DE102019203321A1

DE102019203321A1 - Fuel cell plate, fuel cell structure and fuel cell system

Info

Publication number: DE102019203321A1
Application number: DE102019203321.0A
Authority: DE
Inventors: Alexander Fladung
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2020-09-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenplatte (1) für einen sich in einer Stapelrichtung (2) erstreckenden Brennstoffzellenstapel (3), mit einem Flussfeld aus mehreren zumindest abschnittsweise sich in oder parallel zu einer Längsrichtung (7) erstreckenden Stegen (4), wobei die Stege (4) zur Ausbildung von Kanälen (10) voneinander beanstandet verlaufen und jeweils eine Kontaktfläche (11) zur Anlage an eine benachbarte Lage des Brennstoffzellenstapels (3) aufweisen. Zumindest eine der Kontaktflächen (11) der Stege (4) ist mit einer sich in oder parallel zur Längsrichtung (7) zumindest abschnittsweise erstreckenden Formgebung versehen, welche ausgebildet ist, im montierten Zustand eine gewellte Membranelektrodenanordnung (19) derart zu erzwingen, dass ein vorgegebener Kanalquerschnitt zumindest zwischen zwei der Stege (4) und der Membranelektrodenanordnung (19) vorliegt. Die Erfindung betrifft außerdem einen Brennstoffzellenaufbau (18) und ein Brennstoffzellensystem.The invention relates to a fuel cell plate (1) for a fuel cell stack (3) extending in a stacking direction (2), with a flow field of several webs (4) extending at least in sections in or parallel to a longitudinal direction (7), the webs ( 4) run at a distance from one another in order to form channels (10) and each have a contact surface (11) for contact with an adjacent layer of the fuel cell stack (3). At least one of the contact surfaces (11) of the webs (4) is provided with a shape that extends at least in sections in or parallel to the longitudinal direction (7), which is designed to force a corrugated membrane electrode arrangement (19) in the assembled state in such a way that a predetermined Channel cross-section is present at least between two of the webs (4) and the membrane electrode arrangement (19). The invention also relates to a fuel cell structure (18) and a fuel cell system.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenplatte für einen sich in einer Stapelrichtung erstreckenden Brennstoffzellenstapel, mit einem Flußfeld aus mehreren zumindest abschnittsweise sich in oder parallel zu einer Längsrichtung erstreckenden Stegen, wobei die Stege zur Ausbildung von Kanälen voneinander beanstandet verlaufen und jeweils eine Kontaktfläche zur Anlage an eine benachbarte Lage des Brennstoffzellenstapels aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Brennstoffzellenaufbau und ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Brennstoffzellenaufbau.The invention relates to a fuel cell plate for a fuel cell stack extending in a stacking direction, with a flow field made up of several webs extending at least in sections in or parallel to a longitudinal direction, the webs extending apart from one another to form channels and each having a contact surface for contact with an adjacent one Have position of the fuel cell stack. The invention further relates to a fuel cell structure and a fuel cell system with such a fuel cell structure.

Brennstoffzellen werden für die Erzeugung elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion eingesetzt, bei der Wasserstoff kontrolliert mit Sauerstoff reagiert. Dafür weisen Brennstoffzellen einen komplexen Aufbau auf, mit einer Membranelektrodenanordnung, auf deren einer Seite die Anode und auf deren anderer Seite die Kathode ausgebildet ist, wobei die Elektroden über Brennstoffzellenplatten, häufig über Bipolarplatten mit den erforderlichen Reaktanten versorgt werden. Im Plattenkörper der Brennstoffzellenplatten sind dabei Kanäle ausgebildet. Um die in der Brennstoffzelle entstehende Wärme abführen zu können, verfügen die Brennstoffzellenplatten häufig zusätzlich über Kanäle oder Leitungen für ein Kühlmittel. Sofern die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung nicht ausreicht, besteht die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen, der gemeinsam mit den zur Versorgung und Konditionierung der Reaktanten erforderlichen Nebenaggregaten wie Verdichter, Befeuchter, Ladeluftkühler, Rezirkulationsgebläse, Hauptwasserkühler und Umwälzpumpe das Brennstoffzellensystem bildet.Fuel cells are used to generate electrical energy from an electrochemical reaction in which hydrogen reacts with oxygen in a controlled manner. For this purpose, fuel cells have a complex structure, with a membrane electrode arrangement, on one side of which the anode is formed and on the other side of which the cathode is formed, the electrodes being supplied with the necessary reactants via fuel cell plates, often via bipolar plates. In this case, channels are formed in the plate body of the fuel cell plates. In order to be able to dissipate the heat generated in the fuel cell, the fuel cell plates often also have channels or lines for a coolant. If the power provided by the fuel cell is not sufficient, it is possible to combine several fuel cells in a fuel cell stack which, together with the auxiliary units required for supplying and conditioning the reactants, such as compressors, humidifiers, charge air coolers, recirculation fans, main water coolers and circulating pumps, form the fuel cell system.

