DE102007058743A1 - Membrane-electrode-unit for e.g. high temperature-proton exchange membrane-fuel cell stack, has bipolar plate consisting of non-metallic material e.g. glass, and conductive elements arranged for electrical connection with electrodes - Google Patents

Membrane-electrode-unit for e.g. high temperature-proton exchange membrane-fuel cell stack, has bipolar plate consisting of non-metallic material e.g. glass, and conductive elements arranged for electrical connection with electrodes Download PDF

Info

Publication number
DE102007058743A1
DE102007058743A1 DE102007058743A DE102007058743A DE102007058743A1 DE 102007058743 A1 DE102007058743 A1 DE 102007058743A1 DE 102007058743 A DE102007058743 A DE 102007058743A DE 102007058743 A DE102007058743 A DE 102007058743A DE 102007058743 A1 DE102007058743 A1 DE 102007058743A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
bipolar plate
membrane
electrodes
electrode
electrode unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102007058743A
Other languages
German (de)
Inventor
Oliver Groeger
Wolfgang Dr. Zipprich
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.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Priority to DE102007058743A priority Critical patent/DE102007058743A1/en
Publication of DE102007058743A1 publication Critical patent/DE102007058743A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/242—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes comprising framed electrodes or intermediary frame-like gaskets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

The unit (12) has a proton-conducting membrane (14) and two electrodes (16, 18) attached to the proton-conducting membrane on both sides. A bipolar plate (20) is attached at the electrodes at a membrane averted side for supplying of reaction gases and/or discharge of gaseous or fluid product components. The bipolar plate consists of a non-metallic material such as plastics, ceramics and glasses, and electrical conductive elements (28) are contacted with the electrodes and are arranged for electrical connection with the electrodes. The electrodes exhibit a layer of metal mesh or metal foam, and a coating of catalytic material.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran-Elektroden-Einheit für eine Brennstoffzelle sowie einen Brennstoffzellenstapel (Stack), der eine Mehrzahl solcher Membran-Elektroden-Einheiten umfasst.The The invention relates to a membrane electrode assembly for a fuel cell and a fuel cell stack comprising a plurality of such membrane-electrode assemblies includes.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für 'membrane electrode assembly'), die einen Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode darstellt. Die Elektroden weisen eine katalytische Schicht auf, die entweder auf einem gasdurchlässigen Substrat aufgebracht ist (CCS für 'catalyst coated substrate') oder direkt auf der Membran (CCM für 'catalyst coated mambrane'). Im Betrieb der Brennstoffzelle wird Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation des Wasserstoffs zu H+ unter Abgabe von Elektronen 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 im Wege der Diffusion. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird ferner Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von Sauerstoff zu O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den Protonen unter Entstehung von Wasser.Fuel cells use the chemical transformation of hydrogen and oxygen into water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as the core component, the so-called membrane electrode assembly (MEA for 'membrane electrode assembly'), which represents a composite of a proton-conducting membrane and in each case an electrode arranged on both sides of the membrane. The electrodes have a catalytic layer which is applied either on a gas-permeable substrate (CCS for 'catalyst coated substrate') or directly on the membrane (CCM for 'catalyst coated mambrane'). During operation of the fuel cell, hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of the hydrogen to H + takes place with release of electrons. Via the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of the protons H + from the anode compartment into the cathode compartment by way of diffusion. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is further supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of oxygen to O 2- taking place of the electrons takes place. At the same time, these oxygen anions in the cathode compartment react with the protons to form water.

Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymer-Elektrolyt-Membranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polyelektrolyt besteht. Die verbreiteteste PEM ist eine Membran aus sulfoniertem Polytetrafluorethylen (Handelsname: Nafion®). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von flüssigem Wasser Bedingung ist und die Betriebstemperatur derartiger Zellen bei Normdruck auf unter 100°C limitiert ist. Man spricht daher bei diesem Typ von Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen (NT-PEM-Brennstoffzellen).Currently, the most advanced fuel cell technology is based on polymer electrolyte membranes (PEMs), where the membrane itself consists of a polyelectrolyte. The most widespread PEM is a membrane made of sulfonated polytetrafluoroethylene (trade name: Nafion ®). The electrolytic conduction takes place via hydrated protons, which is why the presence of liquid water is a prerequisite for the proton conductivity and the operating temperature of such cells is limited to below 100 ° C. under standard pressure. This type of low-temperature PEM fuel cell (NT-PEM fuel cell) is therefore referred to.

Daneben sind Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen) bekannt, die bei Betriebstemperaturen von 120 bis 180°C arbeiten und die keine oder nur geringe Befeuchtung erfordern. Die elektrolytische Leitfähigkeit der in diesen Brennstoffzellen der zweiten Generation eingesetzten Membranen basiert auf flüssigen, durch elektrostatische Komplexbindung an das Polymergerüst gebundenen Elektrolyten, insbesondere Säuren oder Basen, die auch bei vollständiger Trockenheit der Membran oberhalb des Siedepunktes von Wasser die Protonenleitfähigkeit gewährleisten. Beispielsweise sind Hochtemperaturmembrane aus Polybenzimidazol (PBI) bekannt, die mit Säuren, wie etwa Trifluoressigsäure, Phosphorsäure und anderen, komplexiert werden.Besides are high-temperature PEM fuel cells (HT-PEM fuel cells) known to work at operating temperatures of 120 to 180 ° C and which require little or no humidification. The electrolytic conductivity used in these second generation fuel cells Membranes based on liquid, bound to the polymer backbone by electrostatic complex binding Electrolytes, especially acids or bases, which are also more complete Dryness of the membrane above the boiling point of the water proton conductivity guarantee. For example, high temperature membranes are made of polybenzimidazole (PBI) known with acids, such as trifluoroacetic acid, phosphoric acid and others, be complexed.

In der Regel umfasst eine Brennstoffzelle eine Vielzahl von in Stapeln (Stacks) angeordneten Membran-Elektroden-Einheiten, wobei üblicherweise außen an den Elektroden jeweils eine poröse Gasdiffusionsschicht zur homogenen Zufuhr der Reaktionsgase zu den Elektroden angeordnet ist. An diese Gasdiffusionsschicht schließt jeweils eine so genannte Bipolarplatte an, die mehrere Funktionen in sich vereint. Zunächst dient sie der gleichmäßigen Zuführung der Reaktionsgase zu den Elektroden beziehungsweise den Gasdiffusionsschichten und gleichzeitig der Abführung des flüssig oder gasförmig anfallenden Reaktionswassers und nicht umgesetzter Bestandteile der Reaktionsgase. Hierfür weist die Bipolarplatte ein System von Strömungskanälen auf, für die unterschiedliche Geometrien bekannt sind. Zweitens dienen die Bipolarplatten der elektrischen Verbindung der Elektroden, das heißt der Stromableitung von der Anode zur Kathode, weswegen Bipolarplatten grundsätzlich aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Schließlich kommt den Bipolarplatten eine Kühlfunktion der Eduktgase und der Reaktionsräume zu.In Typically, a fuel cell includes a plurality of in stacks (Stacks) arranged membrane electrode assemblies, usually outside of the Electrodes each a porous Gas diffusion layer for the homogeneous supply of the reaction gases to the Electrodes is arranged. To this gas diffusion layer closes respectively a so-called bipolar plate, which combines several functions in itself. First it serves the even supply of Reaction gases to the electrodes or the gas diffusion layers and at the same time the exhaustion of the liquid or gaseous resulting reaction water and unreacted components the reaction gases. Therefor For example, the bipolar plate has a system of flow channels for which different geometries are known. Second, the bipolar plates serve the electrical Connection of the electrodes, that is the current dissipation of the Anode to the cathode, which is why bipolar plates basically made consist of an electrically conductive material. Finally comes the bipolar plates a cooling function the educt gases and the reaction spaces to.

