DE102018211078B3 - Bipolar plate for fuel cells with three individual plates, and fuel cell and fuel cell stack with such bipolar plates - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (15) für eine Brennstoffzelle mit einem aktiven Bereich (AA) und einem inaktiven Bereich (IA) umfassend einen Stapel mit einer Anodenplatte (50), einer planparallel an die Kühlmittelplatte (60) angeordneten Kathodenplatte (70), welche jeweils eine ebene Seite aufweisen sowie einer Brennstoffzelle und einen Brennstoffzellenstapel mit einer solchen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Anodenplatte (50) und die Kathodenplatte (70) Erste Abstandselemente (52, 72) aufweisen, die auf einer der ebenen Seite gegenüberliegenden Seite der jeweiligen Platte (51, 71) stoffschlüssig mit dieser verbunden sind, wobei die Anodenplatte (50) und die Kathodenplatte (70) im aktiven Bereich (AA) eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen (53, 73) aufweisen.
The invention relates to a bipolar plate (15) for a fuel cell with an active region (AA) and an inactive region (IA) comprising a stack with an anode plate (50), a cathode plate (70) arranged plane - parallel to the coolant plate (60) each having a flat side and a fuel cell and a fuel cell stack with such.
According to the invention, it is provided that the anode plate (50) and the cathode plate (70) have first spacer elements (52, 72) which are connected in a material-locking manner on a side of the respective plate (51, 71) opposite the flat side, the anode plate (50) and the cathode plate (70) in the active region (AA) having a plurality of through holes (53, 73).
Description
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle und einen Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten.The invention relates to a bipolar plate for a fuel cell. Furthermore, the invention relates to a fuel cell and a fuel cell stack with such 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-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Spannungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged catalytic electrode (anode and cathode). The latter mostly comprise supported noble metals, in particular platinum. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical voltages are added together. As a rule, bipolar plates (also called flow field plates or separator plates) are arranged between the individual membrane electrode assemblies, which ensure that the individual cells are supplied with the operating media, ie the reactants, and are usually also used for cooling. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu Protonen H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 → 2 H+ + 2 e-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½O2 + 2e- → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2- + 2 H+→H2O).During operation of the fuel cell, the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode via an anode-side open flux field of the bipolar plate, where an electrochemical oxidation of H 2 to protons H + takes place with release of electrons (H 2 → 2 H + + 2 e - ). 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 the protons from the anode compartment into the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied via a cathode-side open flow field of the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example air) as a cathode operating medium, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place with absorption of the electrons (½O 2 + 2e - → O 2- ) , At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water (O 2- + 2 H + → H 2 O).
Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Häuptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.The supply of the fuel cell stack with its operating media, so the anode operating gas (for example, hydrogen), the cathode operating gas (for example, air) and the coolant, via main supply channels that enforce the stack in its entire stacking direction and of which the operating media on the bipolar plates, the single cells be supplied. For each operating medium, at least two such main supply channels are present, namely one for the supply and one for the removal of the respective operating medium.
Typischerweise bestehen Bipolarplatten aus zwei miteinander verbundenen Halbplatten, die jeweils beidseitig strukturiert sind. Auf den voneinander abgewandten Seiten werden Strukturierungen zum Transport der Betriebsmedien und auf den zueinander zugewandten Seiten werden Strukturierungen zum Transport von Kühlmittel benötigt. Dabei müssen die Halbplatten jeweils aufeinander abgestimmt werden, da drei separate Transportwege mittels zweier Halbplatten zur Verfügung gestellt werden müssen. Das führt zu weiteren Randbedingungen, die die Flexibilität der Ausgestaltungen der Bipolarplatten reduziert. In typischen Ausführungen sind die Halbplatten bekannter Bipolarplatten profiliert ausgebildet, wobei die Profile ineinander eingreifen beziehungsweise verschachtelt sind.Typically, bipolar plates consist of two interconnected half-plates, each of which is structured on both sides. Structures for transporting the operating media are used on the sides facing away from one another and structures for transporting coolant are required on the sides facing one another. In this case, the half-plates must be matched to each other, since three separate transport routes must be provided by means of two half-plates available. This leads to further boundary conditions, which reduces the flexibility of the embodiments of the bipolar plates. In typical embodiments, the half-plates of known bipolar plates are formed profiled, wherein the profiles intermesh or nested.