Bei der Versorgung der Brennstoffzelle mit den Reaktanten werden diese über einen Gaseinlasskanal, mithin flussfeldeintrittseitig, in die Brennstoffzellenplatte geleitet, die eine Verteilung der Reaktanten bewirken soll, um die gesamte Fläche der Elektroden möglichst gleichmäßig zu versorgen, und nicht verbrauchte Reaktanten über einen Gasauslasskanal, mithin flussfeldaustrittseitig wieder abzuleiten. Bei der elektrochemischen Reaktion entsteht aus den Edukten auch Produktwasser insbesondere auf der Kathodenseite, wobei aber durch Diffusion bzw. Osmose Produktwasser auch auf die Anodenseite gelangt. Ein Flüssigwasseraustrag ist daher erforderlich, damit die Brennstoffzelle verlässlich und dauerhaft betrieben werden kann, wobei dieser Wasseraustrag häufig durch einen erhöhten Volumenstrom der Reaktanten bewirkt wird, wozu geeignete Kanalquerschnitte vorliegen müssen.When the fuel cell is supplied with the reactants, they are fed into the fuel cell plate via a gas inlet channel, i.e. on the flow field inlet side, which is intended to cause the reactants to be distributed in order to supply the entire surface of the electrodes as evenly as possible, and reactants that are not consumed via a gas outlet channel derive again on the flow field outlet side. In the electrochemical reaction, product water is also formed from the educts, in particular on the cathode side, but product water also reaches the anode side through diffusion or osmosis. Liquid water discharge is therefore necessary so that the fuel cell can be operated reliably and permanently, this water discharge often being effected by an increased volume flow of the reactants, for which purpose suitable channel cross-sections must be available.

In der US 2007/0026291 A1 ist eine Membranelektrodenanordnung gezeigt, bei der die Membran mit Kavitäten versehen ist, um eine erhöhte Oberfläche für den Kontakt mit den benachbarten Elektroden bereitstellen zu können, was die Reaktionsfläche der Brennstoffzelle vergrößert. Eine zwischen zwei flexiblen Separatoren gewellt angeordnete Membran einer Brennstoffzelle ist in der JP 2004 185 937 A beschrieben, wobei durch die Welligkeit der Membran die Kanäle für den Fluss der Reaktanten entstehen. Hierbei sind die Separatorplatten also selbst kanalfrei gestaltet. Eine weitere Brennstoffzellenvorrichtung mit einer gewellten Membranelektrodenanordnung ist der JP 2004 311 434 A zu entnehmen. Eine Brennstoffzellenplatte mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist in der DE 10 2008 033 209 A1 beschrieben. Bei der darin beschriebenen Brennstoffzelle entsteht eine gewellte Membran aufgrund der gewählten Position der Stege des Flussfelds, aufgrund deren Stegbreite und aufgrund der Steghöhe. Durch die gewellte Membran wird verhindert, dass aufgrund eines von außen aufgebrachten Pressdrucks auf die Stege die flexiblen oder nachgiebigen Diffusionslagenmaterialien derart komprimiert werden, dass der Gasfluss zu den Elektroden der Membranelektrodenanordnung verschlechtert wird. Dabei ist es jedoch nicht möglich, gezielt einen Kanalquerschnitt für die Reaktanten einzustellen.In the US 2007/0026291 A1 a membrane electrode arrangement is shown in which the membrane is provided with cavities in order to be able to provide an increased surface for contact with the adjacent electrodes, which increases the reaction surface of the fuel cell. A fuel cell membrane, which is arranged in a corrugated manner between two flexible separators, is in the JP 2004 185 937 A described, whereby the channels for the flow of the reactants are created by the waviness of the membrane. The separator plates themselves are thus designed without channels. Another fuel cell device with a corrugated membrane electrode assembly is the JP 2004 311 434 A refer to. A fuel cell plate with the features of the preamble of claim 1 is in the DE 10 2008 033 209 A1 described. In the fuel cell described therein, a corrugated membrane is created due to the selected position of the webs of the flow field, due to their web width and because of the web height. The corrugated membrane prevents the flexible or resilient diffusion layer materials from being compressed due to an externally applied pressure on the webs in such a way that the gas flow to the electrodes of the membrane electrode arrangement is impaired. However, it is not possible to specifically set a channel cross-section for the reactants.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenplatte, einen Brennstoffzellenaufbau und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, die den vorstehend erwähnten Nachteil überwinden.It is therefore the object of the present invention to provide a fuel cell plate, a fuel cell structure and a fuel cell system which overcome the above-mentioned disadvantage.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenplatte mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1, durch einen Brennstoffzellenaufbau mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 3 und durch ein Brennstoffzellensystem mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a fuel cell plate with the features of claim 1, by a fuel cell structure with the features of claim 3 and by a fuel cell system with the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die Brennstoffzellenplatte zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass zumindest eine der Kontaktflächen der Stege mit einer sich in oder parallel zur Längsrichtung zumindest abschnittsweise erstreckenden Formgebung versehen ist, welche ausgebildet ist, im montierten Zustand eine gewellte Membranelektrodenanordnung derart zu erzwingen, dass ein vorgegebener Kanalquerschnitt zumindest zwischen zwei der Stege und der Membranelektrodenanordnung vorliegt. Vorzugsweise lässt sich durch die geeignete Formgebung der Kontaktfläche an die Membranelektrodenanordnung zwischen allen Stegen und der Membranelektrodenanordnung ein gewünschter, insbesondere vorgegebener Kanalquerschnitt einstellen.The fuel cell plate is particularly characterized in that at least one of the contact surfaces of the webs is provided with a shape that extends at least in sections in or parallel to the longitudinal direction, which is designed to force a corrugated membrane electrode arrangement in the assembled state in such a way that a predetermined channel cross-section at least between two of the webs and the membrane electrode assembly is present. A desired, in particular predetermined, channel cross-section can preferably be set between all webs and the membrane electrode arrangement through the suitable shaping of the contact surface on the membrane electrode arrangement.

