EP1328995A2 - Fuel cell stack - Google Patents

Fuel cell stack

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EP1328995A2
EP1328995A2 EP01985304A EP01985304A EP1328995A2 EP 1328995 A2 EP1328995 A2 EP 1328995A2 EP 01985304 A EP01985304 A EP 01985304A EP 01985304 A EP01985304 A EP 01985304A EP 1328995 A2 EP1328995 A2 EP 1328995A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
separator plate
cell stack
electrochemical cell
separator
stack according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01985304A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Jörg BECKMANN
Gustav Böhm
Ottmar Schmid
Markus Schudy
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ballard Power Systems Inc
Original Assignee
Ballard Power Systems Inc
DaimlerChrysler AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Ballard Power Systems Inc, DaimlerChrysler AG filed Critical Ballard Power Systems Inc
Publication of EP1328995A2 publication Critical patent/EP1328995A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to an electrochemical cell stack, in particular a PEM or D FC fuel cell stack or an electrolytic cell stack, according to the preamble of patent claim 1.
  • Electrolysis cells are electrochemical units that contain chemical substances, e.g. Generate hydrogen and oxygen on the catalytic surfaces of electrodes by supplying electrical energy.
  • Fuel cells are electrochemical units that generate electrical energy by converting chemical energy onto catalytic surfaces of electrodes.
  • Main types of electrochemical cells include:
  • the cathode comprises at least one electrode support layer, which serves as a support for the catalyst.
  • anode electrode on which the oxidation reaction takes place through the release of electrons.
  • the anode consists of at least one support layer and catalyst layer.
  • a matrix which is arranged between the cathode and anode and serves as a carrier for the electrolyte.
  • the electrolyte can be in the solid or liquid phase and as a gel.
  • the solid phase electrolyte is advantageously incorporated into a matrix, so that a so-called solid electrolyte is formed.
  • MEA membrane electrode assemblies
  • a separator plate which is arranged between the MEAs and serves to collect reactants and oxidants in electrochemical cells.
  • an electrolysis stack or fuel cell stack is created, hereinafter also referred to as a stack.
  • the electrical current is routed from cell to cell in a series circuit.
  • the fluid management of the oxidants and reactants takes place via collecting and distribution channels to the individual cells.
  • the cells of a stack are e.g. supplied with the reactant and oxidant fluid in parallel by means of at least one distributor channel for each fluid.
  • the reaction products as well as excess reactant and oxidant fluid are led out of the cells out of the stack by means of at least one collecting channel.
  • a fuel cell stack for molten carbonate fuel cells (MCFC, molten carbonate fuel cell) is disclosed. These fuel cells can only be used in the high temperature range (approx. 650 ° C).
  • a separator plate for fluid distribution is also disclosed. The separator plate is produced by embossing a flat plate and has a surface structure for distributing the oxidant on one side and a negative surface on the other side. Chen structure for distribution of the reactant.
  • the MEA is arranged between the separator plates, the electrolyte contained in the MEA being made relatively thick compared to comparable fuel cell stacks. Due to this very stable structure of the MEA, the so-called egg carton effect is avoided.
  • the egg carton effect is understood to mean the effect in which two identically structured plates fall into one another in a form-fitting manner when they are stacked on top of one another.
  • the high cell thickness of the fuel cells is disadvantageous due to the relatively large thickness of the MEAs.
  • the object of the invention is to provide an electrochemical cell stack in a compact design with a small cell thickness, in which the intermediate MEAs are not destroyed by the egg carton effect by stacking the separator plates.
  • the separator plates when the separator plates are stacked, a surface structure of a separator plate is opposite to a negatively corresponding surface structure of the adjacent separator plate.
  • the structured separator plates do not fall into each other when stacked, but support each other in such a way that a flat MEA arranged in between is neither deformed nor destroyed.
  • destruction of the MEA by the egg carton effect is prevented when stacked.
  • Another advantage of the electrochemical cell stack according to the invention is the significantly reduced cell thickness and, associated with this, a more compact design.
  • an improved volume-related power density is achieved with the electrochemical cell stack according to the invention, which leads to lower production costs of the cell stack according to the invention.
  • Such a membrane electrode assembly comprises: a membrane, for example a polymer membrane, with a thickness in the range from 10 to 200 ⁇ m,
  • a catalyst layer applied to both sides of the MEA e.g. Carbonca with a thickness in the range of 5-15 ⁇ m
  • a gas diffusion structure applied to the catalyst layer e.g. porous graphite paper with a thickness in the range of 50-500 ⁇ m.
  • the areal extension of an MEA is usually based on the size of the separator plate, in particular the MEA completely covers the separator plate.
  • the electrode built up from the catalyst layer and the gas diffusion layer serves as a cathode on one side of the MEA and as an a-node on the other side of the MEA.
  • the cell thickness and thus the production costs of the cell stack can be significantly reduced.
  • the separator plates are preferably made from conductive materials such as metals (e.g. steel or aluminum), conductive plastics, carbon or compounds.
  • the separator plates are manufactured in particular with the help of mechanical forming techniques, e.g. Roll embossing, magnetic forming, rubber case embossing, gas or liquid pressure embossing, or hollow embossing. The manufacturing costs can thus be reduced.
  • the wall thickness of a separator plate is usually between 0.1 mm and 0.5 mm.
  • the area of the separator plate to be embossed depends on the area of application in which the electrochemical cell stack is used.
  • an active channel region which is usually arranged centrally on the separator plate and in which the fluid comes into contact with the MEA; - Breakthroughs for the ports, which serve to feed and discharge the reactant and oxidant fluids into the separator plate;
  • the electrode built up from the catalyst layer and the gas diffusion layer is advantageously applied to the membrane in the region of the active channel region of the separator plate. However, it is also possible that this electrode is also applied to the membrane in the area of the distributor area of the separator plate. This results in a larger active catalytic surface, which results in a greater volume-related power density of the cell stack according to the invention. However, it is also possible for the electrode built up from the catalyst layer and the gas diffusion layer to cover the entire area of the MEA.
  • the distributor area of the separator plates has a knob structure.
  • a good and homogeneous distribution of the fluids is achieved by means of the essentially circular knobs. This results in an even flow through the active channel area.
  • the maximum height of the knobs advantageously corresponds to the maximum height of the channel structure of the active channel area.
  • the distributor areas of the separator plate can form a separate component, for example a further plate.
  • This component can advantageously have a knob structure.
  • the separate component can consist, for example, of a metal, a polymer, a polymer-metal composite material or a ceramic.
  • the connection of the separate component to the separator plate can be carried out using conventional connection techniques, for example welding, gluing, soldering or bending.
  • An advantage of the separate component is to integrate other distributor structures in the separator plate, so that an improved distribution of the fluids can be achieved.
  • the separator plate advantageously has sealing areas on both sides.
  • sealing areas In addition to sealing the separator plates to one another and to the outside, these sealing areas also serve to seal individual areas on a separator plate, for example the sealing of adjacent ports.
  • the sealing areas are characterized by channel-like depressions which are filled with sealing bodies.
  • the depressions are arranged in such a way that the sealing bodies, one above the other, separated by the separator plate.
  • the height of the sealing body is preferably greater than the maximum height of the channel-like depressions. A good sealing effect is thus achieved when the separator plates are stacked.
  • the sealing areas it is also possible for the sealing areas to be formed by other sealing techniques, for example crimping with an intermediate insulation layer or casting with hardening substances, for example polymers.
  • the force exerted on the sealing bodies advantageously runs essentially perpendicular to the separator plate and perpendicular to the sealing bodies. This avoids shear and shear stresses within the sealing body, which on the one hand results in a longer service life of the sealing body and on the other hand results in a better sealing effect. It also prevents the MEA from being destroyed.
  • the separator plate has, in particular in the port areas, channel-shaped depressions. Due to the flow guidance on the sides of the separator plate, each of the ports is completely sealed on one of the two sides of the separator plate, for example with a seal surrounding the port.
  • These channel-like depressions are designed such that a channel-like guide is formed on one side, in which a sealing body can be inserted. On the other side facing away from the seal, this corresponding elevation serves as a support point for the MEA.
  • the height of the depression should correspond to the maximum height of the depressions in the active channel area and distribution area. The advantage of these support points is that the MEA is not destroyed when the separator plates are stacked.
  • the sealing bodies can in particular be detachable seals, for example an O-ring or polymer compound, so that the separator plate remains reusable, for example after the seals have been replaced. It is also possible for the sealing bodies to be applied to the MEA as a sealing bead. This means that the MEAs can be replaced quickly.
