DE102022101387B4

DE102022101387B4 - Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel sowieBrennstoffzellen-Fahrzeug

Info

Publication number: DE102022101387B4
Application number: DE102022101387.1A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Rau; Markus RUF
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2022-01-21
Filing date: 2022-01-21
Publication date: 2024-06-06
Anticipated expiration: 2042-01-22
Also published as: DE102022101387A1

Abstract

Brennstoffzelle (2) mit einer Membran-Elektrodenanordnung (3) und dieser benachbarten Bipolarplatten (6), wobei den auf gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektrodenanordnung (3) angeordneten Bipolarplatten (6) auf den einander zuweisenden Seiten eine Mehrzahl von paarweise angeordneten, einander magnetisch anziehender Flächen (7) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch anziehenden Flächen (7) über die Fläche der Bipolarplatten (6) einschließlich der aktiven Fläche (8) verteilt sind und deren Verteilung zur Erzielung einer gleichmäßigen Verpresskraft über die aktive Fläche (8) der Bipolarplatten (6) gewählt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Membran-Elektrodenanordnung und dieser benachbarten Bipolarplatten, wobei den auf gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektrodenanordnung angeordneten Bipolarplatten auf den einander zuweisenden Seiten eine Mehrzahl von paarweise angeordneten, einander magnetisch anziehender Flächen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch anziehenden Flächen über die Fläche der Bipolarplatten einschließlich der aktiven Fläche verteilt sind und deren Verteilung zur Erzielung einer gleichmäßigen Verpresskraft über die aktive Fläche der Bipolarplatten gewählt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.
Brennstoffzellen dienen zur Bereitstellung elektrischer Energie durch eine elektrochemische Reaktion, wobei zur Erhöhung der nutzbaren Leistung mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst werden können. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran, die zur Förderung der elektrochemischen Reaktion mit einem Katalysator beschichtet ist. Des Weiteren sind in einem Brennstoffzellenstapel jeder Brennstoffzelle beidseits der Membran Bipolarplatten bereitgestellt zur Zuleitung der Reaktanten und gegebenenfalls eines Kühlmittels. Des weiteren werden Gasdiffusionsschichten eingesetzt, um die in den Bipolarplatten herangeführten Reaktanten möglichst gleichmäßig über die gesamte Fläche der mit dem Katalysator beschichteten Membran zu verteilen.
Diese Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen wird im Allgemeinen mithilfe von Zugelementen mit einer Kraft im Bereich mehrerer Tonnen verpresst, um einen ausreichenden Kontaktdruck an der katalysatorbeschichteten Membran zur Reduktion ohmscher Verluste zu erzielen und mittels der hohen Verpressung Undichtigkeiten eingesetzter Dichtungen zu vermeiden.
Zu beachten ist dabei allerdings, dass während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels Kräfte auftreten, die zu einer Steigerung oder Reduktion der Verpresskraft führen können. Die Steigerung der Verpresskraft wird verursacht durch eine Wärmeausdehnung der verwendeten Komponenten, durch den für die Zuführung und Verteilung der Reaktanten verwendeten Druck und durch ein Aufquellen der verwendeten Membran bei deren Hydratisierung.
Eine Reduktion der Verpresskraft kann erfolgen durch eine negative Wärmeausdehnung bei sinkenden oder niedrigen Temperaturen oder durch das Setzungsverhalten der Gasdiffusionschichten, das mit zunehmender Nutzungsdauer und damit Lebensalter des Brennstoffzellenstapels zunimmt.
Für die Verpressung mithilfe der Zugelemente sind in der Regel sehr schwere und dicke Endplatten erforderlich, die den Brennstoffzellenstapel an beiden Enden einfassen und als Lager für die Krafteinleitung dienen, wobei sich aber keine ideale Gleichverteilung der Kraft über die gesamte Fläche der Brennstoffzellen zwischen den Endplatten ergibt.
Aus der DE 10 2018 204 165 A1 ist es bekannt, eine Lithiumionen-Batterie mit ihrer Elektrodenanordnung und ein Verspannelement in ein formstabiles Außengehäuse einzubringen, wobei das Verspannelement ein magnetisches Expansionselement ist, das aus zwei sich abstoßenden magnetischen Platten besteht, die eine Druckausübung auf die Elektrodenanordnung mit der Gehäusewand als Gegenlager bewirken. In der DE 10 2019 218 755 A1 ist eine Membran-Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle beschrieben, bei der die Membran und die Elektrodenschichten an ihrem Umfang zumindest teilweise von einer magnetisierten Rahmenstruktur eingefasst sind, um beim Stapeln ein Verrutschen zu unterbinden. Die WO 2020/191999 A1 offenbart eine auf einem Permanentmagnet basierende umlaufende Dichtung für eine Bipolarplatte. Die KR 1020060019843 A zeigt ein Brennstoffzellensystem, bei dem in den Ecken von Separatorplatten außerhalb des aktiven Bereichs Magnetpaare angeordnet sind, um die Separatorplatten an der Peripherie abzudichten und zusammenzuhalten. Die nachveröffentlichten WO 2022 / 056 721 A1 zeigt gleichfalls am Rand von gegenüberliegenden Separatorplatten angeordnete Magnetpaare.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzelle so auszubilden, dass deren Eignung zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels verbessert ist. Aufgabe ist weiterhin, einen verbesserten Brennstoffzellenstapel sowie ein verbessertes Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruches 6 und durch ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle zeichnet sich durch eine gleichmäßige Krafteinleitung über die gesamte aktive Fläche aus, wobei eine erhöhte Effizienz durch geringe Kontaktwiderstände für alle Betriebszustände gegeben ist, da die wirkenden magnetischen Kräfte unter den gegebenen Rahmenbedingungen im Betrieb eine ausreichend große Verpresskraft sicherstellen.
Bevorzugt ist dabei, wenn die einander magnetisch anziehenden Flächen durch die Kombination eines Magneten mit entweder einem weiteren Magneten oder einem magnetischen Werkstoff gebildet sind. Es besteht damit die Möglichkeit, eine der Bipolarplatten mit einer magnetischen Schicht beziehungsweise Beschichtung zu versehen und gegenüberliegend einen Magneten anzuordnen. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit der Verwendung zweier Magneten, die einander anziehend angeordnet sind und so eine größere Kraft bereit stellen können.
Vorzugsweise ist die Verteilung der magnetisch anziehenden Flächen so gewählt, dass im Bereich der aktiven Fläche der Bipolarplatten eine andere Verpresskraft vorliegt als im Randbereich, insbesondere dass die Verpresskraft im Randbereich größer eingestellt ist, was die andauernde Dichtigkeit fördert.
Dabei besteht die Möglichkeit, dass die Größe der Verpresskraft durch die Stärke der Magnete und/oder durch deren Packungsdichte eingestellt ist.
Ein Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von derartigen Brennstoffzellen, bei dem eine Mehrzahl von Klammer über den Umfang des Brennstoffzellenstapels verteilt diesen zusammenhält, zeichnet sich durch einen geringen Packagebedarf, ein geringes Bauraumerfordernis aus, insbesondere da der Brennstoffzellenstapel frei von Endplatten gebildet werden kann, also die schweren und dicken Endplatten entbehrlich, was auch mit einer Reduktion der thermischen Masse verbunden ist. Es können größere Brennstoffzellen als Einzelzellen verwendet werden, so dass eine gegebene aktive Fläche mit weniger Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel erreicht werden kann. Die Klammern bilden ein neuartiges Verspannsystem, das nur am Rand wirksam ist.
Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer einen derartigen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung.
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.
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 schematische Darstellung einer Seitenansicht eines durch Klammern zusammengehaltenen Brennstoffzellenstapels,
2 eine Draufsicht auf den Brennstoffzellenstapel aus 1 mit den in Umfangsrichtung verteilten Klammern,
3 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte mit den randseitig angeordneten Headern für die Medienports, dem zwischen den Medienports ausgebildeten Flussfeld und den über die Fläche der Bipolarplatte verteilten Magneten, und
4 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle mit der zwischen zwei Bipolarplattenhälften angeordneten Membran-Elektrodeneinheit und den zugeordneten Magneten zur Erzeugung einer die Bipolarplattenhälften zusammendrückenden Kraft.