In der
Aus
Aus
Einigen der beschriebenen Bipolarplatten ist gemeinsam, dass es bei der Anordnung der Membran-Elektroden-Einheit an die Bipolarplatte zu einer sogenannten Intrusion der zur Membran-Elektroden-Einheit gehörigen Gasdiffusionsschicht (GDL) in die Kanäle des Flussfeldes kommt. Diese Intrusion, also Einwölbung von GDL-Material in die Strömungskanäle führt zu einer Verringerung deren Querschnitts. Dies ist nachteilig, da damit ein unerwünschter Druckanstieg in den Strömungskanälen und eine Leistungsminderung der Brennstoffzelle einhergeht. Some of the described bipolar plates have in common that in the arrangement of the membrane-electrode assembly to the bipolar plate to a so-called intrusion of the membrane-electrode assembly belonging gas diffusion layer (GDL) comes into the channels of the flow field. This intrusion, ie bulging of GDL material in the flow channels leads to a reduction in their cross-section. This is disadvantageous because it is associated with an undesirable pressure increase in the flow channels and a reduction in performance of the fuel cell.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Reduktion des Kanalquerschnitts in einer Brennstoffzelle zu verhindern oder zumindest zu verringern.The invention is based on the object to prevent or at least reduce a reduction of the channel cross-section in a fuel cell.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Bipolarplatte, sowie eine Brennstoffzelle beziehungsweise ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.This object is achieved by a bipolar plate according to the invention, as well as a fuel cell or a fuel cell system with such having the features of the independent claims.
Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle mit einem aktiven Bereich und einem inaktiven Bereich. Die Bipolarplatte umfasst einen Stapel mit einer Anodenplatte, einer Kathodenplatte und einer Kühlmittelplatte, die entlang ihrer Längsseiten übereinander gestapelt sind. Mit anderen Worten ist planparallel an der Anodenplatte eine Kühlmittelplatte angeordnet und planparallel an der Kühlmittelplatte eine Kathodenplatte angeordnet. Die Platten weisen jeweils eine im Wesentlichen ebene Seite auf. Erfindungsgemäß sind auf einer der ebenen Seite gegenüberliegenden Seite der Anoden- und Kathodenplatte, jeweils erste Abstandselemente angeordnet, die mit der jeweiligen Platte stoffschlüssig verbunden sind. Zusätzlich weisen die Anodenplatte und die Kathodenplatte im aktiven Bereich eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen auf.Thus, a first aspect of the invention relates to a bipolar plate for a fuel cell having an active region and an inactive region. The bipolar plate comprises a stack having an anode plate, a cathode plate, and a coolant plate stacked along their longitudinal sides. In other words, a coolant plate is arranged plane-parallel to the anode plate and arranged plane-parallel to the coolant plate, a cathode plate. The plates each have a substantially flat side. According to the invention, in each case first spacer elements are arranged on a side opposite the flat side of the anode and cathode plates, which are connected in a material-locking manner to the respective plate. In addition, the anode plate and the cathode plate have a plurality of through holes in the active region.
Vorliegend ist unter eben zu verstehen, dass die Platte auf der betreffenden Seite eine zumindest im aktiven Bereich ebene, also flache Oberfläche aufweist, welche nicht durch Erhebungen, Auswölbungen oder Profilierungen strukturiert ist.In the present case, it is to be understood as meaning that the plate has on the relevant side a flat surface which is flat at least in the active region and which is not structured by elevations, bulges or profilings.