  • a homogeneous temperature distribution can be achieved with the separator plate in the electrochemical cell stack according to the invention. This avoids the formation of “hot spots” (areas of high temperature) which destroy the MEA.
  • the cell stack according to the invention can be used up to a temperature of 150 ° C.
  • One area of application of the fuel cell stack according to the invention is energy supply in mobile systems, e.g. Motor vehicle, rail vehicles, airplanes. Another possible application of the fuel cell stack according to the invention is the use in electronic devices for energy supply. In addition, the fuel cell stack according to the invention can also be used as an independent energy generation module.
  • FIG. 1 shows the structure of the electrochemical cell stack according to the invention for an overview and explanation of the overall structure
  • FIG. 2 shows a section through a fuel cell stack according to the invention in the region of the active channel region
  • 3 shows a section through a fuel cell stack according to the invention in the area of the distributor area
  • 4 shows in detail the port area, the active channel area, the distributor area and the sealing area in a first embodiment of a separator plate in a fuel cell stack according to the invention
  • FIG. 5 shows in detail a second embodiment of a separator plate with a serpentine channel structure of the active channel area.
  • FIG. 1 shows in the left-hand illustration a fuel cell stack 1 according to the invention, which is alternately constructed from separator plates 2 and 2a and membrane electrode assemblies 3 (MEA).
  • the right figure shows the structure of a separator plate 2 of the stack.
  • the separator plates 2 and 2a denote adjacent plates, the opposite sides of the two plates having a positive and a correspondingly negative structure.
  • an MEA 3 located between a separator plate 2 and a separator plate 2a is not damaged.
  • the stack 1 also has end plates 4 which allow the fuel cell stack 1 to be braced.
  • two lines 5, 6 are provided for fluid supply and fluid discharge of the reaction gases.
  • the plates 9 made of electrically conductive material are used for power consumption. However, the current draw can also take place directly via the separator plates 2.
  • the reactant is passed over one side of the separator plate 2 and the oxidant over the back.
  • the separator plate 2, 2a with surfaces structured on both sides has four openings (ports) 10 for the lines 5, 6 for fluid supply and discharge. Furthermore, a structure for the active channel region 11 is present on both sides of the separator plate 2, 2a. A distributor region 12 is provided for distributing the fluids from the ports 10 to the active channel region 11. The two fluids, reactant and oxidant, are sealed to the outside and to one another by seals 13.
  • FIG. 2 shows in a section through a fuel cell stack according to the invention the area of the active channel area 11 in an exploded view according to FIG the section AA in FIG. 4.
  • the fuel cell stack 1 which is alternately composed of structured separator plates 2 and 2a and intermediate MEAs 3, is delimited by end plates 4.
  • the active channel area 11 of a separator plate 2, 2a is characterized by channel-like reshaping that follows one another directly. These reshaping can be rectangular or undulating, for example.
  • the anode 15 is arranged on one side of the MEA 4 and the cathode 16 on the back of the MEA 3.
  • the area of the anode 15 and the area of the cathode 16 can also be extended to the sealing area 14 (not shown).
  • the porous electrode layer is impregnated in the sealing area 14, which prevents cross-flow of the fluids.
  • the MEA 3 arranged between a separator plate 2 and a separator plate 2a rests on one side on the surface structure of the separator plate 2 and on the back on the corresponding negative surface structure of the adjacent separator plate 2a. This ensures that, on the one hand, the stacking of the separator plates 2 and 2a does not destroy the intermediate MEA 3. On the other hand, the stacking forms cavities 21 in which the oxidant is guided on one side of the MEA 3 and the reactant on the back of the MEA 3.
  • the active channel area 11 is delimited by a sealing area 14 at the edges of the separator plates 2, 2a.
  • the sealing area 14, which is shown enlarged in the upper section in FIG. 2, is characterized by two adjacent deformations. These deformations are carried out on both surfaces of the separator plate 2, 2a up to a maximum height. This maximum height is predetermined by the height of the active channel area 11 and the distribution area 12. A region is formed between these two deformations, in which a sealing body 13 can be inserted on both sides of the separator plate 2, 2a.
  • the sealing structure of an adjacent separator plate 2, 2a has one Sealing area 14 with corresponding negatively corresponding deformations, so that the intermediate MEA 3 is not destroyed when the separator plates 2 and 2a are stacked.
  • the intermediate MEA 3 is fixed on the one hand with the aid of the sealing body 13 and, on the other hand, the active channel region 11 is sealed off from the outside.
  • the end plates 4, corresponding to the respectively adjacent separator plate 2 or 2a, have negatively corresponding deformations. These deformations are expediently carried out exclusively on the surface of the end plate 4 facing the inside of the stack.
  • FIG. 3 shows an exploded view of a section through a fuel cell stack according to the invention in accordance with section B-B in FIG. 4, the distributor area 12 with an adjacent sealing area 14.
  • the structure of the sealing area 14 corresponds to the structure of the sealing area 14 in FIG. 2.
  • the distributor area 12 is characterized by essentially circular shapes (knobs) which are arranged on both sides of the separator plate 2, 2a.
  • the height of the knobs corresponds to the maximum height of the channel structure of the active channel area. The distances between the knobs depends on the amount of the fluid to be passed through the distributor area 12. A homogeneous distribution of the fluids to the active channel region 11 is achieved by means of the knobs.
  • FIG 4 shows, by way of example, in a first embodiment of a separator plate 2, 2a in detail the port area 10, the active channel area 11, the distributor areas 12 and the sealing area 14.
  • the separator plate 2 two openings for the ports 10a and the ports 10b are made opposite each other.
  • the ports 10a are used for the fluid supply and the ports 10b for the fluid discharge.
  • Egg- One of the two ports 10a for fluid supply supplies the channel system (distributor area 12 and active channel area 11) on one side of the separator plate 2, whereas the other of the two ports 10a supplies the channel system on the rear side of the separator plate 2.
  • Section A-A shows the active channel area 11 with the adjacent sealing area 14.
  • the active channel region 14 is characterized by an alternating surface structure, a depression on one surface of the separator plate corresponding to an elevation on the back of the separator plate.
  • the distributor area 12 with the adjacent sealing area 14 is shown in section BB.
  • Crosspieces are arranged between the deformations (knobs) of a surface of the separator plate.
  • the distributor area 12 is characterized by an essentially regular arrangement of deformations, adjacent deformations pointing in opposite directions (top, bottom).
  • the maximum height of the knobs corresponds to the maximum height of the channel structure of the active channel area 11.
  • the sealing area 14, which delimits the ports 10a, 10b, is shown in section C-C.
  • the sealing area 14 is characterized by guides that lie opposite one another on both sides of the separator plate. A sealing body can be inserted on both sides of these guides. This ensures that when the separator plates are stacked, the force exerted on the separator plate and the sealing bodies runs perpendicular to the separator plate and the sealing bodies.
  • the guides are limited on both surfaces by reshaping the separator plate, which fixes the sealing body. The height of the reshaping corresponds to the maximum height of the channel structure of the active channel area 11 and the distributor area 12.
  • the two ports 10a and the two ports 10b are sealed off from one another on both sides of the separator plate.
  • one of the two ports 10a is in flow connection with one of the two ports 10b.
  • the other ports 10a and 10b are through on this side of the separator plate Seal body fully sealed.
  • these ports 10a and 10b - these ports are sealed on the opposite side of the separator plate - are in flow connection.
  • the other ports 10a and 10b on this side of the separator plate are completely sealed by sealing bodies.
  • Each port 10a, 10b is thus sealed on exactly one side of the separator plate.
  • support points 24 On the other side of the separator plate facing away from the seal there are support points 24 which prevent the MEA from being pressed in. Pressing in the MEA means a narrowing of the flow cross-section in the channel structure, which can lead to an uneven distribution of the fluids.
  • These support points 24 are shown in section D-D and section E-E by way of example for one of the two ports 10a.
  • Section D-D shows that in the port area 10 the support points 24 are only present on the lower side of the separator plate.
  • Section E-E shows the detailed course of the guide for the sealing body on the upper surface of the separator plate.
  • Section F-F and section G-G show the course of the support points 24 for the other of the two ports 10a.
  • the transformations carried out are negatively corresponding to the transformations in section D-D and section E-E.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a separator plate 2.
  • the active channel region 11 is designed in a serpentine shape.
  • the ports 10 for the fluid supply and fluid discharge are arranged at two opposite corners of the separator plate 2.
  • the ports 10 are sealed off from one another in accordance with the explanations as explained in FIG. 4.