In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Kontaktfläche mit einer konvexen und/oder einer konkaven Formgebung versehen ist. Durch die Konvexität und/oder durch die Konkavität der Kontaktfläche schmiegt sich die Membranelektrodenanordnung ebenfalls konvex und/oder konkav an den betreffenden Steg an, sodass die gewellte Membranelektrodenanordnung in Abhängigkeit des Konvexitätsgrades oder des Konkavitätsgrades gebogen wird und dadurch ein geeigneter Kanalquerschnitt eingestellt werden kann. Die Möglichkeit, dass sowohl eine konkave Formgebung als auch eine konvexe Formgebung der Kontaktflächen vorliegt, ist ebenfalls vorhanden, da sich die Stege in einer Längsrichtung erstrecken und beispielsweise an einem ersten Abschnitt konkav ausgeformte Kontaktflächen und an einem zweiten Abschnitt konvex ausgeformte Kontaktflächen besitzen. In this context, it has been found to be advantageous if the contact surface is provided with a convex and / or a concave shape. Due to the convexity and / or the concavity of the contact surface, the membrane electrode arrangement also clings convexly and / or concavely to the relevant web, so that the corrugated membrane electrode arrangement is bent depending on the degree of convexity or the degree of concavity and a suitable channel cross-section can thereby be set. The possibility of both a concave shape and a convex shape of the contact surfaces is also present, since the webs extend in a longitudinal direction and have, for example, concave contact surfaces on a first section and convex contact surfaces on a second section.

Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenaufbau umfasst zwei solcher Brennstoffzellenplatten, die zwischen sich eine Membranelektrodenanordnung einfassen. Die Brennstoffzellenplatten weisen jeweils mindestens ein Flussfeld aus mehreren zumindest abschnittsweise sich in oder parallel zu einer Längsrichtung erstreckenden Stegen auf, wobei die Stege zur Ausbildung von Kanälen voneinander beanstandet verlaufen und zumindest mittelbar an der Membranelektrodenanordnung derart anliegen, dass die Membranelektrodenanordnung in einem gewellten Zustand vorliegt. Im Unterschied zu der Brennstoffzelle der DE 10 2008 033 209 A1 wird die gewellte Membranelektrodenanordnung jedoch nicht durch die Breite, die Höhe oder die Position der Stege im Flussfeld vorgegeben, sondern durch zumindest eine Kontaktfläche der Stege. Diese Kontaktfläche der Stege ist dabei mit einer sich in oder parallel zur Längsrichtung zumindest abschnittsweise erstreckenden Formgebung versehen, die ausgebildet ist, im montierten Zustand die gewellte Membranelektrodenanordnung derart zu erzwingen, dass ein vorgegebener Kanalquerschnitt zumindest zwischen zwei der Stege und der Membranelektrodenanordnung vorliegt.The fuel cell structure according to the invention comprises two such fuel cell plates which enclose a membrane electrode arrangement between them. The fuel cell plates each have at least one flow field made up of several webs extending at least in sections in or parallel to a longitudinal direction, the webs for forming channels being spaced apart from one another and resting at least indirectly on the membrane electrode arrangement in such a way that the membrane electrode arrangement is in a corrugated state. In contrast to the fuel cell of the DE 10 2008 033 209 A1 However, the corrugated membrane electrode arrangement is not predetermined by the width, the height or the position of the webs in the flow field, but by at least one contact surface of the webs. This contact surface of the webs is provided with a shape extending at least in sections in or parallel to the longitudinal direction, which is designed to force the corrugated membrane electrode arrangement in the assembled state in such a way that a predetermined channel cross section is at least between two of the webs and the membrane electrode arrangement.