Bei einer Anordnung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer Brennstoffzelle bildet sich zwischen den ersten Abstandselementen ein Flussfeld mit Strömungskanälen für dasjeweilige Betriebsmittel, insbesondere für Brennstoff in der Ariodenplatte und Oxidationsmittel in der Kathodenplatte, aus. Die Durchgangsöffnungen ermöglichen, dass die Kanäle von beiden Seiten der jeweiligen Platte mit Betriebsgas versorgt werden können. Somit ist es möglich, die Membran-Elektroden-Einheit an die flache Oberfläche der im Wesentlichen ebenen Seite der jeweiligen Platte anzuordnen. Die Betriebsgase strömen dann über die Gasdiffusionsschicht durch die Durchgangsöffnungen in das Flussfeld beziehungsweise andersherum. Die Anordnung der komprimierbaren Gasdiffusionsschicht auf der im Wesentlichen ebenen Seite der Platte verhindert wiederum eine Intrusion der Gasdiffusionsschicht in die Kanäle. Somit bleiben die Querschnitte des Flussfeldes der Platten auch im komprimierten Schichtstapel von der Gasdiffusionsschicht unbeeinflusst. Zudem verhindert die beschriebene Anordnung, dass Bereiche der Bipolarplatte punktuell beziehungsweise kleinflächig auf die Gasdiffusionsschicht Druck ausüben und die Gasdiffusionsschicht in der Folge inhomogen zusammengepresst wird. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte reduziert demnach eine lokale Erhöhung des Strömungswiderstands der Betriebsgase sowohl im Flussfeld der Bipolarplatte als auch in der an der Bipolarplatte angeordneten Gasdiffusionsschicht.In an arrangement of the bipolar plate according to the invention in a fuel cell, a flow field with flow channels for the respective operating medium, in particular for fuel in the ariode plate and oxidizing agent in the cathode plate, forms between the first spacer elements. The through holes allow the channels to be supplied with operating gas from both sides of the respective plate. Thus, it is possible to arrange the membrane-electrode assembly on the flat surface of the substantially flat side of the respective plate. The operating gases then flow via the gas diffusion layer through the passage openings into the flow field or vice versa. The placement of the compressible gas diffusion layer on the substantially planar side of the plate in turn prevents intrusion of the gas diffusion layer into the channels. Thus, the cross sections of the flow field of the plates remain unaffected even in the compressed layer stack of the gas diffusion layer. In addition, the arrangement described prevents areas of the bipolar plate from exerting punctual or small-area pressure on the gas diffusion layer and the gas diffusion layer is subsequently compressed in an inhomogeneous manner. The bipolar plate according to the invention accordingly reduces a local increase in the flow resistance of the operating gases both in the flow field of the bipolar plate and in the gas diffusion layer arranged on the bipolar plate.
Bei den Durchgangsöffnungen handelt es sich im Wesentlichen um Löcher, welche nahezu beliebige Form und Größe aufweisen können. Insbesondere bevorzugt sind regelmäßige Formen wie Kreise, Ellipsen, Rechtecke, Quadrate oder regelmäßige Vielecke.The passage openings are essentially holes which can have almost any shape and size. Particularly preferred are regular shapes such as circles, ellipses, rectangles, squares or regular polygons.
Zwischen den Durchgangsöffnungen ist die jeweilige Platte zumindest im aktiven Bereich eben ausgeführt, weist also keinerlei Profilierung, insbesondere keine Erhebungen und keine Ausnehmungen beziehungsweise Vertiefungen auf. Eine Summe der sich zwischen den Durchgangsöffnungen ergebenden Fläche der jeweiligen Platte im aktiven Bereich entspricht bevorzugt zumindest der Fläche aller Durchgangsöffnungen im aktiven Bereich der jeweiligen Platte.Between the passage openings, the respective plate is made even at least in the active area, thus has no profiling, in particular no elevations and no recesses or depressions. A sum of the area of the respective plate in the active area which results between the passage openings preferably corresponds at least to the area of all passage openings in the active area of the respective panel.
Mit besonderem Vorteil entspricht die Fläche zwischen den Durchgangsöffnungen im aktiven Bereich der Platte bevorzugt mindestens 50 %, weiter bevorzugt zumindest 60 %, insbesondere 70 % oder mehr, weiter bevorzugt mindestens 75 % der Fläche des aktiven Bereichs der jeweiligen Platte. Je größer die Fläche zwischen den Durchgangsöffnungen ausgeführt ist, desto homogener verteilt sich der Druck der Platte auf die Gasdiffusionsschicht bei Anordnung in einer, insbesondere komprimierten Brennstoffzelle und desto deutlicher wird eine Intrusion und eine Erhöhung des Strömungswiderstands der Betriebsgase reduziert.With particular advantage, the area between the passage openings in the active region of the plate preferably corresponds to at least 50%, more preferably at least 60%, in particular 70% or more, more preferably at least 75% of the area of the active region of the respective plate. The larger the area between the through holes is made, the more homogeneous the pressure of the plate is distributed to the gas diffusion layer when placed in a particularly compressed fuel cell and the more clearly an intrusion and an increase in the flow resistance of the operating gases is reduced.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kathodenplatte und/oder die Anodenplatte derart an der Kühlmittelplatte angeordnet ist, dass die ersten Abstandselemente der Kathodenplatte beziehungsweise der Anodenplatte mit einer ebenen Seite der Kühlmittelplatte in Kontakt sind.. Mit anderen Worten ist bevorzugt die flache beziehungsweise ebene Seite der Kathodenplatte und/oder der Anodenplatte von der Kühlmittelplatte abgewandt. In der Folge bilden sich zwischen Kathodenplatte und Kühlmittelplatte beziehungsweise zwischen Anodenplatte und Kühlmittelplatte die Kanäle des Flussfeldes des jeweiligen Betriebsgases aus. Die Kühlmittelplatte dient dabei als fluidundurchlässige Begrenzung, so dass keine weiteren Bauteile erforderlich sind. Alternativ weist die Platte eine separate Begrenzung auf, die beispielsweise als zusätzliche Platte an den ersten Abstandselementen angeordnet ist.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the cathode plate and / or the anode plate is arranged on the coolant plate, that the first spacer elements of the cathode plate or the anode plate with a flat side of the coolant plate in contact .. In other words, is preferably the flat or flat side of the cathode plate and / or the anode plate of the coolant plate away. As a result, the channels of the flow field of the respective operating gas are formed between the cathode plate and the coolant plate or between the anode plate and the coolant plate. The coolant plate serves as a fluid-impermeable boundary, so that no further components are required. Alternatively, the plate has a separate boundary, which is arranged for example as an additional plate on the first spacer elements.
Mit Vorteil weist die Kühlmittelplatte im aktiven Bereich eine geschlossene Oberfläche auf. Dies stellt sicher, dass insbesondere bei der vorgenannten Ausführungsform eine Vermischung der Betriebsgase mit Kühlmittel oder ein Entweichen von Kühlmittel ausgeschlossen wird.Advantageously, the coolant plate has a closed surface in the active region. This ensures that, in particular in the aforementioned embodiment, a mixing of the operating gases with coolant or an escape of coolant is excluded.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlmittelplatte zwei fläche, insbesondere ebene und im aktiven Bereich geschlossene Platten umfasst, welche über zweite Abstandselemente miteinander verbunden sind. Die zweiten Abstandselemente dienen dabei als Abstandshalter, beispielsweise in Form von Stegen und Stäbilisatoren der Kühlmittelplatte. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt in einer in sich geschlossenen Einheit der Kühlmittelplatte, wobei die beiden Begrenzungsplatten der Kühlmittelplatte jeweils als Begrenzung für das Flussfeld der benachbart angeordneten Kathoden- beziehungsweise Anodenplatte dienen. Die Platten der Kühlmittelplatte begrenzen also in dieser Ausgestaltung je zwei Flussfelder, das Kathodengasflussfeld und das Kühlmittelflussfeld oder das Anodenflussfeld und das Kühlmittelflussfeld.In a further preferred embodiment of the invention it is provided that the coolant plate comprises two surface, in particular flat and closed in the active region plates, which are interconnected via second spacers. The second spacers serve as spacers, for example in the form of webs and Stäbilisatoren the coolant plate. The advantage of this embodiment lies in a self-contained unit of the coolant plate, wherein the two boundary plates of the coolant plate each serve as a boundary for the flow field of the adjacently arranged cathode or anode plate. Thus, in this embodiment, the plates of the coolant plate each delimit two flow fields, the cathode gas flow field and the coolant flow field or the anode flow field and the coolant flow field.
Dabei sind die zweiten Abstandselemente bevorzugt mit zumindest einer der beiden Platten stoffschlüssig verbunden, wobei die stoffschlüssige Verbindung auch umfasst, dass die Begrenzungsplatte und zweite Abstandselemente einstückig ausgebildet sind. Die zweite Platte ist bevorzugt separat ausgeführt und steht mit den zweiten Abstandselementen in Kontakt. Alternativ ist auch die zweite Platte stoffschlüssig mit den zweiten Abstandselementen verbunden. Dabei bietet die separate Ausgestaltung den Vorteil höherer Flexibilität und Freiheitsgrade in der Produktion, während die verbundene Ausgestaltung Vorteile in Bezug auf Dichtigkeit und Stabilität bieten kann.In this case, the second spacer elements are preferably materially connected to at least one of the two plates, wherein the cohesive connection also includes that the boundary plate and second spacer elements are integrally formed. The second plate is preferably designed separately and is in contact with the second spacer elements. Alternatively, the second plate is materially connected to the second spacer elements. The separate design offers the advantage of higher flexibility and degrees of freedom in production, while the connected design can offer advantages in terms of tightness and stability.
