DE102017202048A1 - Bipolar plate and fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte zur Bildung von entlang einer Stapelachse gestapelten Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels, umfassend Medienöffnungen zum Zuführen bzw. Abführen von Medien, nämlich Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel, eine aktive Fläche mit einer Vielzahl an Medienkanälen zur Verteilung der Medien über die aktive Fläche, wobei die Medienkanäle mit den entsprechenden Medienöffnungen verbunden sind, eine Anodenplatte mit Medienkanälen des Brennstoffs, eine Kathodenplatte mit Medienkanälen des Oxidationsmittels, Hohlräume zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte zur Bildung der Medienkanäle des Kühlmittels, zumindest eine stoffschlüssige Hauptnaht zur Verbindung von Anodenplatte und Kathodenplatte, wobei die Hauptnaht zumindest Abschnittsweise durch die aktive Fläche verläuft. The invention relates to a bipolar plate for forming fuel cell stack fuel cells stacked along a stack axis, comprising media ports for supplying media, namely, fuel, oxidant and coolant, an active surface having a plurality of media channels for distributing the media over the active surface, wherein the media channels are connected to the respective media ports, an anode plate with media channels of the fuel, a cathode plate with media channels of the oxidant, voids between the anode plate and the cathode plate to form the media channels of the coolant, at least one cohesive master seam for connecting the anode plate and cathode plate the main seam extends at least in sections through the active area.
Description
Die hier offenbarte Technologie betrifft eine Bipolarplatte und einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl der Bipolarplatten.The technology disclosed herein relates to a bipolar plate and a fuel cell stack having a plurality of bipolar plates.
Die Brennstoffzelle ist ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator (Membran) getrennt sind.The fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidant into reaction products, producing electricity and heat. The fuel cell comprises an anode and a cathode which are separated by an ion-selective or ion-permeable separator (membrane).
Die hier betrachteten Brennstoffzellen umfassen eine Kathodenplatte und eine Anodenplatte. Die Kathodenplatte der einen Brennstoffzelle und die Anodenplatte einer benachbarten Brennstoffzelle bilden zusammen eine Bipolarplatte. Zwischen den Bipolarplatten befinden sich jeweils Membranelektroden-Einheiten.The fuel cells contemplated herein include a cathode plate and an anode plate. The cathode plate of a fuel cell and the anode plate of an adjacent fuel cell together form a bipolar plate. Between the bipolar plates are each membrane electrode units.
Die Bipolarplatten weisen Medienöffnungen zum Zuführen bzw. Abführen der Medien (Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel) auf. Im Regelfall sind hierzu zumindest sechs Medienöffnungen vorgesehen. Im gestapelten Zustand fluchten entsprechende Medienöffnungen und bilden dadurch jeweils Medienkanäle, die sich parallel zur Stapelachse erstrecken. In bzw. auf den Bipolarplatten verlaufen Medienkanäle, die die Medien über die aktive Fläche der Bipolarplatte bzw. der Brennstoffzelle verteilen.The bipolar plates have media openings for supplying or discharging the media (fuel, oxidant and coolant). As a rule, at least six media openings are provided for this purpose. In the stacked state, corresponding media openings are aligned, thereby forming respective media channels which extend parallel to the stack axis. In or on the bipolar plates run media channels that distribute the media over the active surface of the bipolar plate or the fuel cell.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.It is a preferred object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate at least one disadvantage of a previously known solution or to suggest an alternative solution. Other preferred objects may result from the beneficial effects of the technology disclosed herein. The object (s) is / are solved by the subject matter of the independent claims. The dependent claims are preferred embodiments.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Bipolarplatte, die zur Herstellung von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels verwendet werden. In dem Brennstoffzellenstapel werden die Bipolarplatten entlang einer Stapelachse gestapelt. Zwischen den Bipolarplatten werden Membranschichten mit Membranelektroden-Einheiten angeordnet.The object is achieved by a bipolar plate, which are used for the production of fuel cells of a fuel cell stack. In the fuel cell stack, the bipolar plates are stacked along a stacking axis. Membrane layers with membrane electrode assemblies are placed between the bipolar plates.