Derzeit finden in werkstofflicher Hinsicht zwei Bipolarplattentypen in Brennstoffzellen Anwendung, nämlich Bipolarplatten aus Metall (Metallbipolarplatten) und aus Graphit oder graphitgefüllten Kunststoffen (Graphitbipolarplatten). Graphitbipolarplatten zeichnen sich durch einen relativ geringen Kontaktwiderstand aus. Im Falle von graphitgefüllten Kunststoffen erhöht sich die Leitfähigkeit mit zunehmendem Graphitanteil. Gleichzeitig verschlechtern sich dadurch jedoch die Verarbeitungsfähigkeit des Materials und die resultierenden Materialeigenschaften. Nachteilig bei Graphitbipolarplatten sind ferner die hohen Kosten der Ausgangmaterialien sowie der eingeschränkte Konstruktionsfreiheitsgrad. Schließlich erfordert die Gasdurchlässigkeit des Materials, insbesondere für Wasserstoff, aufwändige Nachbehandlungen oder Beschichtungen der Bipolarplatte. Im Falle von Metallbipolarplatten stehen zwar kostengünstige Grundmaterialien zur Verfügung, jedoch erfordern diese aufgrund ihrer schlechten Korrosionsbeständigkeit Beschichtungen mit teuren Legierungen. Alternativ können korrosionsbeständige Vollmaterialien zum Einsatz kommen, etwa hochlegierte Stähle, die aber wiederum teuer sind.Currently find in material terms two types of bipolar plates in fuel cells Application, namely Metal bipolar plates (metal bipolar plates) and of graphite or graphite filled Plastics (graphite bipolar plates). Drawing graphite bipolar plates characterized by a relatively low contact resistance. In the event of of graphite filled Plastics increased the conductivity with increasing graphite content. At the same time, it worsens however, the processability of the material and the resulting material properties. adversely In graphite bipolar plates are also the high cost of the starting materials as well as the limited Design degree of freedom. Finally, gas permeability requires of the material, especially for Hydrogen, elaborate Post-treatments or coatings of the bipolar plate. In the event of Although metal bipolar plates are inexpensive basic materials for available however, these require due to their poor corrosion resistance Coatings with expensive alloys. Alternatively, corrosion-resistant solid materials are used, such as high-alloy steels, but in turn expensive are.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bipolarplatte für Membran-Elektroden-Einheiten für Brennstoffzellen bereitzustellen, die kostengünstiger als herkömmliche Bipolarplatten ist. Idealerweise sollte sich die Bipolarplatte ferner durch ein geringes Gewicht sowie einen hohen Grad an Konstruktionsfreiheit auszeichnen, um vorteilhafte Gestaltungen zu ermöglichen.Of the Invention is based on the object, a bipolar plate for membrane electrode assemblies for fuel cells to provide the cheaper as conventional Is bipolar plates. Ideally, the bipolar plate should be further due to its low weight and a high degree of design freedom to enable advantageous designs.

Diese Aufgabe wird durch eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) mit den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 gelöst. Diese umfasst eine protonenleitende Membran, zwei beidseitig an die Membran anschließende Elektroden und zumindest eine, an eine Elektrode an ihrer membranabgewandten Seite anschließende Bipolarplatte zur Zuführung eines Reaktionsgases und/oder Abführung von gasförmigen oder flüssigen Produktkomponenten. Die erfindungsgemäße MEA zeichnet sich dadurch aus, dass die zumindest eine Bipolarplatte aus einem nichtmetallischen Material besteht. Dabei wird unter einem nichtmetallischem Material ein solches Material verstanden, das keinerlei metallische Komponenten in elementarer Form aufweist. Durch Verwendung nichtmetallischer Bipolarplatten kann eine deutliche Kostenersparnis verzeichnet werden, da nichtmetallische Materialien in der Regel keine Korrosionsanfälligkeit zeigen und somit keinerlei Veredelungsmaßnahmen, wie beispielsweise kostenintensive Beschichtungen, erfordern. Weiterhin sind die in Frage kommenden Materialien bereits für sich genommen günstiger als die herkömmlichen Materialien von Bipolarplatten. Aufgrund der Vermeidung metallischer Komponenten kann ferner eine deutliche Gewichtsreduzierung gegenüber den bekannten Materialien erzielt werden, da praktisch alle in Frage kommende Werkstoffe über eine geringere Dichte verfügen als Metall. Da die meisten der im Rahmen der Erfindung in Frage kommenden Werkstoffe jedoch keine ausreichende elektrische Leitfähigkeit besitzen, um die elektronische Kontaktierung der MEA sicherzustellen, weist die erfindungsgemäße Membran-Elektroden-Einheit ferner elektrisch leitfähige Elemente auf, die mit den Elektroden kontaktiert sind und zur elektrischen Verbindung mit einer anderen Elektrode (derselben oder einer anderen MEA) ausgestaltet sind.These Task is performed by a membrane-electrode unit (MEA) with the Characteristics of the present claim 1 solved. This includes a proton-conducting Membrane, two electrodes adjoining the membrane on both sides and at least a, subsequent to an electrode on its membrane distal side bipolar plate to the feeder a reaction gas and / or removal of gaseous or liquid Product components. The MEA according to the invention is characterized by this from that the at least one bipolar plate made of a non-metallic Material exists. It is under a non-metallic material understood such a material that does not contain any metallic components in elementary form. By using non-metallic Bipolar plates can be recorded a significant cost savings, since non-metallic materials usually no susceptibility to corrosion show and therefore no finishing measures, such as costly coatings, require. Furthermore, they are in question coming materials already for cheaper as the conventional ones Materials of bipolar plates. Due to the avoidance of metallic Components can also be a significant weight reduction over the known materials are achieved because virtually all eligible Materials over have a lower density as metal. As most of the within the scope of the invention in question However, coming materials do not have sufficient electrical conductivity to ensure the electronic contacting of the MEA, has the membrane-electrode unit according to the invention furthermore electrically conductive elements on, which are contacted with the electrodes and the electrical Connecting to another electrode (same or different MEA) are configured.

Das Material der Bipolarplatte ist vorzugsweise ausgewählt aus Kunststoffen, insbesondere Thermoplasten; Keramiken und Gläsern. Ebenso können auch Kompositmaterialien von den vorgenannten Materialien zum Einsatz gelangen. Kunststoffbipolarplatten haben den Vorteil eines geringen Gewichts sowie kostengünstiger Ausgangsmaterialien. Zudem sind sie einer Vielzahl von Verarbeitungsverfahren zugänglich. Insbesondere können im Spritzgussverfahren nahezu beliebige Formen hergestellt werden. Ferner können Kunststoffkörper durch Schweißen oder Kleben verarbeitet und verändert werden. Kunststoffmaterialien zeichnen sich zudem durch ihre Beständigkeit gegen korrosive Medien aus, beispielsweise Säuren. Interessant im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind auch solche Kunststoffe, die elektrisch leitend sind. In diesem Fall kann auf die elektrisch leitfähigen Elemente zur Kontaktierung der Elektroden verzichtet werden. Im Falle von keramischen Werkstoffen, Gläsern oder Glasverbundstoffen können diese Materialien besonders vorteilhaft in Form von Sinterkörpern Einsatz finden, die eine besonders geringe Dichte aufweisen und einen inneren Abschnitt der Bipolarplatte ausbilden. Ferner können offenporige Sinterkörper eine besonders gleichmäßige Verteilung der zugefügten Reaktionsgase bewirken.The Material of the bipolar plate is preferably selected from Plastics, in particular thermoplastics; Ceramics and glasses. Likewise, too Composite materials of the aforementioned materials for use reach. Plastic bipolar plates have the advantage of low weight as well as cheaper Starting materials. In addition, they are a variety of processing methods accessible. In particular, you can In injection molding almost any shape can be produced. Furthermore, can Plastic body through welding or gluing processes and changes become. Plastic materials are also characterized by their durability against corrosive media, for example acids. Interesting in the frame The present invention also relates to plastics which are electrical are conductive. In this case, you can access the electrically conductive elements to dispense with contacting the electrodes. In case of ceramic materials, glasses or glass composites These materials are particularly advantageous use in the form of sintered bodies find that have a particularly low density and an inner Train section of bipolar plate. Furthermore, open-pored sintered bodies can especially even distribution the added one Effect reaction gases.

Hinsichtlich der konstruktiven Ausgestaltung der Bipolarplatte sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung aus den vorgenannten Gründen vor, dass diese einen porösen, von Gas durchströmbaren Sinterkörper aufweist, insbesondere aus einer Keramik oder einem Glas, zur Verteilung des zugeführten Reaktionsgases über die Fläche der an die Bipolarplatte anschließenden Elektrode bzw. einer zwischen Elektrode und Bipolarplatte angeordneten Gasdiffusionsschicht. Weiterhin kann die Bipolarplatte einen zentralen Hohlraum aufweisen, der im Betrieb der Brennstoffzelle vollständig mit einem Elektrolyten (im Falle von HT-PEM-Brennstoffzellen) oder mit Wasser (im Falle von NT-PEM-Brennstoffzellen) gefüllt ist, in welchen die Reaktionsgase eingeleitet werden. Der Hohlraum ist bevorzugt auf der der Elektrode zugewandten Seite geöffnet. Ein von der unteren Seite in den Hohlraum eingespeistes Gas wird sich somit feinperlig im Elektrolyten bzw. im Wasser verteilen und mit der benachbarten Elektrode bzw. der Gasdiffusionsschicht in Berührung kommen. Dabei kann die Einspeisung des Reaktionsgases beispielsweise über die Porenstruktur des Sinterkörpers oder über entsprechende Bohrungen erfolgen.Regarding the structural design of the bipolar plate provides an advantageous Embodiment of the invention for the aforementioned reasons, that this is a porous, permeable by gas sintered body has, in particular of a ceramic or a glass, for distribution of the supplied Reaction gas over the area the electrode adjoining the bipolar plate or an intermediate Electrode and bipolar plate arranged gas diffusion layer. Farther the bipolar plate may have a central cavity which in the Operation of the fuel cell completely with an electrolyte (in the case of HT-PEM fuel cells) or with water (in the case of of NT-PEM fuel cells), in which the reaction gases are introduced. The cavity is preferably opened on the side facing the electrode. One Gas injected from the lower side into the cavity will become thus finely dispersed in the electrolyte or in the water and with the adjacent electrode or the gas diffusion layer come into contact. In this case, the feed of the reaction gas, for example via the Pore structure of the sintered body or via appropriate Drilling done.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bipolarplatte sieht vor, dass diese eine Vielzahl von kommunizierenden Bohrungen aufweist, welche auf der der benachbarten Elektrode bzw. der Gasdiffusionsschicht zugewandten Seite enden und ein System von Strömungskanälen zur Zuführung und/oder Abführung von Gasen ausbilden. Dabei dient ein erstes kommunizierendes System von Bohrungen zur Gaszuführung und ein weiteres kommunizierendes System von Bohrungen zur Gasabführung. In weiterer Ausgestaltung kann die Bipolarplatte zwei mit ihren geschlossenen Seiten aneinander gefügte Platten aufweisen, die jeweils ein kommunizierendes Bohrungssystem zur Gaszuführung und ein kommunizierendes Bohrungssystem zur Gasabführung aufweisen. Auf diese Weise dient eine der Platten der Bipolarplatte der Gasver- und -entsorgung der einen Membran-Elektroden-Einheit und die andere Platte der Gasver- und -entsorgung einer benachbarten MEA.A further advantageous embodiment of the bipolar plate according to the invention provides that it has a plurality of communicating bores which end on the side facing the adjacent electrode or the gas diffusion layer and form a system of flow channels for supplying and / or discharging gases. Here, a first communicating system of holes for gas supply and another communicating system of holes for gas removal is used. In a further embodiment, the bipolar plate may have two plates joined together with their closed sides, each having a communicating bore system for gas supply and a communicating bore system for gas removal. In this way one of the plates of the bipolar plate serves for the gas supply and disposal of one membrane-electrode unit and the other plate for the gas supply and disposal an adjacent MEA.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Bipolarplatte eine Kühleinrichtung aufweist, um die Reaktionswärme der MEA im Betrieb abzuführen bzw. um die MEA bei ihrem Kaltstart zu erwärmen. Die Kühleinrichtung kann beispielsweise in Form von integrierten Kühlkanälen einer einstückigen Bipolarplatte ausgestaltet sein. Alternativ kann die Kühleinrichtung als separates Kühlmodul ausgestaltet sein, das seinerseits Kühlkanäle aufweist und an die Bipolarplatte gefügt ist.A Further advantageous embodiment of the invention provides that the bipolar plate a cooling device has to heat the reaction to discharge the MEA during operation or to heat the MEA during its cold start. The cooling device can, for example in the form of integrated cooling channels one one-piece Be designed bipolar plate. Alternatively, the cooling device as a separate cooling module be configured, which in turn has cooling channels and to the bipolar plate together is.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden neuartige Elektroden in der MEA eingesetzt, die eine Schicht eines Metallgewebes oder eines Metallschaums aufweisen, wobei die Metalldrähte des Gewebes oder die Metallporen des Metallschaums eine das katalytische Material aufweisende Beschichtung (sogenannter Washcoat) aufweisen. Der besondere Vorteil dieser neuartigen Elektroden ist darin zu sehen, dass eine besonders feine Verteilung des Reaktionsgases über die Fläche der Elektrode bereits aufgrund der besonderen Elektrodenstruktur sichergestellt wird. Somit kann auf die sonst übliche Gasdiffusionsschicht zwischen der Elektrode und der Bipolarplatte verzichtet werden, wodurch sich eine Kostenersparnis ergibt.According to one Particularly advantageous embodiment of the invention are novel Electrodes used in the MEA, which is a layer of a metal mesh or a metal foam, wherein the metal wires of the Fabric or the metal pores of the metal foam a catalytic Material having coating (so-called washcoat). The special advantage of these novel electrodes is to see that a particularly fine distribution of the reaction gas over the area the electrode already due to the particular electrode structure is ensured. Thus, the usual gas diffusion layer can be used be dispensed with between the electrode and the bipolar plate, resulting in a cost savings.