Abstract

The invention relates to an fuel cell stack, comprising alternately arranged membrane-electrode units (3) and separator plates (2, 2a) for the introduction and removal of the reactant and oxidative fluid, whereby the separator plate (2, 2a) has a surface structure and the opposing face has the negative surface structure, by means of a stamping process. According to the invention, on stacking the separator plates (2, 2a), the surface structure of a separator plate (2) is opposite the corresponding negative surface structure of the adjacent separator plate (2a).

Description

Elektrochemischer ZellenstapelElectrochemical cell stack
Die Erfindung betrifft einen elektrochemischen Zellenstapel, insbesondere einen PEM- oder D FC-Brennstoffzellenstapel oder einen Elektrolysezellenstapel, nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to an electrochemical cell stack, in particular a PEM or D FC fuel cell stack or an electrolytic cell stack, according to the preamble of patent claim 1.
Elektrolysezellen sind elektrochemische Einheiten, die chemische Substanzen, wie z.B. Wasserstoff und Sauerstoff an katalytischen Oberflächen von Elektroden unter Zuführung von elektrischer Energie erzeugen. Brennstoffzellen sind elektrochemi- sehe Einheiten, die elektrische Energie mittels Umsetzung von chemischer Energie an katalytischen Oberflächen von Elektroden erzeugen.Electrolysis cells are electrochemical units that contain chemical substances, e.g. Generate hydrogen and oxygen on the catalytic surfaces of electrodes by supplying electrical energy. Fuel cells are electrochemical units that generate electrical energy by converting chemical energy onto catalytic surfaces of electrodes.
Elektrochemische Zellen dieser Art umfassen folgenden Hauptkomponenten:Main types of electrochemical cells include:
- eine Kathodenelektrode, an der durch Zugabe von Elektronen die Reduktionsreaktion stattfindet. Die Kathode umfasst mindestens eine Elektrodenträgerschicht, die als Träger für den Katalysator dient.- A cathode electrode on which the reduction reaction takes place by adding electrons. The cathode comprises at least one electrode support layer, which serves as a support for the catalyst.
- eine Anodenelektrode, an der die Oxidationsreaktion durch Abgabe von Elektronen stattfindet. Die Anode besteht ebenso wie die Kathode aus mindestens einer Trägerschicht und Katalysatorschicht.- An anode electrode on which the oxidation reaction takes place through the release of electrons. Like the cathode, the anode consists of at least one support layer and catalyst layer.
- eine Matrix, die zwischen Kathode und Anode angeordnet ist und als Träger für den Elektrolyten dient. Der Elektrolyt kann in fester oder flüssiger Phase sowie als Gel vorliegen. Vorteilhaft wird der Elektrolyt in fester Phase in eine Matrix eingebunden, so dass ein sogenannter Festelektrolyt entsteht. Diese drei, oben aufgeführten Komponenten werden auch als Membran-Elektroden- Einheit (MEA), wobei auf einer Seite der Matrix die Kathodenelektrode und auf der anderen Seite die Anodenelektrode aufgebracht ist.- A matrix, which is arranged between the cathode and anode and serves as a carrier for the electrolyte. The electrolyte can be in the solid or liquid phase and as a gel. The solid phase electrolyte is advantageously incorporated into a matrix, so that a so-called solid electrolyte is formed. These three components listed above are also used as membrane electrode assemblies (MEA), the cathode electrode being applied to one side of the matrix and the anode electrode being applied to the other side.
- eine Separatorplatte, die zwischen den MEAs angeordnet ist und zur Reaktanten- und Oxidantensammlung in elektrochemischen Zellen dient.- A separator plate, which is arranged between the MEAs and serves to collect reactants and oxidants in electrochemical cells.
- Dichtelemente, die sowohl eine Vermischung der Fluide in den elektrochemischen Zellen verhindern, als auch ein Austreten der Fluide aus der Zelle zur Umgebung verhindern.- Sealing elements which both prevent mixing of the fluids in the electrochemical cells and also prevent the fluids from escaping from the cell to the environment.
Werden Elektrolysezellen oder Brennstoffzellen aufeinander gestapelt, so entsteht ein Elektrolysestapel oder Brennstoffzellenstapel, im weiteren auch als Stapel bezeichnet. Hierbei verläuft die elektrische Stromführung in einer Reihenschaltung von Zelle zu Zelle. Das Fluid-Management des Oxidanten und Reaktanten erfolgt über Sammel- und Verteilerkanäle zu den einzelnen Zellen. In elektrochemischen Zellen werden die Zellen eines Stapels z.B. parallel mittels mindestens jeweils eines Vertei- lerkanals für jedes Fluid mit dem Reaktant- und Oxidant-Fluid versorgt. Die Reaktionsprodukte sowie überschüssiges Reaktant- und Oxidant-Fluid werden aus den Zellen mittels mindestens jeweils eines Sammelkanals aus dem Stapel geführt.If electrolysis cells or fuel cells are stacked on top of one another, an electrolysis stack or fuel cell stack is created, hereinafter also referred to as a stack. The electrical current is routed from cell to cell in a series circuit. The fluid management of the oxidants and reactants takes place via collecting and distribution channels to the individual cells. In electrochemical cells, the cells of a stack are e.g. supplied with the reactant and oxidant fluid in parallel by means of at least one distributor channel for each fluid. The reaction products as well as excess reactant and oxidant fluid are led out of the cells out of the stack by means of at least one collecting channel.
Zur wirtschaftlichen Verwendung von Elektrolysezellen oder Brennstoffzellen für mo- bile Anwendungen müssen für vergleichbare Leistungsgrößen die Gestehungskosten von Verbrennungsmotoren erreicht werden. Da zum Betrieb von mobilen Systemen mit Elektromotoren Zellenstapel mit einer Vielzahl von Zellen (> 300 Stück) benötigt werden, sind geringe Stückkosten der Zellkomponenten wichtig. Die Stückkosten umfassen sowohl Material- und Herstellkosten.For the economical use of electrolysis cells or fuel cells for mobile applications, the prime costs of internal combustion engines have to be achieved for comparable output sizes. Since cell stacks with a large number of cells (> 300 pieces) are required to operate mobile systems with electric motors, low unit costs of the cell components are important. The unit costs include both material and manufacturing costs.
In US 6,040,076 wird ein Brennstoffzellenstapel für Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC, molten carbonate fuel cell) offenbart. Diese Brennstoffzellen sind ausschließlich im Hochtemperaturbereich (ca. 650°C) einsetzbar. Es ist weiterhin eine Separatorplatte zur Fluidverteilung offenbart. Die Separatorplatte ist durch Prägen ei- ner ebenen Platte hergestellt und weist auf einer Seite eine Oberflächenstruktur zur Verteilung des Oxidanten und auf der anderen Seite eine hierzu negative Oberflä- chenstruktur zur Verteilung des Reaktanten auf. Die MEA ist zwischen den Separatorplatten angeordnet, wobei der in der MEA enthaltene Elektrolyt gegenüber vergleichbaren Brennstoffzellenstapel relativ dick ausgeführt ist. Aufgrund dieses sehr stabilen Aufbaus der MEA wird der sogenannte Eierkarton-Effekt vermieden. Unter dem Eierkarton-Effekt wird der Effekt verstanden, bei dem zwei identisch strukturierte Platten formschlüssig ineinander fallen, wenn sie übereinander gestapelt werden. Nachteilig ist jedoch die hohe Zelldicke der Brennstoffzellen, aufgrund der relativ großen Dicke der MEAs.In US 6,040,076 a fuel cell stack for molten carbonate fuel cells (MCFC, molten carbonate fuel cell) is disclosed. These fuel cells can only be used in the high temperature range (approx. 650 ° C). A separator plate for fluid distribution is also disclosed. The separator plate is produced by embossing a flat plate and has a surface structure for distributing the oxidant on one side and a negative surface on the other side. Chen structure for distribution of the reactant. The MEA is arranged between the separator plates, the electrolyte contained in the MEA being made relatively thick compared to comparable fuel cell stacks. Due to this very stable structure of the MEA, the so-called egg carton effect is avoided. The egg carton effect is understood to mean the effect in which two identically structured plates fall into one another in a form-fitting manner when they are stacked on top of one another. However, the high cell thickness of the fuel cells is disadvantageous due to the relatively large thickness of the MEAs.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrochemischen Zellenstapel in kompakter Bauart mit geringer Zelldicke zu schaffen, bei dem durch Stapeln der Separatorplatten die zwischenliegenden MEAs durch den Eierkarton-Effekt nicht zerstört werden.The object of the invention is to provide an electrochemical cell stack in a compact design with a small cell thickness, in which the intermediate MEAs are not destroyed by the egg carton effect by stacking the separator plates.
Diese Aufgabe wird durch den elektrochemischen Zellenstapels gemäß Patentan- spruch 1 gelöst. Besondere Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.This object is achieved by the electrochemical cell stack according to patent claim 1. Particular embodiments of the invention are the subject of dependent claims.
Erfindungsgemäß liegt beim Stapeln der Separatorplatten eine Oberflächenstruktur einer Separatorplatte einer negativ korrespondierenden Oberflächenstruktur der be- nachbarten Separatorplatte gegenüber. Somit fallen die strukturierten Separatorplatten beim Stapeln nicht ineinander, sondern stützen sich gegenseitig derart ab, dass eine ebene, dazwischen angeordnete MEA weder verformt noch zerstört wird. Somit wird in dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellenstapel beim Stapeln eine Zerstörung der MEA durch den Eierkarton-Effekt verhindert. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellenstapels ist die wesentlich reduzierte Zellendicke und damit verbunden, eine kompaktere Bauart. Darüber hinaus wird mit dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellenstapel eine verbesserte volumenbezogene Leistungsdichte erzielt, was zu geringeren Gestehungskosten des erfindungsgemäßen Zellenstapels führt.According to the invention, when the separator plates are stacked, a surface structure of a separator plate is opposite to a negatively corresponding surface structure of the adjacent separator plate. Thus, the structured separator plates do not fall into each other when stacked, but support each other in such a way that a flat MEA arranged in between is neither deformed nor destroyed. Thus, in the electrochemical cell stack according to the invention, destruction of the MEA by the egg carton effect is prevented when stacked. Another advantage of the electrochemical cell stack according to the invention is the significantly reduced cell thickness and, associated with this, a more compact design. In addition, an improved volume-related power density is achieved with the electrochemical cell stack according to the invention, which leads to lower production costs of the cell stack according to the invention.
In dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellenstapel können MEAs mit geringer Dicke eingesetzt werden. Eine solche Membran-Elektroden-Einheit umfasst: - eine Membran, z.B. eine Polymermembran, mit einer Dicke im Bereich von 10- 200 μm,MEAs with a small thickness can be used in the electrochemical cell stack according to the invention. Such a membrane electrode assembly comprises: a membrane, for example a polymer membrane, with a thickness in the range from 10 to 200 μm,
- eine beiderseits auf der MEA aufgebrachte Katalysatorschicht z.B. Carbonca mit einer Dicke im Bereich von 5-15 μm,a catalyst layer applied to both sides of the MEA e.g. Carbonca with a thickness in the range of 5-15 μm,
- ein auf die Katalysatorschicht aufgebrachte Gasdiffusionsstruktur z.B. poröses Graphitpapier mit einer Dicke im Bereich von 50-500 μm.a gas diffusion structure applied to the catalyst layer e.g. porous graphite paper with a thickness in the range of 50-500 μm.
Die flächenhafte Ausdehnung einer MEA richtet sich üblicherweise nach der Größe der Separatorplatte, insbesondere überdeckt die MEA die Separatorplatte vollständig.The areal extension of an MEA is usually based on the size of the separator plate, in particular the MEA completely covers the separator plate.
Die aus der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht aufgebaute Elektrode dient auf einer Seite der MEA als Kathode und auf der anderen Seite der MEA als A- node. Es ergeben sich hieraus MEAs mit einer Dicke kleiner als 1 mm, welche keine starre Oberfläche aufweisen. Dadurch kann die Zellendicke und somit die Gestehungskosten des Zellenstapels wesentlich reduziert werden. Daraus ergibt sich ein weiterer Vorteil hinsichtlich einer Erhöhung der volumenbezogenen Leistungsdichte des elektrochemischen Zellenstapels.The electrode built up from the catalyst layer and the gas diffusion layer serves as a cathode on one side of the MEA and as an a-node on the other side of the MEA. This results in MEAs with a thickness of less than 1 mm, which have no rigid surface. As a result, the cell thickness and thus the production costs of the cell stack can be significantly reduced. This results in a further advantage in terms of increasing the volume-related power density of the electrochemical cell stack.
Die Separatorplatten werden bevorzugt aus leitfähigen Werkstoffen wie Metallen (z.B. Stahl oder Aluminium), leitfähigen Kunststoffen, Kohlenstoffen oder Compounds gefertigt. Die Herstellung der Separatorplatten erfolgt insbesondere mit Hilfe mechanischer Umformungstechniken, z.B. Rollprägen, magnetisch Umformen, Gummikofferprägen, Gas- oder Flüssigkeitsdruckprägen, oder Hohlprägen. Somit können die Fertigungskosten reduziert werden. Die Wandstärke einer Separatorplatte beträgt üblicherweise zwischen 0,1 mm und 0,5 mm. Die Fläche der zu prägenden Separa- torplatte richtet sich nach dem Anwendungsgebiet, in dem der elektrochemische Zellenstapel eingesetzt wird.The separator plates are preferably made from conductive materials such as metals (e.g. steel or aluminum), conductive plastics, carbon or compounds. The separator plates are manufactured in particular with the help of mechanical forming techniques, e.g. Roll embossing, magnetic forming, rubber case embossing, gas or liquid pressure embossing, or hollow embossing. The manufacturing costs can thus be reduced. The wall thickness of a separator plate is usually between 0.1 mm and 0.5 mm. The area of the separator plate to be embossed depends on the area of application in which the electrochemical cell stack is used.
Die Separatorplatte umfasst vorteilhaft:The separator plate advantageously comprises:
- einen üblicherweise zentral auf der Separatorplatte angeordneten aktiven Kanal- bereich, in dem das Fluid mit der MEA in Kontakt kommt; - Durchbrechungen für die Ports, welche der Zu- und Abführung des Reaktant- und Oxidant-Fluids in die Separatorplatte dienen;an active channel region, which is usually arranged centrally on the separator plate and in which the fluid comes into contact with the MEA; - Breakthroughs for the ports, which serve to feed and discharge the reactant and oxidant fluids into the separator plate;
- Verteilerbereiche zur Beeinflussung der Fluidverteilung von den Portbereichen zu dem aktiven Kanalbereich.- Distribution areas for influencing the fluid distribution from the port areas to the active channel area.
Die aus der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht aufgebaute Elektrode ist vorteilhaft im Bereich des aktiven Kanalbereichs der Separatorplatte auf die Membran aufgebracht. Es ist aber auch möglich, dass diese Elektrode auch im Bereich des Verteilerbereichs der Separatorplatte auf die Membran aufgebracht wird. Dadurch er- gibt sich eine größere aktive katalytische Fläche, was eine größere volumenbezogene Leistungsdichte des erfindungsgemäßen Zellenstapels zur Folge hat. Es ist a- ber auch möglich, dass die aus der Katalysatorschicht und der Gasdiffusionsschicht aufgebaute Elektrode die gesamte Fläche der MEA überdeckt.The electrode built up from the catalyst layer and the gas diffusion layer is advantageously applied to the membrane in the region of the active channel region of the separator plate. However, it is also possible that this electrode is also applied to the membrane in the area of the distributor area of the separator plate. This results in a larger active catalytic surface, which results in a greater volume-related power density of the cell stack according to the invention. However, it is also possible for the electrode built up from the catalyst layer and the gas diffusion layer to cover the entire area of the MEA.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Verteilerbereich der Separatorplatten eine Noppenstruktur auf. Mittels der im wesentlichen kreisförmigen Noppen wird eine gute und homogene Verteilung der Fluide erreicht. Dadurch kommt es zu einem gleichmäßigen Durchströmen des aktiven Kanalbereichs. Die maximale Höhe der Noppen entspricht vorteilhaft der maximalen Höhe der Kanalstruktur des aktiven Kanalbereichs.In a preferred embodiment of the invention, the distributor area of the separator plates has a knob structure. A good and homogeneous distribution of the fluids is achieved by means of the essentially circular knobs. This results in an even flow through the active channel area. The maximum height of the knobs advantageously corresponds to the maximum height of the channel structure of the active channel area.
Die Verteilerbereiche der Separatorplatte können in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein separates Bauteil, z.B. eine weitere Platte bilden. Dieses Bauteil kann vorteilhaft eine Noppenstruktur aufweisen. Das separate Bauteil kann z.B. aus einem Metall, einem Polymer, einem Polymer-Metallverbundmaterial oder einer Keramik bestehen. Die Verbindung des separaten Bauteils mit der Separatorplatte kann durch übliche Verbindungstechniken, z.B. Schweißen, Kleben, Löten oder Umbiegen erfolgen. Ein Vorteil des separaten Bauteils ist, andere Verteilerstrukturen in die Separatorplatte zu integrieren, so dass eine verbesserte Verteilung der Fluide erzielt werden kann. Die Separatorplatte weist auf beiden Seiten vorteilhaft Dichtungsbereiche auf. Diese Dichtungsbereiche dienen neben der Abdichtung der Separatorplatten untereinander und nach außen auch zur Abdichtung einzelnen Bereiche auf einer Separatorplatte, z.B. die Abdichtung benachbarter Ports. Die Dichtungsbereiche zeichnen sich durch kanalartig eingeprägte Vertiefungen aus, die mit Dichtungskörpern ausgefüllt sind. Die Vertiefungen sind hierbei derart angeordnet, dass die Dichtungskörper, getrennt durch die Separatorplatte, übereinander liegen. Die Höhe der Dichtungskörper ist bevorzugt größer als die maximale Höhe der kanalartig eingeprägten Vertiefungen. Somit wird beim Stapeln der Separatorplatten eine guter Dichtungseffekt erzielt. Es ist aber auch möglich, dass die Dichtungsbereiche durch andere Dichttechniken, z.B. Bördeln mit Isolationszwischenschicht oder Vergießen mit aushärtenden Stoffen, z.B. Polymeren gebildet wird.In a further preferred embodiment of the invention, the distributor areas of the separator plate can form a separate component, for example a further plate. This component can advantageously have a knob structure. The separate component can consist, for example, of a metal, a polymer, a polymer-metal composite material or a ceramic. The connection of the separate component to the separator plate can be carried out using conventional connection techniques, for example welding, gluing, soldering or bending. An advantage of the separate component is to integrate other distributor structures in the separator plate, so that an improved distribution of the fluids can be achieved. The separator plate advantageously has sealing areas on both sides. In addition to sealing the separator plates to one another and to the outside, these sealing areas also serve to seal individual areas on a separator plate, for example the sealing of adjacent ports. The sealing areas are characterized by channel-like depressions which are filled with sealing bodies. The depressions are arranged in such a way that the sealing bodies, one above the other, separated by the separator plate. The height of the sealing body is preferably greater than the maximum height of the channel-like depressions. A good sealing effect is thus achieved when the separator plates are stacked. However, it is also possible for the sealing areas to be formed by other sealing techniques, for example crimping with an intermediate insulation layer or casting with hardening substances, for example polymers.
Beim Stapeln der Separatorplatten verläuft die auf die Dichtungskörper ausgeübte Kraft vorteilhaft im wesentlichen senkrecht zur Separatorplatte und senkrecht zu den Dichtungskörpern. Somit werden Schub- und Scherspannungen innerhalb der Dichtungskörper vermieden, wodurch sich einerseits eine längere Lebensdauer der Dichtungskörper und andererseits ein besserer Dichtungseffekt ergibt. Außerdem wird somit eine Zerstörung der MEA vermieden.When the separator plates are stacked, the force exerted on the sealing bodies advantageously runs essentially perpendicular to the separator plate and perpendicular to the sealing bodies. This avoids shear and shear stresses within the sealing body, which on the one hand results in a longer service life of the sealing body and on the other hand results in a better sealing effect. It also prevents the MEA from being destroyed.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindungen weist die Separatorplatte, insbesondere in den Portbereichen, kanalartig eingeprägte Vertiefungen. Jeder der Ports wird, bedingt durch die Strömungsführung auf den Seiten der Separatorplatte, jeweils auf einer der beiden Seiten der Separatorplatte vollständig abgedichtet, z.B. mit einer den Port umlaufenden Dichtung. Diese kanalartig eingeprägten Vertiefungen sind derart ausgeführt, dass auf der einen Seite eine kanalartige Führung ausgebildet wird, in der ein Dichtungskörper eingelegt werden kann. Auf der anderen, dichtungsabgewandten Seite dient diese korrespondierende Erhöhung als Abstützstelle für die MEA. Die Höhe der Vertiefung sollte der maximalen Höhe der Vertiefun- gen im aktiven Kanalbereich und Verteilerbereich entsprechen. Der Vorteil dieser Abstützstellen ist, dass die MEA beim Stapeln der Separatorplatten nicht zerstört wird. Die Dichtungskörper können insbesondere lösbare Dichtungen, z.B. O-Ring oder Polymermasse sein, so dass z.B. nach Auswechseln der Dichtungen die Separatorplatte wiederverwendbar bleibt. Es ist auch möglich, dass die Dichtkörper als Dichtraupe auf die MEA aufgebracht werden. Dadurch kann ein schnelles Auswech- sein der MEAs erreicht werden.In a further advantageous embodiment of the inventions, the separator plate has, in particular in the port areas, channel-shaped depressions. Due to the flow guidance on the sides of the separator plate, each of the ports is completely sealed on one of the two sides of the separator plate, for example with a seal surrounding the port. These channel-like depressions are designed such that a channel-like guide is formed on one side, in which a sealing body can be inserted. On the other side facing away from the seal, this corresponding elevation serves as a support point for the MEA. The height of the depression should correspond to the maximum height of the depressions in the active channel area and distribution area. The advantage of these support points is that the MEA is not destroyed when the separator plates are stacked. The sealing bodies can in particular be detachable seals, for example an O-ring or polymer compound, so that the separator plate remains reusable, for example after the seals have been replaced. It is also possible for the sealing bodies to be applied to the MEA as a sealing bead. This means that the MEAs can be replaced quickly.
Neben den bereits beschriebenen Vorteilen kann mit der Separatorplatte in dem erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellenstapel eine homogene Temperaturverteilung erreicht werden. Dadurch kann eine Bildung von „Hot Spots" (Bereiche hoher Temperatur), welche eine Zerstörung der MEA bewirken, vermieden werden. Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Zellenstapel bis zu einer Temperatur von 150°C eingesetzt werden.In addition to the advantages already described, a homogeneous temperature distribution can be achieved with the separator plate in the electrochemical cell stack according to the invention. This avoids the formation of “hot spots” (areas of high temperature) which destroy the MEA. In addition, the cell stack according to the invention can be used up to a temperature of 150 ° C.
Ein Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist die Ener- gieversorgung in mobilen Systemen, z.B. Kraftfahrzeug, Schienenfahrzeuge, Flugzeuge. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist der Einsatz in elektronischen Geräten zur Energieversorgung. Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel auch als eigenständiges Energieerzeugungsmodul verwendet werden.One area of application of the fuel cell stack according to the invention is energy supply in mobile systems, e.g. Motor vehicle, rail vehicles, airplanes. Another possible application of the fuel cell stack according to the invention is the use in electronic devices for energy supply. In addition, the fuel cell stack according to the invention can also be used as an independent energy generation module.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher beschrieben. Es zeigen:The invention is described in more detail below with reference to figures. Show it:
Fig. 1 den Aufbau des erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellenstapels zur Ü- bersicht und Erläuterung des Gesamtaufbaus,1 shows the structure of the electrochemical cell stack according to the invention for an overview and explanation of the overall structure,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel im Bereich des aktiven Kanalbereichs,2 shows a section through a fuel cell stack according to the invention in the region of the active channel region,
Fig. 3 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel im Be- reich des Verteilerbereichs, Fig. 4 in Detaildarstellung den Portbereich, den aktiven Kanalbereich, den Verteilerbereich sowie den Dichtungsbereich in einer ersten Ausführung einer Separatorplatte in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel,3 shows a section through a fuel cell stack according to the invention in the area of the distributor area, 4 shows in detail the port area, the active channel area, the distributor area and the sealing area in a first embodiment of a separator plate in a fuel cell stack according to the invention,
Fig. 5 in Detaildarstellung eine zweite Ausführung einer Separatorplatte mit einer serpentinenförmigen Kanalstruktur des aktiven Kanalbereichs.5 shows in detail a second embodiment of a separator plate with a serpentine channel structure of the active channel area.
Fig. 1 zeigt in der linken Abbildung einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel 1 , der abwechselnd aus Separatorplatten 2 und 2a und Membran-Elektroden-Einheiten 3 (MEA) aufgebaut ist. Die rechte Abbildung zeigt die Struktur einer Separatorplatte 2 des Stapels. Die Separatorplatten 2 und 2a bezeichnen benachbarte Platten, wobei die sich gegenüberliegenden Seiten der beiden Platten eine positive und eine korrespondierend negative Struktur aufweisen. Somit wird eine zwischen ei- ner Separatorplatte 2 und einer Separatorplatte 2a befindliche MEA 3 nicht beschädigt wird. Der Stapel 1 verfügt darüber hinaus über Endplatten 4, die ein Verspannen des Brennstoffzellenstapels 1 ermöglichen. Weiterhin sind je zwei Leitungen 5, 6 zur Fluidzuführung und Fluidabführung der Reaktionsgase vorgesehen. Die Platten 9 aus elektrisch leitfähigem Material dienen der Stromabnahme. Die Stromabnahme kann aber auch direkt über die Separatorplatten 2 erfolgen. Im Betrieb wird in dieser Ausführung über die eine Seite der Separatorplatte 2 der Reaktant und über die Rückseite der Oxidant geleitet.1 shows in the left-hand illustration a fuel cell stack 1 according to the invention, which is alternately constructed from separator plates 2 and 2a and membrane electrode assemblies 3 (MEA). The right figure shows the structure of a separator plate 2 of the stack. The separator plates 2 and 2a denote adjacent plates, the opposite sides of the two plates having a positive and a correspondingly negative structure. Thus, an MEA 3 located between a separator plate 2 and a separator plate 2a is not damaged. The stack 1 also has end plates 4 which allow the fuel cell stack 1 to be braced. Furthermore, two lines 5, 6 are provided for fluid supply and fluid discharge of the reaction gases. The plates 9 made of electrically conductive material are used for power consumption. However, the current draw can also take place directly via the separator plates 2. In operation, in this embodiment the reactant is passed over one side of the separator plate 2 and the oxidant over the back.
Die Separatorplatte 2, 2a mit beidseitig strukturierten Flächen weist vier Durchbrüche (Ports) 10 für die Leitungen 5, 6 zur Fluidzuführung und Fluidabführung auf. Weiterhin ist auf beiden Seiten der Separatorplatte 2, 2a eine Struktur für den aktiven Kanalbereich 11 vorhanden. Zur Verteilung der Fluide von den Ports 10 zu dem aktiven Kanalbereich 11 ist ein Verteilerbereich 12 vorgesehen. Die beiden Fluide, Reaktant und Oxidant werden nach außen und gegeneinander durch Dichtungen 13 abge- dichtet.The separator plate 2, 2a with surfaces structured on both sides has four openings (ports) 10 for the lines 5, 6 for fluid supply and discharge. Furthermore, a structure for the active channel region 11 is present on both sides of the separator plate 2, 2a. A distributor region 12 is provided for distributing the fluids from the ports 10 to the active channel region 11. The two fluids, reactant and oxidant, are sealed to the outside and to one another by seals 13.
Fig. 2 zeigt in einem Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel den Bereich des aktiven Kanalbereichs 11 in einer explodierten Darstellung gemäß dem Schnitt A-A in Fig. 4. Der abwechselnd aus strukturierten Separatorplatten 2 und 2a sowie zwischenliegenden MEAs 3 aufgebaute Brennstoffzellenstapel 1 ist durch Endplatten 4 begrenzt. Der aktive Kanalbereich 11 einer Separatorplatte 2, 2a zeichnet sich durch direkt aufeinanderfolgende kanalartige Umformungen aus. Diese Umformungen können z.B. rechteckförmig oder wellenförmig ausgebildet sein..2 shows in a section through a fuel cell stack according to the invention the area of the active channel area 11 in an exploded view according to FIG the section AA in FIG. 4. The fuel cell stack 1, which is alternately composed of structured separator plates 2 and 2a and intermediate MEAs 3, is delimited by end plates 4. The active channel area 11 of a separator plate 2, 2a is characterized by channel-like reshaping that follows one another directly. These reshaping can be rectangular or undulating, for example.
Im Bereich des aktiven Kanalbereichs 11 ist auf einer Seite der MEA 4 die Anode 15 und auf der Rückseite der MEA 3 die Kathode 16 angeordnet. Es ist aber auch möglich den Bereich der Anode 15 und den Bereich der Kathode 16 auf den Verteilerbe- reich der Sammel- und Verteilerkanäle 12 auszuweiten (Fig. 3). Des weiteren kann der Bereich der Anode 15 und der Bereich der Kathode 16 auch auf den Dichtungsbereich 14 ausgeweitet werden (nicht dargestellt). Die poröse Elektrodenschicht wird im Dichtungsbereich 14 imprägniert, wodurch eine Querströmung der Fluide verhindert wird.In the area of the active channel area 11, the anode 15 is arranged on one side of the MEA 4 and the cathode 16 on the back of the MEA 3. However, it is also possible to extend the area of the anode 15 and the area of the cathode 16 to the distribution area of the collecting and distribution channels 12 (FIG. 3). Furthermore, the area of the anode 15 and the area of the cathode 16 can also be extended to the sealing area 14 (not shown). The porous electrode layer is impregnated in the sealing area 14, which prevents cross-flow of the fluids.
Die zwischen einer Separatorplatte 2 und einer Separatorplatte 2a angeordnete MEA 3 liegt auf einer Seite auf der Oberflächenstruktur der Separatorplatte 2 und auf der Rückseite auf der korrespondierenden negativen Oberflächenstruktur der benachbarten Separatorplatte 2a auf. Somit ist gewährleistet, dass zum einen durch die Sta- pelung der Separatorplatten 2 und 2a die zwischenliegende MEA 3 nicht zerstört wird. Zum anderen werden durch die Stapelung Hohlräume 21 gebildet, in denen auf einer Seite der MEA 3 der Oxidant und auf der Rückseite der MEA 3 der Reaktant geführt wird.The MEA 3 arranged between a separator plate 2 and a separator plate 2a rests on one side on the surface structure of the separator plate 2 and on the back on the corresponding negative surface structure of the adjacent separator plate 2a. This ensures that, on the one hand, the stacking of the separator plates 2 and 2a does not destroy the intermediate MEA 3. On the other hand, the stacking forms cavities 21 in which the oxidant is guided on one side of the MEA 3 and the reactant on the back of the MEA 3.
An den Rändern der Separatorplatten 2, 2a ist der aktive Kanalbereich 11 durch einen Dichtungsbereich 14 begrenzt. Der Dichtungsbereich 14, der im oberen Ausschnitt in Fig. 2 vergrößert dargestellt ist, zeichnet sich durch zwei benachbarte Umformungen aus. Diese Umformungen sind auf beiden Flächen der Separatorplatte 2, 2a jeweils bis zu einer maximalen Höhe ausgeführt. Diese maximale Höhe ist durch die Höhe des aktiven Kanalbereichs 11 und des Verteilerbereichs 12 vorgegeben. Zwischen diesen beiden Umformungen ist ein Bereich ausgebildet, in dem auf beiden Seiten der Separatorplatte 2, 2a ein Dichtungskörper 13 eingelegt werden kann. Die Dichtungsstruktur einer benachbarten Separatorplatte 2, 2a weist einen Dichtungsbereich 14 mit entsprechend negativ korrespondierenden Umformungen auf, so dass bei der Stapelung der Separatorplatten 2 und 2a die zwischenliegende MEA 3 nicht zerstört wird.The active channel area 11 is delimited by a sealing area 14 at the edges of the separator plates 2, 2a. The sealing area 14, which is shown enlarged in the upper section in FIG. 2, is characterized by two adjacent deformations. These deformations are carried out on both surfaces of the separator plate 2, 2a up to a maximum height. This maximum height is predetermined by the height of the active channel area 11 and the distribution area 12. A region is formed between these two deformations, in which a sealing body 13 can be inserted on both sides of the separator plate 2, 2a. The sealing structure of an adjacent separator plate 2, 2a has one Sealing area 14 with corresponding negatively corresponding deformations, so that the intermediate MEA 3 is not destroyed when the separator plates 2 and 2a are stacked.
Durch die Stapelung der Separatorplatten 2, 2a wird mit Hilfe der Dichtungskörper 13 die dazwischenliegende MEA 3 zum einen fixiert und zum anderen der aktive Kanalbereich 11 nach außen abgedichtet.By stacking the separator plates 2, 2a, the intermediate MEA 3 is fixed on the one hand with the aid of the sealing body 13 and, on the other hand, the active channel region 11 is sealed off from the outside.
Die Endplatten 4 weisen entsprechend der jeweils benachbarten Separatorplatte 2 o- der 2a negativ korrespondierende Umformungen auf. Zweckmäßig sind diese Umformungen ausschließlich auf der, dem Stapelinneren zugewandten Fläche der Endplatte 4 ausgeführt.The end plates 4, corresponding to the respectively adjacent separator plate 2 or 2a, have negatively corresponding deformations. These deformations are expediently carried out exclusively on the surface of the end plate 4 facing the inside of the stack.