Die einzelne Bipolarplatte ist aus einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte zusammengesetzt. Die beiden Platten liegen übereinander und sind miteinander verbunden. In der Bipolarplatte und somit sowohl in der Anodenplatte als auch in der Kathodenplatte befinden sich mehrere Medienöffnungen. Diese Medienöffnungen sind Durchgangsausnehmungen. Im gestapelten Zustand mehrerer Bipolarplatten fluchten zusammengehörige Medienöffnungen und bilden dadurch Medienleitungen, die sich parallel zur Stapelachse über mehrere Bipolarplatten hinweg erstrecken. Die Medienöffnungen werden auch als „Medienports“ bezeichnet. Insbesondere weist die Bipolarplatte eine Medienöffnung zum Zuführen des Brennstoffs, eine Medienöffnung zum Abführen des Brennstoffs, eine Medienöffnung zum Zuführen des Oxidationsmittels, eine Medienöffnung zum Abführen des Oxidationsmittels, eine Medienöffnung zum Zuführen des Kühlmittels und eine Medienöffnung zum Abführen des Kühlmittels auf.The single bipolar plate is composed of an anode plate and a cathode plate. The two plates are superimposed and connected. In the bipolar plate and thus both in the anode plate and in the cathode plate, there are several media openings. These media openings are through holes. In the stacked state of a plurality of bipolar plates, associated media openings are aligned, thereby forming media lines that extend parallel to the stack axis across a plurality of bipolar plates. The media openings are also referred to as "media ports". Specifically, the bipolar plate has a media port for supplying the fuel, a media port for discharging the fuel, a media port for supplying the oxidant, a media port for discharging the oxidant, a media port for supplying the coolant, and a media port for discharging the coolant.
Eine Brennstoffzelle weist eine aktive Fläche auf. Die aktive Fläche erstreckt sich senkrecht zur Stapelachse. In der aktiven Fläche reagieren der Brennstoff und das Oxidationsmittel miteinander. An den Bipolarplatten ist die aktive Fläche definiert durch den Bereich, über den sich eine Vielzahl an Medienkanälen erstreckt. Im fertigen Zustand der Brennstoffzelle überlappt die aktive Fläche der Bipolarplatte mit der aktiven Fläche der Membranelektroden-Einheit. Die Medienkanäle dienen zur Verteilung der Medien, insbesondere Brennstoff und Oxidationsmittel, über die aktive Fläche. Dementsprechend erstrecken sich die Medienkanäle senkrecht zur Stapelachse und sind mit den zugehörigen Medienöffnungen verbunden. Vorzugsweise erstrecken sich auch die Medienkanäle für das Kühlmittel über die gesamte aktive Fläche, um diese zu kühlen.A fuel cell has an active area. The active surface extends perpendicular to the stack axis. In the active area, the fuel and the oxidant react with each other. At the bipolar plates, the active area is defined by the area over which a plurality of media channels extend. In the finished state of the fuel cell overlaps the active surface of the bipolar plate with the active surface of the membrane electrode assembly. The media channels serve to distribute the media, in particular fuel and oxidant, over the active area. Accordingly, the media channels extend perpendicular to the stack axis and are connected to the associated media openings. Preferably, the media channels for the coolant also extend over the entire active area to cool it.
Auf der Anodenplatte der Bipolarplatte sind die Medienkanäle des Brennstoffs ausgebildet. Diese Medienkanäle sind offen und werden im fertigen Zustand der Brennstoffzelle durch die Membranelektroden-Einheit verdeckt. Der Brennstoff diffundiert somit aus den Medienkanälen in die Membranelektroden-Einheit.On the anode plate of the bipolar plate, the media channels of the fuel are formed. These media channels are open and are covered in the finished state of the fuel cell by the membrane electrode assembly. The fuel thus diffuses from the media channels into the membrane electrode assembly.
Auf der Kathodenplatte der Bipolarplatte sind die Medienkanäle des Oxidationsmittels ausgebildet. Auch diese Medienkanäle sind offen und werden im fertigen Zustand der Brennstoffzelle durch die Membranelektroden-Einheit verdeckt. Das Oxidationsmittel diffundiert somit aus den Medienkanälen in die Membranelektroden-Einheit.On the cathode plate of the bipolar plate, the media channels of the oxidizing agent are formed. These media channels are also open and are covered in the finished state of the fuel cell by the membrane electrode assembly. The oxidant thus diffuses from the media channels into the membrane electrode assembly.
Zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte sind Hohlräume vorgesehen. Diese Hohlräume bilden die Medienkanäle des Kühlmittels. Beispielsweise sind die Anodenplatte und die Kathodenplatte umgeformte Bleche. Durch entsprechende Vertiefungen und Erhebungen in den Blechen sind die Medienkanäle für die drei Medien gebildet.Cavities are provided between the anode plate and the cathode plate. These cavities form the media channels of the coolant. For example, the anode plate and the cathode plate are formed sheets. By appropriate depressions and elevations in the sheets, the media channels for the three media are formed.
Zur Verbindung der Anodenplatte und der Kathodenplatte ist zumindest eine stoffschlüssige Hauptnaht vorgesehen. Diese Hauptnaht erstreckt sich vorzugsweise um alle Medienöffnungen des Kühlmittels, also zumindest um die eine Medienöffnung zum Zuführen und die eine Medienöffnung zum Abführen des Kühlmittels, und/oder um einen Großteil der aktiven Fläche. Durch die Hauptnaht sind die Anodenplatte und die Kathodenplatte stoffschlüssig miteinander verbunden, vorzugsweise durch Schweißen und/oder Löten und/oder Kleben.For connecting the anode plate and the cathode plate at least one cohesive main seam is provided. This main seam preferably extends around all media openings of the coolant, ie at least one Media port for feeding and the one media port for discharging the coolant, and / or a large part of the active area. By the main seam, the anode plate and the cathode plate are materially connected to each other, preferably by welding and / or soldering and / or gluing.
Die Hauptnaht muss nicht zwangsläufig eine durchgehende stoffschlüssige Verbindung darstellen, sondern es können auch mehrere stoffschlüssige Verbindungsstellen entlang der Hauptnaht ausgebildet werden. Besonders bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die Hauptnaht eine durchgehende stoffschlüssige Verbindung darstellt und somit auch eine Dichtung zwischen Anodenplatte und Kathodenplatte darstellt.The main seam does not necessarily represent a continuous cohesive connection, but it can also be formed several cohesive connection points along the main seam. However, it is particularly preferred that the main seam represents a continuous cohesive connection and thus also represents a seal between the anode plate and the cathode plate.
Im Rahmen vorliegender Technologie wurde erkannt, dass in Abhängigkeit der Positionierung der Hauptnaht entsprechende Hohlräume (auch als Leerräume bezeichnet) zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte außerhalb der aktiven Fläche mit Kühlmittel geflutet werden. Für die effiziente Kühlung der Brennstoffzellen sollte jedoch das Kühlmittel im Wesentlichen nur im Bereich der aktiven Fläche verteilt werden.It has been recognized in the present technology that, depending on the positioning of the main seam, respective cavities (also referred to as voids) between the anode plate and the cathode plate outside the active area are flooded with coolant. For efficient cooling of the fuel cells, however, the coolant should essentially be distributed only in the area of the active area.
Deshalb verläuft die Hauptnaht gemäß vorliegender Technologie zumindest abschnittsweise durch die aktive Fläche. Es wurde festgestellt, dass der sehr schmale Bereich zwischen Außendichtung und aktiver Fläche zum Teil nicht geeignet ist, um die Hauptnaht zu setzen. Deshalb wird die Hauptnaht teilweise in die aktive Fläche gesetzt.Therefore, according to the present technology, the main seam runs at least in sections through the active area. It has been found that the very narrow area between the outer seal and the active area is partly not suitable for setting the main seam. Therefore, the main seam is partially set in the active area.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anodenplatte erste Vertiefungen aufweist. Diese ersten Vertiefungen bilden die Medienkanäle des Brennstoffs. Die Kathodenplatte weist zweite Vertiefungen auf. Die zweiten Vertiefungen bilden die Medienkanäle des Oxidationsmittels. Die Vertiefungen der Anodenplatte bzw. Kathodenplatte sind somit Bestandteil der aktiven Fläche. In diesen Vertiefungen werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel über die aktive Fläche verteilt. Aus diesen Vertiefungen heraus diffundieren die beiden Medien in die Membranelektroden-Einheit und reagieren innerhalb der Membranelektroden-Einheit miteinander.It is preferably provided that the anode plate has first recesses. These first depressions form the media channels of the fuel. The cathode plate has second recesses. The second wells form the media channels of the oxidant. The wells of the anode plate or cathode plate are thus part of the active surface. In these recesses, the fuel and the oxidant are distributed over the active area. From these recesses, the two media diffuse into the membrane electrode assembly and react with each other within the membrane electrode assembly.
