DE102021206582A1 - Fuel cell stack with a large number of individual cells - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (1) mit einer Vielzahl von Einzelzellen, welche jeweils eine Membranelektrodenanordnung (2, 2`) und Bipolarplatten (3) aufweisen, wobei die Bipolarplatte (3) eine anodenseitige Hälfte, welcher der einen Membranelektrodenanordnung (2, 2`) zugewandt ist, und eine kathodenseitige Hälfte, welche der benachbarten Membranelektrodenanordnung (2, 2`) zugewandt ist, aufweisen, welche jeweils zur Zufuhr von Edukten und zur Abfuhr von Produkten ausgebildete durchströmbare Querschnitte aufweisen, und welche zwischen den Hälften durchströmbare Querschnitte für ein Kühlmedium aufweisen, ferner mit zwei Endplatten (5), zwischen welchen die Einzelzellen verspannt sind, wobei zwischen der jeweiligen Endplatte (5) und der dieser Endplatte (5) benachbarten Membranelektrodenanordnung (2') eine Zwischenplatte (4) angeordnet ist, wobei die Zwischenplatte (4) einen im Vergleich zu den Bipolarplatten (3) vergrößerten durchströmbaren Querschnitt für die Edukte und Produkte aufweist.Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplatte (4) einen im Vergleich zu den Bipolarplatten (3) verringerten durchströmbaren Querschnitt für das Kühlmedium aufweist.The invention relates to a fuel cell stack (1) with a large number of individual cells, each of which has a membrane electrode arrangement (2, 2`) and bipolar plates (3), the bipolar plate (3) having an anode-side half, which of the membrane electrode arrangements (2, 2` ) and a cathode-side half, which faces the adjacent membrane electrode arrangement (2, 2`), which each have cross-sections through which flow can take place for the supply of starting materials and for the removal of products, and which have cross-sections through which flow can take place between the halves for a cooling medium further having two end plates (5) between which the individual cells are braced, an intermediate plate (4) being arranged between the respective end plate (5) and the membrane electrode arrangement (2') adjacent to this end plate (5), the intermediate plate ( 4) compared to the bipolar plates (3), an enlarged cross-section through which the reactant can flow e and products. The invention is characterized in that the intermediate plate (4) has a reduced cross-section through which the cooling medium can flow in comparison to the bipolar plates (3).
Description
Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Einzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a fuel cell stack with a large number of individual cells of the type defined in more detail in the preamble of
Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Einzelzellen sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Die Einzelzellen werden typischerweise zwischen Endplatten, Druckbrillen oder dergleichen verspannt, um so den Stapel auszubilden. Jede der Einzelzellen umfasst dabei eine Membranelektrodenanordnung (MEA) sowie Bipolarplatten, deren eine Seite der einen Membranelektrodenanordnung und deren andere Seite der anderen Membranelektrodenanordnung zugewandt ist. Die Bipolarplatten bestehen meist aus zwei Hälften, welche auf der einen Oberfläche die Anodenseite bzw. die Kathodenseite der benachbarten Einzelzellen tragen und welche zwischen sich ein Strömungsfeld für Kühlmedium einschließen.Fuel cell stacks with a large number of individual cells are known from the prior art. The individual cells are typically clamped between end plates, pressure frames or the like in order to form the stack. Each of the individual cells comprises a membrane electrode assembly (MEA) and bipolar plates, one side of which faces one membrane electrode assembly and the other side faces the other membrane electrode assembly. The bipolar plates usually consist of two halves, which carry the anode side or the cathode side of the adjacent individual cells on one surface and which enclose a flow field for cooling medium between them.
