DE102018110111A1

DE102018110111A1 - Bipolar plate for a fuel cell assembly

Info

Publication number: DE102018110111A1
Application number: DE102018110111.2A
Authority: DE
Inventors: Dominik Bader
Original assignee: Proton Motor Fuel Cell GmbH
Current assignee: Proton Motor Fuel Cell GmbH
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2019-10-31

Abstract

Eine bipolare Platte (6) für eine Brennstoffzellenanordnung (1) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (2), die einen Stapel bilden, enthält eine Anodenströmungsfeldplatte (4) und eine Kathodenströmungsfeldplatte (5) für jeweils eine Brennstoffzelle (2) des Stapels, die einander benachbart sind. Eine erste Hauptfläche (30) der Anodenströmungsfeldplatte (4) weist Anodenbetriebsgas-Strömungskanäle (20) auf und eine gegenüberliegende zweite Hauptfläche (31) weist Kühlmittel-Strömungskanäle (22) auf, die erste Hauptfläche (32) der Kathodenströmungsfeldplatte (5) weist Kathodenbetriebsgas-Strömungskanäle (21) auf und deren zweite Hauptfläche (33) weist Kühlmittel-Strömungskanäle (22) auf. Die Anodenströmungsfeldplatte (4) und Kathodenströmungsfeldplatte (5) sind an ihren zweiten Hauptflächen (31, 33) elektrisch leitend zu einer bipolaren Platte (6) verbunden. Es ist wenigstens ein lösbares Dichtungselement (50) zwischen den zweiten Hauptflächen (31, 33) der Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatte (4, 5) vorgesehen, um wenigstens eine Medienführung (40-45) innerhalb der bipolaren Platte (6) gegenüber wenigstens einer weiteren Medienführung (40-45) innerhalb der bipolaren Platte (6) abzudichten, und das in einer Dichtungsnut (51) angeordnet ist, die in wenigstens einer der Anodenströmungsfeldplatte (4) und Kathodenströmungsfeldplatte (5) vorgesehen ist, wobei die Dichtungsnut (51) und das Dichtungselement (50) so angeordnet sind, dass die zweiten Hauptflächen (31, 33) der Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatte (4, 5) in wenigstens einem Teilbereich aneinander anliegen.

A bipolar plate (6) for a fuel cell assembly (1) having a plurality of fuel cells (2) forming a stack includes an anode flow field plate (4) and a cathode flow field plate (5) for each fuel cell (2) of the stack are adjacent. A first major surface (30) of the anode flow field plate (4) has anode operating gas flow channels (20) and an opposing second major surface (31) has coolant flow channels (22); the first major surface (32) of the cathode flow field plate (5) has cathode operating gas flow. Flow channels (21) and the second main surface (33) has coolant flow channels (22). The anode flow field plate (4) and cathode flow field plate (5) are electrically conductively connected to a bipolar plate (6) at their second major surfaces (31, 33). At least one releasable sealing member (50) is provided between the second major surfaces (31, 33) of the anode and cathode flow field plates (4, 5) to provide at least one media guide (40-45) within the bipolar plate (6) opposite at least one other Media seal (40-45) within the bipolar plate (6) and disposed in a seal groove (51) provided in at least one of the anode flow field plate (4) and cathode flow field plate (5), the seal groove (51) and the sealing element (50) are arranged so that the second main surfaces (31, 33) of the anode and cathode flow field plate (4, 5) abut each other in at least one subregion.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine bipolare Platte für eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die einen Stapel bilden, sowie eine Brennstoffzellenanordnung mit einer solchen bipolaren Platte.The present invention relates to a bipolar plate for a fuel cell assembly having a plurality of fuel cells forming a stack, and a fuel cell assembly having such a bipolar plate.

Brennstoffzellenanordnungen haben typischerweise die Form von Brennstoffzellenstapeln, in denen zahlreiche, elektrisch in Reihe geschaltete Brennstoffzellen übereinander bzw. nebeneinander (je nach Orientierung des Stapels im Raum) angeordnet sind. Jede Brennstoffzelle weist Elektroden, d. h. eine Anode und eine Kathode, und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten auf, zum Beispiel eine Polymerelektrolytmembran (PEM), die gemeinsam eine Membran-ElektrodenAnordnung (MEA) bilden. Außerdem weist jede Brennstoffzelle Strömungsfeldplatten auf, d. h. eine Anodenströmungsfeldplatte und eine Kathodenströmungsfeldplatte. Die Anodenströmungsfeldplatte ist der Anode zugeordnet und weist auf der der Anode zugewandten Oberfläche eine offene Kanalstruktur, das Anodenströmungsfeld, auf, während die Kathodenströmungsfeldplatte der Kathode zugeordnet ist und an der der Kathode zugewandten Oberfläche ebenfalls eine offene Kanalstruktur, das Kathodenströmungsfeld, aufweist. Das Anodenströmungsfeld dient der Zuführung von Anodenbetriebsgas, insbesondere Wasserstoff, zu der Anode, und das Kathodenströmungsfeld dient der Zuführung von Kathodenbetriebsgas, insbesondere Luft, zu der Kathode. Üblicherweise besitzen die Anodenströmungsfeldplatte und die Kathodenströmungsfeldplatte auch an derjenigen Oberfläche, die dem Anodenströmungsfeld bzw. dem Kathodenströmungsfeld abgewandt ist, eine offene Kanalstruktur. Diese Kanalstruktur dient der Zuführung und Abführung von Kühlmittel, wie zum Beispiel Wasser.Fuel cell assemblies are typically in the form of fuel cell stacks in which numerous fuel cells connected in series are arranged one above the other (depending on the orientation of the stack in space). Each fuel cell has electrodes, i. H. an anode and a cathode, and an electrolyte therebetween, for example a polymer electrolyte membrane (PEM), which together form a membrane electrode assembly (MEA). In addition, each fuel cell has flow field plates, d. H. an anode flow field plate and a cathode flow field plate. The anode flow field plate is associated with the anode and has an open channel structure, the anode flow field, on the anode facing surface, while the cathode flow field plate is associated with the cathode and also has an open channel structure, the cathode flow field, on the cathode facing surface. The anode flow field serves to supply anode operating gas, in particular hydrogen, to the anode, and the cathode flow field serves to supply cathode operating gas, in particular air, to the cathode. Usually, the anode flow field plate and the cathode flow field plate also have an open channel structure on the surface facing away from the anode flow field and the cathode flow field, respectively. This channel structure serves to supply and discharge of coolant, such as water.