In der 1 ist schematisch ein Brennstoffzellenstapel 1 gezeigt, der aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen 2 besteht.
Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Membran-Elektrodenanordnung 3 mit einer Anode und einer Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise aus einem modifizierten Polytetrafluorethylen-(PTFE)-Grundgerüst, an dessen Seitenketten sich Sulfonsäuregruppen befinden, gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
Über Anodenräume 4 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H⁺) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e^-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H₂ → 4H⁺ + 4e^- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume 5 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
In jeder Brennstoffzelle 2 sind der Membran-Elektrodenanordnung 3 beidseitig benachbart Bipolarplatten 6 angeordnet (4). Den auf den gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektrodenanordnung 3 angeordneten Bipolarplatten 6 sind auf den einander zuweisenden Seiten eine Mehrzahl von paarweise angeordneten, einander magnetisch anziehender Flächen 7 zugeordnet, die der Erzeugung einer Verpresskraft dienen, die somit nicht nur über ein Verspannsystem erzeugt werden kann, sondern lokal eine zwischen den Bipolarplatten 6 wirkende Kraft bereit gestellt ist. Die Verteilung der magnetisch anziehenden Flächen 7 ist so gewählt, dass eine gleichmäßige Verpresskraft über die aktive Fläche 8 der Bipolarplatten 6 erzielt ist (3).
Die einander magnetisch anziehenden Flächen 7 können durch die Kombination eines Magneten 9 mit entweder einem weiteren Magneten 9 oder einem magnetischen Werkstoff gebildet sein.
Zu beachten ist weiterhin, dass die Verteilung der magnetisch anziehenden Flächen 7 so gewählt sein kann, dass im Bereich der aktiven Fläche 8 der Bipolarplatten 6 eine andere Verpresskraft vorliegt als im Randbereich 11, insbesondere dass die Verpresskraft im Randbereich 11 größer eingestellt ist, um so eine verbesserte Dichtwirkung zu erzielen.
Dabei kann die Größe der Verpresskraft durch die Stärke der Magnete 9 und/oder durch deren Packungsdichte eingestellt werden.
Bei einem Brennstoffzellenstapel 1 mit einer Mehrzahl von derartigen Brennstoffzellen 2 kann auf ein aufwändiges Verspannsystem verzichtet werden, indem eine Mehrzahl von Klammer 12 über den Umfang des Brennstoffzellenstapels 1 verteilt diesen zusammenhält. Es liegt also ein Synergieeffekt zwischen den Klammern 12 und den wirkenden Magneten 9 vor, der die Stabilität des Brennstoffzellenstapels 1 gewährleistet.
Zu beachten ist, dass dieser Brennstoffzellenstapel 1 frei von Endplatten gebildet sein kann, also die Endplatten mit dem erforderlichen Bauraum und dem erforderlichen Material eingespart werden können, da ein konventionelles Verspannsystem entfällt.
Die damit verbundenen Vorteile zeigen sich insbesondere bei der Verwendung einer einen derartigen Brennstoffzellenstapel 1 aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Brennstoffzellenstapel
2: Brennstoffzelle
3: Membran-Elektrodenanordnung
4: Anodenraum
5: Kathodenraum
6: Bipolarplatte
7: magnetisch anziehende Flächen
8: aktive Fläche
9: Magnet
10: magnetischer Werkstoff
11: Randbereich
12: Klammer