Die elektrisch leitfähigen Elemente sind bevorzugt als Abschnitte der Elektroden ausgebildet, die im zusammengebauten Zustand der MEA seitlich um die Bipolarplatte herumgeführt werden, um sie mit einer anderen Elektrode zu kontaktieren. Besonders vorteilhaft kann diese Ausführung im Zusammenhang mit den zuvor beschriebenen Elektroden aus Metallgewebe oder Metallschaum realisiert werden, indem sich das Metallgewebe bzw. der Metallschaum über den Rand der Elektrode fortsetzt, ohne jedoch die katalytische Beschichtung aufzuweisen.The electrically conductive Elements are preferably formed as sections of the electrodes, the in the assembled state of the MEA laterally around the bipolar plate entrained to contact them with another electrode. Especially advantageous can this version in connection with the above-described metal mesh electrodes or metal foam can be realized by the metal mesh or the metal foam over continues the edge of the electrode, but without the catalytic coating exhibit.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel bzw. eine Brennstoffzelle umfassend eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Einheiten gemäß der vorliegende Erfindung.One Another aspect of the present invention relates to a fuel cell stack or a fuel cell comprising a plurality of membrane-electrode assemblies according to the present invention.

Die Erfindung kann sowohl im Zusammenhang mit konventionellen NT-PEM-Brennstoffzellen (z. B. mit Nafion®-Membranen) als auch mit HT-PEM-Brennstoffzellen (z. B. mit PBI-Membranen) oder anderen eingesetzt werden. In diesem Sinne umfasst vorliegend der Begriff 'Brennstoffzelle' beliebige Brennstoffzellensysteme, sofern nichts anderes vermerkt ist. Ferner versteht sich der Begriff 'Brennstoffzelle' in der Regel als ein Brennstoffzellenstapel aus einer Vielzahl von Membran-Elektroden-Einheiten (MEA).The invention can be used both in connection with conventional NT PEM fuel cells (z. B. with Nafion ® membranes) and with HT-PEM fuel cells (z. B. PBI membranes) or other are used. In this sense, in the present case, the term 'fuel cell' includes any fuel cell systems, unless otherwise stated. Further, the term 'fuel cell' is typically understood to be a fuel cell stack of a plurality of membrane-electrode assemblies (MEA).

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the others, in the subclaims mentioned features.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below in embodiments with reference to FIG associated Drawings explained. Show it:

1 ein Brennstoffzellenstapel nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung; 1 a fuel cell stack according to an advantageous embodiment of the invention;

2 eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer Bipolarplatte gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung; 2 a membrane-electrode assembly with a bipolar plate according to a first embodiment of the invention;

3 eine Bipolarplatte gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung; und 3 a bipolar plate according to a second embodiment of the invention; and

4 eine Membran-Elektroden-Einheit mit einer Bipolarplatte gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung. 4 a membrane-electrode assembly with a bipolar plate according to a third embodiment of the invention.

1 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 10 einer im weiteren nicht dargestellten Brennstoffzelle. Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst eine Vielzahl von Membran-Elektroden-Einheiten 12, die zu einem Stapel sandwichartig aneinander gefügt sind. Jede MEA 12 enthält als wesentliche Elemente eine protonenleitende Membran 14, die im Falle einer NT-PEM-Brennstoffzelle aus eine aus einem Polyelektrolyt bestehende Polymerelektrolytmembran (PEM) ausgestaltet ist, beispielsweise aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen, das unter dem Handelsnamen Nafion bekannt ist. Im Falle einer vorliegend bevorzugten HT-PEM-Brennstoffzelle umfasst die Polymerelektrolytmembran 14 ein Polymer, beispielsweise Polybenzimidazol (PBI), an welches ein Elektrolyt komplexiert vorliegt. Als Elektrolyt kommt insbesondere eine Säure wie Phosphorsäure oder Trifluoressigsäure in Frage. 1 shows a fuel cell stack 10 a fuel cell, not shown in the further. The fuel cell stack 10 includes a plurality of membrane-electrode assemblies 12 sandwiched into a stack. Every MEA 12 contains as essential elements a proton-conducting membrane 14 which in the case of an NT-PEM fuel cell is made of a polyelectrolyte polymer electrolyte membrane (PEM), for example a sulfonated polytetrafluoroethylene known under the trade name Nafion. In the case of a presently preferred HT-PEM fuel cell, the polymer electrolyte membrane comprises 14 a polymer, for example polybenzimidazole (PBI), to which an electrolyte is complexed. As the electrolyte in particular an acid such as phosphoric acid or trifluoroacetic acid in question.

An den beiden äußeren Membranflächen schließt jeweils eine Elektrode an, nämlich eine als Kathode geschaltete Elektrode 16 auf der einen und eine als Anode geschaltete Elektrode 18 auf der anderen Membranseite. Die Elektroden 16 und 18 können beispielsweise als Gasdiffusionselektroden ausgestaltet sein. In diesem Fall umfassen die Gasdiffusionselektroden jeweils eine mikroporöse Katalysatorschicht, welche die Polymerelektrolytmembran 14 beidseitig kontaktieren. Die Katalysatorschichten enthalten als eigentlich reaktive Zentren der Elektroden ein katalytisches Material, bei dem es sich in der Regel um ein Edelmetall als katalytisch wirksame Substanz handelt, wie Platin, Iridium oder Ruthenium oder ein geeignetes Übergangsmetall oder Mischungen oder Legierungen von diesen. Bevorzugt liegt die katalytische Substanz auf einem porösen, elektrisch leitenden Trägermaterial fixiert vor. Für das Trägermaterial kommen gasdurchlässige, elektrisch leitfähige Kohlenstoffmaterialien, wie etwa gasdurchlässige Partikel, Gewebe und Filze auf Kohlenstoffbasis in Frage. Die Gasdiffusionselektroden 16 und 18 umfassen zudem jeweils eine Gasdiffusionsschicht (GDL), die an den jeweils äußeren, von der Membran 14 abgewandten Fläche der Katalysatorschicht anschließen. Funktion der GDL ist es, eine gleichmäßige Anströmung der Katalysatorschichten mit den Reaktionsgasen zu gewährleisten.In each case one electrode connects to the two outer membrane surfaces, namely an electrode connected as a cathode 16 on the one hand and an electrode connected as an anode 18 on the other side of the membrane. The electrodes 16 and 18 For example, they may be configured as gas diffusion electrodes. In this case, the gas diffusion electrodes each comprise a microporous catalyst layer which is the polymer electrolyte membrane 14 contact on both sides. The catalyst layers contain as actual reactive centers of the electrodes, a catalytic material, which is usually a noble metal as a catalytically active substance, such as platinum, iridium or ruthenium or a suitable transition metal or mixtures or alloys of these. The catalytic substance is preferably fixed on a porous, electrically conductive carrier material. For the carrier material come gas-permeable, electrically leiti carbon materials such as gas-permeable particles, carbon-based fabrics and felts. The gas diffusion electrodes 16 and 18 In addition, each comprise a gas diffusion layer (GDL), at the respective outer, of the membrane 14 connect the opposite surface of the catalyst layer. Function of the GDL is to ensure a uniform flow of the catalyst layers with the reaction gases.

Eine alternative Ausführungsform der Elektroden 16, 18 wird später anhand von 4 erläutert.An alternative embodiment of the electrodes 16 . 18 will be later based on 4 explained.