Mit besonderem Vorteil sind die ersten Abstandselemente und/oder die zweiten Abstandselemente bezüglich einer Stapelrichtung der Platten übereinander positioniert. Solche Auslegungen fördern die mechanische Stabilität von Bipolarplatten, da somit die im Stapel auf die Bipolarplatte einwirkenden Anpresskräfte an solchen Positionierungen gestützt werden. Dabei können sich vorteilhaft kurze „Kraftflüsse“ entlang solcher Positionierungen ausbilden, die geringe lokale Spannungen in der Plattenkonstruktion erzeugen und somit zur Bruchresistenz beitragen.With particular advantage, the first spacer elements and / or the second spacer elements are positioned one above the other with respect to a stacking direction of the plates. Such designs promote the mechanical stability of bipolar plates, since thus the contact forces acting in the stack on the bipolar plate are supported at such positions. In this case, short "power flows" can advantageously be formed along such positions, which generate low local stresses in the plate construction and thus contribute to resistance to breakage.
Die Anodenplatte weist vorteilhaft eine erste Gesamthöhe, die Kühlmittelplatte eine zweite Gesamthöhe, die Kathodenplatte eine dritte Gesamthöhe auf, wobei sich mindestens zwei der drei Gesamthöhen, insbesondere die der Kühlmittelplatte, von den Gesamthöhen der Kathoden- und der Anodenplatte voneinander unterscheiden. Dies ermöglicht eine flexible Anpassung an den jeweiligen geforderten Raumbedarf für die jeweiligen Flussfelder. Mit Vorteil sind die Gesamthöhen von Kathodenplatte und Anodenplatte gleich und gegenüber der Gesamthöhe der Kühlmittelplatte reduziert.The anode plate advantageously has a first overall height, the coolant plate has a second overall height, the cathode plate has a third overall height, at least two of the three overall heights, in particular those of the coolant plate, differing from the overall heights of the cathode plate and the anode plate. This allows flexible adaptation to the respective required space requirement for the respective flow fields. Advantageously, the overall heights of the cathode plate and anode plate are the same and reduced over the total height of the coolant plate.
Die Anoden- und/oder die Kathodenplatte weist bevorzugt eine Gesamthöhe im Bereich von 200 µm bis 400 µm, insbesondere im Bereich von 250 bis 300 µm auf. Die einzelnen Platten der Kühlmittelplatte weisen bevorzugt je eine Dicke im Bereich von 80 bis 120 µm insbesondere von 100 µm auf, die sich mit den 200 µm langen zweiten Abstandselementen zu einer Gesamthöhe der Kühlmittelplatte von 350 bis 450, insbesondere 400 µm summieren. Die vorgenannten Höhen erwiesen sich als in Bezug auf den Kompromiss zwischen möglichst großen Kanaldurchmessern für Betriebsgase und möglichst hoher Stabilität der Platte als optimal.The anode and / or the cathode plate preferably has an overall height in the range of 200 .mu.m to 400 .mu.m, in particular in the range of 250 to 300 .mu.m. The individual plates of the coolant plate preferably each have a thickness in the range of 80 to 120 .mu.m, in particular of 100 .mu.m, which add up to a total height of the coolant plate from 350 to 450, especially 400 microns with the 200 .mu.m long second spacers. The aforementioned heights proved to be optimal in relation to the compromise between the largest possible channel diameters for operating gases and the highest possible stability of the plate.
Damit ergibt sich, dass die erfindungsgemäße Bipolarplatte bevorzugt eine Gesamthöhe von nicht mehr als 2 mm aufweist und bevorzugt in einem Bereich von 1,1 mm bis 2 mm ist.This results in that the bipolar plate according to the invention preferably has an overall height of not more than 2 mm and is preferably in a range of 1.1 mm to 2 mm.