Vorzugsweise verläuft die Hauptnaht abschnittsweise in einer der Vertiefungen. Insbesondere ist an den ersten Vertiefungen ein erster Boden definiert. An den zweiten Vertiefungen ist ein zweiter Boden definiert. Wenn die Anodenplatte und die Kathodenplatte aneinander liegen, liegen auch die beiden Böden aneinander. Vorzugsweise verbindet die Hauptnaht die beiden Böden stoffschlüssig. Die Hauptnaht verläuft also durch die Böden der beiden Vertiefungen und somit durch die aktive Fläche.Preferably, the main seam runs in sections in one of the recesses. In particular, a first bottom is defined at the first recesses. At the second wells, a second bottom is defined. When the anode plate and the cathode plate are adjacent to each other, the two bottoms are also adjacent to each other. Preferably, the main seam connects the two floors cohesively. The main seam thus runs through the bottoms of the two wells and thus through the active surface.
Betrachte man die Bipolarplatte in der zur Stapelachse senkrechten Ebene, so befindet sie beispielsweise die aktive Fläche in der Mitte und beidseitig der aktiven Fläche sind jeweils drei der Medienöffnungen ausgebildet. Die Außendichtung verläuft auf zwei gegenüberliegenden Seiten außerhalb der aktiven Fläche. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Hauptnaht an diesen zwei gegenüberliegenden Seiten durch die aktive Fläche verläuft.Looking at the bipolar plate in the plane perpendicular to the stacking axis, it is, for example, the active area in the middle and on both sides of the active area three of the media openings are formed. The outer seal extends on two opposite sides outside the active area. It is preferably provided that the main seam extends through the active surface on these two opposite sides.
Vorzugsweise weist die Bipolarplatte zumindest eine die aktive Fläche umschließende Außendichtung auf. Üblicherweise sind zwei Außendichtungen vorgesehen: eine auf der Außenseite der Kathodenplatte und eine auf der Außenseite der Anodenplatte. Die Außendichtungen dichten im gestapelten Zustand mehrerer Bipolarplatten die einzelnen Bipolarplatten zueinander ab. Zwischen den Außendichtungen zweier benachbarter Bipolarplatten befindet sich im fertigen Zustand der Brennstoffzelle insbesondere der Rahmen (Sub-Frame), welcher die Membranelektroden-Einheit aufnimmt.Preferably, the bipolar plate has at least one outer surface surrounding the active area. Usually, two outer seals are provided: one on the outside of the cathode plate and one on the outside of the anode plate. The outer seals seal the individual bipolar plates to one another in the stacked state of a plurality of bipolar plates. In the finished state of the fuel cell, in particular the frame (sub-frame), which accommodates the membrane electrode unit, is located between the outer seals of two adjacent bipolar plates.
Die Hauptnaht zur stoffschlüssigen Verbindung der Anodenplatte und der Kathodenplatte verläuft bei herkömmlichen Bipolarplatten außerhalb der Außendichtungen, da hier ausreichend Bauraum zur Verfügung steht. Die Beschreibung „außerhalb bzw. innerhalb“ bezieht sich im Rahmen vorliegender Technologie auf eine Betrachtungsebene senkrecht zur Stapelachse. Betrachtet man also die Bipolarplatte in der zur Stapelachse senkrechten Ebene, so befindet sich bei herkömmlichen Bipolarplatten die Hauptnaht zur stoffschlüssigen Verbindung außerhalb der Außendichtung, welche zumindest die aktive Fläche umschließt.The main seam for cohesive connection of the anode plate and the cathode plate extends in conventional bipolar plates outside of the outer seals, since there is sufficient space available. The term "outside or inside" in the context of the present technology refers to a viewing plane perpendicular to the stack axis. If one thus considers the bipolar plate in the plane perpendicular to the stacking axis, the main seam for the material-locking connection outside the outer seal, which surrounds at least the active surface, is located in conventional bipolar plates.
