DE102019218380A1

DE102019218380A1 - Fuel cell assembly and method for manufacturing a fuel cell assembly

Info

Publication number: DE102019218380A1
Application number: DE102019218380.8A
Authority: DE
Inventors: Anton Ringel; Andreas Ringk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2021-05-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (1), umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (3) und gegebenenfalls mindestens eine Endplatte (5), wobei die mindestens eine Brennstoffzelle (3) eine Anode (7), eine Kathode (9), eine Membran (11) und mindestens eine Bipolarplatte (12) umfasst und wobei zumindest die mindestens eine Bipolarplatte (12) gekrümmt ist. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug umfassend die Brennstoffzellenanordnung (1) und ein Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzellenanordnung (1).The invention relates to a fuel cell arrangement (1) comprising at least one fuel cell (3) and optionally at least one end plate (5), the at least one fuel cell (3) having an anode (7), a cathode (9), a membrane (11) and comprises at least one bipolar plate (12) and wherein at least the at least one bipolar plate (12) is curved. The invention also relates to a vehicle comprising the fuel cell arrangement (1) and a method for producing the fuel cell arrangement (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung umfassend mindestens eine Brennstoffzelle und gegebenenfalls mindestens eine Endplatte, wobei die mindestens eine Brennstoffzelle eine Anode, eine Kathode, eine Membran und mindestens eine Bipolarplatte umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug und ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung.The invention relates to a fuel cell arrangement comprising at least one fuel cell and optionally at least one end plate, the at least one fuel cell comprising an anode, a cathode, a membrane and at least one bipolar plate. The invention also relates to a vehicle and a method for producing a fuel cell arrangement.

Stand der TechnikState of the art

Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) in Wasser (H₂O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.A fuel cell is an electrochemical cell that converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy. A fuel cell is therefore an electrochemical energy converter. In known fuel cells, hydrogen (H ₂ ) and oxygen (O ₂ ) in particular are converted into water (H ₂ O), electrical energy and heat.

Unter anderem sind Protonenaustauschmembranen (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Brennstoffzellenmembran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.Among other things, proton exchange membranes (PEM) fuel cells are known. Proton exchange membrane fuel cells have a centrally arranged fuel cell membrane which is permeable to protons, i.e. hydrogen ions. The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is thereby spatially separated from the fuel, in particular hydrogen.

Ferner sind Festoxidbrennstoffzellen, die auch als SOFC-Brennstoffzellen bezeichnet werden, bekannt. SOFC-Brennstoffzellen besitzen eine höhere Betriebstemperatur und Abgastemperatur als PEM-Brennstoffzellen. SOFC-Brennstoffzellen finden insbesondere im stationären Betrieb Anwendung. Solid oxide fuel cells, which are also referred to as SOFC fuel cells, are also known. SOFC fuel cells have a higher operating temperature and exhaust gas temperature than PEM fuel cells. SOFC fuel cells are used in particular in stationary operation.

Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode.Fuel cells have an anode and a cathode. The fuel is fed to the anode of the fuel cell and is catalytically oxidized by releasing electrons to protons, which reach the cathode. The electrons released are diverted from the fuel cell and flow to the cathode via an external circuit.

Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: O₂ + 4H⁺ + 4E^- → 2H₂O The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is supplied to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing electrons from the external circuit and protons to form water. The resulting water is drained from the fuel cell. The gross response is: O ₂ + 4H ⁺ + 4E ^- → 2H ₂ O

Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an.A voltage is applied between the anode and the cathode of the fuel cell.

Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.To increase the voltage, several fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack, which is also referred to as a stack, and electrically connected in series.

Brennstoffzellenstapel weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten bezeichnet werden können. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Bipolarplatten weisen üblicherweise eine Oberflächenstruktur, beispielweise kanalartige Strukturen, zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen auch zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers.Fuel cell stacks also have bipolar plates, which can also be referred to as gas distributor plates. Bipolar plates are used to evenly distribute the fuel to the anode and to distribute the oxidizing agent evenly to the cathode. Bipolar plates usually have a surface structure, for example channel-like structures, for distributing the fuel and the oxidizing agent to the electrodes. The channel-like structures also serve to drain off the water produced during the reaction.

Zusätzlich können Bipolarplatten Strukturen zur Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.In addition, bipolar plates can have structures for conducting a cooling liquid through the fuel cell in order to dissipate heat.

Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser gewährleisten Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran, wobei die Fläche der Medienführung nicht für die Stromübertragung zur Verfügung steht.In addition to the media routing with regard to oxygen, hydrogen and water, bipolar plates ensure a flat electrical contact with the membrane, whereby the media routing area is not available for power transmission.

Darüber hinaus weist ein Brennstoffzellenstapel üblicherweise Endplatten auf, die eine Presskraft auf elektrisch aktive Zellflächen der Membran übertragen und für eine mechanische Stabilität der Brennstoffzellenanordnung sorgen.In addition, a fuel cell stack usually has end plates which transmit a pressing force to electrically active cell surfaces of the membrane and ensure mechanical stability of the fuel cell arrangement.

