargestellt, da diese üblicherweise aus zwei Halbplatten gefertigt werden. Der umlaufende Rand 22 umgreift die Bipolarplatte 10 auf beiden Seiten. Zwischen den Bipolarplatten 10 und den Membran-Elektroden-Einheiten 24 sind benachbart zum Rand umlaufende Dichtungen 20 dargestellt. In the following 2 to 9 FIG. 11 are detail views of various embodiments of fuel cell stacks. FIG 23 shown. There are three bipolar plates each 10 alternating with membrane electrode units 24 arranged. The bipolar plates 10 are shown consisting of two parts, since these are usually made of two half-plates. The surrounding edge 22 surrounds the bipolar plate 10 on both sides. Between the bipolar plates 10 and the membrane electrode assemblies 24 are adjacent to the edge circumferential seals 20 shown.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist in den 2 und 3 gezeigt. Diese ist besonders vorteilhaft, da diese durch die Ausbildung des umlaufenden Randes 22 mit zwei Bereichen 25, 26 als Zentrierelement eine größtmögliche Präzision bei der Zentrierung des Brennstoffzellenstapels 23 bietet und gleichzeitig eine Beschädigung des Zentrierelements bei einer fehlerhaften Handhabung der Bipolarplatten 10 nahezu ausgeschlossen ist. Die Grenze 27 zwischen beiden Bereichen 25, 26 verläuft äquidistant zur Bipolarplatte 10 und dient der Membran-Elektroden-Einheit 24 als Rahmen zur exakten Positionierung innerhalb des Brennstoffzellenstapels 23. Dazu liegt der Rand der Membran-Elektroden-Einheit 24 an der Grenze 27 beziehungsweise dem äußeren Bereich 25 des Randes 22 an und auf dem inneren Bereich 26 des Randes 22 auf. Der äußere Bereich 25 ragt auf einer Seite über den inneren Bereich 26 hinaus, während auf der anderen Seite der innere Bereich 26 über den äußeren Bereich 25 hinausragt. A particularly preferred embodiment is in the 2 and 3 shown. This is particularly advantageous, since these by the formation of the peripheral edge 22 with two areas 25 . 26 as centering the greatest possible precision in the centering of the fuel cell stack 23 provides and at the same time damage to the centering in case of incorrect handling of the bipolar plates 10 is almost impossible. The border 27 between both areas 25 . 26 runs equidistant to the bipolar plate 10 and serves the membrane-electrode assembly 24 as a frame for exact positioning within the fuel cell stack 23 , This is the edge of the membrane electrode assembly 24 on the border 27 or the outer area 25 of the edge 22 on and on the inner area 26 of the edge 22 on. The outer area 25 protrudes on one side over the inner area 26 out, while on the other side the inner area 26 over the outer area 25 protrudes.

Bei dem Brennstoffzellenstapel 23 gemäß den 4 bis 6 besteht das Zentrierelement aus einer langgestreckten Feder 28, die zu ihrem freien, vom Rand 22 abgewandten Ende spitz zuläuft und die auf dem Rand 22 angeordnet ist. Diese Feder dient wiederum als Anschlag zur Positionierung der Membran-Elektroden-Einheit 24. Vorteilhafterweise ist daher ein entsprechendes Zentrierelement auf dem Rand 22 jeder Seite der Bipolarplatte 10 angeordnet. Auf der anderen Seite des Randes 22 ist eine entsprechend ausgeformte Nut 29 zur Aufnahme der Feder 28 der benachbarten Bipolarplatte 10 vorgesehen. In the fuel cell stack 23 according to the 4 to 6 the centering element consists of an elongated spring 28 to their free, from the edge 22 opposite end pointed and on the edge 22 is arranged. This spring in turn serves as a stop for positioning the membrane electrode assembly 24 , Advantageously, therefore, a corresponding centering on the edge 22 each side of the bipolar plate 10 arranged. On the other side of the edge 22 is a correspondingly shaped groove 29 for receiving the spring 28 the adjacent bipolar plate 10 intended.