Im Rahmen vorliegender Technologie wurde erkannt, dass bei der Positionierung der Hauptnaht außerhalb der Außendichtung relativ viele Hohlräume (auch als Leerräume bezeichnet) zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte außerhalb der aktiven Fläche mit Kühlmittel geflutet werden.In the present technology, it has been recognized that in positioning the main seam outside the outer seal, relatively many voids (also referred to as voids) between the anode plate and the cathode plate outside the active area are flooded with coolant.
Die Außendichtungen befinden sich beispielsweise auf Erhebungen der Kathodenplatte und der Anodenplatte. Die entsprechenden Erhebungen auf den beiden Platten liegen im zusammengesetzten Zustand gegenüber und bilden somit einen Hohlraum bzw. Leerraum zwischen der Anodenplatte und der Kathodenplatte entlang der Außendichtung. Befindet sich die Hauptnaht außerhalb der Außendichtung, so wird dieser gesamte Hohlraum mit Kühlmittel geflutet. Im Rahmen vorliegender Technologie wurde festgestellt, dass bei üblichen Brennstoffzellenstapeln ca. 1 kg an Kühlmittel sich in diesen Hohlräumen befindet, in denen keine Kühlung sinnvoll ist.The outer seals are for example on elevations of the cathode plate and the anode plate. The corresponding elevations on the two plates face each other in the assembled state and thus form a cavity or space between the anode plate and the cathode plate along the outer seal. If the main seam is outside the outer seal, then this entire cavity is flooded with coolant. In the context of available technology it was found out that with usual fuel cell stacks approx. 1 kg of coolant are in these cavities, in which no cooling makes sense.
Die hier vorgestellte Bipolarplatte sieht vor, dass sich die Hauptnaht vorzugsweise innerhalb der Außendichtung befindet. Die Beschreibung „innerhalb“ bezieht sich wiederum auf die zur Stapelachse senkrechet Betrachtungsebene. Durch die Positionierung der Hauptnaht innerhalb der Außendichtung wird der gesamte Bereich außerhalb der Hauptnaht und somit der gesamte Bereich in dem sich die Außendichtung befindet mit keinem oder weniger Kühlmittel geflutet.The bipolar plate presented here provides that the main seam preferably within the Outer seal is located. The description "within" again refers to the viewing plane perpendicular to the stacking axis. By positioning the main seam within the outer gasket, the entire area outside the main seam, and thus the entire area in which the outer gasket is located, is flooded with no or little coolant.
Wie bereits beschrieben, muss die Hauptnaht nicht zwangsläufig eine durchgehende stoffschlüssige Verbindung darstellen, sondern es können auch mehrere stoffschlüssige Verbindungsstellen entlang der Hauptnaht ausgebildet werden. In diesem Fall kann zwar zwischen den Verbindungsstellen Kühlmittel auch in ungewollte Hohlräume fließen, jedoch wird zumindest die Zirkulation des Kühlmittels in diesen ungewollten Hohlräumen stark reduziert. Besonders bevorzugt ist jedoch vorgesehen, dass die Hauptnaht eine durchgehende stoffschlüssige Verbindung darstellt und somit auch eine Dichtung zwischen Anodenplatte und Kathodenplatte darstellt.As already described, the main seam does not necessarily represent a continuous cohesive connection, but it can also be formed several material connection points along the main seam. In this case, although coolant can also flow into unwanted cavities between the connection points, at least the circulation of the coolant in these unwanted cavities is greatly reduced. However, it is particularly preferred that the main seam represents a continuous cohesive connection and thus also represents a seal between the anode plate and the cathode plate.
Im Folgenden wird der Begriff „Ring“ nicht für eine kreisrunde Form, sondern allgemein für eine in sich geschlossene Form bzw. Kurve verwendet.In the following, the term "ring" is not used for a circular shape, but generally for a self-contained shape or curve.