Übliche Brennstoffzellenanordnungen wie Brennstoffzellenstapel sind aus Komponenten, die auch als Lagen bezeichnet werden, aufgebaut. Die Lagen sind üblicherweise planar ausgeführt. Massive Endplatten werden benötigt, um die gestapelten planaren Komponenten zusammenzuhalten und eine homogene Druckverteilung in der Brennstoffzellenanordnung zu gewährleisten.Usual fuel cell arrangements such as fuel cell stacks are made up of components, which are also referred to as layers. The layers are usually designed to be planar. Solid end plates are required to hold the stacked planar components together and to ensure homogeneous pressure distribution in the fuel cell arrangement.

Die üblicherweise eingesetzten Endplatten weisen eine erhebliche Dicke auf und werden häufig durch Spannbänder zusammengepresst um eine homogene Verteilung der Kraft in der Brennstoffzellenanordnung zu erzielen.The end plates usually used have a considerable thickness and are often pressed together by tightening straps in order to achieve a homogeneous distribution of the force in the fuel cell arrangement.

Ein einfacher Ersatz der dicken Endplatten durch dünnere Endplatten würde zu einer Verformung der Endplatten führen, da die Kraft der Spannbänder an den Kanten der Lagen, wie der Bipolarplatten und/oder der Endplatten, maximal ist. Durch dünne Endplatten können die Kräfte nicht homogen in die Mitte der Brennstoffzellenanordnung übertragen werden, so dass eine inhomogene Druckverteilung in der Brennstoffzellenanordnung entsteht.A simple replacement of the thick end plates with thinner end plates would lead to a deformation of the end plates, since the force of the tensioning straps at the edges of the layers, such as the bipolar plates and / or the end plates, is maximal. The forces cannot be transmitted homogeneously to the center of the fuel cell arrangement through thin end plates, so that an inhomogeneous pressure distribution arises in the fuel cell arrangement.

DE 199 05 564 C2 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel mit einem Zuführungs- und/oder Abführungskanal für das Oxidationsmittel oder den Brennstoff, die mit Abzweigungskanälen, die von dem Zuführungs- und/oder Abführungskanal jeweils zu einem Kathoden- oder Anodenrahmen des Brennstoffzellenstapels führen. Mittels bipolarer Platten entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoffzellen. DE 199 05 564 C2 describes a fuel cell stack with a supply and / or discharge channel for the oxidizing agent or the fuel, with branch channels that lead from the supply and / or discharge channel to a cathode or anode frame of the fuel cell stack. Fuel cells that are stacked and electrically connected in series are created using bipolar plates.

WO 2004/102722 A2 betrifft eine Gasdiffusionslage sowie eine Brennstoffzelle umfassend die Gasdiffusionslage. Die Gasdiffusionslage kann ein flexibles, elektrisch nicht leitendes, poröses Material in Form einer Struktur besitzen. WO 2004/102722 A2 relates to a gas diffusion layer and a fuel cell comprising the gas diffusion layer. The gas diffusion layer can have a flexible, electrically non-conductive, porous material in the form of a structure.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird eine Brennstoffzellenanordnung vorgeschlagen, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle und gegebenenfalls mindestens eine Endplatte, wobei die mindestens eine Brennstoffzelle eine Anode, eine Kathode, eine Membran und mindestens eine Bipolarplatte umfasst und wobei zumindest die mindestens eine Bipolarplatte gekrümmt ist. Dies kann auch als gebogen bezeichnet werden.A fuel cell arrangement is proposed, comprising at least one fuel cell and optionally at least one end plate, wherein the at least one fuel cell comprises an anode, a cathode, a membrane and at least one bipolar plate and wherein at least the at least one bipolar plate is curved. This can also be called curved.

Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzellenanordnung vorgeschlagen, wobei die mindestens eine Bipolarplatte und gegebenenfalls die mindestens eine Endplatte durch Pressen und/oder Walzen gekrümmt werden und gestapelt werden um die Brennstoffzellenanordnung zu bilden.Furthermore, a method for producing the fuel cell arrangement is proposed, wherein the at least one bipolar plate and optionally the at least one end plate are curved by pressing and / or rolling and are stacked to form the fuel cell arrangement.

Bevorzugt ist jede der mindestens einen Bipolarplatte gekrümmt. Auch die mindestens eine Endplatte ist bevorzugt gekrümmt, mehr bevorzugt ist jede der mindestens einen Endplatte gekrümmt.Each of the at least one bipolar plate is preferably curved. The at least one end plate is also preferably curved, and each of the at least one end plate is more preferably curved.

Die Brennstoffzellenanordnung ist bevorzugt ein Brennstoffzellenstapel umfassend mehr als zwei Bipolarplatten, wobei an zwei äußeren Bipolarplatten jeweils eine Endplatte angeordnet ist. Der Brennstoffzellenstapel umfasst mehr bevorzugt mindestens 20 Bipolarplatten und kann bis zu 550, insbesondere bis zu 500 Bipolarplatten umfassen.The fuel cell arrangement is preferably a fuel cell stack comprising more than two bipolar plates, one end plate each being arranged on two outer bipolar plates. The fuel cell stack more preferably comprises at least 20 bipolar plates and can comprise up to 550, in particular up to 500 bipolar plates.

Die mindestens eine Bipolarplatte kann eine Struktur, wie zum Beispiel Kanäle, zur Zufuhr und/oder Abfuhr von Gasen und/oder Flüssigkeiten aufweisen.The at least one bipolar plate can have a structure, such as channels, for supplying and / or removing gases and / or liquids.