Auch hier kann die Kontaktfläche mit einer konvexen und/oder einer konkaven Formgebung versehen sein, um eine geeignete Formung der Membranelektrodenanordnung im montierten Zustand zu erzwingen.Here, too, the contact surface can be provided with a convex and / or a concave shape in order to force a suitable shaping of the membrane electrode arrangement in the assembled state.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Formgebung der Kontaktflächen eine Formung der Membranelektrodenanordnung derart erzwingt, dass ein erster Kanalquerschnitt für ein Anodengas geringer ist als ein zweiter Kanalquerschnitt für ein Kathodengas. Dies wird erreicht durch eine zweidimensionale, vorzugsweise jedoch dreidimensionale variable Formgebung der Membranelektrodenanordnung, wodurch sich der Druckverlust im Wesentlichen in den Kanälen der Luft- und Wasserstoffversorgung spezifisch einstellen lässt, sodass dieser individuell auf die Charakteristiken des die Brennstoffzelle umgebenden Systems ausgelegt ist. Da kathodenseitig oder luftseitig zumeist das Produktwasser anfällt, ist es von Vorteil, wenn der dortige Kanalquerschnitt größer ist, um auch das Produktwasser abführen zu können und um das Verstopfen von Kanälen durch Produktwasser zu verhindern. Eine gezielte Formung der Membranelektrodenanordnung lässt sich vorteilhaft dadurch erreichen, dass die Formgebung der der Membranelektrodenanordnung zugewandten Kontaktflächen der einen Brennstoffzellenplatte komplementär gebildet ist zu der Formgebung der der Membranelektrodenanordnung zugewandten Kontaktflächen der anderen Brennstoffzellenplatte. Damit wird zugleich verhindert, dass ein zu starkes Verbiegen der Membranelektrodenanordnung und Spitzenbelastungen auftreten, die zu Leistungseinschränkungen der Brennstoffzelle führen können.It has been found to be advantageous if the shape of the contact surfaces forces the membrane electrode arrangement to be shaped in such a way that a first channel cross section for an anode gas is smaller than a second channel cross section for a cathode gas. This is achieved by a two-dimensional, but preferably three-dimensional variable shape of the membrane electrode arrangement, whereby the pressure loss can essentially be set specifically in the channels of the air and hydrogen supply, so that it is individually designed for the characteristics of the system surrounding the fuel cell. Since the product water mostly accumulates on the cathode side or on the air side, it is advantageous if the channel cross-section there is larger so that the product water can also be discharged and to prevent the channels from being blocked by product water. A targeted shaping of the membrane electrode arrangement can advantageously be achieved in that the shaping of the contact surfaces of the one fuel cell plate facing the membrane electrode arrangement is formed complementary to the shaping of the contact surfaces of the other fuel cell plate facing the membrane electrode arrangement. At the same time, this prevents excessive bending of the membrane electrode arrangement and peak loads from occurring, which can lead to the performance of the fuel cell being restricted.

Es ist dabei die Möglichkeit eröffnet, dass sich die Formgebung der Kontaktflächen entlang der Längsrichtung über den vollständigen Steg erstreckt. Eine dreidimensionale Formung der Membranelektrodenanordnung lässt sich beispielsweise dadurch erzwingen, dass sich die Formgebung der Kontaktflächen entlang der Längsrichtung ausschließlich entlang eines Abschnitts des Stegs erstreckt.The possibility is thereby opened up that the shape of the contact surfaces extends along the longitudinal direction over the entire web. A three-dimensional shaping of the membrane electrode arrangement can be enforced, for example, by the shaping of the contact surfaces extending in the longitudinal direction exclusively along a section of the web.

Zur gleichmäßigen Druckverteilung über das Flussfeld hinweg hat es sich als sinnvoll herausgestellt, wenn die Formgebung der Kontaktfläche entlang der Längsrichtung der Stege derart gestaltet ist, dass flussfeldaustrittseitig ein größerer Kanalquerschnitt als flussfeldeintrittseitig vorliegt. Dadurch ist es möglich, die Membranelektrodenanordnung gleichmäßig mit Reaktanten zu versorgen.For even pressure distribution across the flow field, it has proven to be useful if the shape of the contact surface along the longitudinal direction of the webs is designed in such a way that the flow field exit side has a larger channel cross-section than the flow field entry side. This makes it possible to supply the membrane electrode arrangement uniformly with reactants.

Ein geringerer Druckverlust an randseitigen Bereichen lässt sich beispielsweise dadurch erzielen, dass die Formgebung der Kontaktflächen der Stege derart gestaltet ist, dass randständige Kanäle einen größeren Kanalquerschnitt aufweisen als in einem Zentrum der Brennstoffzellenplatte angeordnete zentrale Kanäle.A lower pressure loss at the edge areas can be achieved, for example, in that the shape of the contact surfaces of the webs is designed such that edge channels have a larger channel cross section than central channels arranged in a center of the fuel cell plate.

Die für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenplatte und den erfindungsgemäßen Brennstoffzellenaufbau beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel aufweist, der mehrere solcher in Stapelrichtung gestapelte Brennstoffzellenaufbauten umfasst.The advantages and preferred embodiments described for the fuel cell plate according to the invention and the fuel cell structure according to the invention also apply to the fuel cell system according to the invention which has a fuel cell stack which comprises several such fuel cell structures stacked in the stacking direction.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and feature combinations mentioned above in the description and those mentioned below in the description of the figures and / or features and combinations of features shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the invention. Thus, embodiments are also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge and can be generated by separate combinations of features from the explained embodiments.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine perspektivische Detailansicht auf einen Ausschnitt eines Brennstoffzellenaufbaus,
2 eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenaufbaus eines Brennstoffzellensystems,
3 eine Schnittansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellenaufbaus eines Brennstoffzellensystems, und
4 eine weitere Schnittansicht eines Ausschnitts eines weiteren Brennstoffzellenaufbaus.

Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawings. Show:

1 a perspective detailed view of a section of a fuel cell structure,
2 a sectional view of a fuel cell structure of a fuel cell system,
3 a sectional view of a fuel cell structure known from the prior art of a fuel cell system, and
4th a further sectional view of a detail of a further fuel cell structure.

In 1 ist eine perspektivische Detailansicht eines Brennstoffzellenaufbaus 18 gezeigt, der eine Membranelektrodenanordnung 19 umfasst. Diese Membranelektrodenanordnung 19 umfasst eine protonenleitfähige Membran, der auf beiden Seiten jeweils eine Elektrode zugeordnet ist. Die Membranelektrodenanordnung 19 ist ausgestaltet, die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle auszuführen. Dabei wird ein Anodengas, d.h. ein Brennstoff (z.B. Wasserstoff) an die die Anode bildende Elektrode geführt, wo er katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert wird. Diese Protonen werden durch die protonenleitfähige Membran (oder Ionen-Austausch-Membran) zur Kathode transportiert. Die aus der Brennstoffzelle abgeleiteten Elektronen fließen über einen elektrischen Verbraucher, vorzugsweise über einen Elektromotor zum Antrieb eines Fahrzeugs, oder zu einer Batterie. Anschließend werden die Elektronen zur Kathode geleitet oder Elektronen an dieser bereitgestellt. An der Kathode wird ein Kathodengas, d.h. ein Oxidationsmedium (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) durch die Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert, die unmittelbar mit den Protonen zu Wasser reagieren.In 1 Figure 3 is a detailed perspective view of a fuel cell assembly 18th shown, of a membrane electrode assembly 19th includes. This membrane electrode assembly 19th comprises a proton-conductive membrane to which an electrode is assigned on each side. The membrane electrode assembly 19th is designed to carry out the electrochemical reaction of the fuel cell. An anode gas, ie a fuel (eg hydrogen) is fed to the electrode forming the anode, where it is catalytically oxidized to protons with the release of electrons. These protons are transported to the cathode through the proton conductive membrane (or ion exchange membrane). The electrons derived from the fuel cell flow via an electrical consumer, preferably via an electric motor to drive a vehicle, or to a battery. Then the electrons are directed to the cathode or electrons are provided at this. At the cathode, a cathode gas, ie an oxidation medium (for example oxygen or air containing oxygen) is reduced to anions by the absorption of the electrons, which react directly with the protons to form water.

Mit der Hilfe von Brennstoffzellenplatten 1 werden der Brennstoff oder das Kathodengas an Gasdiffusionslagen 20 geleitet, die die jeweiligen Gase diffus verteilt an die Elektroden der Membranelektrodenanordnung 19 führen. Es besteht die Möglichkeit, dass auf eine solche Gasdiffusionslage 20 verzichtet wird, insbesondere dann, wenn eine ohnehin gleichmäßige Verteilung (Druckverteilung) der Reaktionsmedien an den Elektroden der Membranelektrodenanordnung 19 vorliegt. Der Brennstoff, das Oxidationsmedium und gegebenenfalls ein Kühlmedium werden durch Kanäle 10 geleitet, die durch Stege 4 begrenzt sind. Wie sich aus der 1 ergibt, liegen dabei Kontaktflächen 11 der Stege 4 an den Gasdiffusionslagen 20 oder unmittelbar an der Membranelektrodenanordnung 19 an.With the help of fuel cell plates 1 the fuel or the cathode gas at gas diffusion layers 20th passed, which diffusely distributed the respective gases to the electrodes of the membrane electrode assembly 19th to lead. There is a possibility that on such a gas diffusion layer 20th is dispensed with, in particular when an already uniform distribution (pressure distribution) of the reaction media on the electrodes of the membrane electrode arrangement 19th present. The fuel, the oxidation medium and optionally a cooling medium are passed through channels 10 passed that through walkways 4th are limited. As can be seen from the 1 results, there are contact surfaces 11 the webs 4th at the gas diffusion layers 20th or directly on the membrane electrode assembly 19th on.

In den 2 und 3 sind Ausschnitte eines Brennstoffzellenaufbaus 18 eines Brennstoffzellenstapels 3 gezeigt, welcher zwei Brennstoffzellenplatten 1 und eine dazwischenliegende Membranelektrodenanordnung 19 zeigt. In der Darstellung nach 3 sind zusätzlich Gasdiffusionslagen 20 gezeigt. In the 2 and 3 are excerpts from a fuel cell structure 18th a fuel cell stack 3 shown which two fuel cell plates 1 and an intermediate membrane electrode assembly 19th shows. In the representation after 3 are additional gas diffusion layers 20th shown.

Jede der Brennstoffzellenplatten 1 weist ein mehrere erste Stege 4 aufweisendes erstes Flussfeld 5 auf einer ersten Plattenseite 6 auf. Außerdem weisen die Brennstoffzellenplatten 1 ein mehrere zweite Stege 4 aufweisendes zweites Flussfeld 8 auf einer der ersten Plattenseite 6 gegenüberliegenden zweiten Plattenseite 9 auf. Die ersten Stege 4 verlaufen voneinander beanstandet zur Ausbildung von den sich zwischen diesen erstreckenden Kanälen 10. Auch die zweiten Stege 4 des zweiten Flussfelds 8 auf der zweiten Plattenseite 9 verlaufen voneinander beanstandet zur Ausbildung von den sich zwischen diesen erstreckenden Kanälen 10. Die Stege 4 weisen jeweils einen Stegrücken, mithin eine Kontaktfläche 11 auf, die ausgestaltet ist, um an eine benachbarte Lage innerhalb des Brennstoffzellenstapels 3 angelegt zu werden. Eine benachbarte Lage kann dabei beispielsweise eine der Gasdiffusionslagen 20 oder eine der Elektroden der Membranelektrodenanordnungen 19 sein.Each of the fuel cell plates 1 has a plurality of first webs 4th having first river field 5 on a first side of the plate 6th on. In addition, the fuel cell plates 1 one several second webs 4th having a second flow field 8th on one of the first side of the plate 6th opposite second plate side 9 on. The first bridges 4th run spaced apart to form the channels extending between them 10 . Also the second bridges 4th of the second river field 8th on the second side of the plate 9 run spaced apart to form the channels extending between them 10 . The bridges 4th each have a ridge, hence a contact surface 11 that is configured to be attached to an adjacent location within the fuel cell stack 3 to be created. An adjacent layer can, for example, be one of the gas diffusion layers 20th or one of the electrodes of the membrane electrode assemblies 19th be.

Wie sich aus den 2 und 3 ferner ergibt, sind die beiden Brennstoffzellenplatten 1 als Bipolarplatte ausgeführt, die aus zwei Unipolarplatten gebildet ist, insbesondere aus einer Anodenplatte 1a, die über ihre Kanäle 10 das Anodengas bereitstellt und aus einer Kathodenplatte 1b, die über ihre Kanäle das Kathodengas bereitstellt. Zwischen der Anodenplatte 1a und der Kathodenplatte 1b kann zudem ein Kühlmittelflussfeld 17 zur Führung eines Kühlmediums bereitgestellt sein.As can be seen from the 2 and 3 also results are the two fuel cell plates 1 designed as a bipolar plate, which is formed from two unipolar plates, in particular from an anode plate 1a that through their channels 10 provides the anode gas and from a cathode plate 1b which provides the cathode gas through its channels. Between the anode plate 1a and the cathode plate 1b can also have a coolant flow field 17th be provided for guiding a cooling medium.

Bei dem Brennstoffzellenstapel nach 3, der dem Stand der Technik entspricht, ist die Membranelektrodenanordnung 19 nicht gewellt, sodass keine gezielte Einstellung des Kanalquerschnitts vorliegt; weder in zweidimensionaler noch in dreidimensionaler Erstreckung. Demgegenüber ist der erfindungsgemäße Brennstoffzellenaufbau 18 nach 2 mit einer gewellten Membranelektrodenanordnung 19 versehen, sodass eine gezielte Einstellung von Kanalquerschnitten vorliegt. Die Formung der Membranelektrodenanordnung 19 erfolgt über die Stege 4 der Brennstoffzellenplatten 1, wobei dies nicht lediglich durch die Höhe der Stege 4 erfolgt, sondern durch die Formgebung der Kontaktfläche 11 der Stege 4, die an der Membranelektrodenanordnung 19 anliegt und eine Formung der Membranelektrodenanordnung 19 hervorruft. Wie sich aus 2 außerdem ergibt, sind die Kontaktflächen 11 einerseits konkav gestaltet und andererseits konvex gestaltet. Damit werden Belastungsspitzen im montierten Zustand vermieden, die zu einer zu starken Kompression der Membranelektrodenanordnung 19 führen könnten. Im vorliegend gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Stege 4 der in der Figur oben dargestellten Brennstoffzellenplatte 1 und die Stege 4, der in der Figur unten dargestellten anderen Brennstoffzellenplatte 1 zueinander fluchtend ausgerichtet. Es besteht allerdings auch die Möglichkeit, dass die Stege 4 versetzt zueinander positioniert sind. Vorliegend ist die Formgebung der der Membranelektrodenanordnung 19 zugewandten Kontaktflächen 11 der einen Brennstoffzellenplatte 1 (oben) komplementär gebildet zu der Formgebung der der Membranelektrodenanordnung 19 zugewandten Kontaktflächen 11 der anderen Brennstoffzellenplatte 1 (unten). Die Formgebung der Kontaktflächen 11 erzwingt also im montierten Zustand die gewellte Membranelektrodenanordnung 19 derart, dass ein vorgegebener Kanalquerschnitt zumindest zwischen zwei der Stege 4 und der Membranelektrodenanordnung 19 vorliegt. Dabei ist die Möglichkeit eröffnet, dass sich die Formgebung der Kontaktflächen 11 entlang der Längsrichtung 7 (in die Zeichenebene hinein bzw. hinaus gerichtet) über den vollständigen Steg 4 erstreckt. Alternativ oder auch an einem anderen Steg 4 kann vorgesehen sein, dass sich die Formgebung der Kontaktflächen 11 entlang der Längsrichtung 7 ausschließlich entlang eines Abschnitts des Stegs 4 erstreckt. Aus der Schnittansicht nach 2 ist eine Formung der Membranelektrodenanordnung 19 zu erkennen, bei der ein erster Kanalquerschnitt 12 für ein Anodengas geringer ist als ein zweiter Kanalquerschnitt 13 für ein Kathodengas, sodass der Reaktantentransport und der Reaktantendruck über die Membranelektrodenanordnung 19 und über die Flussfelder 5, 8 möglichst gleichmäßig vorliegt. Um jedoch auch in Längsrichtung 7 eine gleichmäßige Druckverteilung hervorrufen zu können, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Formgebung der Kontaktflächen 11 entlang der Längsrichtung 7 der Stege 4 derart gestaltet ist, das flussfeldaustrittseitig ein größerer Kanalquerschnitt als flussfeldeintrittseitig vorliegt.After the fuel cell stack 3 which corresponds to the prior art is the membrane electrode assembly 19th not wavy, so that there is no specific adjustment of the duct cross-section; neither in a two-dimensional nor in a three-dimensional extension. In contrast, the fuel cell structure according to the invention is 18th to 2 with a corrugated membrane electrode assembly 19th provided so that there is a targeted setting of duct cross-sections. The formation of the membrane electrode assembly 19th takes place over the bars 4th the fuel cell plates 1 This is not only due to the height of the webs 4th takes place, but through the shape of the contact surface 11 the webs 4th attached to the membrane electrode assembly 19th and a shaping of the membrane electrode assembly 19th evokes. How out 2 also results are the contact areas 11 on the one hand designed concave and on the other hand designed convex. This avoids load peaks in the assembled state that lead to excessive compression of the membrane electrode arrangement 19th could lead. In the preferred embodiment shown here, the webs are 4th the fuel cell plate shown in the figure above 1 and the bars 4th , the other fuel cell plate shown in the figure below 1 aligned with each other. However, there is also the possibility that the webs 4th are positioned offset to each other. In the present case, the shape is that of the membrane electrode arrangement 19th facing contact surfaces 11 the one fuel cell plate 1 (top) formed complementary to the shape of the membrane electrode arrangement 19th facing contact surfaces 11 the other fuel cell plate 1 (below). The shape of the contact surfaces 11 thus forces the corrugated membrane electrode arrangement in the assembled state 19th such that a predetermined channel cross-section at least between two of the webs 4th and the membrane electrode assembly 19th present. This opens up the possibility of changing the shape of the contact surfaces 11 along the longitudinal direction 7th (directed into or out of the plane of the drawing) over the entire web 4th extends. Alternatively or on a different jetty 4th it can be provided that the shape of the contact surfaces 11 along the longitudinal direction 7th only along a portion of the bridge 4th extends. From the sectional view after 2 is a molding of the membrane electrode assembly 19th to recognize in which a first channel cross-section 12 for an anode gas is smaller than a second channel cross-section 13 for a cathode gas, so that the reactant transport and pressure across the membrane electrode assembly 19th and across the river fields 5 , 8th is present as evenly as possible. However, also in the longitudinal direction 7th To be able to produce a uniform pressure distribution, it has been found to be advantageous if the shape of the contact surfaces 11 along the longitudinal direction 7th the webs 4th is designed in such a way that the flow field exit side has a larger channel cross section than the flow field entry side.

Ferner wird auf den Ausschnitt eines weiteren Brennstoffzellenaufbaus 18 in 4 verwiesen, bei der sich die Höhe der Stege 4 ausgehend von einem Zentrum der Brennstoffzellenplatte 1 zum Rand hin steigert. Jeder Steg 4 weist eine geeignete Kontaktfläche für den Kontakt an die Membranelektrodenanordnung 19 auf. Um Druckverlusten vorzubeugen, ist in dieser Ausgestaltung zu erkennen, dass die Formgebung der Kontaktflächen 11 der Stege 4 derart gestaltet ist, dass randständige Kanäle 16 einen größeren Kanalquerschnitt aufweisen als die im Zentrum der Brennstoffzellenplatte 1 angeordneten zentralen Kanäle 21.Furthermore, the detail of another fuel cell structure is shown 18th in 4th referenced at which the height of the webs 4th starting from a center of the fuel cell plate 1 increases towards the edge. Every bridge 4th has a suitable contact area for contact with the membrane electrode assembly 19th on. In order to prevent pressure losses, it can be seen in this embodiment that the shape of the contact surfaces 11 the webs 4th is designed so that marginal channels 16 have a larger channel cross-section than that in the center of the fuel cell plate 1 arranged central channels 21st .

Abschließend ist also festzustellen, dass sich die Erfindung durch eine geeignete Formung der Membranelektrodenanordnung 19 aufgrund der diese kontaktierenden Kontaktflächen 11 der Brennstoffzellenplatte 1 auszeichnet. Während des Betriebs erfolgt hier keine Veränderung der Formung der Membranelektrodenanordnung 19. Die Formung der Membranelektrodenanordnung 19 wird also insbesondere dadurch hervorgerufen, dass die Kontaktflächen 11 nicht waagerecht, mithin nicht senkrecht bezüglich der Stapelrichtung 2 ausgeführt sind, sondern mittels eines Radius, insbesondere mittels einer Konvexität oder einer Konkavität ausgestaltet sind. Bei einem kleineren Radius entsteht dabei eine stärkere Verformung der Membranelektrodenanordnung 19 und damit eine andere Aufteilung der Kanalquerschnitte als dies der Fall ist mit einem anderen, größeren Radius.In conclusion, it should be stated that the invention can be achieved by suitable shaping of the membrane electrode arrangement 19th due to the contact surfaces contacting them 11 the fuel cell plate 1 excels. There is no change in the shape of the membrane electrode arrangement during operation 19th . The formation of the membrane electrode assembly 19th is therefore caused in particular by the fact that the contact surfaces 11 not horizontal, therefore not vertical with respect to the stacking direction 2 are executed, but are designed by means of a radius, in particular by means of a convexity or a concavity. With a smaller radius, there is greater deformation of the membrane electrode arrangement 19th and thus a different division of the channel cross-sections than is the case with a different, larger radius.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: BrennstoffzellenplatteFuel cell plate
1a1a: AnodenplatteAnode plate
1b1b: KathodenplatteCathode plate
22: StapelrichtungStacking direction
33: BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
44th: erster Stegfirst bridge
55: erstes Flussfeldfirst river space
66th: erste Plattenseitefirst plate side
77th: LängsrichtungLongitudinal direction
88th: zweites Flussfeldsecond river space
99: zweite Plattenseitesecond plate side
1010: Kanalchannel
1111: KontaktflächeContact area
1212: erster Kanalquerschnitt (Anodengas)first channel cross-section (anode gas)
1313: zweiter Kanalquerschnitt (Kathodengas)second channel cross section (cathode gas)
1616: randständiger Kanalmarginal canal
1717th: KühlmittelflussfeldCoolant flow field
1818th: BrennstoffzellenaufbauFuel cell structure
19 19th: MembranelektrodenanordnungMembrane electrode assembly
2020th: GasdiffusionslageGas diffusion layer
2121st: zentraler Kanalcentral channel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 2007/0026291 A1 [0004]
JP 2004185937 A [0004]
JP 2004311434 A [0004]
DE 102008033209 A1 [0004, 0009]

Claims

Fuel cell plate (1) for a fuel cell stack (3) extending in a stacking direction (2), with a flow field of several webs (4) extending at least in sections in or parallel to a longitudinal direction (7), the webs (4) being formed of channels (10) run spaced from one another and each have a contact surface (11) for contact with an adjacent layer of the fuel cell stack (3), characterized in that at least one of the contact surfaces (11) of the webs (4) with one in or parallel to the longitudinal direction (7) is provided at least partially extending shape, which is designed to force a corrugated membrane electrode arrangement (19) in the assembled state in such a way that a predetermined channel cross-section is at least between two of the webs (4) and the membrane electrode arrangement (19).

Fuel cell plate (1) Claim 1 , characterized in that the contact surface (11) is provided with a convex and / or a concave shape.

Fuel cell structure (18) with two fuel cell plates (1) enclosing a membrane electrode arrangement (19) between them, each of which has a flow field of several webs (4) extending at least in sections in or parallel to a longitudinal direction (7), the webs (4) to form channels (10) run spaced from one another and at least indirectly bear against the membrane electrode arrangement (19) in such a way that the membrane electrode arrangement (19) is in a corrugated state, characterized in that at least one contact surface (11) of the webs (4) with a shape extending at least in sections in or parallel to the longitudinal direction (7) is provided, which is designed to force the corrugated membrane electrode arrangement (19) in the assembled state in such a way that a predetermined channel cross-section at least between two of the webs (4) and the membrane electrode arrangement ( 19) is available.

Fuel cell structure (18) according to Claim 3 , characterized in that the shape of the contact surfaces (11) forces a shaping of the membrane electrode arrangement (19) such that a first channel cross section (12) for an anode gas is smaller than a second channel cross section (13) for a cathode gas.

Fuel cell structure (18) according to Claim 3 or 4th , characterized in that the shape of the membrane electron assembly (19) facing contact surfaces (11) of one fuel cell plate (1) is formed complementary to the shape of the membrane electrode assembly (19) facing contact surfaces (11) of the other fuel cell plate (1).

Fuel cell structure (18) according to one of the Claims 3 to 5 , characterized in that the shape of the contact surfaces (11) extends along the longitudinal direction (7) over the entire web (4).

Fuel cell structure (18) according to one of the Claims 3 to 6th , characterized in that the shape of the contact surfaces (11) extends along the longitudinal direction (7) exclusively along a section of the web (4).

Fuel cell structure (18) according to one of the Claims 3 to 7th , characterized in that the shape of the contact surface (11) along the longitudinal direction (7) of the webs (4) is designed such that the flow field exit side has a larger channel cross section than the flow field entry side.

Fuel cell structure (18) according to one of the Claims 3 to 8th , characterized in that the shape of the contact surfaces (11) of the webs (4) is designed such that edge channels (16) have a larger channel cross-section than central channels (21) arranged in a center of the fuel cell plate (1).

Fuel cell system with a fuel cell stack (3), which has a plurality of fuel cell structures (18) stacked in the stacking direction (2) according to one of the Claims 3 to 9 includes.