Bevorzugt ist die Außendichtung ein geschlossener Ring der die aktive Fläche und zumindest alle Medienöffnungen des Kühlmittels umschließt. Des Weiteren liegt die vollständige Hauptnaht innerhalb dieser Außendichtung. Besonders bevorzugt umschließt die Außendichtung als geschlossener Ring nicht nur die aktive Fläche und alle Medienöffnungen des Kühlmittels sondern auch alle Medienöffnungen des Brennstoffs und des Oxidationsmittels. Die Außendichtung umschließt somit alle funktionalen Bestandteile der Bipolarplatte. Die Hauptnaht befindet sich innerhalb dieser Außendichtung.Preferably, the outer seal is a closed ring which encloses the active surface and at least all media openings of the coolant. Furthermore, the complete main seam lies within this outer seal. Particularly preferably, the outer seal encloses not only the active surface and all media openings of the coolant as a closed ring but also all media openings of the fuel and the oxidizing agent. The outer seal thus encloses all functional components of the bipolar plate. The main seam is inside this outer seal.
Besonders bevorzugt bildet auch die Hauptnaht einen geschlossenen Ring. Wie bereits beschrieben, ist insbesondere vorgesehen, dass dieser Ring eine durchgehende stoffschlüssige Verbindung darstellt und somit als Dichtung wirkt. Die ringförmige Hauptnaht umschließt vorzugsweise zumindest alle Medienöffnungen des Kühlmittels.Particularly preferably, the main seam also forms a closed ring. As already described, it is provided in particular that this ring represents a continuous cohesive connection and thus acts as a seal. The annular main seam preferably encloses at least all media openings of the coolant.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung liegen die Medienöffnungen des Brennstoff und des Oxidationsmittels außerhalb der ringförmigen Hauptnaht. Besonders bevorzugt ist dann vorgesehen, dass Zusatznähte die Medienöffnungen des Brennstoffs und Oxidationsmittels umschließen. Die beiden Enden der einzelnen Zusatznaht sind mit der Hauptnaht verbunden. Die Zusatznaht zweigt somit von der Hauptnaht ab und mündet wieder in die Hauptnaht. Die einzelne Zusatznaht zusammen mit einem kleinen Abschnitt der Hauptnaht umschließt die einzelne Medienöffnung des Brennstoffs oder des Oxidationsmittels in geschlossener Ringform. Die Zusatznaht ist eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Kathodenplatte und Anodenplatte, insbesondere gebildet durch Schweißen und/oder Löten und/oder Kleben.According to a preferred embodiment, the media openings of the fuel and the oxidizing agent are outside the annular main seam. It is then particularly preferred for additional seams to enclose the media openings of the fuel and oxidizing agent. The two ends of each additional seam are connected to the main seam. The additional seam thus branches off the main seam and opens again into the main seam. The single peripheral seam together with a small portion of the main seam encloses the single media port of the fuel or oxidant in closed ring form. The additional seam is a cohesive connection between the cathode plate and the anode plate, in particular formed by welding and / or soldering and / or gluing.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anodenplatte und/oder die Kathodenplatte zwischen der entsprechenden Medienöffnung und der aktiven Fläche eine Vorverteilstruktur umfassen, ausgebildet zum Verteilen des Brennstoffs bzw. Oxidationsmittels auf die Medienkanäle. Gemäß dieser Ausgestaltung weist die Anodenplatte eine Vorverteilstruktur auf, die den Brennstoff von der Medienöffnung zum Zuführen des Brennstoffs auf die entsprechenden Medienkanäle der aktiven Fläche verteilt. Dementsprechend weist die Kathodenplatte eine Vorverteilstruktur auf, die das Oxidationsmittel von der Medienöffnung zum Zuführen des Oxidationsmittels auf die entsprechenden Medienkanäle der aktiven Fläche verteilt. Die Vorverteilstrukturen sind dabei insbesondere keine Bestandteile der aktiven Fläche.It is preferably provided that the anode plate and / or the cathode plate between the corresponding media opening and the active surface comprise a Vorverteilstruktur, designed for distributing the fuel or oxidizing agent to the media channels. According to this embodiment, the anode plate has a pre-distribution structure which distributes the fuel from the media opening for supplying the fuel to the corresponding media channels of the active area. Accordingly, the cathode plate has a pre-distribution structure that distributes the oxidant from the media port for supplying the oxidant to the corresponding media channels of the active area. The pre-distribution structures are in particular no components of the active surface.