So sind für jede Brennstoffzelle im Inneren eines Stapels eine Anodenströmungsfeldplatte mit Strömungskanälen für Anodenbetriebsgas an einer Hauptfläche und Strömungskanälen für Kühlmittel (zur Bildung eines sogenannten Kühlmittelflussfeldes) an der anderen Hauptfläche, sowie eine Kathodenströmungsfeldplatte mit Strömungskanälen für Kathodenbetriebsgas an einer Hauptfläche und Strömungskanälen für Kühlmittel an der anderen Hauptfläche vorgesehen. Jeweils eine Anodenströmungsfeldplatte und eine Kathodenströmungsfeldplatte sind an den Oberflächen, an denen die Kühlmittelkanäle ausgebildet sind, einander zugewandt und elektrisch leitend miteinander verbunden, wobei geschlossene Kühlmittelkanäle gebildet werden. Der Verbund wird als bipolare Platte oder Separatorplatte bezeichnet. Die bipolare Platte stellt eine elektrische Verbindung zwischen der Anode und der Kathode benachbarter Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels her.Thus, for each fuel cell inside a stack, an anode flow field plate with anode gas flow passages on one major surface and coolant flow channels (to form a so-called coolant flow field) on the other major surface, and a cathode flow field plate with cathode operating gas flow channels on a major surface and coolant flow channels on the main surface other main surface provided. In each case, an anode flow field plate and a cathode flow field plate are on the surfaces on which the coolant channels formed, facing each other and electrically connected to each other, wherein closed coolant channels are formed. The composite is referred to as a bipolar plate or separator plate. The bipolar plate establishes an electrical connection between the anode and the cathode of adjacent fuel cells of a fuel cell stack.

Gängige Brennstoffzellenstapel weisen zahlreiche identische Einzelbrennstoffzellen auf, etwa 50 oder 100 oder auch noch mehr Einzelbrennstoffzellen. Diese Einzelbrennstoffzellen werden zu einem Stapel zusammengespannt. An den beiden endständigen Brennstoffzellen (Randzellen) befinden sich jeweils Stromsammler, die Anschlüsse für die Ableitung des von der Brennstoffzellenanordnung erzeugten Stroms besitzen.Common fuel cell stacks have numerous identical individual fuel cells, about 50 or 100, or even more individual fuel cells. These individual fuel cells are clamped together to form a stack. At the two terminal fuel cells (marginal cells) are each current collector, which have connections for the derivation of the current generated by the fuel cell assembly.

Um eine bipolare Platte (oder Bipolarplatte) herzustellen und die Medienführungen innerhalb der Bipolarplatte gegeneinander abzudichten, werden Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatte üblicherweise mittels einer Klebung oder einer Schweißverbindung miteinander verbunden. Dies hat den Nachteil, dass das Kühlmittelflussfeld, welches von den miteinander verklebten bzw. verschweißten Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatten eingeschlossen wird, nicht zugänglich ist und dementsprechend nicht mehr geprüft bzw. gewartet werden kann. Aus diesem Grund ist eine Wiederverwendbarkeit der Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatten, etwa nach einer Verstopfung des Kühlmittelflussfeldes, nicht möglich. Daraus resultiert die Notwendigkeit, in einem solchen Fall eine neue Bipolarplatte im Brennstoffzellenstapel vorzusehen, was die Betriebskosten einer Brennstoffzellenanordnung erhöht.To fabricate a bipolar plate (or bipolar plate) and seal the media guides within the bipolar plate, anode and cathode flow field plates are usually bonded together by gluing or welding. This has the disadvantage that the coolant flow field, which is enclosed by the anode plate and cathode flow field plates glued together or welded together, is not accessible and, accordingly, can no longer be tested or serviced. For this reason, reusability of the anode and cathode flow field plates, such as after clogging of the coolant flow field, is not possible. This results in the need to provide a new bipolar plate in the fuel cell stack in such a case, which increases the operating costs of a fuel cell assembly.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Aufbau von Brennstoffzellenstapeln dahingehend zu modifizieren, dass ein kostengünstigerer Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung ermöglicht wird.The object of the present invention is therefore to modify the structure of fuel cell stacks so that a more cost-effective operation of a fuel cell arrangement is made possible.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine bipolare Platte für eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die einen Stapel bilden, sowie eine Brennstoffzellenanordnung mit einer solchen bipolaren Platte gemäß den beigefügten Patentansprüchen. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.The present invention relates to a bipolar plate for a fuel cell assembly having a plurality of fuel cells forming a stack, and a fuel cell assembly comprising such a bipolar plate according to the appended claims. Advantageous embodiments and further developments are specified in the dependent claims.

Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung eine bipolare Platte für eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die einen Stapel bilden, die folgendes aufweist: eine Anodenströmungsfeldplatte und eine Kathodenströmungsfeldplatte für jeweils eine Brennstoffzelle des Stapels, die einander benachbart sind, wobei die Anodenströmungsfeldplatte und die Kathodenströmungsfeldplatte jeweils die Form eines flachen Körpers mit einer ersten Hauptfläche, einer entgegengesetzten zweiten Hauptfläche, und Schmalseiten am Außenumfang des flachen Körpers haben. Die erste Hauptfläche der Anodenströmungsfeldplatte weist Anodenbetriebsgas-Strömungskanäle auf und die zweite Hauptfläche der Anodenströmungsfeldplatte weist Kühlmittel-Strömungskanäle auf, die erste Hauptfläche der Kathodenströmungsfeldplatte weist Kathodenbetriebsgas-Strömungskanäle auf und die zweite Hauptfläche der Kathodenströmungsfeldplatte weist Kühlmittel-Strömungskanäle auf. Die Anodenströmungsfeldplatte und Kathodenströmungsfeldplatte sind an ihren zweiten Hauptflächen elektrisch leitend zu einer bipolaren Platte verbunden. Es ist wenigstens ein lösbares Dichtungselement zwischen den zweiten Hauptflächen der Anodenströmungsfeldplatte und Kathodenströmungsfeldplatte vorgesehen, um wenigstens eine Medienführung innerhalb der bipolaren Platte gegenüber wenigstens einer weiteren Medienführung innerhalb der bipolaren Platte abzudichten. Das Dichtungselement ist in einer Dichtungsnut angeordnet, die in wenigstens einer der Anodenströmungsfeldplatte und Kathodenströmungsfeldplatte vorgesehen ist, wobei die Dichtungsnut und das Dichtungselement so angeordnet sind, dass die zweiten Hauptflächen der Anodenströmungsfeldplatte und Kathodenströmungsfeldplatte in wenigstens einem Teilbereich aneinander anliegen.In one aspect, the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell assembly having a plurality of fuel cells forming a stack comprising an anode flow field plate and a cathode flow field plate for each fuel cell of the stack adjacent to each other, the anode flow field plate and the cathode flow field plate each have the shape of a flat body having a first major surface, an opposite second major surface, and narrow sides on the outer periphery of the flat body. The first main surface of the anode flow field plate has anode working gas flow channels, and the second main surface of the anode flow field plate has coolant flow channels, the first main surface of the The cathode flow field plate has cathode operating gas flow channels and the second main surface of the cathode flow field plate has coolant flow channels. The anode flow field plate and cathode flow field plate are electrically conductively connected to a bipolar plate at their second major surfaces. At least one releasable sealing member is provided between the second major surfaces of the anode flow field plate and the cathode flow field plate to seal at least one media guide within the bipolar plate to at least one other media guide within the bipolar plate. The seal member is disposed in a seal groove provided in at least one of the anode flow field plate and cathode flow field plate, wherein the seal groove and the seal member are arranged such that the second main surfaces of the anode flow field plate and cathode flow field plate abut each other in at least a portion.

Durch eine lösbare Dichtung zwischen Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatte kann die Bipolarplatte zumindest teilweise geöffnet oder zerlegt werden, und somit das Kühlflussfeld von außen zugänglich geprüft bzw. gewartet werden. Insbesondere kann eine etwaige vorhandene Verstopfung oder Beeinträchtigung des Kühlmittelflussfeldes durch Zerlegen der Bipolarplatte, Prüfen und Reinigen des Kühlmittelflussfeldes beseitigt werden. Danach kann die Bipolarplatte wieder so zusammengefügt werden, dass eine einwandfreie Medienführung innerhalb der Bipolarplatte möglich ist. Dies ermöglicht eine längere Einsatzzeit von Bipolarplatten und somit einen kostengünstigeren Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung.By a detachable seal between the anode and cathode flow field plate, the bipolar plate can be at least partially opened or disassembled, and thus the cooling flow field accessible checked or serviced. In particular, any existing clogging or impairment of the coolant flow field may be eliminated by disassembling the bipolar plate, inspecting and cleaning the coolant flow field. Thereafter, the bipolar plate can be rejoined so that proper media management within the bipolar plate is possible. This allows a longer service life of bipolar plates and thus a more cost-effective operation of a fuel cell assembly.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Dichtungselement in die Dichtungsnut eingelegt. Damit können die zweiten Hauptflächen der Anodenströmungsfeldplatte und Kathodenströmungsfeldplatte wenigstens im Abdichtungsbereich, in mehreren und/oder größeren Teilbereichen oder vollflächig aneinander anliegen bei gleichzeitig wirksamer Abdichtung durch das Dichtungselement.According to one embodiment, the sealing element is inserted into the sealing groove. Thus, the second main surfaces of the anode flow field plate and cathode flow field plate at least in the sealing region, in several and / or larger portions or over the entire surface abut each other while effective sealing by the sealing element.

Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das Dichtungselement in die Dichtungsnut eingespritzt. Dies ermöglicht eine wirksame und effektive Ausfüllung der Dichtungsnut durch das Dichtungselement, und somit eine wirksame Abdichtung durch das Dichtungselement.According to another embodiment, the sealing element is injected into the sealing groove. This allows for effective and effective filling of the sealing groove by the sealing element, and thus an effective seal by the sealing element.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Dichtungsnut und das Dichtungselement so beschaffen und angeordnet, dass das Dichtungselement in der Dichtungsnut verschwindet und einen Anpressdruck auf die gegenüberliegende Hauptfläche ausübt. Damit können die zweiten Hauptflächen der Anodenströmungsfeldplatte und Kathodenströmungsfeldplatte flächenartig aneinander anliegen bei gleichzeitig wirksamer Abdichtung durch das Dichtungselement.According to one embodiment, the sealing groove and the sealing element are arranged and arranged such that the sealing element disappears in the sealing groove and exerts a contact pressure on the opposite main surface. Thus, the second major surfaces of the anode flow field plate and the cathode flow field plate can abut one another in a planar manner with simultaneous effective sealing by the sealing element.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Dichtungselement wenigstens in einem Teilbereich so angeordnet und beschaffen, dass die Dichtungswirkung über eine Anpressung des Dichtungselements auf eine ebene Fläche der gegenüberliegenden Hauptfläche erfolgt. Dies ermöglicht eine einfache Abdichtung ohne spezifische Anpassung der gegenüberliegenden Hauptfläche.According to one embodiment, the sealing element is arranged and arranged at least in a partial region such that the sealing effect takes place by pressing the sealing element onto a flat surface of the opposite main surface. This allows a simple seal without specific adaptation of the opposite major surface.