Bevorzugt bilden die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran eine Membran-Elektroden-Anordnung, die auch als Membrane Electrode Assembly (MEA) bezeichnet werden kann. Die Brennstoffzellenanordnung umfasst bevorzugt mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung. Weiter bevorzugt ist die mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung gekrümmt.The electrodes, that is to say the anode and the cathode, and the membrane preferably form a membrane-electrode arrangement, which can also be referred to as a membrane electrode assembly (MEA). The fuel cell arrangement preferably comprises at least one membrane-electrode arrangement. The at least one membrane-electrode arrangement is more preferably curved.

Weiterhin umfasst die mindestens eine Brennstoffzelle bevorzugt mindestens eine Gasdiffusionslage (GDL), mehr bevorzugt zwei Gasdiffusionslagen. Die mindestens eine Gasdiffusionslage ist insbesondere gekrümmt.Furthermore, the at least one fuel cell preferably comprises at least one gas diffusion layer (GDL), more preferably two gas diffusion layers. The at least one gas diffusion layer is in particular curved.

Die mindestens eine Bipolarplatte, die mindestens eine Endplatte, die mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung und die mindestens eine Gasdiffusionslage können jeweils als Lage bezeichnet werden.The at least one bipolar plate, the at least one end plate, the at least one membrane-electrode arrangement and the at least one gas diffusion layer can each be referred to as a layer.

Bevorzugt weisen die mindestens eine Bipolarplatte, gegebenenfalls die mindestens eine Endplatte, gegebenenfalls die mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung und gegebenenfalls die mindestens eine Gasdiffusionslage dieselbe Krümmung auf. Darunter ist zu verstehen, dass ein Krümmungsradius einer Lage nicht mehr als 10% von einem Krümmungsradius einer weiteren Lage abweicht.The at least one bipolar plate, optionally the at least one end plate, optionally the at least one membrane-electrode arrangement and optionally the at least one gas diffusion layer preferably have the same curvature. This means that a radius of curvature of one layer does not deviate by more than 10% from a radius of curvature of another layer.

Bevorzugt sind die mindestens eine Bipolarplatte, gegebenenfalls die mindestens eine Endplatte, gegebenenfalls die mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung und gegebenenfalls die mindestens eine Gasdiffusionslage mit einem Radius in einem Bereich von einem 0,1-fachen bis 1000-fachen, zum Beispiel von einem 10-fachen bis 500-fachen, einer Seitenlänge der mindestens einen Bipolarplatte gekrümmt. Weiter bevorzugt sind die mindestens eine Bipolarplatte, gegebenenfalls die mindestens eine Endplatte, gegebenenfalls die mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung und gegebenenfalls die mindestens eine Gasdiffusionslage mit einem Radius in einem Bereich von 0,5 m bis 5000 m, zum Beispiel von 10 m bis 500 m, gekrümmt. Je kleiner der Radius ist, desto stärker ist die jeweilige Lage gekrümmt. Der Radius kann auch innerhalb einer Lage variieren, so dass ein Querschnitt eine rundliche konvexe, also ovale, Form zeigen kann. Weiterhin kann der Radius in verschiedenen Richtungen variieren.The at least one bipolar plate, optionally the at least one end plate, optionally the at least one membrane-electrode arrangement and optionally the at least one gas diffusion layer with a radius in a range from 0.1 to 1000 times, for example one, are preferred 10-fold to 500-fold, one side length of the at least one bipolar plate curved. Further preferred are the at least one bipolar plate, optionally the at least one end plate, optionally the at least one membrane-electrode arrangement and optionally the at least one gas diffusion layer with a radius in a range from 0.5 m to 5000 m, for example from 10 m to 500 m, curved. The smaller the radius, the more the respective position is curved. The radius can also vary within a layer, so that a cross-section can show a round, convex, i.e. oval, shape. Furthermore, the radius can vary in different directions.

Weiter bevorzugt sind alle Lagen der Brennstoffzellenanordnung gekrümmt, so dass die Brennstoffzellenanordnung insgesamt bevorzugt eine gekrümmte äußere Kontur aufweist. Bevorzugt bildet eine Querschnittsfläche der Brennstoffzellenanordnung, die entlang einer Längsachse der Brennstoffzellenanordnung und vertikal zu den Lagen und vertikal zu einer Querachse des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, die geometrische Form eines Ringsegments.Furthermore, all layers of the fuel cell arrangement are preferably curved, so that the fuel cell arrangement as a whole preferably has a curved outer contour. A cross-sectional area of the fuel cell arrangement, which is arranged along a longitudinal axis of the fuel cell arrangement and vertical to the layers and vertical to a transverse axis of the fuel cell stack, preferably forms the geometric shape of a ring segment.