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anodenplatte und/oder die Kathodenplatte zwischen der aktiven Fläche und der entsprechenden Medienöffnung eine Sammelstruktur umfassen, ausgebildet zum Führen des Brennstoffs bzw. Oxidationsmittels von den Medienkanälen zur entsprechenden Medienöffnung. Gemäß dieser Ausgestaltung weist die Anodenplatte eine Sammelstruktur auf, die den Brennstoff von den Medienkanälen der aktiven Fläche auf die Medienöffnung zum Abführen des Brennstoffs führt. Dementsprechend weist die Kathodenplatte eine Sammelstruktur auf, die das Oxidationsmittel von den Medienkanälen der aktiven Fläche auf die Medienöffnung zum Abführen des Oxidationsmittels führt. Die Sammelstrukturen sind dabei insbesondere keine Bestandteile der aktiven Fläche.It is preferably provided that the anode plate and / or the cathode plate between the active surface and the corresponding media opening comprise a collecting structure, designed to guide the fuel or oxidant from the media channels to the corresponding media opening. According to this embodiment, the anode plate has a collecting structure that leads the fuel from the media channels of the active surface to the media port for discharging the fuel. Accordingly, the cathode plate has a collection structure that guides the oxidant from the media channels of the active area to the media port for removal of the oxidant. The collecting structures are in particular no components of the active surface.
Die hier offenbarte Technologie betrifft unter anderem einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren der beschriebenen Bipolarplatten, gestapelt entlang der Stapelachse. Jeweils zwischen zwei Bipolarplatten befindet sich eine Membranschicht.Among other things, the technology disclosed herein relates to a fuel cell stack having a plurality of the described bipolar plates stacked along the stack axis. In each case between two bipolar plates is a membrane layer.
Die Membranschicht umfasst insbesondere eine Membranelektroden-Einheit. In die Membranelektroden-Einheit können der Brennstoff von der einen Seite und das Oxidationsmittel von der anderen Seite diffundieren. Innerhalb der Membranelektroden-Einheit reagieren die beiden Medien miteinander. Vorzugsweise umfasst die Membranschicht auch einen Rahmen (Sub-Frame), der zumindest Teile der Membranelektroden-Einheit hält.The membrane layer in particular comprises a membrane electrode unit. In the membrane electrode assembly, the fuel from one side and the oxidizer from the other side can diffuse. Within the membrane electrode unit, the two media react with each other. Preferably, the membrane layer also includes a frame (sub-frame) that holds at least parts of the membrane electrode assembly.
Die Membranelektroden-Einheit umfasst insbesondere eine Membran und auf zumindest einer Seite der Membran eine Gasdiffusionsschicht. Vorzugsweise ist zumindest die Membran im Rahmen eingespannt. Die Gasdiffusionsschicht kann auch unabhängig vom Rahmen zwischen der Membran und der Bipolarplatte positioniert werden.In particular, the membrane electrode assembly comprises a membrane and a gas diffusion layer on at least one side of the membrane. Preferably, at least the membrane is clamped in the frame. The gas diffusion layer can also be positioned independently of the frame between the membrane and the bipolar plate.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die vollständige aktive Fläche der Bipolarplatte mit der aktiven Fläche der Membranelektroden-Einheit fluchtet, sodass über die vollständige aktive Fläche der Bipolarplatte die Reaktion zwischen Brennstoff und Oxidationsmittel stattfinden kann. Es wird hier also nur der Bereich der Bipolarplatte als „aktive Fläche“ angesehen, der auch mit der aktiven Fläche der Membranelektroden-Einheit fluchtet. Dabei ist zu beachten, dass Teile der Membranelektroden-Einheit, insbesondere der Membran, im Rahmen eingespannt sein können und somit nicht aktiv wirken.It is preferably provided that the entire active area of the bipolar plate is aligned with the active area of the membrane electrode unit so that the reaction between the fuel and the oxidant can take place over the entire active area of the bipolar plate. Thus, here only the area of the bipolar plate is regarded as an "active area", which is also aligned with the active area of the membrane electrode unit. It should be noted that parts of the membrane electrode assembly, in particular the membrane, can be clamped in the frame and thus do not act actively.