Die ersten Abstandselemente der Kathodenplatte und/oder der Anodenplatte und/oder die zweiten Abstandselemente der Kühlmittelplatte bilden vorzugsweise jeweils ein zweidimensionales Gitter aus. Dadurch wird eine strenge Kanalstruktur für die Kühlmittelversorgung vermieden, was Querströme im Kühlkanal-Flussfeld ermöglicht.The first spacer elements of the cathode plate and / or the anode plate and / or the second spacer elements of the coolant plate preferably each form a two-dimensional grid. As a result, a strict channel structure for the coolant supply is avoided, which allows cross currents in the cooling channel flow field.
Bevorzugt bilden die ersten Abstandselemente und/oder die zweiten Abstandselemente unabhängig voneinander ein Rechteck-, Quadrat- oder Dreieckgitter aus.The first spacer elements and / or the second spacer elements preferably form a rectangular, square or triangular grid independently of one another.
Vorzugsweise haben die ersten Abstandselemente dreieckige, viereckige, fünfeckige, sechseckige oder runde Grundflächen von bis zu 2 µm2, bevorzugt nicht mehr als 1 µm2 Grundfläche.The first spacer elements preferably have triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal or round base surfaces of up to 2 μm 2 , preferably not more than 1 μm 2 base surface.
Mit Vorteil sind die Durchgangsöffnungen dann in den Zwischengitterplätzen, insbesondere in Reihen angeordnet. Dabei sind die Reihen bevorzugt versetzt oder nicht versetzt zueinander angeordnet. In letztgenannter Ausgestaltung bilden die Durchgangsöffnungen ebenfalls ein zweidimensionales Gitter aus, welches zu dem Gitter der ersten Abstandselemente in zwei Richtungen um je eine halbe Gitterkonstante versetzt ist.Advantageously, the passage openings are then arranged in the interstices, in particular in rows. The rows are preferably offset or not offset from each other. In the last-mentioned embodiment, the passage openings also form two-dimensional grid, which is offset from the grid of the first spacer elements in two directions by half a lattice constant.
Mit anderen Worten ist bevorzugt, dass die ersten Abstandselemente einer der Platten ein zweidimensionales Gitter ausbilden und die Durchgangsöffnungen der entsprechenden Platte zwischen den Gitterpunkten, insbesondere entlang einer Reihe von ersten Abstandselementen und/oder in Reihe zwischen zwei benachbarten Reihen von ersten Abstandselementen des Gitters angeordnet sind.In other words, it is preferred that the first spacer elements of one of the plates form a two-dimensional grid and the passage openings of the corresponding plate are arranged between the grid points, in particular along a row of first spacer elements and / or in series between two adjacent rows of first grid spacing elements ,
Mit besonderem Vorteil weisen die ersten Abstandselemente von Anoden- und/oder Kathodenplatte ausgehend von der stoffschlüssigen Verbindung mit der jeweiligen Platte bezogen auf den Querschnitt eine verjüngende Form auf. Diese Ausgestaltung bietet Vorteile in der Stabilisierung und Kraftverteilung bei Anordnung und Komprimierung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer Brennstoffzelle und ermöglicht gleichzeitig eine Erhöhung der Kanaldurchmesser des jeweiligen Flussfeldes.With particular advantage, the first spacer elements of anode and / or cathode plate, starting from the cohesive connection with the respective plate with respect to the cross section on a tapered shape. This embodiment offers advantages in the stabilization and force distribution in the arrangement and compression of the bipolar plate according to the invention in a fuel cell and at the same time allows an increase in the channel diameter of the respective flow field.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle und einen Brennstoffzellenstapel, der einen Stapel zwischen zwei Endplatten abwechselnd angeordneter Membran-Elektroden-Anordnungen und erfindungsgemäßen Bipolarplatten umfasst. Dabei umfasst die Membran-Elektroden-Einheit bevorzugt eine Gasdiffusionsschicht, welche an der ebenen Seite der Kathodenplatte und/oder der ebenen Seite der Anodenplatte angeordnet ist.Another aspect of the invention relates to a fuel cell and a fuel cell stack comprising a stack between two end plates of alternately arranged membrane-electrode assemblies and bipolar plates according to the invention. In this case, the membrane-electrode unit preferably comprises a gas diffusion layer, which is arranged on the flat side of the cathode plate and / or the flat side of the anode plate.
Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie dient.Furthermore, the invention relates to a fuel cell system and a vehicle having a fuel cell system with a fuel cell stack according to the invention. The vehicle is preferably an electric vehicle in which an electrical energy generated by the fuel cell system is used to supply an electric traction motor and / or a traction battery.