Die mindestens eine Bipolarplatte, gegebenenfalls die mindestens eine Endplatte, gegebenenfalls die mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung und gegebenenfalls die mindestens eine Gasdiffusionslage können um eine Achse oder mehrere Achsen gleichzeitig gekrümmt sein, wobei der Krümmungsradius beliebig sein kann. Bevorzugt sind die mindestens eine Bipolarplatte, gegebenenfalls die mindestens eine Endplatte, gegebenenfalls die mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung und gegebenenfalls die mindestens eine Gasdiffusionslage um genau eine Achse gekrümmt.The at least one bipolar plate, optionally the at least one end plate, optionally the at least one membrane-electrode arrangement and optionally the at least one gas diffusion layer can be curved around one axis or several axes at the same time, the radius of curvature being arbitrary. The at least one bipolar plate, optionally the at least one end plate, optionally the at least one membrane-electrode arrangement and optionally the at least one gas diffusion layer are preferably curved about exactly one axis.

Die mindestens eine Bipolarplatten kann aus einem metallischen Material, insbesondere aus Metall aufgebaut sein. Ferner kann die mindestens eine Bipolarplatte Graphit umfassen oder aus Graphit bestehen. Metallische Bipolarplatten können partiell, insbesondere an den stromführenden Kontaktstellen, beschichtet sein.The at least one bipolar plate can be constructed from a metallic material, in particular from metal. Furthermore, the at least one bipolar plate can comprise graphite or consist of graphite. Metallic bipolar plates can be partially coated, in particular at the current-carrying contact points.

Bevorzugt bilden die Anode, die Kathode und die Membran die Membran-Elektroden-Anordnung und die Membran-Elektroden-Anordnung ist mit der mindestens einen Bipolarplatte stoffschlüssig, insbesondere durch einen Klebstoff, verbunden. Weiterhin kann die Brennstoffzellenanordnung mindestens zwei Bipolarplatten aufweisen, wobei die mindestens zwei Bipolarplatten stoffschlüssig, insbesondere durch den Klebstoff, miteinander verbunden sind. Insbesondere sind die mindestens zwei Bipolarplatten elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Entsprechend sind die einzelnen Lagen der Brennstoffzellenanordnung bevorzugt miteinander verklebt. Der Klebstoff kann ein Dichtungsmaterial umfassen oder aus einem Dichtungsmaterial bestehen. Bevorzugt enthält der Klebstoff oder besteht aus Epoxid, Acrylat, Urethan, Silikon oder Mischungen davon.The anode, the cathode and the membrane preferably form the membrane-electrode arrangement and the membrane-electrode arrangement is materially connected to the at least one bipolar plate, in particular by means of an adhesive. Furthermore, the fuel cell arrangement can have at least two bipolar plates, the at least two bipolar plates being connected to one another in a materially bonded manner, in particular by the adhesive. In particular, the at least two bipolar plates are connected to one another in an electrically conductive manner. Accordingly, the individual layers of the fuel cell arrangement are preferably glued to one another. The adhesive can comprise a sealing material or consist of a sealing material. The adhesive preferably contains or consists of epoxy, acrylate, urethane, silicone or mixtures thereof.

Werden übliche planare Bipolarplatten lediglich miteinander verklebt, können sich diese bei einem inneren Druck verformen. Hierbei tritt eine Schälkraft an den Kanten der Klebung auf, die auch als peel force bezeichnet werden kann. Diese Schälkraft hat ein Ablösen der Klebung zur Folge.If conventional planar bipolar plates are simply glued to one another, they can deform under internal pressure. Here, a peel force occurs at the edges of the bond, which can also be referred to as a peel force. This peeling force causes the bond to peel off.

Durch gekrümmte Bipolarplatten wird eine solche ungewünschte Verformung, die durch den inneren Druck entsteht, vermieden, so dass die Schälkräfte und ein Ablösen der Klebung verhindert werden. Entsprechend können die Endplatten kleiner dimensioniert werden und auf Spannbänder zwischen den Endplatten kann gegebenenfalls verzichtet werden.Curved bipolar plates prevent such undesired deformation, which occurs as a result of the internal pressure, so that the peeling forces and the peeling of the adhesive are prevented. Accordingly, the end plates can be made smaller and tensioning straps between the end plates can be dispensed with if necessary.

Bevorzugt weist die mindestens eine Endplatte eine Dicke in einem Bereich von 1 mm bis 50 mm, mehr bevorzugt von 2 mm bis 20 mm und weiter bevorzugt von 2 mm bis weniger als 10 mm auf. Die Dicke kann innerhalb der mindestens einen Endplatte konstant sein oder variieren.The at least one end plate preferably has a thickness in a range from 1 mm to 50 mm, more preferably from 2 mm to 20 mm and further preferably from 2 mm to less than 10 mm. The thickness can be constant or vary within the at least one end plate.

Bevorzugt sind die mindestens eine Bipolarplatte, gegebenenfalls die mindestens eine Endplatte, gegebenenfalls die mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung und gegebenenfalls die mindestens eine Gasdiffusionslage um eine Querachse gekrümmt. Entsprechend sind die mindestens eine Bipolarplatte, gegebenenfalls die mindestens eine Endplatte, gegebenenfalls die mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung und gegebenenfalls die mindestens eine Gasdiffusionslage bevorzugt in Längsrichtung gekrümmt. Die Längsrichtung sowie die Querachse beziehen sich jeweils auf die einzelnen Lagen und bevorzugt auf die gesamte Brennstoffzellenanordnung. Die Längsrichtung und die Querachse liegen jeweils bevorzugt in einer tangentialen Ebene zu der mindestens einen gekrümmten Bipolarplatte beziehungsweise zu der mindestens einen Endplatte, der mindestens einen Membran-Elektroden-Anordnung oder der mindestens einen Gasdiffusionslage.The at least one bipolar plate, optionally the at least one end plate, optionally the at least one membrane-electrode arrangement and optionally the at least one gas diffusion layer are preferably curved about a transverse axis. Correspondingly, the at least one bipolar plate, optionally the at least one end plate, optionally the at least one membrane-electrode arrangement and optionally the at least one gas diffusion layer are preferably curved in the longitudinal direction. The longitudinal direction and the transverse axis each relate to the individual layers and preferably to the entire fuel cell arrangement. The longitudinal direction and the transverse axis each preferably lie in a tangential plane to the at least one curved bipolar plate or to the at least one end plate, the at least one membrane-electrode arrangement or the at least one gas diffusion layer.

Die mindestens eine Bipolarplatte, gegebenenfalls die mindestens eine Endplatte, gegebenenfalls die mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung und gegebenenfalls die mindestens eine Gasdiffusionslagebevorzugt weisen bevorzugt jeweils eine rechteckige Form auf, wobei zwei erste Seiten länger sind als zwei zweite Seiten des Rechtecks.The at least one bipolar plate, optionally the at least one end plate, optionally the at least one membrane-electrode arrangement and optionally the at least one gas diffusion layer preferably each preferably have a rectangular shape, with two first sides being longer than two second sides of the rectangle.

Die Richtung der bevorzugten Krümmung kann auch dadurch beschrieben werden, dass die Krümmung in einer Längsschnittfläche durch die mindestens eine Bipolarplatte und bevorzugt durch die Brennstoffzellenanordnung sichtbar ist, während in einer Querschnittsfläche keine Krümmung erkennbar ist.The direction of the preferred curvature can also be described in that the curvature is visible in a longitudinal sectional area through the at least one bipolar plate and preferably through the fuel cell arrangement, while no curvature can be seen in a cross-sectional area.

Bevorzugt sind mindestens 70%, mehr bevorzugt mindestens 80% und weiter bevorzugt mindestens 90% einer Gesamtfläche der mindestens einen Bipolarplatte und gegebenenfalls mindestens 70%, mehr bevorzugt mindestens 80% und insbesondere bevorzugt mindestens 90% einer Gesamtfläche der mindestens einen Endplatte gekrümmt. Ferner sind bevorzugt 70%, mehr bevorzugt mindestens 80% und weiter bevorzugt mindestens 90% je einer Gesamtfläche der mindestens einen Membran-Elektroden-Anordnung und/oder der mindestens einen Gasdiffusionslage gekrümmt. Unter der Gesamtfläche wird in diesem Zusammenhang die äußere Oberfläche der jeweiligen Lage verstanden, die parallel zu der Membran der mindestens einen Brennstoffzelle ausgerichtet ist.Preferably at least 70%, more preferably at least 80% and further preferably at least 90% of a total area of the at least one bipolar plate and optionally at least 70%, more preferably at least 80% and particularly preferably at least 90% of a total area of the at least one end plate are curved. Furthermore, preferably 70%, more preferably at least 80% and further preferably at least 90% of a total area of the at least one membrane-electrode arrangement and / or the at least one gas diffusion layer are curved. In this context, the total area is understood to mean the outer surface of the respective layer, which is oriented parallel to the membrane of the at least one fuel cell.

Ferner weist die Brennstoffzellenanordnung bevorzugt mindestens zwei Endplatten auf, wobei die mindestens zwei Endplatten durch Spannbänder miteinander verbunden sind. Bevorzugt sind die Spannbänder an den ersten Seiten der mindestens einen Bipolarplatte und insbesondere der mindestens einen Endplatte angeordnet. Durch die Spannbänder wird ein Pressdruck von den mindestens zwei Endplatten auf die mindestens eine Brennstoffzelle, insbesondere auf die mindestens eine Bipolarplatte ausgeübt.Furthermore, the fuel cell arrangement preferably has at least two end plates, the at least two end plates being connected to one another by tensioning straps. The tightening straps are preferably on the first sides of the at least one Bipolar plate and in particular the at least one end plate arranged. The tightening straps exert a compressive pressure from the at least two end plates onto the at least one fuel cell, in particular onto the at least one bipolar plate.

Zur Herstellung der Brennstoffzellenanordnung wird bevorzugt ein Verfahren umfassend die folgenden Schritte durchgeführt:

a) verformen der mindestens einen Bipolarplatte, insbesondere durch Pressen und/oder Walzen, so dass mindestens eine gekrümmte Bipolarplatte entsteht,
b) auftragen des Klebstoffs auf die erste gekrümmte Bipolarplatte,
c) stapeln einer zweiten gekrümmten Bipolarplatte, die gegebenenfalls den Klebstoff aufweist, auf die erste gekrümmte Bipolarplatte,
d) gegebenenfalls auftragen des Klebstoffs auf weitere gekrümmte Bipolarplatten und stapeln der weiteren gekrümmten Bipolarplatten,
e) anordnen von zwei Endplatten auf jeweils gegenüberliegenden äußeren gekrümmten Bipolarplatten, so dass die Brennstoffzellenanordnung entsteht,
f) gegebenenfalls pressen der Brennstoffzellenanordnung und
g) und gegebenenfalls spannen und fixieren der zwei Endplatten mit Spannbändern.