Gemäß einer anderen Ausführungsform ist das Dichtungselement wenigstens in einem Teilbereich so angeordnet und beschaffen, dass das Dichtungselement innerhalb der Dichtungsnut angeordnet ist, und auf der gegenüberliegenden Hauptfläche wenigstens ein Steg angeordnet ist, der in das Dichtungselement eindrückt. Dies hat neben einer wirksamen Abdichtung zudem den Vorteil, dass das Dichtungselement nach dem Verspannen der Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatten nicht mehr herausrutschen kann, da es durch den eindrückenden Steg auch fixiert wird.According to another embodiment, the sealing element is arranged and arranged at least in a partial region such that the sealing element is arranged within the sealing groove, and on the opposite main surface at least one web is arranged, which presses into the sealing element. This has in addition to an effective seal also has the advantage that the sealing element after the distortion of the anode and cathode flow field plates can not slip out, as it is also fixed by the impressing web.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Steg ein integraler Teil der gegenüberliegenden Hauptfläche, oder ist aus einem davon verschiedenen Material hergestellt und auf die gegenüberliegende Hauptfläche aufgebracht.According to one embodiment, the web is an integral part of the opposite major surface, or is made of a different material and applied to the opposite major surface.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Dichtungselement wenigstens in einem Teilbereich an einem äußeren Rand der Anodenströmungsfeldplatte oder Kathodenströmungsfeldplatte umlaufend angeordnet. Damit kann eine umlaufende Abdichtung über den Außenumfang der bipolaren Platte erreicht werden.According to one embodiment, the sealing element is arranged at least in a partial area on an outer edge of the anode flow field plate or cathode flow field plate. Thus, a circumferential seal over the outer periphery of the bipolar plate can be achieved.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Dichtungselement so angeordnet, dass wenigstens ein Verbindungsmanifold für das Anodenbetriebsgas und/oder ein Verbindungsmanifold für das Kathodenbetriebsgas vom Dichtungselement umschlossen ist.According to one embodiment, the sealing element is arranged so that at least one connection operating manifold for the anode operating gas and / or a connection manifold for the cathode operating gas is enclosed by the sealing element.

Gemäß einer Ausführungsform sind die bipolare Platte und das wenigstens eine Dichtungselement derart beschaffen, dass die Anodenströmungsfeldplatte und Kathodenströmungsfeldplatte voneinander lösbar und wieder zu einer bipolaren Platte verbindbar sind. Damit kann eine vereinfachte und wirksame Prüfung und Wartung am Kühlmittelflussfeld durchgeführt werden, insbesondere wenn die Anodenströmungsfeldplatte und Kathodenströmungsfeldplatte so voneinander lösbar sind, dass sie voneinander getrennt, entfernt und wieder zusammengesetzt werden können.According to one embodiment, the bipolar plate and the at least one sealing element are such that the anode flow field plate and cathode flow field plate are releasably connectable to each other again to a bipolar plate. Thus, simplified and effective coolant flow field inspection and maintenance may be performed, particularly when the anode flow field plate and cathode flow field plate are releasable from each other so that they can be separated, removed, and reassembled.

Die Erfindung betrifft auch eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die einen Stapel bilden, und wenigstens einer bipolaren Platte zweier benachbarter Brennstoffzellen des Stapels nach nach Art der beschriebenen Erfindung. The invention also relates to a fuel cell assembly having a plurality of fuel cells forming a stack and at least one bipolar plate of two adjacent fuel cells of the stack according to the type of invention described.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Die Zeichnungen sind lediglich beispielhaft zu verstehen. Sie sind schematisch, nicht maßstabsgetreu, und zeigen jeweils nur die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung wesentlichen Merkmale. Es versteht sich, dass weitere Merkmale, wie sie einem Fachmann geläufig sind, vorliegen können. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugsziffern jeweils gleiche oder entsprechende Elemente. Es zeigen:

1 eine Brennstoffzellenanordnung mit einem Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
2 eine Ausführungsform von Strömungsfeldplatten, die für einen Brennstoffzellenstapel gemäß 1 verwendet werden,
3 eine Ausführungsform einer bipolaren Platte, die aus einer Kathodenströmungsfeldplatte und Anodenströmungsfeldplatte gemäß der Struktur nach 2 aufgebaut ist, in getrennter Anordnung in perspektivischer Ansicht,
4 eine erste Ausführungsform einer Abdichtungsanordnung einer erfindungsgemäßen bipolaren Platte in einer ersten und zweiten Schnittansicht,
5 eine weitere Ausführungsform einer Abdichtungsanordnung einer erfindungsgemäßen bipolaren Platte in einer ersten und zweiten Schnittansicht.

The invention will be described in more detail with reference to drawings. The drawings are only to be understood as examples. They are schematic, not to scale, and show only the essential features for understanding the present invention. It is understood that other features, such as those skilled in the art, may be present. In the drawings, like reference numerals designate like or corresponding elements. Show it:

1 a fuel cell arrangement with a fuel cell stack according to an embodiment of the invention,
2 an embodiment of flow field plates, for a fuel cell stack according to 1 be used,
3 an embodiment of a bipolar plate consisting of a cathode flow field plate and anode flow field plate according to the structure of 2 is constructed, in separate arrangement in perspective view,
4 A first embodiment of a sealing arrangement of a bipolar plate according to the invention in a first and second sectional view,
5 a further embodiment of a sealing arrangement of a bipolar plate according to the invention in a first and second sectional view.