Bei dem Brennstoffzellenstapel 23 gemäß den 7 bis 9 besteht das Zentrierelement aus einer Erhebung 30 mit einem runden Querschnitt auf der einen Seite des umlaufenden Randes 22 und einer runden Vertiefung 31 auf der anderen Seite des umlaufenden Randes 22. An der Stelle, an der das Zentrierelement auf beiden Seiten des Randes 22 angeordnet ist, ist dieser verbreitert ausgeführt und erstreckt sich weiter in Richtung Bipolarplatte 10 als der Rest des Randes 22. Die Erhebung 30 dient ebenfalls als Anschlag zur Positionierung der Membran-Elektroden-Einheit 24, die zudem einen korrespondierenden Ausschnitt zur teilweisen Aufnahme der Erhebung 30 aufweist. Durch den Ausschnitt ist es ausreichend, zur Zentrierung und zur Positionierung der Membran-Elektroden-Einheit 24 Zentrierelemente an zwei gegenüberliegenden Seiten der Bipolarplatte 10 vorzusehen. In the fuel cell stack 23 according to the 7 to 9 the centering element consists of a survey 30 with a round cross section on one side of the peripheral edge 22 and a round depression 31 on the other side of the perimeter 22 , At the point where the centering element on both sides of the edge 22 is arranged, this is widened and extends further in the direction of the bipolar plate 10 as the rest of the edge 22 , The assessment 30 also serves as a stop for positioning the membrane-electrode assembly 24 , which also has a corresponding section for the partial inclusion of the survey 30 having. By cutting it is sufficient for centering and positioning of the membrane electrode assembly 24 Centering elements on two opposite sides of the bipolar plate 10 provided.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10: Bipolarplatte bipolar
11 11: Kathodenseite cathode side
12 12: Anodenseite anode side
13 13: Betriebsmittelkanäle Resources channels
14 14: Kathodeneinlassöffnung Cathode inlet opening
15 15: Kathodenauslassöffnung Kathodenauslassöffnung
16 16: Anodeneinlassöffnung Anode inlet opening
17 17: Anodenauslassöffnung Anodenauslassöffnung
18 18: Kühlmitteleinlassöffnung Coolant inlet port
19 19: Kühlmittelauslassöffnung coolant outlet
20, 21 20, 21: Dichtungen seals
22 22: umlaufender Rand surrounding border
23 23: Brennstoffzellenstapeln fuel cell stacks
24 24: Membran-Elektroden-Einheit Membrane-electrode assembly
25, 26 25, 26: Bereich Area
27 27: Grenze border
28 28: Feder feather
29 29: Nut groove
30 30: Erhebung survey
31 31: Vertiefung deepening
AA AA: aktiver Bereich (Reaktionsbereich, active area) active area (reaction area, active area)
IA IA: inaktiver Bereich (inactive area) inactive area
SA SA: Versorgungsbereich (supply area) Supply area
DA THERE: Verteilerbereich (distribution area) Distribution area

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102013208839 A1 [0005]

Claims

Bipolar plate ( 10 ) for a fuel cell, characterized in that the bipolar plate ( 10 ) a peripheral edge ( 22 ) made of an electrically insulating material, wherein one or both sides of the edge ( 22 ) via the bipolar plate ( 10 protruding or projecting and where the two sides of the peripheral edge ( 22 ) are formed, in each case at least one centering element ( 28 . 29 ; 30 . 31 ), wherein the at least one centering element ( 28 . 29 ; 30 . 31 ) of one side with the at least one centering element ( 28 . 29 ; 30 . 31 ) of the other side is configured correspondingly.

Bipolar plate ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the peripheral edge ( 22 ) into two areas ( 25 . 26 ), the limit ( 27 ) between the two areas ( 25 . 26 ) parallel to an edge of the bipolar plate ( 10 ) and where the two areas ( 25 . 26 ) a different height in relation to the plane of the bipolar plate ( 10 ) exhibit.

Bipolar plate ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the peripheral edge ( 22 ) made of a non-elastomeric plastic, wherein on one or both sides of the bipolar plate ( 10 ) at least one circumferential seal ( 20 ) is arranged, or consists of an elastomeric plastic.

Bipolar plate ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that on one or both sides of the bipolar plate ( 10 ) at least one seal ( 21 ), the openings ( 14 . 15 . 16 . 127 . 18 . 19 ) for the operating media surrounding is provided.

Fuel cell stack, at least two bipolar plates ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, wherein between two bipolar plates ( 10 ) each have a membrane-electrode unit ( 24 ) is arranged.

Fuel cell stack according to claim 5, characterized in that the membrane-electrode unit ( 24 ) on the peripheral edge ( 22 ) rests.

Fuel cell stack according to claim 5 or 6, characterized in that the membrane-electrode unit ( 24 ) to the at least one centering element ( 28 . 29 ; 30 . 31 ) on the peripheral edge ( 22 ) or to the border ( 27 ) of the two areas 25 . 26 ) adjoins.

Fuel cell stack according to one of claims 5 to 7, characterized in that the membrane-electrode unit ( 24 ) in the region of the at least one centering element ( 28 . 29 ; 30 . 31 ) has a cutout and the at least one centering element ( 28 . 29 ; 30 . 31 ) partially surrounds.

Fuel cell stack according to one of claims 5 to 8, characterized in that the at least one centering element ( 28 . 29 ; 30 . 31 ) of the one side with the at least one centering element ( 28 . 29 ; 30 . 31 ) of the other side is designed in such a way that between the two edges ( 22 ) of two adjacent bipolar plates ( 10 ) is given a distance equal to the thickness of the interposed membrane electrode assembly ( 24 ) corresponds.