To produce the fuel cell arrangement, a method comprising the following steps is preferably carried out:

a) deforming the at least one bipolar plate, in particular by pressing and / or rolling, so that at least one curved bipolar plate is created,
b) applying the adhesive to the first curved bipolar plate,
c) stacking a second curved bipolar plate, which optionally has the adhesive, on the first curved bipolar plate,
d) if necessary, applying the adhesive to further curved bipolar plates and stacking the further curved bipolar plates,
e) arranging two end plates on opposite outer curved bipolar plates, so that the fuel cell arrangement is created,
f) optionally pressing the fuel cell arrangement and
g) and, if necessary, tension and fix the two end plates with tensioning straps.

Schritt a) kann vor Schritt b) oder Schritt b) kann vor Schritt a) ausgeführt werden. Weiter bevorzugt wird zwischen zwei gekrümmten Bipolarplatten jeweils eine Membran-Elektroden-Anordnung und mindestens eine Gasdiffusionslage angeordnet.Step a) can be carried out before step b) or step b) can be carried out before step a). More preferably, a membrane-electrode arrangement and at least one gas diffusion layer are respectively arranged between two curved bipolar plates.

Ferner wird ein Fahrzeug umfassend die Brennstoffzellenanordnung vorgesch lagen.Furthermore, a vehicle comprising the fuel cell arrangement is proposed.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch die Krümmung zumindest der mindestens einen Bipolarplatte und gegebenenfalls aller Lagen der Brennstoffzellenandordnung wird die mechanische Stabilität der Brennstoffzellenanordnung erhöht, so dass schwere, voluminöse Endplatten eingespart werden können und die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung ein geringeres Gewicht und ein geringeres Volumen aufweist.The curvature of at least one bipolar plate and possibly all layers of the fuel cell arrangement increases the mechanical stability of the fuel cell arrangement, so that heavy, voluminous end plates can be saved and the fuel cell arrangement according to the invention has a lower weight and a lower volume.

Der Anpressdruck zwischen benachbarten Bipolarplatten wird durch adhäsive Kräfte des Klebstoffs gehalten.The contact pressure between adjacent bipolar plates is held by the adhesive forces of the glue.

Es kann auf Spannbänder verzichtet werden, da ein Verpressen und Spannen der Brennstoffzellenanordnung nicht mehr zwingend nötig ist, wenn die einzelnen Brennstoffzellen miteinander verklebt werden.Tension straps can be dispensed with, since pressing and tensioning the fuel cell arrangement is no longer absolutely necessary when the individual fuel cells are glued to one another.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenanordnung,
2 eine schematische Darstellung von Brennstoffzellenanordnungen mit verschiedenen Endplatten,
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Bipolarplatte,
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Bipolarplatte,
5 eine planare Bipolarplatte,
6 eine gekrümmte Bipolarplatte und
7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung.

Show it:

1 a schematic representation of a fuel cell arrangement,
2 a schematic representation of fuel cell arrangements with different end plates,
3rd a schematic representation of an embodiment of a bipolar plate,
4th a schematic representation of a further embodiment of a bipolar plate,
5 a planar bipolar plate,
6th a curved bipolar plate and
7th a schematic representation of a method for producing a fuel cell assembly.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, with a repeated description of these elements in individual cases being dispensed with. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenanordnung 1 mit mehreren Brennstoffzellen 3. Jede Brennstoffzelle 3 weist eine Membran 11, zwei Gasdiffusionslagen 14, eine Anode 7 und eine Kathode 9 auf. Die einzelnen Brennstoffzellen 3 sind durch Bipolarplatten 12, die eine Kühlplatte 16 umfassen können, voneinander abgegrenzt. 1 shows a schematic representation of a fuel cell arrangement 1 with several fuel cells 3rd . Every fuel cell 3rd has a membrane 11 , two gas diffusion layers 14th , an anode 7th and a cathode 9 on. The individual fuel cells 3rd are by bipolar plates 12th who have favourited a cold plate 16 may include, delimited from one another.

Der Brennstoffzellenanordnung 1, der Wasserstoff und Sauerstoff sowie ein Kühlmedium zugeführt werden, wird durch zwei Endplatten 5 abgeschlossen und weist Stromsammler 18 auf.The fuel cell assembly 1 , to which hydrogen and oxygen as well as a cooling medium are supplied, is through two end plates 5 completed and instructs current collectors 18th on.

2 zeigt eine schematische Darstellung von zwei Brennstoffzellenanordnungen 1. Eine erste Brennstoffzellenanordnung 32 weist mehrere Brennstoffzellen 3 auf, die durch zwei Endplatten 5 und seitlich angeordnete Spannbänder 30 zusammengepresst werden. Die Endplatten 5 weisen als Dicke 28 eine erste Dicke 36 auf. 2 shows a schematic representation of two fuel cell arrangements 1 . A first fuel cell assembly 32 has multiple fuel cells 3rd on that by two end plates 5 and laterally arranged tensioning straps 30th are pressed together. The end plates 5 indicate as thickness 28 a first thickness 36 on.

Die Kraft 40 beziehungsweise der Druck, der von den Endplatten 5 und den Spannbändern 30 auf die Brennstoffzellen 3 ausgeübt wird, ist homogen in der ersten Brennstoffzellenanordnung 32 verteilt.The power 40 respectively the pressure exerted by the end plates 5 and the straps 30th on the fuel cells 3rd is exercised is homogeneous in the first fuel cell assembly 32 distributed.

Im Gegensatz zur ersten Brennstoffzellenanordnung 32 weist die zweite Brennstoffzellenanordnung 34 Endplatten 5 mit einer zweiten Dicke 38 auf. Die zweite Dicke 38 ist kleiner als die erste Dicke 36.In contrast to the first fuel cell arrangement 32 comprises the second fuel cell assembly 34 End plates 5 with a second thickness 38 on. The second thickness 38 is smaller than the first thickness 36 .

In der ersten Brennstoffzellenanordnung 32 und der zweiten Brennstoffzellenanordnung 34 sind in den Brennstoffzellen 3 angeordnete Bipolarplatten 12 und die Endplatten 5 planar ausgeführt.In the first fuel cell assembly 32 and the second fuel cell assembly 34 are in the fuel cells 3rd arranged bipolar plates 12th and the end plates 5 executed planar.

Da die zweite Brennstoffzellenanordnung 34 mit Endplatten 5 mit einer kleineren zweiten Dicke 38 ausgestattet ist, verformen sich die Endplatten 5 und die zweite Brennstoffzellenanordnung 34. Die von den Endplatten 5 und den Spannbändern 30 auf die Brennstoffzellen 3 ausgeübte Kraft 40 ist an den Kanten der Endplatten 5, an denen diese mit den Spannbändern 30 verbunden sind, maximal. Durch die geringere zweite Dicke 38 kann die Kraft 40 nicht homogen in die zweite Brennstoffzellenanordnung 34 übertragen werden, so dass eine inhomogene Druckverteilung vorliegt.As the second fuel cell assembly 34 with end plates 5 with a smaller second thickness 38 is equipped, the end plates deform 5 and the second fuel cell assembly 34 . The ones from the end plates 5 and the straps 30th on the fuel cells 3rd force exerted 40 is on the edges of the end plates 5 to which these with the tensioning straps 30th connected, maximum. Because of the smaller second thickness 38 can the force 40 not homogeneously in the second fuel cell arrangement 34 are transmitted, so that there is an inhomogeneous pressure distribution.

3 zeigt eine erste Ausführungsform einer gekrümmten Bipolarplatte 12. Die in 3 dargestellte Bipolarplatte 12 weist eine Krümmung um mehr als eine Achse auf. 3rd Figure 3 shows a first embodiment of a curved bipolar plate 12th . In the 3rd shown bipolar plate 12th has a curvature about more than one axis.

4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer gekrümmten Bipolarplatte 12. Die in 4 dargestellte Bipolarplatte 12 ist um eine Querachse 22 in einer Längsrichtung 24 gekrümmt. Gemäß 4 liegt eine Krümmung um genau eine Achse, nämlich die Querachse 22 vor. Die Bipolarplatte 12 ist mit einem Radius 26 gekrümmt. 4th Figure 3 shows a second embodiment of a curved bipolar plate 12th . In the 4th shown bipolar plate 12th is around a transverse axis 22nd in a longitudinal direction 24 curved. According to 4th lies a curvature around exactly one axis, namely the transverse axis 22nd in front. The bipolar plate 12th is with a radius 26th curved.

5 zeigt eine schematische Darstellung von zwei gestapelten planaren Bipolarplatten 12, jeweils mit einer ersten Seite 15, einer zweiten Seite 17 und einer Seitenlänge 13, die durch einen Klebstoff 20 miteinander verbunden sind. Die 5 stellt einen Ausschnitt einer Brennstoffzellenanordnung 1 dar. 5 Figure 3 shows a schematic representation of two stacked planar bipolar plates 12th , each with a first page 15th , a second page 17th and a side length 13th made by an adhesive 20th are connected to each other. The 5 represents a section of a fuel cell arrangement 1 represent.

Ferner ist eine Querschnittsansicht der zwei planaren, miteinander verklebten Bipolarplatten 12 gezeigt. Tritt im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 1 ein innerer Druck in der Brennstoffzellenanordnung 1 auf, so können sich die Bipolarplatten 12 verformen, insbesondere wölben, so dass an den Kanten der Bipolarplatten 12, wo der Klebstoff 20 angeordnet ist, Schälkräfte auftreten, die zu einem Ablösen des Klebstoffs 20 von einer Bipolarplatte 12 oder von beiden Bipolarplatten 12 führen kann.Also is a cross-sectional view of the two planar bipolar plates bonded together 12th shown. Occurs during operation of the fuel cell assembly 1 an internal pressure in the fuel cell assembly 1 on, so can the bipolar plates 12th deform, in particular bulge, so that at the edges of the bipolar plates 12th where the glue 20th is arranged, peeling forces occur, which lead to a peeling of the adhesive 20th from a bipolar plate 12th or from both bipolar plates 12th can lead.