Bevorzugte Brennstoffe für den Brennstoffzellenstapel sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird vorzugsweise mit Luft, Sauerstoff oder Peroxid versorgt. Die Membran (ionenselektiver Separator) kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nation®, Flemion® und Aciplex®.Preferred fuels for the fuel cell stack are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode is preferably supplied with air, oxygen or peroxide. The membrane (ion-selective separator) may be formed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). Preferably, a cation-selective polymer electrolyte membrane is used. Materials for such a membrane include: Nation®, Flemion® and Aciplex®.
Der Brennstoffzellenstapel ist insbesondere Bestandteil eines Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem ist insbesondere für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs.The fuel cell stack is in particular part of a fuel cell system. The fuel cell system is intended in particular for mobile applications such as motor vehicles, in particular for providing the energy for at least one drive machine for locomotion of the motor vehicle.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines hier offenbarten Brennstoffzellenstapels mit den hier offenbarten Bipolarplatten, -
2 eine schematische Ansicht der Bipolarplatte, und -
3 eine schematische Schnittansicht eines Details der Bipolarplatte.
-
1 a schematic view of a fuel cell stack disclosed herein with the bipolar plates disclosed herein, -
2 a schematic view of the bipolar plate, and -
3 a schematic sectional view of a detail of the bipolar plate.
Gemäß den
Die Bipolarplatten
Im Detail weist die Bipolarplatte
Insbesondere die Schnittansicht in
Wie
Außerhalb der aktiven Fläche
Des Weiteren zeigt
Ferner zeigt
Des Weiteren zeigt
In
Ferner zeigt
Weitere Dichtungen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Bipolarplattebipolar
- 22
- Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
- 33
- Brennstoffzellenfuel cells
- 44
- Endplattenendplates
- 55
- Isolatorplatteninsulator plates
- 66
- StromabnehmerplattenCurrent collector plates
- 77
- Stapelachsestacking axis
- 88th
- Medienleitungenmedia lines
- 99
- Medienöffnungen des OxidationsmittelsMedia openings of the oxidizing agent
- 1010
- Medienöffnungen des BrennstoffsMedia openings of the fuel
- 1111
- Medienöffnungen des KühlmittelsMedia openings of the coolant
- 1212
- Medienkanäle des OxidationsmittelsMedia channels of the oxidant
- 1313
- Medienkanäle des BrennstoffsMedia channels of the fuel
- 1414
- Medienkanäle des KühlmittelsMedia channels of the coolant
- 1515
- VorverteilstrukturVorverteilstruktur
- 1616
- Sammelstrukturcollecting structure
- 1717
- Anodenplatteanode plate
- 1818
- erste Vertiefungfirst recess
- 1919
- erster Bodenfirst floor
- 2020
- Kathodenplattecathode plate
- 2121
- zweite Vertiefungsecond recess
- 2222
- zweiter Bodensecond floor
- 2323
- Hauptnahtmain seam
- 2424
- Leerraumwhitespace
- 2525
- Außendichtungouter seal
- 2626
- weitere Dichtungenfurther seals
- 2727
- Zusatznähteadditional seams
- 2828
- Membranschichtmembrane layer
- 2929
- Rahmen (Sub-Frame)Frame (sub-frame)
- 3030
- Membranelektroden-EinheitMembrane electrode assembly
- 3131
- Membranmembrane
- 3232
- GasdiffusionsschichtGas diffusion layer
- 3333
- aktive Flächeactive area
- 3434
- Breite der aktiven FlächeWidth of the active area
- 3535
- Höhe der aktiven FlächeHeight of the active area
Claims (14)
Priority Applications (1)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Publications (1)
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Family Applications (1)
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-
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- 2017-02-09 DE DE102017202048.2A patent/DE102017202048A1/en active Pending
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