Die MEA 12 in 1 umfasst ferner eine Bipolarplatte 20, die erfindungsgemäß aus einem nichtmetallischen Material besteht. Besonders bevorzugt in Frage kommende Materialien sind Kunststoffe, insbesondere Thermoplasten; Gläser und Keramiken. Ebenfalls sind Verbundmaterialien aus den vorgenannten Werkstoffen geeignet. Da diese Materialien der Bipolarplatte 20 in der Regel keine oder zu geringe elektrische Leitfähigkeiten aufweisen, sind weiter erfindungsgemäß elektrisch leitfähige Elemente 28 vorgesehen, die in Form von Strombrücken mit jeweils einer Elektrode 16, 18 elektrisch verbunden sind und mit einer anderen Elektrode entweder derselben MEA 12 oder einer benachbarten MEA elektrisch kontaktiert sind. Beispielsweise ist eine Kathode 16 einer MEA 12 mit einer Anode 18 einer benachbarten MEA über eine Strombrücke 28 kontaktiert. Die jeweils endständigen Elemente 28 des Brennstoffzellenstapels 10 sind mit jeweils einem Stromabnehmer 30 kontaktiert, welche beispielsweise als Metallplatten vorliegen. Diese Stromabnehmer 30 sind mit einem hier nicht dargestellten äußeren Stromkreis verbunden.The MEA 12 in 1 further includes a bipolar plate 20 which according to the invention consists of a non-metallic material. Particularly preferred materials are plastics, in particular thermoplastics; Glasses and ceramics. Also composite materials of the aforementioned materials are suitable. Because these materials of the bipolar plate 20 usually have no or too low electrical conductivities are further according to the invention electrically conductive elements 28 provided in the form of current bridges with one electrode each 16 . 18 are electrically connected and with another electrode either the same MEA 12 or an adjacent MEA are electrically contacted. For example, a cathode 16 an MEA 12 with an anode 18 an adjacent MEA via a power bridge 28 contacted. The respective terminal elements 28 of the fuel cell stack 10 are each with a pantograph 30 contacted, which are present for example as metal plates. These pantographs 30 are connected to an external circuit, not shown here.

An den äußeren Seiten der Stromabnehmer 30 ist jeweils eine Endplatte 22 angeordnet, die das Gefüge aus den Membran-Elektroden-Einheiten 12 und den Stromabnehmern 30 fixieren. Ferner ist ein System von Leitungen vorgesehen, welche als Medienzufuhr 24 die Bipolarplatten 20 mit den Reaktionsgasen versorgen. Insbesondere werden über eine erste Medienzufuhr 24 die Anodenräume mit Wasserstoff H2 oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch versorgt. Andererseits werden über eine zweite Medienzufuhr 24 die Kathodenräume mit Sauerstoff O2 oder einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch, insbesondere Luft (O2/N2) versorgt. Die Brennstoffzelle weist weiterhin ein System von Leitungen auf, welche der Medienabfuhr dienen. So führt eine erste Medienabfuhr 26 Restwasserstoff sowie durch die Membran 24 diffundiertes Produktwasser H2O ab. Gleichzeitig sorgt eine Medienabfuhr 26 für die Abführung des restsauerstoffhaltigen Luftgemisches und dem an der Kathodenseite gebildeten Produktwasser.On the outer sides of the pantographs 30 is each an end plate 22 arranged the structure of the membrane electrode units 12 and the pantographs 30 fix. Further, a system of conduits serving as a media supply is provided 24 the bipolar plates 20 supply with the reaction gases. In particular, via a first media supply 24 supplies the anode chambers with hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture. On the other hand, via a second media supply 24 the cathode chambers supplied with oxygen O 2 or an oxygen-containing gas mixture, in particular air (O 2 / N 2 ). The fuel cell further includes a system of conduits for media removal. So leads a first media removal 26 Residual hydrogen and through the membrane 24 diffused product water H 2 O from. At the same time provides a media removal 26 for the removal of the residual oxygen-containing air mixture and the product water formed on the cathode side.

Eine erste erfindungsgemäße Ausführung einer MEA 12 ist in 2 in Form einer Explosionsdarstellung gezeigt. Hier sind wiederum die Polymerelektrolytmembran mit 14 sowie die Kathode und Anode mit 16 bzw. 18 bezeichnet.A first embodiment of an MEA according to the invention 12 is in 2 shown in the form of an exploded view. Here again are the polymer electrolyte membrane with 14 as well as the cathode and anode with 16 respectively. 18 designated.

Gemäß dem dargestellten Beispiel umfasst die Bipolarplatte 20 zwei aneinander gefügte Platten 32. Von diesen weist die der Kathode 16 zugewandte Platte 32 eine Vielzahl von Bohrungen 34 und 36 auf, welche auf der Elektrodenseite aus der Platte 32 austreten. Dabei sind medienzuführende Bohrungen 34 über ein miteinander kommunizierendes Leitungssystem im Inneren der Bipolarplatte 20 mit der Medienzufuhr 24 verbunden. Ein über die Medienzufuhr 24 zugeführtes sauerstoffhaltiges Gasgemisch, insbesondere Luft, wird über das innere Leitungssystem der Bipolarplatte 20 den Bohrungen 34 zugeführt, von wo es aus der Bipolarplatte 20 austritt und der Kathode 16 zugeführt wird. Sofern die Kathode 16 als Gasdiffusionselektrode ausgestaltet ist, so weist sie eine der Bipolarplatte 20 zugewandte Gasdiffusionsschicht auf, welche mit dem Gas beaufschlagt wird. Eine weitere Gruppe von Bohrungen 36 dient der Medienabführung. Die Bohrungen 36 kommunizieren ebenfalls über ein inneres Leitungssystem miteinander sowie mit der Medienabfuhr 26. Somit wird im Betrieb der Brennstoffzelle bzw. der MEA 12 das üblicherweise gasförmig anfallende Produktwasser sowie das Luftgemisch mit dem Restsauerstoff über die medienabführende Bohrung 36 sowie die Medienabfuhr 26 aus dem Kathodenraum der MEA 12 entfernt. Im vorliegenden Beispiel sind die medienzuführenden Bohrungen 34 und die medienabführenden Bohrungen 36 jeweils in alternierenden Zeilen angeordnet. Andere Anordnungen sind hier jedoch ebenso denkbar. Im Falle der dargestellten Ausführung der Bipolarplatte 20 mit den medienzuführenden und medienabführenden Bohrungen 34, 36 besteht die Bipolarplatte 20, insbesondere die Platten 32 bevorzugt aus einem Kunststoff. Das interne, gasführende Leitungssystem der Bipolarplatte 20 kann beispielsweise in Form von Rinnen ausgeführt sein, welche auf der elektrodenabgewandten, hinteren Platte 32 angeordnet sind und in Kontakt mit den medienzuführenden Bohrungen 34 sowie der Medienzufuhr 24 stehen. Weitere auf der hinteren Platte 32 vorgesehene Rinnen wiederum verbinden die medienabführenden Bohrungen 36 mit der Medienabfuhr 26.According to the illustrated example, the bipolar plate comprises 20 two joined plates 32 , Of these, the one of the cathode 16 facing plate 32 a variety of holes 34 and 36 on which on the electrode side from the plate 32 escape. These are media-supplying holes 34 via a communication system that communicates with each other inside the bipolar plate 20 with the media supply 24 connected. One about the media supply 24 supplied oxygen-containing gas mixture, in particular air, via the inner conduit system of the bipolar plate 20 the holes 34 fed from where it is from the bipolar plate 20 exit and the cathode 16 is supplied. Unless the cathode 16 is designed as a gas diffusion electrode, it has one of the bipolar plate 20 facing gas diffusion layer, which is acted upon by the gas. Another group of holes 36 serves the media removal. The holes 36 also communicate with each other via an internal pipe system as well as with the media removal 26 , Thus, during operation of the fuel cell or the MEA 12 the product water, which usually accumulates in gaseous form, and the air mixture with the residual oxygen via the media-removing bore 36 as well as the media removal 26 from the cathode compartment of the MEA 12 away. In this example, the media-supplying holes 34 and the media-removing holes 36 each arranged in alternating lines. However, other arrangements are also conceivable here. In the case of the illustrated embodiment of the bipolar plate 20 with the media-supplying and media-discharging holes 34 . 36 consists of the bipolar plate 20 , especially the plates 32 preferably made of a plastic. The internal, gas-carrying line system of the bipolar plate 20 may for example be in the form of grooves, which on the electrode facing away, rear plate 32 are arranged and in contact with the media-supplying holes 34 as well as the media supply 24 stand. Further on the back plate 32 provided grooves in turn connect the media-discharging holes 36 with the media removal 26 ,

Eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 20 ist in 3 gezeigt. In diesem Beispiel ist das kathodenseitige Modul 38 entsprechend der in 2 dargestellten Bipolarplatte 20 ausgestaltet und umfasst die medienzuführenden und medienabführenden Bohrungen 34 bzw. 36. Ein zweites, anodenseitiges Modul 40 weist eine analoge Ausgestaltung wie das kathodenseitige Modul 38 auf und verfügt somit ebenso über entsprechende Bohrungen 34, 36, die jedoch der Zuführung von Wasserstoff in einen Anodenraum einer benachbarten MEA vorgesehen sind bzw. der Abführung von Restwasserstoff und Produktwasser.A further embodiment of a bipolar plate according to the invention 20 is in 3 shown. In this example, the cathode-side module is 38 according to the in 2 shown bipolar plate 20 designed and includes the media-supplying and mediumsabführenden holes 34 respectively. 36 , A second, anode-side module 40 has an analogous configuration as the cathode-side module 38 and therefore also has corresponding holes 34 . 36 However, the supply of hydrogen into an anode compartment of an adjacent MEA are provided or the removal of residual hydrogen and product water.

Zwischen dem kathodenseitigen Modul 38 und der anodenseitigen Modul 40 ist ein Kühlmodul 42 angeordnet, das mit einem inneren System von Kühlkanälen ausgestaltet ist. Zur Kühlung der Brennstoffzelle wird ein Kühlmittel durch die Kühlkanäle geleitet, welches in der Regel Wasser ist. Alternativ können anstelle des Kühlmoduls 42 bei allen dargestellten Ausführungen der erfindungsgemäßen Bipolarplatte 20 die Kühlkanäle auch integriert in der Bipolarplatte vorliegen.Between the cathode-side module 38 and the anode-side module 40 is a cooling module 42 arranged, which is designed with an internal system of cooling channels. To cool the fuel cell, a coolant is passed through the cooling channels, which is usually water. Alternatively, instead of the cooling module 42 in all illustrated embodiments of the bipolar plate according to the invention 20 the cooling channels are also integrated in the bipolar plate.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Membran-Elektroden-Einheit 12 zeigt 4. In diesem Beispiel ist die Bipolarplatte im wesentlichen aus einem Sinterkörper 44 gefertigt, der beispielsweise aus einem gesinterten Glasmaterial oder einer gesinterten Keramik besteht. Das Sintermaterial zeichnet sich durch eine offenporige gasdurchlässige Struktur aus. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel umschließt der Sinterkörper 44 rahmenförmig einen Hohlraum 46. Hier wird über die Medienzufuhr 24, die im unteren Teil des Sinterkörpers 44 angeordnet ist, das Reaktionsgas dem Hohlraum 46 zugeführt. Dieser ist im Betrieb der Brennstoffzelle vollständig mit Elektrolyt gefüllt, so dass das von unten zugeführten Reaktionsgas gleichmäßig im Elektrolyten verteilt wird. Die feinverteilten Gasblasen steigen im Elektrolyten auf und treten in Kontakt mit dem Katalysator der Elektrode 16, wo es zur katalytischen Umsetzung kommt. Nicht umgesetztes Reaktionsgas sowie das gasförmig anfallende Produktwasser steigen ebenfalls im Elektrolyten innerhalb des Hohlraumes 46 auf und treten durch die Medienabfuhr 26 aus der Bipolarzelle 20 aus. Rückseitig weist die Bipolarzelle 20 wiederum ein Kühlmodul 42 mit einem Leitungssystem für ein Kühlmedium auf. Analog zu der in 3 dargestellten Ausführung kann ein zweites Sinterkörpermodul zur Gasver- und -entsorgung einer benachbarten MEA auf der anderen Seite des Kühlmoduls 42 angeordnet sein.A further advantageous embodiment of a membrane-electrode unit according to the invention 12 shows 4 , In this example, the bipolar plate is essentially a sintered body 44 manufactured, which consists for example of a sintered glass material or a sintered ceramic. The sintered material is characterized by an open-pore gas-permeable structure. According to the illustrated embodiment, the sintered body encloses 44 frame-shaped a cavity 46 , Here is about the media supply 24 located in the lower part of the sintered body 44 is arranged, the reaction gas to the cavity 46 fed. This is completely filled with electrolyte during operation of the fuel cell, so that the reaction gas supplied from below is distributed evenly in the electrolyte. The finely divided gas bubbles rise in the electrolyte and come into contact with the catalyst of the electrode 16 where it comes to catalytic conversion. Unreacted reaction gas and the gaseous product water also rise in the electrolyte within the cavity 46 up and step through the media removal 26 from the bipolar cell 20 out. The reverse side shows the bipolar cell 20 again a cooling module 42 with a conduit system for a cooling medium. Analogous to the in 3 illustrated embodiment, a second sintered body module for gas supply and disposal of an adjacent MEA on the other side of the cooling module 42 be arranged.

In 4 ist ferner eine besonders vorteilhafte Form der Elektroden 16, 18 dargestellt. Insbesondere handelt es sich hier um Elektroden, die im wesentlichen aus einer Schicht eines Metallgewebes oder eines Metallschaumes bestehen und eine Beschichtung (Washcoat) mit einem katalytischen Material aufweisen. Bei dieser Anordnung ist das Drahtgewebe bzw. der Schaum der Elektrode 16, 18 vollständig mit Elektrolyt gefüllt. Dadurch ist die sogenannte Dreiphasengrenze, bei welcher der Katalysator die feste Phase, der Elektrolyt die flüssige Phase und das Reaktionsgas die gasförmige Phase darstellt, über die gesamte Elektrodenoberfläche verteilt vorhanden. Die Geometrie des Metallgewebes oder des Metallschaumes begünstigt eine Gleichverteilung der über den Hohlraum 46 zugeführten Gase auf der Elektrodenoberfläche. Auf diese Weise wird die Gasverteilungsfunktion der herkömmlichen Gasdiffusionsschicht durch die Elektrode ersetzt und die GDL kann wegfallen.In 4 is also a particularly advantageous form of the electrodes 16 . 18 shown. In particular, these are electrodes which consist essentially of a layer of a metal mesh or a metal foam and have a washcoat with a catalytic material. In this arrangement, the wire mesh or the foam of the electrode 16 . 18 completely filled with electrolyte. As a result, the so-called three-phase boundary, in which the catalyst is the solid phase, the electrolyte is the liquid phase and the reaction gas is the gaseous phase, is distributed over the entire electrode surface. The geometry of the metal mesh or metal foam promotes uniform distribution across the cavity 46 supplied gases on the electrode surface. In this way, the gas distribution function of the conventional gas diffusion layer is replaced by the electrode and the GDL can be eliminated.

In 4 sind ferner die elektrisch leitfähigen Elemente 28, die im zusammengebauten Zustand der Brennstoffzelle um die Bipolarplatte 20 herum geführt werden und somit die Strombrücken 28 in 1 erzeugen, dargestellt. Im Falle der Ausführung der Elektroden 16 und 18 als beschichteter Metallschaum oder beschichtetes Metallgewebe sind die Elemente 28 besonders vorteilhaft als Abschnitte des Drahtschaumes oder -gewebes ausgebildet, weisen jedoch nicht die katalytische Beschichtung auf. Die Abschnitte 28 können ferner eine, die elektrische Leitfähigkeit erhöhende Beschichtung aufweisen, beispielsweise aus Lötzinn. Die Elektroden 16 und 18 verfügen ferner jeweils über einen umlaufenden Dichtungsrahmen 48, durch welchen die Elemente 28 hindurchgeführt sind.In 4 are also the electrically conductive elements 28 in the assembled state of the fuel cell around the bipolar plate 20 be guided around and thus the current bridges 28 in 1 generate, displayed. In case of the execution of the electrodes 16 and 18 as coated metal foam or coated metal mesh are the elements 28 formed particularly advantageous as portions of the wire foam or fabric, but do not have the catalytic coating. The sections 28 may further comprise a, the electrical conductivity-increasing coating, for example, solder. The electrodes 16 and 18 also each have a circumferential sealing frame 48 through which the elements 28 passed through.

Voraussetzung für die in 4 dargestellte Ausführung der Elektroden 16 und 18 als Metallgewebe oder Metallschaum ist eine stabilisierte Membran 14, die vollständig von dem Elektrolyten, insbesondere Phosphorsäure, umgeben wird. Dies kann durch spezielle Maßnahmen gesichert werden, zum Beispiel, indem das Quellen der Membran durch eine sehr feinmaschige Ausführung der Elektroden 16 und 18 gehemmt wird und/oder durch ein Stützgewebe der Membran 14. Auch die Einstellung der Säurekonzentration des Elektrolyten verhindert eine Zerstörung der Membran.Prerequisite for in 4 illustrated embodiment of the electrodes 16 and 18 as metal mesh or metal foam is a stabilized membrane 14 which is completely surrounded by the electrolyte, in particular phosphoric acid. This can be secured by special measures, for example, by swelling the membrane by a very fine-meshed design of the electrodes 16 and 18 is inhibited and / or by a supporting tissue of the membrane 14 , The adjustment of the acid concentration of the electrolyte prevents destruction of the membrane.

1010
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
1212
Membran-Elektroden-EinheitMembrane-electrode assembly
1414
Membranmembrane
1616
Elektrode/KathodeElectrode / cathode
1818
Elektrode/AnodeElectrode / anode
2020
Bipolarplattebipolar
2222
Endplatteendplate
2424
Medienzufuhrmedia feed
2626
Medienabfuhrmedia dissipation
2828
elektrisch leitfähige Elementeelectrical conductive elements
3030
Stromabnehmerpantograph
3232
Platteplate
3434
medienzuführende BohrungenMedia-supplying holes
3636
medienabführende BohrungenMedia removal bores
3838
kathodenseitiges Modulcathode side module
4040
anodenseitiges Modulanode side module
4242
Kühlmodulcooling module
4444
Sinterkörpersintered body
4646
Hohlraumcavity
4848
Dichtungsrahmensealing frame

Claims (11)

Membran-Elektroden-Einheit (12) für eine Brennstoffzelle, umfassend eine protonenleitende Membran (14), zwei beidseitig an die Membran (14) anschließende Elektroden (16, 18), und zumindest eine, an eine Elektrode (16, 18) an ihrer membranabgewandten Seite anschließende Bipolarplatte (20) zur Zuführung eines Reaktionsgases und/oder Abführung von gasförmigen oder flüssigen Produktkomponenten, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Bipolarplatte (20) aus einem nichtmetallischen Material besteht und die Membran-Elektroden-Einheit (12) elektrisch leitfähige Elemente (28) aufweist, die mit den Elektroden (16, 18) kontaktiert sind und zur elektrischen Verbindung mit einer anderen Elektrode (16, 18) ausgestaltet sind.Membrane electrode unit ( 12 ) for a fuel cell, comprising a proton-conducting membrane ( 14 ), two on both sides of the membrane ( 14 ) subsequent electrodes ( 16 . 18 ), and at least one, to an electrode ( 16 . 18 ) on its side facing away from the membrane bipolar plate ( 20 ) for supplying a reaction gas and / or removal of gaseous or liquid product components, characterized in that the at least one bipolar plate ( 20 ) consists of a non-metallic material and the membrane electrode assembly ( 12 ) electrically conductive elements ( 28 ) which is in contact with the electrodes ( 16 . 18 ) and for electrical connection to another electrode ( 16 . 18 ) are configured. Membran-Elektroden-Einheit (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der zumindest einen Bipolarplatte (20) ausgewählt ist aus Kunststoffen, Keramiken, Gläsern und Kompositen von diesen.Membrane electrode unit ( 12 ) according to claim 1, characterized in that the material of the at least one bipolar plate ( 20 ) is selected from plastics, ceramics, glasses and composites of these. Membran-Elektroden-Einheit (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Bipolarplatte (20) einen porösen, von Gas durchströmbaren Sinterkörper (44) zur Verteilung des zugeführten Reaktionsgases über eine Fläche der an die Bipolarplatte (20) anschließenden Elektrode (16, 18) aufweist.Membrane electrode unit ( 12 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one bipolar plate ( 20 ) a porous gas-permeable sintered body ( 44 ) for distributing the supplied reaction gas over an area of the bipolar plate ( 20 ) subsequent electrode ( 16 . 18 ) having. Membran-Elektroden-Einheit (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Bipolarplatte (20) eine zur Aufnahme eines Elektrolyten geeigneten und elektrodenseitig geöffneten Hohlraum (46) aufweist.Membrane electrode unit ( 12 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one bipolar plate ( 20 ) a suitable for receiving an electrolyte and the electrode side open cavity ( 46 ) having. Membran-Elektroden-Einheit (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Bipolarplatte (20) eine Vielzahl von kommunizierenden Bohrungen (34, 36) aufweist, welche ein System von Strömungskanälen zur Zuführung und/oder Abführung von Gasen ausbilden, wobei ein erstes kommunizierendes System von Bohrungen (34) zur Zuführung von Reaktionsgasen und ein zweites kommunizierendes System von Bohrungen (36) zur Abführung von gasförmigen oder flüssigen Produktkomponenten vorgesehen ist.Membrane electrode unit ( 12 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one bipolar plate ( 20 ) a plurality of communicating holes ( 34 . 36 ), which form a system of flow channels for the supply and / or discharge of gases, wherein a first communicating system of bores ( 34 ) for supplying reaction gases and a second communicating system of bores ( 36 ) is provided for the removal of gaseous or liquid product components. Membran-Elektroden-Einheit (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (20) zwei aneinandergefügte Modulen (38, 40) aufweist mit jeweils einem ersten kommunizierenden System von Bohrungen (34) zur Zuführung von Reaktionsgasen und einem zweiten kommunizierenden System von Bohrungen (36) zur Abführung von Produktkomponenten.Membrane electrode unit ( 12 ) according to claim 5, characterized in that the bipolar plate ( 20 ) two joined modules ( 38 . 40 ) each having a first communicating system of bores ( 34 ) for supplying reaction gases and a second communicating system of bores ( 36 ) for the removal of product components. Membran-Elektroden-Einheit (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (20) eine Kühleinrichtung aufweist, die in Form von integrierten Kühlkanälen oder als ein an die Bipolarplatte (20) gefügtes Kühlmodul (42) mit Kühlkanälen ausgestaltet ist.Membrane electrode unit ( 12 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the bipolar plate ( 20 ) has a cooling device, in the form of integrated cooling channels or as a to the bipolar plate ( 20 ) joined cooling module ( 42 ) is designed with cooling channels. Membran-Elektroden-Einheit (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (16, 18) eine Schicht eines Metallgewebes oder eines Metallschaums und eine Beschichtung eines katalytischen Materials aufweisen.Membrane electrode unit ( 12 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrodes ( 16 . 18 ) comprise a layer of a metal mesh or a metal foam and a coating of a catalytic material. Membran-Elektroden-Einheit (12) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Elektrode (16, 18) und Bipolarplatte (20) keine Gasdiffusionsschicht vorhanden ist.Membrane electrode unit ( 12 ) according to claim 8, characterized in that between electrode ( 16 . 18 ) and bipolar plate ( 20 ) no gas diffusion layer is present. Membran-Elektroden-Einheit (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Elemente (28) als Abschnitte der Elektroden (16, 18) ausgebildet sind, die seitlich um die Bipolarplatte (20) herumgeführt sind.Membrane electrode unit ( 12 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrically conductive elements ( 28 ) as sections of the electrodes ( 16 . 18 ) are formed laterally around the bipolar plate ( 20 ) are guided around. Brennstoffzellenstapel (10) umfassend eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Einheiten (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.Fuel cell stack ( 10 ) comprising a plurality of membrane-electrode assemblies ( 12 ) according to one of claims 1 to 10.
DE102007058743A 2007-12-05 2007-12-05 Membrane-electrode-unit for e.g. high temperature-proton exchange membrane-fuel cell stack, has bipolar plate consisting of non-metallic material e.g. glass, and conductive elements arranged for electrical connection with electrodes Withdrawn DE102007058743A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007058743A DE102007058743A1 (en) 2007-12-05 2007-12-05 Membrane-electrode-unit for e.g. high temperature-proton exchange membrane-fuel cell stack, has bipolar plate consisting of non-metallic material e.g. glass, and conductive elements arranged for electrical connection with electrodes

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007058743A DE102007058743A1 (en) 2007-12-05 2007-12-05 Membrane-electrode-unit for e.g. high temperature-proton exchange membrane-fuel cell stack, has bipolar plate consisting of non-metallic material e.g. glass, and conductive elements arranged for electrical connection with electrodes

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102007058743A1 true DE102007058743A1 (en) 2009-07-02

Family

ID=40690653

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102007058743A Withdrawn DE102007058743A1 (en) 2007-12-05 2007-12-05 Membrane-electrode-unit for e.g. high temperature-proton exchange membrane-fuel cell stack, has bipolar plate consisting of non-metallic material e.g. glass, and conductive elements arranged for electrical connection with electrodes

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102007058743A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10211042A1 (en) * 2002-03-13 2003-10-02 Andreas Schubert Bipolar plate for fuel cell stack has porous parts manufactured using powder metallurgical techniques and/or combination of powder metallurgical and conventional manufacturing techniques
DE10261482A1 (en) * 2002-12-23 2004-07-01 Basf Ag Fuel cell module for polymer electrolyte membrane fuel cell stacks used e.g. in vehicles comprises a bipolar plate and a membrane-electrode unit
DE10295503T5 (en) * 2001-01-19 2005-09-08 World Properties, Inc., Lincolnwood Apparatus and method for electrochemical cell components
DE112005002039T5 (en) * 2004-08-25 2007-06-21 General Motors Corp., Detroit Diffusion media with microporous layer
DE60217138T2 (en) * 2001-09-19 2007-10-31 Ballard Power Systems Inc., Burnaby ELECTRICAL CONTACT DEVICE FOR A FUEL CELL

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10295503T5 (en) * 2001-01-19 2005-09-08 World Properties, Inc., Lincolnwood Apparatus and method for electrochemical cell components
DE60217138T2 (en) * 2001-09-19 2007-10-31 Ballard Power Systems Inc., Burnaby ELECTRICAL CONTACT DEVICE FOR A FUEL CELL
DE10211042A1 (en) * 2002-03-13 2003-10-02 Andreas Schubert Bipolar plate for fuel cell stack has porous parts manufactured using powder metallurgical techniques and/or combination of powder metallurgical and conventional manufacturing techniques
DE10261482A1 (en) * 2002-12-23 2004-07-01 Basf Ag Fuel cell module for polymer electrolyte membrane fuel cell stacks used e.g. in vehicles comprises a bipolar plate and a membrane-electrode unit
DE112005002039T5 (en) * 2004-08-25 2007-06-21 General Motors Corp., Detroit Diffusion media with microporous layer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1176653B1 (en) Membrane electrode unit for polymer electrolyte fuel cells and method of producing the same
EP1652258B1 (en) Membrane-electrode unit for the electrolysis of water
EP1184925A2 (en) PEM fuel cell stack
EP0934606B1 (en) Fuel cell electrode-electrolyte unit
DE102007026339B4 (en) Fuel cell with a flow field plate, method for producing such a flow field plate and use of the aforementioned fuel cell
DE102008003197B4 (en) Membrane electrode assembly and method for reducing electrode degradation during switch-on and switch-off cycles
EP3545579B1 (en) Bipolar plate/seal arrangement and also fuel cell stack comprising same
DE102008038202B4 (en) PEM fuel cell with improved water management and process for its production
DE102013217759A1 (en) Fuel cell membrane sub-seal assemblies with coated sub-gaskets as well as fuel cell assemblies and fuel cell stacks with the fuel cell membrane sub-seal assemblies
EP3596767A1 (en) Catalytic composition, method for production thereof, use thereof for producing a fuel cell electrode and fuel cell comprising same
EP1341251A1 (en) PEM fuel cell stack
DE112006000324B4 (en) Fuel cell assembly, fuel cell module and fuel cell device
DE112004000511T5 (en) MEA with catalyst for the oxidation of carbon monoxide
DE102005022527B4 (en) Fuel cell power system and method of operating the same
DE102007039467B4 (en) Fuel cell with electrically conductive webs adhered to a gas diffusion medium and method for the production thereof
EP1224705B1 (en) Fuel cell having an internal reformer and a method for operating same
DE102007061061A1 (en) Fuel cell stack for traction system of motor vehicle, has hydrogen supply line for supplying hydrogen to anodes and dummy cell, and hydrogen discharge line for removing residual hydrogen from anode and dummy cell
DE10158513A1 (en) fuel cell electrode
DE102009043208B4 (en) Material design to allow fuel cell performance at high center temperature with ultrathin electrodes
EP1833112B1 (en) Electrode membrane unit and fuel cell
EP1150370A2 (en) Gas distribution structures and gas diffusion electrodes for polymer electrolyte fuel cells
DE102007058743A1 (en) Membrane-electrode-unit for e.g. high temperature-proton exchange membrane-fuel cell stack, has bipolar plate consisting of non-metallic material e.g. glass, and conductive elements arranged for electrical connection with electrodes
DE102020209081A1 (en) Electrochemical reaction cell stack
DE102013020876A1 (en) Membrane electrode arrangement for use between bipolar plates of PEM-fuel cell used in motor car, has anode including selective membrane between catalyst and gas diffusion layers, where membrane is impermeable for nitrogen, oxygen and water
DE102007021462B3 (en) Heat sink for fuel cells

Legal Events

Date Code Title Description
OM8 Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law
R082 Change of representative
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20130702