Fig. 3 zeigt in einer explodierten Darstellung einen Schnitt durch einen erfindungs- gemäßen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Schnitt B-B in Fig. 4 den Verteilerbereich 12 mit angrenzendem Dichtungsbereich 14. Die Struktur des Dichtungsbereichs 14 entspricht der Struktur des Dichtungsbereichs 14 in Fig. 2.3 shows an exploded view of a section through a fuel cell stack according to the invention in accordance with section B-B in FIG. 4, the distributor area 12 with an adjacent sealing area 14. The structure of the sealing area 14 corresponds to the structure of the sealing area 14 in FIG. 2.
Der Verteilerbereich 12 zeichnet sich durch im wesentlichen kreisförmigen Umfor- mungen (Noppen) aus, welche auf beiden Seiten der Separatorplatte 2, 2a angeordnet sind. Die Höhe der Noppen entspricht der maximalen Höhe der Kanalstruktur des aktiven Kanalbereichs. Die Abstände der Noppen untereinander richtet sich nach der Menge des durch den Verteilerbereich 12 durchzusetzenden Fluids. Mittels der Noppen wird eine homogene Verteilung der Fluide zu dem aktiven Kanalbereich 11 er- reicht.The distributor area 12 is characterized by essentially circular shapes (knobs) which are arranged on both sides of the separator plate 2, 2a. The height of the knobs corresponds to the maximum height of the channel structure of the active channel area. The distances between the knobs depends on the amount of the fluid to be passed through the distributor area 12. A homogeneous distribution of the fluids to the active channel region 11 is achieved by means of the knobs.
Fig. 4 zeigt beispielhaft in einer ersten Ausführung einer Separatorplatte 2, 2a in Detaildarstellung den Portbereich 10, den aktiven Kanalbereich 11 , die Verteilerbereiche 12 sowie den Dichtungsbereich 14.4 shows, by way of example, in a first embodiment of a separator plate 2, 2a in detail the port area 10, the active channel area 11, the distributor areas 12 and the sealing area 14.
In der Separatorplatte 2 sind, jeweils gegenüberliegend, je zwei Durchbrechungen für die Ports 10a und die Ports 10b ausgeführt. Bei Gegenstromführung der Fluide dienen z.B. die Ports 10a der Fluidzuführung und die Ports 10b der Fluidabführung. Ei- ner der beiden Ports 10a zur Fluidzuführung versorgt das Kanalsystem (Verteilerbereich 12 und aktiver Kanalbereich 11) auf einer Seite der Separatorplatte 2, wohingegen der andere der beiden Ports 10a das Kanalsystem der Rückseite der Separatorplatte 2 versorgt.In the separator plate 2, two openings for the ports 10a and the ports 10b are made opposite each other. When the fluids are countercurrent, the ports 10a are used for the fluid supply and the ports 10b for the fluid discharge. Egg- One of the two ports 10a for fluid supply supplies the channel system (distributor area 12 and active channel area 11) on one side of the separator plate 2, whereas the other of the two ports 10a supplies the channel system on the rear side of the separator plate 2.
In Schnitt A-A ist der aktive Kanalbereich 11 mit dem angrenzenden Dichtungsbereich 14 dargestellt. Der aktive Kanalbereich 14 zeichnet sich durch eine alternierende Oberflächenstruktur aus, wobei eine Vertiefung auf der einen Fläche der Separatorplatte einer Erhöhung auf der Rückseite der Separatorplatte entspricht.Section A-A shows the active channel area 11 with the adjacent sealing area 14. The active channel region 14 is characterized by an alternating surface structure, a depression on one surface of the separator plate corresponding to an elevation on the back of the separator plate.
Der Verteilerbereich 12 mit dem angrenzendem Dichtungsbereich 14 ist in Schnitt B- B dargestellt. Zwischen den Umformungen (Noppen) einer Fläche der Separatorplatte sind Stege angeordnet. Der Verteilerbereich 12 zeichnet sich durch eine im wesentlichen regelmäßige Anordnung von Umformungen aus, wobei benachbarte Umformungen in entgegengesetzte Richtungen (oben, unten) weisen. Die maximale Höhe der Noppen entspricht der maximalen Höhe der Kanalstruktur des aktiven Kanalbereichs 11.The distributor area 12 with the adjacent sealing area 14 is shown in section BB. Crosspieces are arranged between the deformations (knobs) of a surface of the separator plate. The distributor area 12 is characterized by an essentially regular arrangement of deformations, adjacent deformations pointing in opposite directions (top, bottom). The maximum height of the knobs corresponds to the maximum height of the channel structure of the active channel area 11.
Der Dichtungsbereich 14, der die Ports 10a, 10b begrenzt, ist in Schnitt C-C abgebil- det. Der Dichtungsbereich 14 zeichnet sich durch Führungen aus, die sich auf beiden Seiten der Separatorplatte gegenüberliegenden. In diesen Führungen kann beidseitig ein Dichtungskörper eingelegt werden. Somit wird gewährleistet, dass beim Stapeln der Separatorplatten auf die Separatorplatte und die Dichtungskörper ausgeübte Kraft, senkrecht zur Separatorplatte und den Dichtungskörpern verläuft. Die Führun- gen werden auf beiden Flächen durch Umformungen der Separatorplatte begrenzt, wodurch eine Fixierung der Dichtungskörper erreicht wird. Die Höhe der Umformungen entspricht hierbei der maximalen Höhe der Kanalstruktur des aktiven Kanalbereichs 11 und des Verteilerbereichs 12.The sealing area 14, which delimits the ports 10a, 10b, is shown in section C-C. The sealing area 14 is characterized by guides that lie opposite one another on both sides of the separator plate. A sealing body can be inserted on both sides of these guides. This ensures that when the separator plates are stacked, the force exerted on the separator plate and the sealing bodies runs perpendicular to the separator plate and the sealing bodies. The guides are limited on both surfaces by reshaping the separator plate, which fixes the sealing body. The height of the reshaping corresponds to the maximum height of the channel structure of the active channel area 11 and the distributor area 12.
Die beiden Ports 10a und die beiden Ports 10b sind auf beiden Seiten der Separatorplatte gegeneinander abgedichtet. Auf einer Seite der Separatorplatte steht einer der beiden Ports 10a mit einem der beiden Ports 10b in Strömungsverbindungen. Die jeweils anderen Ports 10a und 10b sind auf dieser Seite der Separatorplatte durch Dichtungskörper vollständig abgedichtet. Auf der Rückseite der Separatorplatte stehen gerade diese Ports 10a und 10b - genau diese Ports sind auf der gegenüberliegenden Seite der Separatorplatte abgedichtet - in Strömungsverbindung. Die anderen Ports 10a und 10b auf dieser Seite der Separatorplatte werden durch Dichtungs- körper vollständig abgedichtet.The two ports 10a and the two ports 10b are sealed off from one another on both sides of the separator plate. On one side of the separator plate, one of the two ports 10a is in flow connection with one of the two ports 10b. The other ports 10a and 10b are through on this side of the separator plate Seal body fully sealed. On the back of the separator plate, these ports 10a and 10b - these ports are sealed on the opposite side of the separator plate - are in flow connection. The other ports 10a and 10b on this side of the separator plate are completely sealed by sealing bodies.
Jeder Port 10a, 10b wird somit auf genau einer Seite der Separatorplatte abgedichtet. Auf der anderen, der dichtungsabgewandten Seite der Separatorplatte sind Abstützstellen 24 vorhanden, die ein Eindrücken der MEA verhindern. Ein Eindrücken der MEA bedeutet eine Verengung des Strömungsquerschnittes in der Kanalstruktur, was zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Fluide führen kann. Diese Abstützstellen 24 sind in Schnitt D-D und Schnitt E-E beispielhaft für einen der beiden Ports 10a gezeigt. Schnitt D-D zeigt, dass in dem Portbereich 10 die Abstützstellen 24 ausschließlich auf der unteren Seite der Separatorplatte vorhanden sind. Den detaillier- ten Verlauf der Führung für den Dichtungskörper auf der oberen Fläche der Separatorplatte zeigt Schnitt E-E. Auf der oberen Seite der Separatorplatte sind zwei Umformungen vorhanden, die als Begrenzung für einen Dichtungskörper dienen. Zwischen diesen Umformungen befindet sich eine weitere Umformung, welche auf der unteren Seite der Separatorplatte als Abstützstelle 24 dient.Each port 10a, 10b is thus sealed on exactly one side of the separator plate. On the other side of the separator plate facing away from the seal there are support points 24 which prevent the MEA from being pressed in. Pressing in the MEA means a narrowing of the flow cross-section in the channel structure, which can lead to an uneven distribution of the fluids. These support points 24 are shown in section D-D and section E-E by way of example for one of the two ports 10a. Section D-D shows that in the port area 10 the support points 24 are only present on the lower side of the separator plate. Section E-E shows the detailed course of the guide for the sealing body on the upper surface of the separator plate. On the upper side of the separator plate there are two formations that serve as a limitation for a sealing body. Between these deformations there is another deformation, which serves as a support point 24 on the lower side of the separator plate.