Im Endbereich eines solchen Brennstoffzellenstapels, also wenn die Einzelzelle benachbart zu der Endplatte angeordnet ist, kann dieser Aufbau so nicht unmittelbar weitergeführt werden. Einerseits fällt hier die benachbarte Zelle weg und andererseits sind die thermischen Bedingungen hier anders als im mittleren Bereich des Stapels, da über die Endplatten vergleichsweise viel Wärme abgeführt wird, sodass die Endzellen des Brennstoffzellenstapels typischerweise kühler sind als die Zellen in der Mitte des Brennstoffzellenstapels, was zu einer Auskondensation von Produktwasser führen kann und für die Performance des Brennstoffzellenstapels nachteilig ist.In the end region of such a fuel cell stack, ie when the individual cell is arranged adjacent to the end plate, this construction cannot be continued directly in this way. On the one hand, the neighboring cell is omitted here and on the other hand, the thermal conditions here are different than in the middle of the stack, since a comparatively large amount of heat is dissipated via the end plates, so that the end cells of the fuel cell stack are typically cooler than the cells in the middle of the fuel cell stack, what can lead to condensation of product water and is disadvantageous for the performance of the fuel cell stack.
Die
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Auch dies ist in der Praxis für die Montage nicht ganz unkritisch, da unterschiedliche Materialien und ihre unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten innerhalb des Stapels ohnehin schon vergleichsweise komplex zu beherrschen sind, ohne die Dichtheit des Stapels zu verlieren. Zusätzliche Isolationsmaterialien vereinfachen den Aufbau des Brennstoffzellenstapels daher nicht wirklich.In practice, this is also not entirely uncritical for assembly, since different materials and their different thermal expansion coefficients within the stack are already comparatively complex to control without losing the tightness of the stack. Additional insulation materials therefore do not really simplify the construction of the fuel cell stack.
Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik kann auch auf die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen verbesserten Brennstoffzellenstapel anzugeben, welcher einen verbesserten Aufbau zur Bewältigung des Problems bei der ersten und letzten Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels ermöglicht.The object of the present invention is now to specify an improved fuel cell stack which enables an improved design for overcoming the problem with the first and last individual cell of the fuel cell stack.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Brennstoffzellenstapel nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention, this object is achieved by a fuel cell stack of the type defined in more detail in the preamble of
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es ähnlich wie im eingangs genannten Stand der Technik vorgesehen, dass im Bereich der ersten und letzten Einzelzelle eines Brennstoffzellenstapels eine Zwischenplatte eingesetzt wird, welche einen im Vergleich zu den Bipolarplatten, also denen der Einzelzellen in der Mitte des Brennstoffzellenstapels, einen vergrößerten durchströmbaren Querschnitt für die Edukte und die Produkte aufweist. Zusätzlich wird gemäß der Erfindung ein verringerter durchströmbarer Querschnitt für das Kühlmedium in einer solchen Platte realisiert. Die Zwischenplatte kann also letztlich analog ausgestaltet werden wie die Bipolarplatte. Sie kann aus zwei Hälften realisiert werden, wobei bei ihrem Einsatz als Zwischenplatte oder Interfaceplatte lediglich eines der Strömungsfelder mit Edukten/Produkten in Berührung kommt und die Kanäle für das Kühlmedium zwischen den beiden Hälften entsprechend durchströmt werden. Die nicht benötigte Hälfte liegt an der Endplatte an und stellt hier den elektrischen Kontakt der Einzelzellen zu den Endplatten bzw. einem mit desen verbundenen oder von diesen ausgebildeten Stromsammler sicher.In the solution according to the invention, similar to the prior art mentioned at the outset, an intermediate plate is used in the area of the first and last individual cell of a fuel cell stack, which compared to the bipolar plates, i.e. those of the individual cells in the middle of the fuel cell stack, has an enlarged cross-section through which the reactants and the products can flow. In addition, according to the invention, a reduced cross-section through which the cooling medium can flow is realized in such a plate. The intermediate plate can therefore ultimately be configured analogously to the bipolar plate. It can be realized in two halves, whereby when used as an intermediate plate or interface plate, only one of the flow fields comes into contact with educts/products and the channels for the cooling medium between the two halves flow through accordingly. The half that is not required rests against the end plate and here ensures the electrical contact of the individual cells to the end plates or to a current collector connected to them or formed by them.
Der entscheidende Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Aufbau liegt nun darin, dass die durchströmbaren Querschnitte für die Edukte und die Produkte entsprechend vergrößert werden, sodass der aus dem eingangs genannten Stand der Technik bereits bekannte Effekt einer größeren Wärmeproduktion in den jeweils ersten und letzten Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels erreicht wird. Gleichzeitig wird aber auch der Querschnitt für das Kühlmedium reduziert. Dies hat dabei zwei ganz entscheidende Vorteile. Einerseits wird durch die verringerte Menge des Kühlmediums die Abfuhr von Abwärme bei der jeweils ersten und letzten Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels verringert, was gemeinsam mit der erhöhten Zufuhr von Edukten zu dem positiven Effekt einer weniger starken Abkühlung der ersten und der letzten Einzelzelle führt. Andererseits ist es so, dass bei dem typischen Aufbau der Zwischenplatte, analog zu den Bipolarplatten mit den Kanälen für die Edukte/Produkte auf der einen Oberfläche und zumindest einen Teil der Kanäle für das Kühlmedium auf der anderen Oberfläche durch die Verringerung des Querschnitts der Kanäle für das Kühlmedium die Möglichkeit besteht, die Wandstärken zwischen den Kanälen für das Kühlmedium auf der einen Seite und den Kanälen für die Edukte/Produkte auf der anderen Seite weitgehend konstant zu halten, sodass keine mechanische Schwächung einer solchen Zwischenplatte gegenüber den üblicherweise eingesetzten Bipolarplatten auftritt.The decisive advantage of the structure according to the invention lies in the fact that the cross-sections through which the reactants and the products can flow are increased accordingly. so that the effect of greater heat production in the first and last individual cells of the fuel cell stack, which is already known from the prior art mentioned at the outset, is achieved. At the same time, however, the cross section for the cooling medium is also reduced. This has two very important advantages. On the one hand, the reduced amount of cooling medium reduces the dissipation of waste heat from the first and last individual cell of the fuel cell stack, which, together with the increased supply of reactants, leads to the positive effect of less severe cooling of the first and last individual cell. On the other hand, with the typical structure of the intermediate plate, analogous to the bipolar plates with the channels for the reactants/products on one surface and at least some of the channels for the cooling medium on the other surface, by reducing the cross section of the channels for the cooling medium it is possible to keep the wall thicknesses between the channels for the cooling medium on the one hand and the channels for the reactants/products on the other side largely constant, so that no mechanical weakening of such an intermediate plate occurs compared to the bipolar plates that are usually used.
Der Aufbau kann insgesamt also so realisiert werden, dass die Zwischenplatte, gemäß einer sehr vorteilhafter Ausgestaltung, dieselben äußeren Abmessungen wie die Bipolarplatten aufweist, was hinsichtlich des Stapelns des Brennstoffzellenstapels von ganz entscheidendem Vorteil ist.The overall structure can therefore be realized in such a way that the intermediate plate, according to a very advantageous embodiment, has the same external dimensions as the bipolar plates, which is a very decisive advantage with regard to the stacking of the fuel cell stack.
Dementsprechend kann es dann auch vorgesehen sein, dass alle Strömungsquerschnitte in der Zwischenplatte im Vergleich zu den Bipolarplatten vergrößert oder verkleinert sind, sodass also insgesamt eine homogene Verteilung der Größenänderungen über alle verfügbaren Strömungsquerschnitte der Platte erfolgt und eben nicht nur einzelne Bereiche verändert werden. Dies führt zu einer weiterhin sehr homogenen Verteilung der Medien einerseits und einer aus den oben bereits beschriebenen Gründen hohen mechanischen Stabilität der Platte andererseits führt. Der Aufbau kann insgesamt dieselben äußeren Abmessungen haben, wie die Bipolarplatte, was oben schon als besonders günstige Ausführungsvariante erwähnt worden ist.Accordingly, it can then also be provided that all flow cross sections in the intermediate plate are enlarged or reduced in comparison to the bipolar plates, so that overall there is a homogeneous distribution of the size changes over all available flow cross sections of the plate and not just individual areas are changed. This leads to a continued very homogeneous distribution of the media on the one hand and high mechanical stability of the plate for the reasons already described above on the other hand. Overall, the structure can have the same external dimensions as the bipolar plate, which has already been mentioned above as a particularly favorable embodiment variant.
Die Zwischenplatte selbst kann dabei vorzugsweise, und auch dies ist oben ja bereits angedeutet worden, eine kathodenseitige und eine anodenseitige Hälfte aufweisen, also im Wesentlichen analog zu der Bipolarplatte aufgebaut sein. Dies macht dann zwar besondere Werkzeuge für die beiden Hälften der Zwischenplatte erforderlich, erlaubt es aber, die Zwischenplatten am einen Ende des Stapels und am anderen Ende des Stapels gleich auszuführen und lediglich entsprechend mit der anodenseitigen Hälfte einerseits und der kathodenseitigen Hälfte andererseits mit den Endplatten zu kontaktieren, sodass der Gesamtaufwand hinsichtlich der Werkzeuge immer noch überschaubar bleibt.The intermediate plate itself can preferably, and this has also already been indicated above, have a cathode-side and an anode-side half, that is to say it can be constructed essentially analogously to the bipolar plate. Although this then requires special tools for the two halves of the intermediate plate, it allows the intermediate plates to be designed identically at one end of the stack and at the other end of the stack and only to be connected accordingly with the anode-side half on the one hand and the cathode-side half on the other hand with the end plates contact us so that the overall effort in terms of tools remains manageable.
Die Strömungsquerschnitte können sich dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung vorzugsweise sowohl in der Breite als auch in der Höhe von durchströmbaren Kanälen für Edukte und Produkte vergrößern als auch sowohl in der Höhe und der Breite für durchströmbare Kanäle für das Kühlmedium entsprechend verringern. Die gleichmäßige Verteilung der Vergrößerung bzw. Verringerung der durchströmbaren Querschnitte in dem in beide im Querschnitt vorliegenden Dimensionen die Vergrößerung oder Verringerung stattfindet, erhält die Gesamtgeometrie der Platte bezüglich der Verteilung der Medien weitgehend gleich und kann zur homogenen Verteilung der Medien und einer mechanisch weiterhin hoch belastbaren Platte beitragen.According to an extraordinarily advantageous development, the flow cross-sections can preferably increase both in the width and in the height of channels through which reactants and products can flow, and correspondingly decrease both in height and width for channels through which the cooling medium can flow. The uniform distribution of the enlargement or reduction of the cross-sections through which the flow takes place, in which the enlargement or reduction takes place in both dimensions present in the cross-section, keeps the overall geometry of the plate largely the same with regard to the distribution of the media and can lead to a homogeneous distribution of the media and a mechanically still highly resilient contribute plate.
Typischerweise haben solche Platten einen Übergangsbereich mit einer offenen Noppen umfassenden Strömungsverteilstruktur. In diesem Bereich kann es nun vorgesehen sein, dass nur die Höhe des durchströmbaren Querschnitts vergrößert wird, um die in diesem Bereich, im Vergleich zu den Stegen zwischen den Kanälen relativ weit beabstandet voneinander angeordneten Noppen nicht unnötig zu schwächen und die mechanische Belastung nicht zu sehr in eine Punktbelastung bei der Berührung der benachbarten Membranelektrodenanordnung zu verändern. Dies könnte nämlich zu einem übermäßigen Einsinken des typischerweise relativ flexiblen Materials der Gasdiffusionslage der Membranelektrodenanordnung, welche benachbart zu den Strömungsfeldern liegt, begünstigen. Diese Variante, bei welcher der Querschnitt der einzelnen Noppen also nicht verändert wird, dient auch dazu, die Tragfähigkeit des Aufbaus nicht zu gefährden.Typically, such plates have a transition area with a flow distribution structure comprising open nubs. In this area it can now be provided that only the height of the cross-section through which flow can take place is increased in order not to unnecessarily weaken the nubs arranged relatively far apart from one another in this area in comparison to the webs between the channels and not to excessively weaken the mechanical load into a point load when touching the adjacent membrane electrode assembly. Namely, this could encourage excessive subsidence of the typically relatively flexible material of the gas diffusion layer of the membrane electrode assembly that lies adjacent to the flow fields. This variant, in which the cross-section of the individual knobs is not changed, also serves to ensure that the load-bearing capacity of the structure is not endangered.
Sowohl die Bipolarplatten als auch die Zwischenplatten können vorzugsweise in der gleichen Herstellungstechnologie realisiert werden. Sie können dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels als sogenannte Graphit-Platten ausgebildet sein, welche aus einem aushärtenden Harz mit einem elektrisch leitenden Füllstoff, welcher meist in Form von Graphit gewählt wird, hergestellt sein.Both the bipolar plates and the intermediate plates can preferably be realized using the same manufacturing technology. According to an extraordinarily favorable development of the fuel cell stack according to the invention, they can be designed as so-called graphite plates, which are made from a hardening resin with an electrically conductive filler, which is usually selected in the form of graphite.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.Further advantageous configurations of the fuel cell stack according to the invention also result from the exemplary embodiment, which is illustrated in more detail below with reference to the figures.
Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellenstapels; -
2 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte/Zwischenplatte; -
3 eine Schnittdarstellung des Bereichs III-III in2 ; -
4 eine Schnittdarstellung des Bereichs IV-IV in2 ; -
5 eine Schnittdarstellung des Bereichs V-V in2 ; und -
6 eine Schnittdarstellung des Bereichs VI-VI in2 .
-
1 a schematic representation of the structure of a fuel cell stack; -
2 a plan view of a bipolar plate / intermediate plate; -
3 a sectional view of area III-III in2 ; -
4 a sectional view of area IV-IV in2 ; -
5 a sectional view of the area VV in2 ; and -
6 a sectional view of area VI-VI in2 .
In der Darstellung der
Die Bipolarplatten 3 sind nun im Wesentlichen so aufgebaut, wie es sich schematisch in einer Draufsicht auf eine solche Bipolarplatte 3 in der Darstellung der
Dieser Aufbau kann nun bei den Bipolarplatten 3 und bei den Zwischenplatten 4 grundsätzlich identisch aufgebaut sein. Der einzige Unterschied besteht nun darin, dass die durchströmbaren Querschnitte der einzelnen Bereiche unterschiedlich realisiert sind. In den folgenden
In der
Der entscheidende Designaspekt ist nun durch die gestrichelten Linien angedeutet. Diese symbolisieren den mit (3) gekennzeichneten Aufbau, wie er bei einer herkömmlichen Bipolarplatte 3 wäre. Im Gegensatz dazu ist nun sowohl die Breite als auch die Tiefe bzw. Höhe der Kanäle 7, 20 sowohl in der anodenseitigen Hälfte 42 als auch in der kathodenseitigen Hälfte 41 entsprechend vergrößert. Hierdurch kann mehr Edukt zu der jeweiligen Membranelektrodenanordnung geführt werden. Gleichzeitig ist der durchströmbare Querschnitt der Kanäle 16 für das Kühlmedium entsprechend verringert, indem sowohl die Breite als auch die Höhe bzw. Tiefe der Kühlmedienkanäle 16 gegenüber dem gestrichelt eingezeichneten Aufbau bei einer herkömmlichen Bipolarplatte 3 verringert wird. Hierdurch wird also einerseits eine vermehrte Versorgung der durch die in Stapelrichtung erste und letzte Membranelektrodenanordnung 2` gebildeten Einzelzelle mit Edukten auf der jeweils der Endplatte 5 zugewandten Seite dieser Membranelektrodenanordnung 2' erreicht. Gleichzeitig wird durch die geringeren durchströmbaren Querschnitte der Kanäle 16 für das Kühlmedium die Kühlung verringert, sodass insgesamt der vermehrten Wärmeabfuhr von dieser letzten Zwischenplatte 4 durch ihren unmittelbaren Kontakt mit der Endplatte 5 Rechnung getragen wird. Durch die veränderte Geometrie der Strömungsquerschnitte sowohl für die Edukte/Produkte als auch für das Kühlmedium kann so ein entscheidender Vorteil erzielt werden.The crucial design aspect is now indicated by the dashed lines. These symbolize the structure marked (3) as it would be in a conventional
In der Darstellung der
Insgesamt lässt sich so ein homogener Betrieb aller Einzelzellen in dem Brennstoffzellenstapel 1 gewährleisten, sodass also auch die den beiden Endplatten 5 zugewandte erste und letzte Einzelzelle weitgehend homogen im Vergleich zu den anderen Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels betrieben werden können.Overall, homogeneous operation of all individual cells in the
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- DE 102006015247 A1 [0005]DE 102006015247 A1 [0005]
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