6 zeigt eine schematische Darstellung von zwei gestapelten gekrümmten Bipolarplatten 12 als Ausschnitt einer Brennstoffzellenanordnung 1. Die Bipolarplatten 12 weisen eine Krümmung um die Querachse 22 gemäß 4 sowie Strukturen 42 zur Zufuhr und/oder Abfuhr von Medien auf. 6th Figure 3 shows a schematic representation of two stacked curved bipolar plates 12th as a section of a fuel cell arrangement 1 . The bipolar plates 12th exhibit a curvature around the transverse axis 22nd according to 4th as well as structures 42 for supplying and / or removing media.

Die Querschnittsansicht der miteinander verklebten gekrümmten Bipolarplatten 12 entspricht der Querschnittsansicht von 5, jedoch ist gemäß 6 ein Wölben der Bipolarplatten 12 durch die Krümmung der Bipolarplatten 12 unterbunden, so dass keine Schälkräfte an den Kanten der Bipolarplatten 12 am Klebstoff 20 wirken. Eine homogene Druckverteilung in der Brennstoffzellenanordnung 1 ist gewährleistet.The cross-sectional view of the curved bipolar plates bonded together 12th corresponds to the cross-sectional view of 5 , however, is in accordance with 6th a bulging of the bipolar plates 12th by the curvature of the bipolar plates 12th prevented, so that no peeling forces on the edges of the bipolar plates 12th on the adhesive 20th Act. A homogeneous pressure distribution in the fuel cell arrangement 1 is guaranteed.

7 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung 1. Zunächst wird eine gekrümmte Bipolarplatte 12 bereitgestellt, die zum Beispiel durch Pressen oder Walzen hergestellt wurde. Auf die gekrümmte Bipolarplatte 12 wird ein Klebstoff 20 aufgetragen, der auch als Dichtungsmaterial wirkt. Auf die den Klebstoff 20 aufweisende Bipolarplatte 12 wird eine weitere gekrümmte Bipolarplatte 12 aufgelegt, die auch bereits den Klebstoff 20 aufweisen kann. 7th shows a schematic representation of a method for producing a fuel cell arrangement 1 . First is a curved bipolar plate 12th provided, which has been produced, for example, by pressing or rolling. On the curved bipolar plate 12th becomes an adhesive 20th applied, which also acts as a sealing material. On the the glue 20th having bipolar plate 12th becomes another curved bipolar plate 12th laid up, which also already has the adhesive 20th may have.

Im Folgenden werden weitere gekrümmte Bipolarplatten 12 jeweils im Wechsel mit dem Klebstoff 20 gestapelt, so dass mehrere Brennstoffzellen 3 gebildet werden. Weitere von den Brennstoffzellen 3 umfasste Lagen wie Membran-Elektroden-Anordnungen oder Gasdiffusionslagen sind zur besseren Übersicht nicht dargestellt.The following are more curved bipolar plates 12th alternating with the adhesive 20th stacked so that multiple fuel cells 3rd are formed. More from the fuel cells 3rd included layers such as membrane electrode arrangements or gas diffusion layers are not shown for a better overview.

An den gestapelten gekrümmten Bipolarplatten 12 werden zwei gekrümmte Endplatten 5 angebracht, die durch Spannbänder 30 miteinander verbunden und verspannt werden können. Die gebildete Brennstoffzellenanordnung 1 ist um eine Querachse 22 und in Längsrichtung 24 gekrümmt.On the stacked curved bipolar plates 12th become two curved end plates 5 attached by tightening straps 30th can be connected and braced together. The formed fuel cell assembly 1 is around a transverse axis 22nd and lengthways 24 curved.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the range specified by the claims, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 19905564 C2 [0016]
WO 2004/102722 A2 [0017]

Claims

Fuel cell arrangement (1), comprising at least one fuel cell (3) and optionally at least one end plate (5), the at least one fuel cell (3) having an anode (7), a cathode (9), a membrane (11) and at least one bipolar plate (12) and wherein at least the at least one bipolar plate (12) is curved.

Fuel cell assembly (1) according to Claim 1 , characterized in that the at least one end plate (5) is curved.

Fuel cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the anode (7), the cathode (9) and the membrane (11) form a membrane-electrode unit and the membrane-electrode unit with the at least one bipolar plate (12) is cohesively connected, in particular by an adhesive (20).

Fuel cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one bipolar plate (12) and optionally the at least one end plate (5) are curved about a transverse axis (22).

Fuel cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one bipolar plate (12) and optionally the at least one end plate (5) with a radius (26) in a range from 0.1 to 1000 times a side length (13) of the at least one bipolar plate (12) are curved.

Fuel cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least 70% of a total area of the at least one bipolar plate (12) and optionally at least 70% of a total area of the at least one end plate (5) are curved.

Fuel cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one end plate (5) has a thickness (28) in a range from 2 mm to 20 mm.

Fuel cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell arrangement (1) has at least two end plates (5) and the at least two end plates (5) are connected to one another by tensioning straps (30).

Vehicle comprising a fuel cell arrangement (1) according to one of the Claims 1 to 8th .

Method for producing a fuel cell arrangement (1) according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the at least one bipolar plate (12) and optionally the at least one end plate (5) are curved by pressing and / or rolling and are stacked to form the fuel cell arrangement (1).