Claims

Brennstoffzelle (2) mit einer Membran-Elektrodenanordnung (3) und dieser benachbarten Bipolarplatten (6), wobei den auf gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektrodenanordnung (3) angeordneten Bipolarplatten (6) auf den einander zuweisenden Seiten eine Mehrzahl von paarweise angeordneten, einander magnetisch anziehender Flächen (7) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetisch anziehenden Flächen (7) über die Fläche der Bipolarplatten (6) einschließlich der aktiven Fläche (8) verteilt sind und deren Verteilung zur Erzielung einer gleichmäßigen Verpresskraft über die aktive Fläche (8) der Bipolarplatten (6) gewählt ist.
Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einander magnetisch anziehenden Flächen (7) durch die Kombination eines Magneten (9) mit entweder einem weiteren Magneten (9) oder einem magnetischen Werkstoff (10) gebildet sind.
Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der magnetisch anziehenden Flächen (7) so gewählt ist, dass im Bereich der aktiven Fläche (8) der Bipolarplatten (6) eine andere Verpresskraft vorliegt als im Randbereich (11).
Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verpresskraft im Randbereich (11) größer eingestellt ist.
Brennstoffzelle (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Verpresskraft durch die Stärke der Magnete (9) und/oder durch deren Packungsdichte eingestellt ist.
Brennstoffzellenstapel (1) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Klammer (12) über den Umfang des Brennstoffzellenstapels (1) verteilt diesen zusammenhält.
Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser frei von Endplatten gebildet ist.
Brennstoffzellen-Fahrzeug mit einer einen Brennstoffzellenstapel (2) nach einem der Ansprüche 5 bis 7 aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung.