WO2022089788A1 - Bipolar plate, fuel cell and fuel cell stack - Google Patents

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WO2022089788A1
WO2022089788A1 PCT/EP2021/065791 EP2021065791W WO2022089788A1 WO 2022089788 A1 WO2022089788 A1 WO 2022089788A1 EP 2021065791 W EP2021065791 W EP 2021065791W WO 2022089788 A1 WO2022089788 A1 WO 2022089788A1
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WO
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fuel cell
bipolar plate
cell stack
insulating body
centering
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PCT/EP2021/065791
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Oliver Keitsch
Nico Riede
Armin SIEBEL
Sebastian Voigt
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Audi Ag
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a bipolar plate with a plurality of sections present on the circumference that serve for centering and on each of which an electrically insulating insulating body is arranged.
  • the invention further relates to a fuel cell and a fuel cell stack.
  • Fuel cells are used for the chemical conversion of fuel with oxygen into water in order to generate electrical energy.
  • fuel cells contain a so-called membrane electrode arrangement as a core component, which is a combination of a proton-conducting membrane and one electrode, namely an anode and cathode, arranged on both sides of the membrane.
  • gas diffusion layers can be arranged on both sides of the membrane electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane.
  • several fuel cells can be connected in series and combined in a fuel cell stack.
  • the fuel in particular hydrogen (H2) or a hydrogen-containing gas mixture
  • H2 hydrogen
  • a hydrogen-containing gas mixture is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H2 to H + takes place with the release of electrons e-.
  • the electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line.
  • the cathode will be oxygen or an oxygen-containing Gas mixture supplied, so that a reduction of O2 to O 2 'takes place with absorption of the electrons.
  • the oxygen anions also react in the cathode compartment
  • FIG. 7 shows a solution known from the prior art, in which the membrane electrode arrangement is pulled back in the direction of the edge of the bipolar plate for the formation of the counterstop.
  • DE 10 2016 202 481 A1 describes a structure of a fuel cell stack in which the bipolar plates are electrically insulated via the membrane electrode arrangement. Only in a pressed state does the sealing material of the membrane electrode arrangement extend beyond the edge area of the bipolar plate and function as electrical insulation.
  • DE 10 2016 206 140 A1 discloses bipolar plates in a fuel cell stack, to which a peripheral edge is assigned as a centering element, which surrounds the bipolar plate on the edge, giving it its name.
  • GB 2511930 A shows a bipolar plate with a frame which is inserted between the individual plates and projects over the individual plates in some areas at the two longitudinal edges without a centering function. Bipolar plates with an electric insulating frames are also shown in DE 102 61 482 A1 and DE 20 2017 107 797 U1.
  • the object of the present invention is to provide a bipolar plate with improved electrical insulation.
  • the object is also to provide an improved fuel cell and an improved fuel cell stack.
  • the bipolar plate according to the invention is characterized in that reliable electrical insulation of the components is achieved by the insulating body, with the electrical insulation taking place via the bipolar plate itself. This electrical isolation is maintained even if the components are slightly deformed during the stacking process. Since there is a trend towards ever thinner starting materials for the bipolar plate, the existing electrical insulation is particularly advantageous, even in the case of deformations. Furthermore, no pressing is necessary for the electrical insulation.
  • each insulating body is arranged in the form of local inserts in the areas of the stops required for centering. This results in lower material costs, installation space requirements and weight, with sufficient electrical insulation still being provided in order to avoid stacking damage.
  • the local inserts are combined to form an electrically insulating frame which is arranged in a form-fitting manner on the periphery and is aligned by grooves stamped on a plate body.
  • the electrically insulating frame is also held in the intended position by the embossed grooves.
  • the insulating body is injection molded as an injection molded part. It is thus possible for the insulating body to be injection molded onto the bipolar plate in the same process step as the seal. It is also conceivable that the insulating body consists of the same material as the seal. It is also advantageous that the insulating body is made of a hard material. The hard material ensures sufficient positioning accuracy when centering.
  • the insulating body is permanently connected to the bipolar plate, which means that the components are reliably isolated, particularly in the centering area, and this is maintained even if the components are deformed. This minimizes the likelihood of a short circuit and resulting stack damage.
  • the insulating body prefferably be formed by an electrically non-conductive coating.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a bipolar plate with a frame inserted in a form-fitting manner
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the cross section of the form-fitting connection of the bipolar plate to a frame, corresponding to section III-III from FIG. 2,
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a bipolar plate with a molded seal and a molded insulation body
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a cross section of a bipolar plate with a molded seal and a molded insulation body
  • FIG. 7 shows a schematic, perspective illustration of a section of a fuel cell known from the prior art with a missing overhang of the membrane electrode arrangement in the area of the counter-stop.
  • a fuel cell stack consists of a plurality of fuel cells connected in series.
  • Each of the fuel cells includes an anode and a cathode, and a proton conductive membrane separating the anode from the cathode, together forming a membrane electrode assembly.
  • the membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA).
  • PTFE sulfonated tetrafluoroethylene polymer
  • PFSA perfluorinated sulfonic acid
  • the membrane can be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.
  • Fuel e.g. hydrogen
  • Fuel is supplied to the anodes via anode chambers within the fuel cell stack.
  • PEM fuel cell polymer electrolyte membrane fuel cell
  • fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode.
  • the membrane lets the protons (e.g. H + ) through, but is impermeable to the electrons (e-).
  • the following reaction takes place at the anode: 2H2 4H + + 4e _ (oxidation/donation of electrons).
  • Cathode gas for example oxygen or air containing oxygen
  • O2 oxygen or air containing oxygen
  • Air compressed by a compressor is supplied to the fuel cell stack via a cathode fresh gas line.
  • the fuel cell stack is connected to a cathode exhaust gas line.
  • hydrogen that is kept ready in a hydrogen tank is supplied to the fuel cell stack via an anode fresh gas line in order to provide the reactants required for the electrochemical reaction in a fuel cell.
  • These gases are transferred to bipolar plates 2, which have main channels (ports) for the distribution of the gases to the membrane and the outlet.
  • the bipolar plates have 2 main channels for the passage of a cooling medium in a cooling medium channel, so that three different media can be carried in the smallest of spaces.
  • FIG. 7 shows a fuel cell design known from the prior art, in which a counter-stop is provided at the edge of the bipolar plate 2 and the membrane electrode arrangement 1 for centering by means of a stop.
  • the membrane electrode arrangement 1 (or one of its associated frames) does not project beyond the bipolar plate 2, so that the electrical insulation is impaired in this area and there is a likelihood that even slight deformations will lead to a short circuit. Therefore, a bipolar plate 2 is provided with a plurality of sections that are present on the circumference and serve for centering, on each of which an electrically insulating insulating body 6 is arranged.
  • Figure 1 shows an electrically insulating insulating body 6 in the form of a frame 4, which is made of a plastic, for example, and a bipolar plate 2.
  • the electrically insulating frame 4 is inserted in a form-fitting manner in the edge region between two half-plates 8 and subsequently together with the Half plates 8 are connected to form a bipolar plate 2 as shown in FIG. 2, it being possible for the two half plates to be welded or glued, for example.
  • the electrically insulating frame 4 is aligned during the welding process by means of grooves 7 embossed on a plate body and is held in the correct position by the embossed grooves 7 even after welding (FIG. 3).
  • each insulating body 6 is arranged in the form of local inserts 5 in the areas of the stops required for centering (FIG. 4).
  • the insulating body 6 is injected as an injection molded part.
  • FIG. 5 shows a frame-shaped insulating body 6 which has been injection molded together with the seal 10 . It is possible for the insulating body 6 and the seal to be formed from the same material and to be injection molded in the same process step. In this embodiment, it is not necessary to emboss grooves in the bipolar plate 2 (FIG. 6). Due to the hardness of the material, there is sufficient positioning accuracy when centering.
  • the insulating body 6 can be injection molded either in the form of a frame or locally on the areas of the bipolar plate 2 required for centering.
  • the insulating body 6 is formed by an electrically non-conductive coating.
  • the bipolar plate 2 can be installed in a fuel cell arranged in a fuel cell stack. Fuel cell devices with such a fuel cell stack show their advantages in particular when used in a motor vehicle, since special mechanical loads and vibrations are present there.

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Abstract

The invention relates to a bipolar plate (2) with a plurality of circumferential sections used for centring, on each of which an electrically insulating insulation body (6) is arranged. The invention also relates to a fuel cell and a fuel cell stack.

Description

Bipolarplatte, Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellenstapel Bipolar plate, fuel cell and fuel cell stack
BESCHREIBUNG: DESCRIPTION:
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte mit einer Mehrzahl am Umfang vorliegender, der Zentrierung dienender Abschnitte, auf denen jeweils ein elektrisch isolierender Isolationskörper angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzelle sowie einen Brennstoffzellenstapel. The invention relates to a bipolar plate with a plurality of sections present on the circumference that serve for centering and on each of which an electrically insulating insulating body is arranged. The invention further relates to a fuel cell and a fuel cell stack.
Brennstoffzellen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente eine sogenannte Membranelektrodenanordnung, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseits an der Membran angeordneten Elektrode ist, nämlich einer Anode und Kathode. Zudem können Gasdiffusionslagen beidseitig der Membranelektrodenanordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Für eine Leistungssteigerung können mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst werden. Fuel cells are used for the chemical conversion of fuel with oxygen into water in order to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain a so-called membrane electrode arrangement as a core component, which is a combination of a proton-conducting membrane and one electrode, namely an anode and cathode, arranged on both sides of the membrane. In addition, gas diffusion layers can be arranged on both sides of the membrane electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane. To increase performance, several fuel cells can be connected in series and combined in a fuel cell stack.
Im Betrieb wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen e- stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2’ unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit During operation, the fuel, in particular hydrogen (H2) or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H2 to H + takes place with the release of electrons e-. A water-bound or water-free transport of the protons H + from the anode compartment into the cathode compartment takes place via the membrane, which separates the reaction compartments from one another in a gas-tight manner and insulates them electrically. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. The cathode will be oxygen or an oxygen-containing Gas mixture supplied, so that a reduction of O2 to O 2 'takes place with absorption of the electrons. At the same time, the oxygen anions also react in the cathode compartment
Die Mehrzahl von Brennstoffzellen für einen Brennstoffzellenstapel werden im Allgemeinen mithilfe von einer Spannvorrichtung mit einer Kraft im Bereich von mehreren 10.000 N verpresst, um einen ausreichenden Kontaktdruck an der katalysatorbeschichteten Membran zur Reduktion ohmscher Verluste zu erzielen und mittels der hohen Verpressung Undichtigkeiten zu vermeiden. Für diesen Aufbau des Brennstoffzellenstapels müssen die einzelnen Brennstoffzellen ausgerichtet und zentriert werden, um Toleranzen in der Zellreihe zu minimieren, wozu die Brennstoffzellen an Anschlägen ausgerichtet werden, an denen Strukturen an den Brennstoffzellen als Gegenanschläge angelegt werden. Die Figur 7 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Lösung, bei der die Membranelektrodenanordnung für die Ausbildung des Gegenanschlags in Richtung des Randes der Bipolarplatte zurück gezogen ist. In dem Bereich des Gegenanschlages ist damit ein Überstand der Membranelektrodenanordnung nicht möglich, der für eine elektrische Isolation in den übrigen Bereichen vorgesehen ist. Im Bereich des Gegenanschlages ist die Isolation nur über den Abstand der Brennstoffzellen gewährleistet. Schon eine leichte Deformation der Bipolarplatte kann zu einer Überbrückung des Abstandes führen, was in einem Kurzschluss resultiert und damit einem Stapelschaden. The majority of fuel cells for a fuel cell stack are generally compressed using a clamping device with a force in the range of several 10,000 N in order to achieve sufficient contact pressure on the catalyst-coated membrane to reduce ohmic losses and to avoid leaks by means of the high compression. For this configuration of the fuel cell stack, the individual fuel cells must be aligned and centered in order to minimize tolerances in the row of cells, for which purpose the fuel cells are aligned on stops against which structures on the fuel cells are placed as counter-stops. FIG. 7 shows a solution known from the prior art, in which the membrane electrode arrangement is pulled back in the direction of the edge of the bipolar plate for the formation of the counterstop. It is therefore not possible for the membrane electrode arrangement to protrude in the area of the counter-stop, which is provided for electrical insulation in the other areas. In the area of the counter-stop, isolation is only guaranteed over the distance between the fuel cells. Even a slight deformation of the bipolar plate can cause the gap to be bridged, resulting in a short circuit and thus stacking damage.
Die DE 10 2016 202 481 A1 beschreibt einen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels, bei dem eine elektrische Isolierung der Bipolarplatten über die Membranelektrodenanordnung erfolgt. Ausschließlich in einem verpressten Zustand reicht das Dichtungsmaterial der Membranelektrodenanordnung über den Randbereich der Bipolarplatte hinaus und fungiert als elektrische Isolierung. Die DE 10 2016 206 140 A1 offenbart Bipolarplatten in einem Brennstoffzellenstapel, denen als Zentrierelement ein umlaufender Rand zugeordnet ist, der die Bipolarplatte namensgebend randseitig umgreift. Die GB 2511930 A zeigt eine Bipolarplatte mit einem zwischen die Einzelplatten eingelegten Rahmen, der an den beiden Längsrändern, ohne eine Zentrierungsfunktion, über die Einzelplatten bereichsweise vorsteht. Bipolarplatten mit einem elektrisch isolierenden Rahmen sind auch gezeigt in der DE 102 61 482 A1 und DE 20 2017 107 797 U1. DE 10 2016 202 481 A1 describes a structure of a fuel cell stack in which the bipolar plates are electrically insulated via the membrane electrode arrangement. Only in a pressed state does the sealing material of the membrane electrode arrangement extend beyond the edge area of the bipolar plate and function as electrical insulation. DE 10 2016 206 140 A1 discloses bipolar plates in a fuel cell stack, to which a peripheral edge is assigned as a centering element, which surrounds the bipolar plate on the edge, giving it its name. GB 2511930 A shows a bipolar plate with a frame which is inserted between the individual plates and projects over the individual plates in some areas at the two longitudinal edges without a centering function. Bipolar plates with an electric insulating frames are also shown in DE 102 61 482 A1 and DE 20 2017 107 797 U1.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bipolarplatte mit verbesserter elektrischer Isolation bereit zu stellen. Aufgabe ist weiterhin eine verbesserte Brennstoffzelle und einen verbesserten Brennstoffzellenstapel bereit zu stellen. The object of the present invention is to provide a bipolar plate with improved electrical insulation. The object is also to provide an improved fuel cell and an improved fuel cell stack.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 4 und durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. This object is achieved by a bipolar plate having the features of claim 1, by a fuel cell having the features of claim 4 and by a fuel cell stack having the features of claim 5. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte zeichnet sich dadurch aus, dass durch den Isolationskörper eine sichere elektrische Isolation der Bauteile erreicht wird, wobei die elektrische Isolation über die Bipolarplatte selbst erfolgt. Diese elektrische Isolation wird auch aufrechterhalten, wenn die Bauteile während des Stapelprozesses leicht deformiert werden. Da die Entwicklung zu immer dünneren Ausgangsmatenalien der Bipolarplatte tendiert, ist die bestehende elektrische Isolation selbst bei Deformationen besonders vorteilhaft. Weiterhin ist für die elektrische Isolierung keine Verpressung notwendig. The bipolar plate according to the invention is characterized in that reliable electrical insulation of the components is achieved by the insulating body, with the electrical insulation taking place via the bipolar plate itself. This electrical isolation is maintained even if the components are slightly deformed during the stacking process. Since there is a trend towards ever thinner starting materials for the bipolar plate, the existing electrical insulation is particularly advantageous, even in the case of deformations. Furthermore, no pressing is necessary for the electrical insulation.
Auch ist es vorteilhaft, dass jeder Isolationskörper in Form von lokalen Einlegern in den Bereichen der für die Zentrierung notwendigen Anschläge angeordnet ist. Dadurch kommt es zu geringeren Materialkosten, Bauraumbedarf und Gewicht, wobei weiterhin eine ausreichende elektrische Isolation gegeben ist, um Stapelschäden zu vermeiden. It is also advantageous that each insulating body is arranged in the form of local inserts in the areas of the stops required for centering. This results in lower material costs, installation space requirements and weight, with sufficient electrical insulation still being provided in order to avoid stacking damage.
Auch ist es vorteilhaft, dass die lokalen Einleger zusammengefasst sind zu einem formschlüssig an dem Umfang angeordneten elektrisch isolierenden Rahmen und durch an einem Plattenkörper geprägte Nuten ausgerichtet ist. Durch die geprägten Nuten wird der elektrisch isolierende Rahmen zusätzlich in der dafür vorgesehenen Position gehalten. Weiterhin ist es von Vorteil, dass der Isolationskörper als ein Spritzteil angespritzt ist. So ist es möglich, dass der Isolationskörper im selben Prozessschritt wie die Dichtung an die Bipolarplatte angespritzt wird. Ebenfalls ist es denkbar, dass der Isolationskörper aus dem gleichen Material wie die Dichtung besteht. Es ist auch vorteilhaft, dass der Isolationskörper aus einem harten Material gebildet ist. Durch das harte Material ist eine ausreichende Positionierungsgenauigkeit bei der Zentrierung gegeben. It is also advantageous that the local inserts are combined to form an electrically insulating frame which is arranged in a form-fitting manner on the periphery and is aligned by grooves stamped on a plate body. The electrically insulating frame is also held in the intended position by the embossed grooves. Furthermore, it is advantageous that the insulating body is injection molded as an injection molded part. It is thus possible for the insulating body to be injection molded onto the bipolar plate in the same process step as the seal. It is also conceivable that the insulating body consists of the same material as the seal. It is also advantageous that the insulating body is made of a hard material. The hard material ensures sufficient positioning accuracy when centering.
Der Isolationskörper ist dauerhaft mit der Bipolarplatte verbunden, wodurch eine sichere Isolation der Bauteile, insbesondere im Zentrierungsbereich, erreicht wird und auch weiterhin bestehen bleibt, wenn die Bauteile deformiert werden. So wird die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses und einem daraus resultierenden Stapelschadens minimiert. The insulating body is permanently connected to the bipolar plate, which means that the components are reliably isolated, particularly in the centering area, and this is maintained even if the components are deformed. This minimizes the likelihood of a short circuit and resulting stack damage.
Auch ist es möglich, dass der Isolationskörper durch eine elektrisch nichtleitende Beschichtung gebildet ist. It is also possible for the insulating body to be formed by an electrically non-conductive coating.
Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten. The advantages and effects mentioned above also apply analogously to a fuel cell stack with a plurality of fuel cells with bipolar plates according to the invention.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention. Embodiments are therefore also to be regarded as included and disclosed by the invention which are not explicitly shown or explained in the figures, but which result from the explained embodiments and can be generated by means of separate combinations of features.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte und eines Rahmens vor der Montage, Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. show: 1 shows a schematic representation of a bipolar plate and a frame before assembly,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte mit einem formschlüssig eingelegten Rahmen, 2 shows a schematic representation of a bipolar plate with a frame inserted in a form-fitting manner,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Querschnitts der formschlüssigen Verbindung der Bipolarplatte mit einem Rahmen, entsprechend dem Schnitt Ill-Ill aus Figur 2, 3 shows a schematic representation of the cross section of the form-fitting connection of the bipolar plate to a frame, corresponding to section III-III from FIG. 2,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte mit lokalen Einlegern, 4 shows a schematic representation of a bipolar plate with local inserts,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte mit einer angespritzten Dichtung und einem angespritzten Isolationskörper, 5 shows a schematic representation of a bipolar plate with a molded seal and a molded insulation body,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Bipolarplatte mit angespritzter Dichtung und angespritzten Isolationskörper, und 6 shows a schematic representation of a cross section of a bipolar plate with a molded seal and a molded insulation body, and
Fig. 7 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzelle mit einem fehlenden Überstand der Membranelektrodenanordnung im Bereich des Gegenanschlages. 7 shows a schematic, perspective illustration of a section of a fuel cell known from the prior art with a missing overhang of the membrane electrode arrangement in the area of the counter-stop.
Ein Brennstoffzellenstapel besteht aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran, die zusammen eine Membranelektrodenanordnung bilden. Die Membran ist aus einem Ionomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluo- rethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocar- bon-Membran gebildet sein. A fuel cell stack consists of a plurality of fuel cells connected in series. Each of the fuel cells includes an anode and a cathode, and a proton conductive membrane separating the anode from the cathode, together forming a membrane electrode assembly. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.
Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolyt- membranbrennstoffzelle (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 innerhalb des Brennstoffzellenstapels kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2
Figure imgf000008_0001
Fuel (e.g. hydrogen) is supplied to the anodes via anode chambers within the fuel cell stack. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell) fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The membrane lets the protons (e.g. H + ) through, but is impermeable to the electrons (e-). The following reaction takes place at the anode: 2H2 4H + + 4e _ (oxidation/donation of electrons). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or an energy storage device via an external circuit. Cathode gas (for example oxygen or air containing oxygen) can be supplied to the cathodes via cathode chambers within the fuel cell stack, so that the following reaction takes place on the cathode side: O2
Figure imgf000008_0001
Dem Brennstoffzellenstapel wird über eine Kathodenfrischgasleitung durch einen Verdichter komprimierte Luft zugeführt wird. Zusätzlich ist der Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodenabgasleitung verbunden. Anodenseitig wird dem Brennstoffzellenstapel in einem Wasserstofftank bereitgehaltener Wasserstoff über eine Anodenfrischgasleitung zugeführt zur Bereitstellung der für die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle erforderlichen Reaktanten. Diese Gase werden an Bipolarplatten 2 übergeben, die für die Verteilung der Gase an die Membran und der Ausleitung Hauptkanäle (Ports) aufweisen. Zusätzlich weisen die Bipolarplatten 2 Hauptkanäle für die Durchleitung eines Kühlmediums in einem Kühlmediumkanal auf, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien geführt werden. Air compressed by a compressor is supplied to the fuel cell stack via a cathode fresh gas line. In addition, the fuel cell stack is connected to a cathode exhaust gas line. On the anode side, hydrogen that is kept ready in a hydrogen tank is supplied to the fuel cell stack via an anode fresh gas line in order to provide the reactants required for the electrochemical reaction in a fuel cell. These gases are transferred to bipolar plates 2, which have main channels (ports) for the distribution of the gases to the membrane and the outlet. In addition, the bipolar plates have 2 main channels for the passage of a cooling medium in a cooling medium channel, so that three different media can be carried in the smallest of spaces.
Figur 7 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Gestaltung der Brennstoffzellen, bei denen am Rand der Bipolarplatte 2 und der Membranelektrodenanordnung 1 ein Gegenanschlag bereit gestellt wird für die Zentrierung mittels eines Anschlages. Allerdings muss dafür auf einen Überstand 3 der Membranelektrodenanordnung 1 (oder auch eines dieser zugeordneten Rahmens) über die Bipolarplatte 2 verzichtet werden, so dass in diesem Bereich die elektrische Isolation beeinträchtigt ist und die Wahrscheinlichkeit besteht, dass schon geringe Deformationen zu einem Kurzschluss führen. Daher wird eine Bipolarplatte 2 mit einer Mehrzahl am Umfang vorliegender, der Zentrierung dienender Abschnitte, auf denen jeweils ein elektrisch isolierender Isolationskörper 6 angeordnet ist, bereitgestellt. FIG. 7 shows a fuel cell design known from the prior art, in which a counter-stop is provided at the edge of the bipolar plate 2 and the membrane electrode arrangement 1 for centering by means of a stop. However, the membrane electrode arrangement 1 (or one of its associated frames) does not project beyond the bipolar plate 2, so that the electrical insulation is impaired in this area and there is a likelihood that even slight deformations will lead to a short circuit. Therefore, a bipolar plate 2 is provided with a plurality of sections that are present on the circumference and serve for centering, on each of which an electrically insulating insulating body 6 is arranged.
Die Figur 1 zeigt einen elektrisch isolierenden Isolationskörper 6 in Form eines Rahmens 4, der beispielsweise aus einem Kunststoff gefertigt ist, und eine Bipolarplatte 2. Der elektrisch isolierende Rahmen 4 wird während der Fertigung im Randbereich zwischen zwei Halbplatten 8 formschlüssig eingelegt und nachfolgend zusammen mit den Halbplatten 8 zu einer Bipolarplatte 2 wie sie in der Figur 2 dargestellt ist, verbunden, wobei die beiden Halbplatten z.B. verschweißt oder verklebt werden können. Durch an einem Plattenkörper geprägte Nuten 7 wird der elektrisch isolierende Rahmen 4 während des Verschweißens ausgerichtet und durch die geprägten Nuten 7 auch nach dem Verschweißen in der korrekten Position gehalten (Figur 3). Figure 1 shows an electrically insulating insulating body 6 in the form of a frame 4, which is made of a plastic, for example, and a bipolar plate 2. During manufacture, the electrically insulating frame 4 is inserted in a form-fitting manner in the edge region between two half-plates 8 and subsequently together with the Half plates 8 are connected to form a bipolar plate 2 as shown in FIG. 2, it being possible for the two half plates to be welded or glued, for example. The electrically insulating frame 4 is aligned during the welding process by means of grooves 7 embossed on a plate body and is held in the correct position by the embossed grooves 7 even after welding (FIG. 3).
Es ist auch möglich, dass jeder Isolationskörper 6 in Form von lokalen Einlegern 5 in den Bereichen der für die Zentrierung notwendigen Anschläge angeordnet ist (Figur 4). In einer weiteren Ausführungsform ist der Isolationskörper 6 als ein Spritzteil angespritzt. Die Figur 5 zeigt einen rahmenförmigen Isolationskörper 6, der zusammen mit der Dichtung 10 angespritzt wurde. Es ist möglich, dass der Isolationskörper 6 und die Dichtung aus dem gleichen Material gebildet sind und im gleichen Prozessschritt angespritzt werden. Bei dieser Ausführungsform ist es nicht notwendig, Nuten in die Bipolarplatte 2 zu prägen (Figur 6). Durch die Härte des Materials ist eine ausreichende Positionierungsgenauigkeit bei der Zentrierung gegeben. Eine Anspritzung des Isolationskörpers 6 kann sowohl rahmenförmig als auch lokal an den für die Zentrierung notwendigen Bereichen der Bipolarplatte 2 erfolgen. It is also possible for each insulating body 6 to be arranged in the form of local inserts 5 in the areas of the stops required for centering (FIG. 4). In a further embodiment, the insulating body 6 is injected as an injection molded part. FIG. 5 shows a frame-shaped insulating body 6 which has been injection molded together with the seal 10 . It is possible for the insulating body 6 and the seal to be formed from the same material and to be injection molded in the same process step. In this embodiment, it is not necessary to emboss grooves in the bipolar plate 2 (FIG. 6). Due to the hardness of the material, there is sufficient positioning accuracy when centering. The insulating body 6 can be injection molded either in the form of a frame or locally on the areas of the bipolar plate 2 required for centering.
Weiterhin ist es möglich, dass der Isolationskörper 6 durch eine elektrisch nichtleitende Beschichtung gebildet ist. Furthermore, it is possible for the insulating body 6 to be formed by an electrically non-conductive coating.
Alle Ausführungsformen der Isolationskörper 6 sind dauerhaft mit der Bipolarplatte 2 verbunden. Die erfindungsgemäße Bipolarplatte 2 kann in einer in einem Brennstoffzellenstapel angeordneten Brennstoffzelle verbaut werden. Brennstoffzellenvorrichtungen mit einem derartigen Brennstoffzellenstapel zeigen ihre Vorteile insbesondere bei der Anwendung in einem Kraftfahrzeug, da dort besondere me- chanische Belastungen und Erschütterungen vorliegen. All of the embodiments of the insulating bodies 6 are permanently connected to the bipolar plate 2 . The bipolar plate 2 according to the invention can be installed in a fuel cell arranged in a fuel cell stack. Fuel cell devices with such a fuel cell stack show their advantages in particular when used in a motor vehicle, since special mechanical loads and vibrations are present there.
BEZUGSZEICHENLISTE: REFERENCE LIST:
1 Membranelektrodenanordnung 1 membrane electrode assembly
2 Bipolarplatte 3 Überstand 2 bipolar plate 3 overhang
4 Elektrisch isolierender Rahmen 4 Electrically insulating frame
5 Lokale Einleger 5 Local depositors
6 Isolationskörper 6 insulators
7 Geprägte Nut 8 Halbplatte 7 Stamped groove 8 Half plate
9 Dichtung 9 seal
10 Angespritzte Dichtung 10 Molded seal

Claims

ANSPRÜCHE: Bipolarplatte (2) mit einer Mehrzahl am Umfang vorliegender, der Zentrierung dienender Abschnitte, auf denen jeweils ein elektrisch isolierender Isolationskörper (6) angeordnet ist, wobei jeder Isolationskörper (6) in Form von lokalen Einlegern (5) in den Bereichen der für die Zentrierung notwendigen Anschläge angeordnet ist, und die lokalen Einleger (5) zusammengefasst sind zu einem formschlüssig an dem Umfang angeordneten elektrisch isolierenden Rahmen (4), dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch isolierende Rahmen (4) durch an einem Plattenkörper geprägte Nuten (7) ausgerichtet ist. Bipolarplatte (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskörper (6) aus einem harten Material gebildet ist. Bipolarplatte (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskörper (6) dauerhaft mit der Bipolarplatte (2) verbunden ist. Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von zentriert angeordneten Brennstoffzellen nach Anspruch 4. CLAIMS: Bipolar plate (2) with a plurality of sections on the circumference that serve for centering, on each of which an electrically insulating insulating body (6) is arranged, with each insulating body (6) in the form of local inserts (5) in the areas of the stops necessary for centering are arranged, and the local inserts (5) are combined to form an electrically insulating frame (4) arranged in a form-fitting manner on the circumference, characterized in that the electrically insulating frame (4) is provided with grooves (7) stamped on a plate body is aligned. Bipolar plate (2) according to claim 1, characterized in that the insulating body (6) is formed from a hard material. Bipolar plate (2) according to one of Claims 1 or 2, characterized in that the insulating body (6) is permanently connected to the bipolar plate (2). Fuel cell with a bipolar plate (2) according to one of claims 1 to 3, fuel cell stack with a plurality of centrally arranged fuel cells according to claim 4.
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