Die 1 zeigt eine Brennstoffzellenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die in 1 dargestellte Brennstoffzellenanordnung 1 ist ein Brennstoffzellenstapel mit vier Brennstoffzellen 2, insbesondere mit zwei Innenzellen und zwei Randzellen. In der Praxis weisen Brennstoffzellenstapel mehr Innenzellen auf, typischerweise mehr als 50 oder 100 Brennstoffzellen Die 2 zeigt eine Ausführungsform von Strömungsfeldplatten, die für einen Brennstoffzellenstapel gemäß 1 verwendet werden können.The 1 shows a fuel cell assembly according to an embodiment of the invention. In the 1 illustrated fuel cell assembly 1 is a fuel cell stack with four fuel cells 2 , in particular with two inner cells and two marginal cells. In practice, fuel cell stacks have more internal cells, typically more than 50 or 100 fuel cells 2 FIG. 12 shows an embodiment of flow field plates suitable for a fuel cell stack according to FIG 1 can be used.

Jede Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanordnung 1 hat eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 3, eine Anodenströmungsfeldplatte 4 und eine Kathodenströmungsfeldplatte 5. Die Anodenströmungsfeldplatte 4 und die Kathodenströmungsfeldplatte 5 haben jeweils die Form eines flachen Körpers mit einer ersten Hauptfläche, einer entgegengesetzten zweiten Hauptfläche, und Schmalseiten am Außenumfang des flachen Körpers. Die erste Hauptfläche 30 der Anodenströmungsfeldplatte 4 weist Anodenbetriebsgas-Strömungskanäle 20 auf, die zweite Hauptfläche 31 der Anodenströmungsfeldplatte 4 weist Kühlmittel-Strömungskanäle 22 auf, die erste Hauptfläche 32 der Kathodenströmungsfeldplatte 5 weist Kathodenbetriebsgas-Strömungskanäle 21 auf, und die zweite Hauptfläche 33 der Kathodenströmungsfeldplatte 5 weist ebenfalls Kühlmittel-Strömungskanäle 22 auf. Die Anodenbetriebsgas-Strömungskanäle 20 bilden das Anodenströmungsfeld, das der Anode gegenüberliegend angeordnet ist und zur Anode hin offen ist, die Kathodenbetriebsgas-Strömungskanäle 21 bilden das Kathodenströmungsfeld, das der Kathode gegenüber liegend angeordnet ist und zu dieser hin offen ist. Die offenen Kanalstrukturen dienen der Zuführung von Anodenbetriebsgas und Kathodenbetriebsgas zur Anode bzw. zur Kathode.Each fuel cell of the fuel cell assembly 1 has a membrane-electrode assembly (MEA) 3 , an anode flow field plate 4 and a cathode flow field plate 5 , The anode flow field plate 4 and the cathode flow field plate 5 are each in the form of a flat body having a first major surface, an opposite second major surface, and narrow sides on the outer periphery of the flat body. The first main area 30 the anode flow field plate 4 has anode operating gas flow channels 20 on, the second main surface 31 the anode flow field plate 4 has coolant flow channels 22 on, the first major surface 32 the cathode flow field plate 5 has cathode operating gas flow channels 21 on, and the second major surface 33 the cathode flow field plate 5 also has coolant flow channels 22 on. The anode operating gas flow channels 20 The anode flow field, which is located opposite the anode and open to the anode, forms the cathode operating gas flow channels 21 form the cathode flow field, which is opposite to the cathode and open towards it. The open channel structures serve to supply anode operating gas and cathode operating gas to the anode and to the cathode, respectively.

Jeweils eine Anodenströmungsfeldplatte 4 und eine Kathodenströmungsfeldplatte 5 zweier benachbarter Brennstoffzellen 2 des Stapels sind an ihren zweiten Hauptflächen 31, 33, die Kühlmittel-Strömungskanäle 22 aufweisen, elektrisch leitend zu einer jeweiligen bipolaren Platte 6 verbunden. Die Kühlmittel-Strömungskanäle 22 sind jeweils so angeordnet, dass sie bei der Verbindung geschlossene Kühlmittel-Strömungskanäle 23 zur Zuführung und Abführung eines Kühlmittels bilden, d.h. die Kühlmittel-Strömungskanäle der Anodenströmungsfeldplatte 4 und der Kathodenströmungsfeldplatte 5 sind spiegelbildlich zueinander angeordnet.One anode flow field plate each 4 and a cathode flow field plate 5 two adjacent fuel cells 2 of the stack are at their second major surfaces 31 . 33 , the coolant flow channels 22 comprise, electrically conductive to a respective bipolar plate 6 connected. The coolant flow channels 22 are each arranged so that they closed at the connection coolant flow channels 23 for supplying and discharging a coolant, ie, the coolant flow channels of the anode flow field plate 4 and the cathode flow field plate 5 are arranged in mirror image to each other.

Eine Rand-Brennstoffzelle 2 weist eine Kathodenströmungsfeldplatte 5 und eine Anodenströmungsfeld-Randplatte 14 auf, und die andere Rand-Brennstoffzelle 2 weist eine Anodenströmungsfeldplatte 4 und eine Kathodenströmungsfeld-Randplatte 15 auf. Abweichend von der Anodenströmungsfeldplatte 4 und der Kathodenströmungsfeldplatte 5 haben die Anodenströmungsfeld-Randplatte 14 und die Kathodenströmungsfeld-Randplatte 15 jeweils nur an ihren nach innen gerichteten Hauptflächen eine Strömungskanalstruktur, während die zweiten Hauptflächen 35, 37, die an Stromsammlerplatten 16, 17 grenzen, flach sind.An edge fuel cell 2 has a cathode flow field plate 5 and an anode flow field edge plate 14 on, and the other edge fuel cell 2 has an anode flow field plate 4 and a cathode flow field edge plate 15 on. Unlike the anode flow field plate 4 and the cathode flow field plate 5 have the anode flow field edge plate 14 and the cathode flow field edge plate 15 only at their inwardly directed main surfaces of a flow channel structure, while the second major surfaces 35 . 37 attached to electricity collector plates 16 . 17 borders, are flat.