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 verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung; -
2 eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Anordnung; -
3 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte in Aufsicht auf diese; -
4 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in einer bevorzugten Ausgestaltung; -
5 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer bevorzugten Ausgestaltung; -
6 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in einer Schrägansicht; -
7 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Elektrodenplatte der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer bevorzugten Ausführungsform in Aufsicht auf die ebene Seite; -
8 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Elektrodenplatte der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in der bevorzugten Ausführungsform in Schrägansicht auf die der ebene Seite gegenüberliegenden Seite; -
9 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Kühlmittelplatte der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in einer bevorzugten Ausführungsform in Schrägansicht auf die ebene Seite; und -
10 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Kühlmittelplatte der erfindungsgemäßen Bipolarplatte in der bevorzugten Ausführungsform in Schrägansicht auf die der ebene Seite gegenüberliegenden Seite.
-
1 a block diagram of a fuel cell system according to a preferred embodiment; -
2 a plan view of a membrane-electrode assembly; -
3 a schematic representation of a bipolar plate in top view of this; -
4 a schematic sectional view of a section of a fuel cell stack according to the invention in a preferred embodiment; -
5 a schematic sectional view of a section of a bipolar plate according to the invention in a preferred embodiment; -
6 a schematic representation of a section of a fuel cell stack according to the invention in an oblique view; -
7 a schematic representation of a section of an electrode plate of the bipolar plate according to the invention in a preferred embodiment in plan view of the flat side; -
8th a schematic representation of a section of an electrode plate of the bipolar plate according to the invention in the preferred embodiment in an oblique view of the side opposite the flat side; -
9 a schematic representation of a section of a coolant plate of the bipolar plate according to the invention in a preferred embodiment in an oblique view of the flat side; and -
10 a schematic representation of a section of a coolant plate of the bipolar plate according to the invention in the preferred embodiment in an oblique view of the side opposite the flat side.
Das Brennstoffzellensystem
Um den Brennstoffzellenstapel
Die Anodenversorgung
Die Kathodenversorgung
Die Kathodenversorgung
Das Brennstoffzellensystem
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung
Die
Beide Bauteile unterteilen sich in einen aktiven Bereich
Die MEA
Die in
Als Material für die jeweiligen Platten können Metalle oder Metalllegierungen oder leitfähige kohlenstoffbasierte Materialien, wie beispielsweise Graphit oder Kompositmaterialien aus Graphit und Kohlenstoff, verwendet werden.As the material for the respective plates, metals or metal alloys or conductive carbon-based materials such as graphite or composite materials of graphite and carbon may be used.
Die
Die Bipolarplatte
Die Anodenplatte
Die Elektrodenplatten
Die ebene Fläche zwischen den Gitterpunkten ist in Summe bezogen auf den aktiven Bereich bevorzugt mindestens ebenso groß, wie die Summe der Fläche der Durchgangsöffnungen
Auf der der ebenen Seite
Die Durchgangsöffnungen
Die ersten Abstandselemente
Die ersten Abstandselemente
Der Abstand zwischen den ersten Abstandselementen
Die Elektrodenplatten
Bei einer bevorzugten Dicke der Platte
Eine im Schichtstapel zwischen den Elektrodenplatten
Die zweiten Abstandselemente
Die zweiten Abstandselemente
Alle Platten
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Brennstoffzellensystem The fuel cell system
- 1010
- Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
- 1111
- Einzelzellesingle cell
- 1212
- Anodenraumanode chamber
- 1313
- Kathodenraum cathode space
- 1414
- Membran-Elektroden-Anordnung (MEÄ)Membrane electrode assembly (MEA)
- 141141
- Anodenseiteanode side
- 142142
- Kathodenseitecathode side
- 143143