Schnitt F-F und Schnitt G-G zeigen hierzu den Verlauf der Abstützstellen 24 für den anderen der beiden Ports 10a. Die ausgeführten Umformungen sind negativ korrespondierend zu den Umformungen in Schnitt D-D und Schnitt E-E.Section F-F and section G-G show the course of the support points 24 for the other of the two ports 10a. The transformations carried out are negatively corresponding to the transformations in section D-D and section E-E.
Ein entsprechender Verlauf der Abstützstellen 24 und Dichtungsführungen gilt für die Ports 10b.A corresponding course of the support points 24 and seal guides applies to the ports 10b.
In Fig. 5 ist in eine weitere Ausführung einer Separatorplatte 2 dargestellt. Der aktive Kanalbereich 11 ist serpentinenförmig ausgeführt. An zwei sich gegenüberliegenden Ecken der Separatorplatte 2 sind die Ports 10 für die Fluidzuführung und Fluidabführung angeordnet. Im Bereich der Ports 10 sind zur Verteilung der Fluide Verteilerbereiche 12 vorhanden. Diese Verteilerbereiche 12 können vorteilhaft eine Noppen- Struktur aufweisen. Die Ports 10 sind entsprechend den Ausführungen wie in Fig. 4 erläutert, gegeneinander abgedichtet. 5 shows a further embodiment of a separator plate 2. The active channel region 11 is designed in a serpentine shape. The ports 10 for the fluid supply and fluid discharge are arranged at two opposite corners of the separator plate 2. In the area of the ports 10 there are distribution areas 12 for distributing the fluids. These distribution areas 12 can advantageously have a nub Have structure. The ports 10 are sealed off from one another in accordance with the explanations as explained in FIG. 4.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Brennstoffzellenstack 2, 2a Separatorplatte1 fuel cell stack 2, 2a separator plate
3 MEA3 MEA
4 Endplatte4 end plate
5, 6 Leitung5, 6 line
9 Stromabnehmerplatte9 pantograph plate
10 Ports10 ports
10a Portbereich Fluidzuführung10a port area fluid supply
10b Portbereich Fluidabführung10b Fluid discharge port area
11 aktiver Kanalbereich11 active channel area
12 Verteilerbereich12 distribution area
13 Dichtung13 seal
14 Dichtungsbereich14 sealing area
15 Anode15 anode
16 Kathode 1 Hohlraum 4 Abstützstellen 16 cathode 1 cavity 4 support points

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrochemischer Zellenstapel umfassend abwechselnd angeordnete Memb- ran-Elektroden-Einheiten (3) und Separatorplatten (2, 2a) zur Zu- und Abführung für das Reaktant- und Oxidant-Fluid, wobei durch einen Prägevorgang eine Seite der Separatorplatte (2, 2a) eine Oberflächenstruktur und die andere Seite eine hierzu negative Oberflächenstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass beim Stapeln der Separatorplatten (2, 2a) jeweils eine Oberflächenstruktur einer Separatorplatte (2) einer korrespondierenden negativen Oberflächenstruktur der benachbarten Separatorplatte (2a) gegenüberliegt.1. Electrochemical cell stack comprising alternately arranged membrane electrode units (3) and separator plates (2, 2a) for supplying and removing the reactant and oxidant fluid, one side of the separator plate (2, 2a ) has a surface structure and the other side has a negative surface structure, characterized in that when the separator plates (2, 2a) are stacked, a surface structure of a separator plate (2) is opposite a corresponding negative surface structure of the adjacent separator plate (2a).
2. Elektrochemischer Zellenstapel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorplatte (2, 2a) mittels Rollprägen, Gummikofferprägen, magnetisch Umformen, Gas- oder Flüssigkeitsdruckprägen oder Hohlprägen hergestellt wird.2. Electrochemical cell stack according to one of the preceding claims, characterized in that the separator plate (2, 2a) is produced by means of roller embossing, rubber case embossing, magnetic shaping, gas or liquid pressure embossing or hollow embossing.
3. Elektrochemischer Zellenstapel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur der Separatorplatte (2, 2a) Portbereiche (10) zur Zu- und Abführung der Fluide in die Separatorplatte (2, 2a), Kanalbereiche (10) zur Kontaktierung der Membran-Elektroden-Einhei- ten (3) mit den Fluiden und Verteilerbereiche (12) zur Beeinflussung der Flu- idströmung aufweist.3. Electrochemical cell stack according to one of the preceding claims, characterized in that the surface structure of the separator plate (2, 2a) port areas (10) for supplying and discharging the fluids into the separator plate (2, 2a), channel areas (10) for contacting the Has membrane electrode units (3) with the fluids and distributor areas (12) for influencing the fluid flow.
4. Elektrochemischer Zellenstapel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerbereiche (12) eine Noppenstruktur aufweisen.4. Electrochemical cell stack according to claim 3, characterized in that the distributor areas (12) have a nub structure.
5. Elektrochemischer Zellenstapel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich- net, dass die Verteilerbereiche (12) ein separates Bauteil bilden.5. Electrochemical cell stack according to claim 3 or 4, characterized in that the distributor areas (12) form a separate component.
6. Elektrochemischer Zellenstapel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das separate Bauteil aus einem Metall, einem Polymer, einem Polymer- Metallverbundmaterial oder einer Keramik besteht und mit der Separatorplatte (2, 2a) durch Schweißen, Kleben, Löten oder Umbiegen verbunden ist.6. Electrochemical cell stack according to claim 5, characterized in that the separate component made of a metal, a polymer, a polymer Metal composite material or a ceramic and is connected to the separator plate (2, 2a) by welding, gluing, soldering or bending.
7. Elektrochemischer Zellenstapel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorplatte (2, 2a) Durchbrechungen für die Portbereiche (10) zur Zu- und Abführung des Reaktant- und Oxidant-Fluids in die Kanalbereiche der Separatorplatte (2, 2a) aufweist.7. Electrochemical cell stack according to one of the preceding claims, characterized in that the separator plate (2, 2a) openings for the port areas (10) for supplying and removing the reactant and oxidant fluid in the channel areas of the separator plate (2, 2a) having.
8. Elektrochemischer Zellenstapel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorplatte (2, 2a) auf beiden Seiten kanalartig eingeprägte Vertiefungen aufweist, welche mit Dichtungskörpern (13) ausgefüllt und, getrennt durch die Separatorplatte (2, 2a), übereinander angeordnet sind.8. Electrochemical cell stack according to one of the preceding claims, characterized in that the separator plate (2, 2a) has channel-shaped depressions on both sides, which are filled with sealing bodies (13) and, separated by the separator plate (2, 2a), arranged one above the other are.
9. Elektrochemischer Zellenstapel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Stapeln der Separatorplatten (2, 2a) der Kraftverlauf zwischen den Separatorplatten (2, 2a) nahezu senkrecht durch die Dichtungskörper (13) ver- läuft.9. The electrochemical cell stack according to claim 8, characterized in that when the separator plates (2, 2a) are stacked, the force profile between the separator plates (2, 2a) runs almost perpendicularly through the sealing body (13).
10. Elektrochemischer Zellenstapel nach Ansprüchen 1 -7, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatorplatte (2, 2a) kanalartig eingeprägte Vertiefungen derart aufweist, dass auf einer Seite (22, 23) der Separatorplatte (2, 2a) in den Vertiefungen Dichtungskörper (13) verlaufen und dass die korrespondierenden Erhöhun- gen auf der anderen Seite gleichzeitig als Abstützstellen (24) für die Membran-10. Electrochemical cell stack according to claims 1-7, characterized in that the separator plate (2, 2a) has channel-shaped depressions such that on one side (22, 23) of the separator plate (2, 2a) in the recesses sealing body (13) run and that the corresponding increases on the other side simultaneously as support points (24) for the membrane
Elektroden-Einheiten (3) dienen. Electrode units (3) are used.
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