Die zur Zuführung der Betriebsgase benötigten Elemente des Stapels sind nicht näher dargestellt. Da sich die Kanalstrukturen des Anodenströmungsfelds und des Kathodenströmungsfelds unterscheiden, werden mehrere verschiedene Stömungsfeldplatten benötigt, in den Figuren ist die Verschiedenheit der Anodenströmungsfelder und der Kathodenströmungsfelder durch gerundete bzw. eckige Kanalquerschnitte angedeutet. Es versteht sich, dass diese Formen lediglich beispielhaft sind, und dass sich die Strömungsfelder insbesondere auch in anderer Weise unterscheiden können als durch die Form der Strömungskanäle, wie einem Fachmann bekannt ist. Die Brennstoffzellenanordnung 1 wird von Endplatten 19 beidseitig begrenzt und mit ihrer Hilfe zusammengespannt. Anschlüsse 13 an den Stromsammlerplatten 16, 17 dienen der Abnahme von Strom aus dem Brennstoffzellenstapel.The elements of the stack required for supplying the operating gases are not shown in detail. Since the channel structures of the anode flow field and the cathode flow field differ, several different flow field plates are needed. In the figures, the difference of the anode flow fields and the cathode flow fields is indicated by rounded channel cross sections. It is understood that these forms are merely exemplary, and that the flow fields may differ in particular in other ways than by the shape of the flow channels, as one skilled in the art is known. The fuel cell assembly 1 is made by end plates 19 bounded on both sides and clamped together with their help. connections 13 at the current collector plates 16 . 17 serve to remove electricity from the fuel cell stack.

Um eine bipolare Platte herzustellen und die Medienführungen innerhalb der Bipolarplatte gegeneinander abzudichten, werden Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatte üblicherweise mittels einer Klebung oder einer Schweißverbindung miteinander verbunden. Dies hat den Nachteil, dass das innere Kühlmittelflussfeld nicht zugänglich ist und dementsprechend nicht mehr geprüft bzw. gewartet werden kann. Aus diesem Grund ist eine Wiederverwendbarkeit der Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatten, etwa nach einer Verstopfung des Kühlmittelflussfeldes, nicht möglich.To fabricate a bipolar plate and seal the media guides within the bipolar plate, the anode and cathode flow field plates are usually bonded together by gluing or welding. This has the disadvantage that the inner coolant flow field is not accessible and accordingly can no longer be tested or serviced. For this reason, reusability of the anode and cathode flow field plates, such as after clogging of the coolant flow field, is not possible.

Demgegenüber sieht eine erfindungsgemäße bipolare Platte 6, wie sie in einer Ausführungsform in 3 dargestellt ist, eine Lösung vor, welche die Beseitigung einer etwaigen vorhandenen Verstopfung oder Beeinträchtigung des Kühlmittelflussfeldes durch Zerlegen der Bipolarplatte, Prüfen und Reinigen des Kühlmittelflussfeldes ermöglicht. Danach kann die Bipolarplatte wieder zusammengefügt werden, so dass eine einwandfreie Medienführung innerhalb der Bipolarplatte möglich ist.In contrast, sees a bipolar plate according to the invention 6 as used in one embodiment 3 is shown, a solution that allows the elimination of any existing clogging or impairment of the coolant flow field by disassembling the bipolar plate, testing and cleaning the coolant flow field. Thereafter, the bipolar plate can be joined together again, so that a perfect media management within the bipolar plate is possible.

3 zeigt eine Ausführungsform einer bipolaren Platte 6, die aus einer Kathodenströmungsfeldplatte 5 und Anodenströmungsfeldplatte 4 gemäß der Struktur nach 2 aufgebaut ist. Die 3 zeigt die bipolare Platte 6 bzw. deren Kathodenströmungsfeldplatte 5 und Anodenströmungsfeldplatte 4 in getrennter Anordnung und in perspektivischer Ansicht. Die zur Zuführung der Betriebsgase benötigten Elemente, wie ein jeweiliges Verbindungsmanifold (Zu- bzw. Abführung) für das Anodenbetriebsgas und/oder ein Verbindungsmanifold für das Kathodenbetriebsgas des Stapels, sind nicht explizit dargestellt, sondern nur mit den Bezugszeichen 40, 43 bzw. 41, 44 angedeutet. 3 shows an embodiment of a bipolar plate 6 derived from a cathode flow field plate 5 and anode flow field plate 4 according to the structure 2 is constructed. The 3 shows the bipolar plate 6 or their cathode flow field plate 5 and anode flow field plate 4 in separate arrangement and in perspective view. The elements required for supplying the operating gases, such as a respective connecting manifold (supply and discharge) for the anode operating gas and / or a connection manifold for the cathode operating gas of the stack, are not explicitly shown, but only with the reference symbols 40 . 43 respectively. 41 . 44 indicated.

Eine Bipolarplatte 6, im vorliegenden Fall einer PEM-Brennstoffzelle (sog. „Proton Exchange Membrane“ Brennstoffzelle), ist wie beschrieben aus einer Kathodenströmungsfeldplatte 5 und Anodenströmungsfeldplatte 4 zusammengesetzt.A bipolar plate 6 In the present case, a PEM fuel cell (so-called "proton exchange membrane" fuel cell) is as described from a cathode flow field plate 5 and anode flow field plate 4 composed.

Die Bipolarplatte 6 beeinhaltet ein Anodenbetriebsgas-Flussfeld (hier: Wasserstoffflussfeld) 7, ein Kathodenbetriebsgas-Flussfeld (hier: Luftflussfeld) 8 und ein Kühlmittelflussfeld 9. Die Versorgung der Flussfelder erfolgt über jeweils ein Wasserstoffmanifold 40, Luftmanifold 41 und Kühlungsmanifold 42. Der Abtransport der Medien bzw. des Produktwassers erfolgt ebenfalls über jeweils ein Wasserstoffmanifold 43, Luftmanifold 44 und Kühlwassermanifold 45 (jeweils nur schematisch angedeutet).The bipolar plate 6 includes an anode operating gas flow field (here: hydrogen flow field) 7, a cathode operating gas flow field (here: air flow field) 8, and a coolant flow field 9 , The supply of the river fields takes place via a hydrogen manifold 40 , Air manifold 41 and cooling manifold 42 , The transport of the media or of the product water is also carried out via a hydrogen manifold 43 , Air manifold 44 and cooling water manifold 45 (only indicated schematically).

Erfindungsgemäß ist wenigstens ein lösbares Dichtungselement 50 zwischen den zweiten Hauptflächen 31, 33 (1 und 2) der Anodenströmungsfeldplatte 4 und Kathodenströmungsfeldplatte 5 vorgesehen, um wenigstens eine Medienführung 40-45 innerhalb der bipolaren Platte 6 gegenüber einer oder mehreren weiteren Medienführungen 40-45 innerhalb der bipolaren Platte 6 abzudichten. Das oder die Dichtungselemente 50 kann/können vollumfänglich oder in Teilbereichen in einer oder mehreren Dichtungsnuten 51 angeordnet sein, die in wenigstens einer der Anodenströmungsfeldplatte 4 und Kathodenströmungsfeldplatte 5 vorgesehen ist. Hierbei sind die Dichtungsnut 51 und das Dichtungselement 50 so angeordnet, dass die zweiten Hauptflächen 31, 33 der Anodenströmungsfeldplatte 4 und Kathodenströmungsfeldplatte 5 zur Bildung der bipolaren Platte 6 wenigstens in einem Teilbereich, vorzugsweise vollflächig aneinander anliegen und Strömungskanäle 23 für das Kühlmittel bilden, wie in 1 schematisch gezeigt.According to the invention, at least one releasable sealing element 50 between the second major surfaces 31 . 33 ( 1 and 2 ) of the anode flow field plate 4 and cathode flow field plate 5 provided to at least one media guide 40 - 45 within the bipolar plate 6 towards one or more other media guides 40 - 45 within the bipolar plate 6 seal. The one or more sealing elements 50 may be in full or in partial areas in one or more sealing grooves 51 disposed in at least one of the anode flow field plate 4 and cathode flow field plate 5 is provided. Here are the seal groove 51 and the sealing element 50 arranged so that the second major surfaces 31 . 33 the anode flow field plate 4 and cathode flow field plate 5 for the formation of the bipolar plate 6 at least in a partial area, preferably against each other over the entire surface and flow channels 23 for the coolant, as in 1 shown schematically.

In der vorliegenden Ausführungsform wird, um die Medienführungen innerhalb der Bipolarplatte 6 gegeneinander abzudichten, ein von der gegenüberliegenden Anlagefläche lösbares Dichtungselement 50 auf der Kühlmittelflussfeldseite in einer Dichtungsnut 51 aufgebracht (vgl. 4 und 5). Dieses Dichtungselement 50 kann entweder eingelegt oder mittels eines Dispensers aufgespritzt werden. Da die Anodenströmungsfeldplatte 4 und Kathodenströmungsfeldplatte 5 elektrisch leitend miteinander verbunden werden, sind Dichtungsnut 51 und Dichtungselement 50 vorzugsweise so auszulegen, dass das Dichtungselement 50 im verpressten Zustand vollständig in der Dichtungsnut 51 verschwindet.In the present embodiment, the media guides within the bipolar plate 6 seal against each other, a detachable from the opposite contact surface sealing element 50 on the coolant flow field side in a sealing groove 51 applied (cf. 4 and 5 ). This sealing element 50 can either be inserted or sprayed on with a dispenser. As the anode flow field plate 4 and cathode flow field plate 5 are electrically connected to each other, are sealing groove 51 and sealing element 50 preferably designed so that the sealing element 50 in the compressed state completely in the sealing groove 51 disappears.

Die Dichtungswirkung kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen durch folgende verschiedene Geometrien erreicht werden:The sealing effect can be achieved according to various embodiments by the following different geometries:

4 zeigt eine erste Ausführungsform einer Abdichtungsanordnung einer erfindungsgemäßen bipolaren Platte in einer ersten Schnittansicht vor dem Verspannen der Platten 4, 5 (4A) und in einer zweiten Schnittansicht nach dem Verspannen der Platten 4, 5 (4B) zur bipolaren Platte 6. Das Dichtungselement 50 ragt im unverpressten Zustand über die Dichtungsnut 51 heraus. Die Dichtungswirkung erfolgt in diesem Fall über die Anpressung des Dichtungselements 50 auf die ebene Fläche der gegenüberliegenden Platte 5 (4B). 4 shows a first embodiment of a sealing arrangement of a bipolar plate according to the invention in a first sectional view before the clamping of the plates 4 . 5 ( 4A) and in a second sectional view after clamping the plates 4 . 5 ( 4B) to the bipolar plate 6 , The sealing element 50 protrudes in the unpressed state on the seal groove 51 out. The sealing effect takes place in this case on the contact pressure of the sealing element 50 on the flat surface of the opposite plate 5 ( 4B) ,

5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Abdichtungsanordnung einer erfindungsgemäßen bipolaren Platte in einer ersten Schnittansicht vor dem Verspannen der Platten 4, 5 (5A) und in einer zweiten Schnittansicht nach dem Verspannen der Platten 4, 5 (5B) zur bipolaren Platte 6. Das Dichtungselement 50 ist innerhalb der Dichtungsnut 51 angeordnet, insbesondere verschwindet es im unverpressten Zustand in der Dichtungsnut 51. Die Dichtungswirkung wird über einen Steg 52 auf der gegenüberliegenden Platte 5 erzielt, der in das Dichtungselement 50 gedrückt wird. Dies hat neben einer wirksamen Abdichtung zudem den Vorteil, dass das Dichtungselement 50 nach dem Verspannen der Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatten 4, 5 nicht mehr herausrutschen kann, da es durch den eindrückenden Steg 52 auch fixiert wird. 5 shows a further embodiment of a sealing arrangement of a bipolar plate according to the invention in a first sectional view before the clamping of the plates 4 . 5 ( 5A) and in a second sectional view after clamping the plates 4 . 5 ( 5B) to the bipolar plate 6 , The sealing element 50 is inside the seal groove 51 arranged, in particular it disappears in the unpressed state in the sealing groove 51 , The sealing effect is over a bridge 52 on the opposite plate 5 achieved in the sealing element 50 is pressed. This has in addition to an effective seal also has the advantage that the sealing element 50 after clamping the anode and cathode flow field plates 4 . 5 can not slip out, as it is through the impressive bridge 52 is also fixed.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Steg 52 ein integraler Teil der gegenüberliegenden Hauptfläche der Platte 5, oder ist aus einem davon verschiedenen Material hergestellt und auf die gegenüberliegende Hauptfläche der Platte 5 aufgebracht.According to one embodiment, the bridge is 52 an integral part of the opposite major surface of the plate 5 , or is made of a different material and on the opposite major surface of the plate 5 applied.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Dichtungselement 50 wenigstens in einem Teilbereich an einem äußeren Rand der Anodenströmungsfeldplatte 4 oder Kathodenströmungsfeldplatte 5 umlaufend angeordnet. Damit kann eine umlaufende Abdichtung über den Außenumfang der bipolaren Platte 6 erreicht werden.According to one embodiment, the sealing element 50 at least in a partial area on an outer edge of the anode flow field plate 4 or cathode flow field plate 5 arranged circumferentially. This can be a circumferential seal over the outer circumference of the bipolar plate 6 be achieved.

Als Material für das Dichtungselement 50 und/oder den Steg 52 eignen sich prinzipiell alle Materialien, die für den Betrieb in einer Brennstoffzelle geeignet sind, wie z.B. ein Graphit-Compound.As a material for the sealing element 50 and / or the jetty 52 In principle, all materials that are suitable for operation in a fuel cell, such as a graphite compound, are suitable.

Claims

A bipolar plate (6) for a fuel cell assembly (1) having a plurality of fuel cells (2) forming a stack, comprising: an anode flow field plate (4) and a cathode flow field plate (5) for each fuel cell (2) of the stack adjacent to each other, the anode flow field plate (4) and the cathode flow field plate (5) each having the shape of a flat body having a first major surface, an opposite second major surface, and narrow sides on the outer periphery of the flat body, the first main surface (30) of the anode flow field plate (4) has anode operating gas flow channels (20) and the second main surface (31) of the anode flow field plate (4) has coolant flow channels (22), the first main surface (32) of the cathode flow field plate (5) has cathode operating gas flow channels (21) and the second main surface (33) of the cathode flow field plate (5) has coolant flow channels (22) - wherein the anode flow field plate (4) and cathode flow field plate (5) at their second major surfaces (31, 33) are electrically connected to a bipolar plate (6), and - at least one releasable sealing element (50) between the second main surfaces (31, 33) of the anode flow field plate (4) and cathode flow field plate (5) provided to at least one media guide (40-45) within the bipolar plate (6) a further media guide (40-45) within the bipolar plate (6) and disposed in a seal groove (51) provided in at least one of the anode flow field plate (4) and cathode flow field plate (5), the seal groove (51 ) and the sealing member (50) are arranged so that the second main surfaces (31, 33) of the anode flow field plate (4) and cathode flow field plate (5) abut each other in at least a portion.

Bipolar plate after Claim 1 in which the sealing element (50) is inserted into the sealing groove (51).

Bipolar plate after Claim 1 in which the seal member (50) is injected into the seal groove (51).

Bipolar plate after one of the Claims 1 to 3 in that the seal groove (51) and the seal member (50) are arranged and arranged such that the seal member (50) disappears in the seal groove (51) and applies a pressure to the opposing major surface (31, 33).

Bipolar plate after one of the Claims 1 to 4 in that the sealing element (50) is arranged and arranged at least in a partial region such that the sealing effect takes place by pressing the sealing element (50) against a flat surface of the opposite main surface (31, 33).

Bipolar plate after one of the Claims 1 to 5 in that the sealing element (50) is arranged and arranged at least in a partial region such that the sealing element (50) is arranged inside the sealing groove (51) and at least one web (52) is arranged on the opposite main surface (31, 33) is, which presses into the sealing element (50).

Bipolar plate after Claim 6 wherein the web (52) is an integral part of the opposite major surface (31, 33), or made of a different material and applied to the opposite major surface (31, 33).

Bipolar plate after one of the Claims 1 to 7 in that the sealing element (50) is at least in a partial area at an outer edge the anode flow field plate (4) or cathode flow field plate (5) is arranged circumferentially.

Bipolar plate after one of the Claims 1 to 8th in that the sealing element (50) is arranged so that at least one connection operating rod (40, 43) for the anode operating gas and / or a connection manifold (41, 44) for the cathode operating gas is enclosed by the sealing element (50).

Bipolar plate after one of the Claims 1 to 9 wherein the bipolar plate (6) and the at least one sealing element (50) are such that the anode flow field plate (4) and cathode flow field plate (5) are releasably connectable and reconnectable to a bipolar plate (6).

A fuel cell assembly (1) comprising a plurality of fuel cells (2) forming a stack and at least one bipolar plate (6) according to any one of the preceding claims of two adjacent fuel cells (2) of the stack.