- katalytische Elektrode / Anodecatalytic electrode / anode
- 144144
- Versorgungsöffnung / AnodeneinlassöffnungSupply opening / anode inlet opening
- 145145
- Versorgungsöffnung / AnodenauslassöffnungSupply opening / anode outlet opening
- 146146
- Versorgungsöffnung / KathodeneinlassöffnungSupply opening / cathode inlet opening
- 147147
- Versorgungsöffnung / KathodenauslassöffnungSupply opening / cathode outlet opening
- 148148
- Versorgungsöffnung / KühlmitteleinlassöffnungSupply opening / coolant inlet opening
- 149149
- Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung Supply opening / coolant outlet opening
- 1515
- Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)Bipolar plate (separator plate, flow field plate)
- 151151
- Anodenseiteanode side
- 152152
- Kathodenseitecathode side
- 153153
- Betriebsmittelkanal (Reaktantenkanal)Resource channel (reactant channel)
- 154154
- Versorgungsöffnung / AnodeneinlassöffnungSupply opening / anode inlet opening
- 155155
- Versorgungsöffnung/ AnodenauslassöffnungSupply opening / anode outlet opening
- 156156
- Versorgungsöffnung / KathodeneinlassöffnungSupply opening / cathode inlet opening
- 157157
- Versorgungsöffnung / KathodenauslassöffnungSupply opening / cathode outlet opening
- 158158
- Versorgungsöffnung / KühlmitteleinlassöffnungSupply opening / coolant inlet opening
- 159159
- Versorgungsöffnung / Kühlmittelauslassöffnung Supply opening / coolant outlet opening
- 2020
- Anodenversorgunganode supply
- 2121
- AnodenversorgungspfadAnode supply path
- 2222
- AnodenabgaspfadAnode exhaust gas path
- 2323
- Brennstofftankfuel tank
- 2424
- Stellmittelactuating means
- 2525
- BrennstoffrezirkulationsleitungBrennstoffrezirkulationsleitung
- 2626
- Stellmittel actuating means
- 3030
- Kathodenversorgungcathode supply
- 3131
- KathodenversorgungspfadCathode supply path
- 3232
- KathodenabgaspfadCathode exhaust path
- 3333
- Verdichtercompressor
- 3434
- Elektromotorelectric motor
- 3535
- Leistungselektronikpower electronics
- 3636
- Turbineturbine
- 3737
- Wastegate-LeitungWaste gate line
- 3838
- Stellmittelactuating means
- 3939
- Befeuchtermodul humidifier
- 5050
- Anodenplatteanode plate
- 5151
- Platteplate
- 5252
- erstes Abstandselementfirst spacer element
- 5353
- DurchgangsöffnungThrough opening
- 5454
- ebene Flächeflat surface
- 5656
- StrömungsquerschnittFlow area
- 5858
- Kanalhöhechannel height
- 5959
- Gesamthöhe Anodenplatte Total height anode plate
- 6060
- KühlmittelplatteCoolant plate
- 6262
- zweites Abstandselementsecond spacer element
- 6363
- ebene Platteflat plate
- 6666
- StrömungsquerschnittFlow area
- 6868
- Kanalhöhechannel height
- 6969
- Gesamthöhe Kühlmittelplatte Total height of coolant plate
- 7070
- Kathodenplattecathode plate
- 7171
- Platteplate
- 7272
- erstes Abstandselementfirst spacer element
- 7373
- DurchgangsöffnungThrough opening
- 7474
- ebene Flächeflat surface
- 7676
- StrömungsquerschnittFlow area
- 7878
- Kanalhöhechannel height
- 7979
- Gesamthöhe Kathodenplatte Total height of cathode plate
- AAAA
- Aktiver Bereich (Reaktionsbereich, active area)Active area (reaction area, active area)
- IAIA
- Inaktiver Bereich (inactive area)Inactive area
- SASA
- Versorgungsbereich (supply area)Supply area
- DATHERE
- Verteilerbereich (distribution area)Distribution area
- SS
- Stapelrichtungstacking direction
Claims (10)
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PCT/EP2019/067348 WO2020007730A1 (en) | 2018-07-05 | 2019-06-28 | Flow field plate for fuel cells with three individual plates, as well as fuel cell and fuel cell stack with such flow field plates |
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DE102018211078.6A DE102018211078B3 (en) | 2018-07-05 | 2018-07-05 | Bipolar plate for fuel cells with three individual plates, and fuel cell and fuel cell stack with such bipolar plates |
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-
2018
- 2018-07-05 DE DE102018211078.6A patent/DE102018211078B3/en active Active
-
2019
- 2019-06-28 WO PCT/EP2019/067348 patent/WO2020007730A1/en active Application Filing
Patent Citations (2)
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Also Published As
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---|---|
WO2020007730A1 (en) | 2020-01-09 |
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---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |