DE102014202215A1 - Fuel cell stack and method for its assembly - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Verfahren zu seiner Montage. Der Brennstoffzellenstapel (10) umfasst eine erste Endplatte (11), eine zweite Endplatte (12) und eine Mehrzahl zwischen der ersten und der zweiten Endplatte (11, 12) aufeinander gestapelt angeordneter Stapelelemente (13, 14). Dabei umfassen die Stapelelemente in abwechselnder Reihenfolge angeordnete Bipolarplatten (13) und Membran-Elektroden-Einheiten (14). Zumindest ein Teil der Stapelelemente (13, 14) weisen fluchtend zueinander angeordnete Durchgangsöffnungen (21) zur Ausbildung von Betriebsmittelversorgungskanälen auf. Erfindungsgemäß weist die zweite Endplatte (12) zumindest zwei Sacklöcher (24) auf, die jeweils in einem Bereich korrespondierend mit einer Durchgangsöffnung (21) der Stapelelemente (13, 14) und dieser Durchgangsöffnung (21) zugewandt angeordnet sind. Bei der Montage werden die erste Endplatte (11) und die Stapelelemente (13, 14) so aufeinandergestapelt, dass Montagestangen (51, 54) einer Montagevorrichtung (50) durch die Durchgangsöffnungen (21) der ersten Endplatte (11) und der Stapelelemente (13, 14) geführt werden. Die zweite Endplatte (12) wird dann derart aufgelegt, dass Endabschnitte (55) der Montagestangen (51, 52) der Montagevorrichtung (50) in die Sacklöcher (24) der zweiten Endplatte (12) eingreifen, ehe der Brennstoffzellenstapel (10) aus der Montagevorrichtung entfernt wird.The invention relates to a fuel cell stack and a method for its assembly. The fuel cell stack (10) includes a first end plate (11), a second end plate (12), and a plurality of stack elements (13, 14) stacked on each other between the first and second end plates (11, 12). In this case, the stack elements comprise bipolar plates (13) arranged in alternating sequence and membrane-electrode units (14). At least part of the stack elements (13, 14) have passage openings (21) arranged in alignment with one another for forming resource supply channels. According to the invention, the second end plate (12) has at least two blind holes (24) which are each arranged in a region corresponding to a passage opening (21) of the stack elements (13, 14) and this through opening (21). During assembly, the first end plate (11) and the stacking elements (13, 14) are stacked on each other so that mounting bars (51, 54) of a mounting device (50) through the through openings (21) of the first end plate (11) and the stack elements (13 , 14). The second end plate (12) is then placed such that end portions (55) of the mounting rods (51, 52) of the mounting device (50) in the blind holes (24) of the second end plate (12) engage before the fuel cell stack (10) from the Mounting device is removed.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Verfahren zur Montage eines solchen.The invention relates to a fuel cell stack and a method for assembling such.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case a membrane disposed on both sides of the electrode (anode and cathode). In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up. Between the individual membrane electrode assemblies bipolar plates (also called flow field plates) are usually arranged, which ensure a supply of the individual cells with the operating media, ie the reactants, and usually also serve the cooling. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.

Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder 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 über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (z. B. Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den, über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad. Die Zu- und Abfuhr der Betriebsmedien (Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel) erfolgt über Betriebsmittelversorgungskanäle, die durch entsprechende aufeinander gestapelte Durchgangsöffnungen der Bipolarplatten und optional der Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet werden. Die Durchgangsöffnungen zur Ausbildung von Betriebsmittelversorgungskanälen sind außerhalb der Flussfelder der Bipolarplatten und außerhalb eines aktiven Bereichs der Membran-Elektroden-Einheiten angeordnet.During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode via an anode-side open flow field of the bipolar plate, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with emission of electrons. Via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H + from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied via a cathode-side open flow field of the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (eg., Air), so that a reduction of O 2 to O 2- takes place taking up the electrons. At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water. The direct conversion of chemical to electrical energy fuel cells achieve over other electricity generators due to the circumvention of the Carnot factor improved efficiency. The supply and removal of the operating media (fuel, oxidant and coolant) via resource supply channels, which are formed by corresponding stacked through holes of the bipolar plates and optionally the membrane-electrode assemblies. The through-holes for forming resource supply channels are disposed outside the flow fields of the bipolar plates and outside an active region of the membrane-electrode assemblies.

Bei der Herstellung der Brennstoffzelle werden die Membran-Elektroden-Einheiten und die Bipolarplatten in einander abwechselnder Reihenfolge und in einer definierten Position zueinander gestapelt. Die Stapelung erfolgt dabei derart, dass im aktiven Bereich die Flussfelder der Bipolarplatten und die Elektroden der Membran-Elektroden-Einheiten sowie andererseits im inaktiven Bereich die Durchgangsöffnungen zur Ausbildung von Betriebsmittelversorgungskanälen der Bipolarplatten möglichst deckungsgleich aufeinanderliegen.In the manufacture of the fuel cell, the membrane-electrode assemblies and the bipolar plates are stacked in alternating order and in a defined position relative to one another. The stacking takes place in such a way that in the active region the flow fields of the bipolar plates and the electrodes of the membrane electrode units and on the other hand in the inactive region, the passage openings for the formation of resource supply channels of the bipolar plates are superimposed as congruent.

Diese Montage erfolgt zumeist mittels einer mit Zentrierstangen ausgestatteten Montagevorrichtung (auch Zentriervorrichtung genannt). Dabei werden die Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten so eingelegt, dass die Zentrierstangen durch spezielle Zentrieröffnungen der Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten geführt werden, welche in Randbereichen zusätzlich zu den oben genannten Durchgangsöffnungen zur Ausbildung von Betriebsmittelversorgungskanälen, vorgesehen sind. Die speziellen Zentrieröffnungen in den Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten führen jedoch zu einer unerwünschten Vergrößerung der Komponenten und somit der Brennstoffzelle insgesamt.This assembly is usually done by means of a centering equipped with mounting device (also called centering). In this case, the bipolar plates and membrane electrode units are inserted so that the centering rods are guided through special centering of the bipolar plates and membrane electrode assemblies, which are provided in edge regions in addition to the above-mentioned through holes for the formation of resource supply channels. However, the special centering holes in the bipolar plates and membrane-electrode assemblies result in undesirable enlargement of the components and thus of the fuel cell as a whole.

DE 10 2009 030 427 beschreibt eine Zentriervorrichtung zum Stapeln von Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten und ein entsprechendes Verfahren. Die Zentriervorrichtung weist ein als Auflageplatte ausgebildetes Lagerelement auf, von welchem sich vier Zentrierstangen erstrecken. Die Zentrierstangen sind gelenkig im Lagerelement gelagert. Zum Stapeln der Membran-Elektroden-Einheiten und der Bipolarplatten werden diese über ihre Zentrieröffnungen auf die Zentrierstangen gesteckt und anschließend die Zentrierstangen zueinander mittels einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet. Zu diesem Zweck weist die Endplatte vier als Durchgangsöffnungen ausgebildete Kalibrieröffnungen auf, durch welche die Zentrierstangen geführt werden. Der komplette Stapel kann entweder auf der Zentriervorrichtung verbleiben oder nach der Montage von dieser entfernt werden. DE 10 2009 030 427 describes a centering device for stacking membrane-electrode assemblies and bipolar plates and a corresponding method. The centering device has a support element designed as a support plate, from which four centering rods extend. The centering rods are articulated in the bearing element. For stacking the membrane-electrode assemblies and the bipolar plates, these are placed on their centering on the centering rods and then aligning the centering rods to each other by means of an end plate of the fuel cell stack. For this purpose, the end plate has four calibration openings formed as passage openings, through which the centering rods are guided. The complete stack can either remain on the centering device or be removed after assembly of this.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, der eine vereinfachte und prozesssichere Montage ohne zusätzliche Zentrieröffnungen ermöglicht und somit eine vergleichsweise geringe Fläche der Einzelkomponenten erlaubt. Es soll ferner ein entsprechendes vereinfachtes Verfahren zur Montage des Brennstoffzellenstapels zur Verfügung gestellt werden.The invention has for its object to provide a fuel cell stack, which allows a simplified and reliable installation without additional centering and thus allows a relatively small area of the individual components. It should also be a corresponding simplified method for mounting the fuel cell stack can be provided.

Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zur Montage desselben mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.This object is achieved by a fuel cell stack and a method for assembling the same having the features of the independent claims.

Der Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung umfasst eine erste Endplatte, eine zweite Endplatte und eine Mehrzahl zwischen der ersten und der zweiten Endplatte aufeinander gestapelt angeordneter Stapelelemente. Die Stapelelemente umfassen in einander abwechselnder Reihenfolge angeordnete Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten. Zumindest ein Teil der Stapelelemente weist fluchtend zueinander angeordnete Durchgangsöffnungen zur Ausbildung von Betriebsmittelversorgungskanälen auf. Der Brennstoffzellenstapel zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Endplatte auf ihrer den Stapelelementen (Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten) zugewandten Seite zumindest zwei Sacklöcher aufweist, die jeweils in einem Bereich angeordnet sind, der mit einer Durchgangsöffnung der Stapelelemente korrespondiert.The fuel cell stack according to the invention comprises a first end plate, a second end plate and a plurality of stacked elements stacked between the first and second end plates. The stack elements comprise bipolar plates and membrane-electrode assemblies arranged in alternating order. At least a part of the stack elements has passage openings arranged in alignment with one another for forming resource supply channels. The fuel cell stack is characterized in that the second end plate has on its side facing the stack elements (bipolar plates and membrane electrode units) at least two blind holes which are each arranged in a region which corresponds to a through opening of the stack elements.

Die Sacklöcher der zweiten Endplatte dienen der Ausrichtung (Zentrierung) der Endplatte. Durch die mit den Durchgangsöffnungen korrespondierenden Sacklöchern der zweiten Endplatte wird einerseits ermöglicht, dass die Durchgangsöffnungen der Stapelelemente (Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten) während der Montage als Zentrieröffnungen genutzt werden können. Neben den ohnehin vorhandenen Durchgangsöffnungen sind somit keine zusätzlichen speziellen Zentrieröffnungen in den Stapelelementen zum Zwecke ihrer Zentrierung während der Montage notwendig. Hierdurch können die Abmessungen der Stapelelemente und damit des Stapels insgesamt verringert werden. Durch die Ausgestaltung der Zentrieröffnungen in der zweiten Endplatte in Form von Sacklöchern (anstelle von Durchgangsöffnungen) wird darüber hinaus vorteilhaft bewirkt, dass nach der Montage des Brennstoffzellenstapels die Öffnungen nicht wieder verschlossen werden müssen, um entsprechende innere Kanalstrukturen der Endplatte zur Betriebsmittelversorgung abzudichten. Hierdurch wird das Herstellungsverfahren vereinfacht.The blind holes of the second end plate serve for alignment (centering) of the end plate. By means of the blind holes of the second end plate corresponding to the passage openings, on the one hand it is possible for the passage openings of the stack elements (bipolar plates and membrane electrode units) to be used as centering openings during assembly. In addition to the passage openings, which are present in any case, no additional special centering openings in the stacking elements are therefore necessary for their centering during assembly. As a result, the dimensions of the stack elements and thus of the stack can be reduced overall. Due to the configuration of the centering openings in the second end plate in the form of blind holes (instead of passage openings) is also advantageously effected that after mounting the fuel cell stack openings must not be closed again to seal corresponding inner channel structures of the end plate for resource supply. This simplifies the manufacturing process.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „Sackloch” eine Aussparung verstanden, die im Bauteil (hier der zweiten Endplatte) im Gegensatz zu einer Durchgangsöffnung endet. Das Sackloch kann eine beliebige Gestalt aufweisen, d. h. es ist nicht auf eine runde Umfangsgestalt beschränkt. Demgegenüber wird mit „Durchgangsöffnung” eine im Wesentlichen geradlinig das Bauteil von einer Seite bis zu einer gegenüberliegenden Seite durchtretende Öffnung verstanden. Unter einer „fluchtenden” Anordnung von Durchgangsöffnungen der Stapelelemente wird verstanden, dass einander entsprechende Abschnitte gleichartiger Stapelelemente entlang einer gemeinsamen fiktiven, sich in Stapelrichtung erstreckenden Achse ausgerichtet sind. Dementsprechend wird unter dem Bereich der zweiten Endplatte, der mit einer Durchgangsöffnung der Stapelelemente korrespondiert, ein Bereich verstanden, der einer Abbildung (Projektion) der Durchgangsöffnung auf die zweite Endplatte im fluchtend gestapelten Zustand entspricht.In the context of the present application, the term "blind hole" is understood to mean a recess which ends in the component (here the second end plate), in contrast to a passage opening. The blind hole may have any shape, d. H. it is not limited to a circular shape. In contrast, "through-opening" is understood to mean an essentially straight-line opening through the component from one side to an opposite side. An "aligned" arrangement of passage openings of the stack elements is understood to mean that corresponding sections of similar stack elements are aligned along a common fictitious axis extending in the stacking direction. Accordingly, below the area of the second end plate corresponding to a through hole of the stack members, an area corresponding to an image (projection) of the through hole on the second end plate in the aligned stacked state is understood.

Vorzugsweise weist die zweite Endplatte zumindest in den mit den Durchgangsöffnungen der Stapelelemente korrespondierenden Bereichen keine Durchgangsöffnungen auf. Hierdurch wird ein nachträglicher Verschluss von Durchgangsöffnungen zur Abdichtung der Betriebsmittelversorgungskanäle überflüssig. In besonders bevorzugter Ausbildung der Erfindung weist die zweite Endplatte über ihre gesamte Hauptfläche keine Durchgangsöffnungen auf.Preferably, the second end plate has no passage openings at least in the regions corresponding to the passage openings of the stack elements. As a result, a subsequent closure of passage openings for sealing the resource supply channels is superfluous. In a particularly preferred embodiment of the invention, the second end plate has no passage openings over its entire main surface.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Sacklöcher der zweiten Endplatte jeweils eine kleinere Querschnittsfläche auf, als die jeweils korrespondierende Durchgangsöffnung der Stapelelemente. Hierdurch wird ein exaktes Ausrichten der Montagestangen der für die Montage verwendeten Montagevorrichtung (siehe unten) ermöglicht. Zudem führt eine kleinere Dimensionierung der Sacklöcher zu einer geringeren Beeinflussung der Geometrie der Endplatte im Bereich der Betriebsmittelversorgungskanäle, welche durch Anforderungen des Betriebsmittelmanagements, insbesondere des Kühlmittels und seiner Entlüftung vorgegeben ist. Sacklöcher, insbesondere kleiner Abmessung, führen somit zu einer geringeren Funktionsbeeinflussung der Endplatte.According to a preferred embodiment of the invention, the blind holes of the second end plate each have a smaller cross-sectional area than the respective corresponding passage opening of the stack elements. This allows a precise alignment of the mounting rods of the mounting device used for the assembly (see below). In addition, a smaller dimensioning of the blind holes leads to a smaller influence on the geometry of the end plate in the area of the resource supply channels, which is predetermined by requirements of the resource management, in particular the coolant and its vent. Blind holes, especially small dimensions, thus lead to a smaller functional influence of the end plate.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Endplatte (anders als die zweite Endplatte) Durchgangsöffnungen auf, die in Bereichen der ersten Endplatte lokalisiert sind, welche mit den Durchgangsöffnungen der Stapelelemente korrespondieren. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Durchgangsöffnungen der ersten Endplatte bezüglich ihrer Größe und/oder Gestalt den Durchgangsöffnungen der Stapelelemente entsprechen müssen. Vorzugsweise sind die Durchgangsöffnungen der ersten Endplatte kleiner als die der Stapelelemente. Die Durchgangsöffnungen der ersten Endplatte ermöglichen ihre Verwendung als Zentrieröffnungen während der Montage des Brennstoffzellenstapels. Da sie zum Anschluss an eine Betriebsmittelversorgung des Brennstoffzellenstapels verwendet werden können, bleiben Sie vorzugsweise nicht verschlossen.In a preferred embodiment of the invention, the first end plate (other than the second end plate) has passage openings located in areas of the first end plate which correspond to the passage openings of the stack elements. However, this does not mean that the passage openings of the first end plate must correspond to the passage openings of the stack elements with respect to their size and / or shape. Preferably, the passage openings of the first end plate are smaller than those of the stack elements. The through openings of the first end plate allow their use as centering holes during assembly of the fuel cell stack. Since they can be used to connect to a fuel cell stack fuel supply, they preferably remain closed.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind somit die Durchgangsöffnungen der ersten Endplatte zum fluidführenden Anschluss an Betriebsmittelversorgungseinrichtungen der Brennstoffzelle ausgebildet. Dies betrifft insbesondere ihre Gestaltung auf der äußeren Hauptfläche der ersten Endplatte. Beispielsweise können hier die Durchgangsöffnungen in Form von Schraub- oder Klemmverbindungen ausgebildet sein. Diese Ausgestaltung ermöglicht die Nutzung der Durchgangsöffnungen einerseits zum Zentrieren der Stapelkomponenten und andererseits zur Betriebsmittelversorgung. Dabei umfassen die Betriebsmittel üblicherweise einen Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, ein sauerstoffhaltiges Gemisch, insbesondere Luft, sowie ein Kühlmittel, insbesondere Wasser.In an advantageous embodiment of the invention, thus, the passage openings of the first End plate formed for fluid-carrying connection to resource supply means of the fuel cell. This particularly relates to their design on the outer major surface of the first end plate. For example, the passage openings in the form of screw or clamp connections can be formed here. This embodiment allows the use of the passage openings on the one hand for centering the stack components and on the other hand for the supply of equipment. In this case, the operating means usually comprise a fuel, in particular hydrogen, an oxygen-containing mixture, in particular air, and a coolant, in particular water.

Erfindungsgemäß weist wenigstens ein Teil der Stapelelemente Durchgangsöffnungen zur Ausbildung der Betriebsmittelversorgungskanäle auf, also die Bipolarplatten und/oder die Membran-Elektroden-Einheiten. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weisen zumindest die Bipolarplatten solche Betriebsmittelversorgungskanäle ausbildende Durchgangsöffnungen auf. Da Bipolarplatten üblicherweise aus einem metallischen Material gefertigt sind, weisen sie eine gute Formstabilität auf, die sich einerseits zur stabilen Ausbildung der Versorgungskanäle im verpressten Stapel eignet. Andererseits ermöglicht die Formstabilität der Bipolarplatten ein exaktes Ausrichten an Montagestangen der Montagevorrichtung (siehe unten). Für den Fall, dass nur die Bipolarplatten, nicht aber die Membran-Elektroden-Einheiten, über Durchgangsöffnungen zur Ausbildung von Betriebsmittelversorgungskanälen aufweisen, haben letztere üblicherweise einen kleineren Flächenzuschnitt als die Bipolarplatten, der sich im Wesentlichen über einen aktiven Bereich erstreckt. In diesem Fall ragen die Membran-Elektroden-Einheiten also nicht über die Durchgangsöffnungen der Bipolarplatten hinaus und versperren diese nicht. In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weisen sowohl die Bipolarplatten als auch die Membran-Elektroden-Einheiten einander entsprechende Durchgangsöffnungen zur Ausbildung von Betriebsmittelversorgungskanälen auf. In diesem Fall umfassen die Membran-Elektroden-Einheiten vorzugsweise eine formstabile Trägerschicht, welche den aktiven Bereich umschließt und sich über den inaktiven Bereich erstreckt, in dem die Durchgangsöffnungen angeordnet sind. In diesem Fall ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Einheiten im Wesentlichen einen einander entsprechenden Zuschnitt bezüglich ihrer Hauptflächen aufweisen.According to the invention, at least some of the stack elements have passage openings for forming the resource supply channels, ie the bipolar plates and / or the membrane-electrode units. In a preferred embodiment of the invention, at least the bipolar plates on such resource supply channels forming through holes. Since bipolar plates are usually made of a metallic material, they have a good dimensional stability, which on the one hand is suitable for stable formation of the supply channels in the compressed stack. On the other hand, the dimensional stability of the bipolar plates enables precise alignment with mounting bars of the mounting device (see below). In the event that only the bipolar plates, but not the membrane-electrode units, have through openings for the formation of resource supply channels, the latter usually have a smaller area blank than the bipolar plates, which extends substantially over an active area. In this case, the membrane-electrode units thus do not protrude beyond the through-openings of the bipolar plates and do not obstruct them. In a particularly preferred embodiment of the invention, both the bipolar plates and the membrane-electrode units have mutually corresponding passage openings for the formation of resource supply channels. In this case, the membrane-electrode assemblies preferably comprise a dimensionally stable carrier layer which encloses the active region and extends over the inactive region in which the through-openings are arranged. In this case, it is particularly preferred that bipolar plates and membrane electrode assemblies have substantially a corresponding blank with respect to their major surfaces.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Montage eines Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst die Schritte:

  • – Bereitstellen einer Montagevorrichtung mit wenigstens zwei Montagestangen,
  • – Stapeln der ersten Endplatte und der Stapelelemente, wobei die Positionierstangen der Montagevorrichtung durch die Durchgangsöffnungen der ersten Endplatte und der Stapelelemente geführt werden,
  • – Auflegen der zweiten Endplatte derart, dass Endabschnitte der Montagestangen der Montagevorrichtung in die Sacklöcher der zweiten Endplatte eingreifen und
  • – Entfernen des Brennstoffzellenstapels aus der Montagevorrichtung.
The invention further relates to a method for assembling a fuel cell stack according to the present invention. The method comprises the steps:
  • Providing a mounting device with at least two mounting rods,
  • Stacking the first end plate and the stack elements, the positioning bars of the mounting device being guided through the through openings of the first end plate and the stack elements,
  • - Laying the second end plate such that end portions of the mounting rods of the mounting device engage in the blind holes of the second end plate and
  • - Remove the fuel cell stack from the mounting device.

Das Verfahren zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass die Durchgangsöffnungen der Stapelelemente (Bipolarplatten und/oder Membran-Elektroden-Einheiten) als Zentrieröffnungen während der Montage genutzt werden, sodass keine weiteren Zentrieröffnungen erforderlich sind. Das Verfahren zeichnet sich ferner dadurch aus, dass die zweite (obere) Endplatte auf die Montagestangen aufgelegt wird, die Montagestangen also nicht durch Durchgangsöffnungen der zweiten Endplatte hindurch geführt werden, sondern lediglich in diese eingreifen. Durch die Vermeidung von Durchgangsöffnungen in der zweiten Endplatte im Bereich der Betriebsmittelversorgungskanäle erübrigt sich ein nachträglicher Verschluss der Durchgangsöffnungen.The method is characterized inter alia by the fact that the through-openings of the stack elements (bipolar plates and / or membrane electrode assemblies) are used as centering holes during assembly, so that no further centering holes are required. The method is further characterized in that the second (upper) end plate is placed on the mounting rods, ie the mounting rods are not passed through through openings of the second end plate, but only engage in this. By avoiding passage openings in the second end plate in the area of the resource supply channels, a subsequent closure of the passage openings is unnecessary.

In bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Montagestangen der Montagevorrichtungen mindestens eine Zentrierstange umfassen, die angeordnet und ausgebildet ist, einen Randbereich der korrespondierenden Durchgangsöffnung der gestapelten Stapelelemente (Bipolarplatten und/oder Membran-Elektroden-Einheiten) an mindestens einem Punkt oder mindestens einem Abschnitt zu kontaktieren. Die Zentrierstangen ermöglichen somit ein exaktes Festlegen und Positionieren der Stapelelemente relativ zu den Zentrierstangen und somit zueinander.In a preferred embodiment of the method according to the invention it is provided that the mounting rods of the mounting devices comprise at least one centering rod, which is arranged and formed, an edge region of the corresponding through hole of the stacked stack elements (bipolar plates and / or membrane electrode assemblies) at least one point or at least to contact a section. The centering rods thus enable exact setting and positioning of the stacking elements relative to the centering rods and thus to each other.

Vorzugsweise umfassen die Montagestangen der Montagevorrichtung mindestens zwei und noch stärker bevorzugt drei oder vier solcher Zentrierstangen.Preferably, the mounting bars of the mounting device comprise at least two and more preferably three or four such centering rods.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassen die Montagestangen der Montagevorrichtung zumindest eine Stützstange, die angeordnet und ausgebildet ist, einen Randbereich der korrespondierenden Durchgangsöffnung der gestapelten Stapelelemente nicht zu berühren. Funktion der Stützstange ist somit nicht das Zentrieren (Ausrichten) der zweiten (oberen) Endplatte, sondern ihre stabile Abstützung. Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Montagestangen, also die Summe aus Zentrier- und Stützstangen drei, noch bevorzugter vier. In besonders bevorzugter Ausführung umfasst die Montagevorrichtung drei Zentrierstangen sowie eine Stützstange.According to a further embodiment of the method according to the invention, the mounting rods of the mounting device comprise at least one support rod, which is arranged and designed not to touch an edge region of the corresponding passage opening of the stacked stack elements. Function of the support rod is thus not the centering (alignment) of the second (upper) end plate, but their stable support. Preferably, the number of mounting rods, so the sum of centering and support rods three, more preferably four. In particularly preferred Execution, the mounting device comprises three centering rods and a support rod.

Vorzugsweise weisen die Endabschnitte der Montagestangen der Montagevorrichtung eine kleinere Querschnittsfläche auf, als die übrigen Abschnitte der Montagestangen. Beispielsweise können sich die Montagestangen in Richtung ihres Endabschnittes verjüngen. Diese Geometrie erlaubt ein einfaches „Auffädeln” der Stapelelemente auf die Montagestangen sowie eine genauere Ausrichtung der zweiten Endplatte. Zudem können auf diese Weise die Sacklöcher auf der zweiten Endplatte vergleichsweise klein dimensioniert werden. Dies ist ohne Beeinträchtigung der Geometrien interner Betriebsmittelwege innerhalb der zweiten Endplatte möglich.Preferably, the end portions of the mounting bars of the mounting device have a smaller cross-sectional area than the remaining portions of the mounting bars. For example, the mounting rods can taper towards their end portion. This geometry allows a simple "threading" of the stacking elements on the mounting rods and a more accurate alignment of the second end plate. In addition, the blind holes on the second end plate can be dimensioned comparatively small in this way. This is possible without affecting the geometries of internal resource paths within the second endplate.

Üblicherweise erfolgt nach dem Entfernen des Brennstoffzellenstapels aus der Montagevorrichtung ein Verpressen des Stapels mittels Spannelementen.Usually takes place after removal of the fuel cell stack from the mounting device, a pressing of the stack by means of clamping elements.

Unter dem Begriff „Stapeln” oder „Aufeinanderstapeln” wird vorliegend eine Anordnung der einzelnen Stapelelemente verstanden derart, dass diese mit ihren Hauptflächen aneinander angrenzenden. Dabei müssen die einzelnen Stapelelemente nicht zwangsläufig vertikal übereinander gestapelt werden, sondern können auch in horizontaler Richtung oder geneigt ”gestapelt” werden.The term "stacking" or "stacking" is understood here to mean an arrangement of the individual stack elements such that they adjoin one another with their main surfaces. In this case, the individual stack elements do not necessarily have to be stacked vertically one above the other, but can also be "stacked" horizontally or inclined.

Die Stapelelemente sind üblicherweise Flachkörper, deren Ausdehnungen entlang einer Hauptfläche der Lage einem Vielfachen einer Ausdehnung der Lage senkrecht zur Hauptfläche beträgt. Die Hauptflächen sind dabei die beiden größten Flächen des jeweiligen Stapelelements, welche auf gegenüberliegenden Seiten des Stapelelements angeordnet sind.The stack elements are usually flat bodies whose dimensions along a major surface of the layer amount to a multiple of an extent of the position perpendicular to the main surface. The main surfaces are the two largest surfaces of the respective stack element, which are arranged on opposite sides of the stack element.

Die Durchgangsöffnungen der Stapelelemente bilden im zusammengesetzten Zustand, also im Stapel, Betriebsmittelversorgungskanale aus. Unter Betriebsmittel wird ein Anodenbetriebsmittel (Brennstoff, insbesondere Wasserstoff), ein Kathodenbetriebsmittel (Sauerstoff haltiges Medium, insbesondere Luft) und ein Kühlmittel (insbesondere Wasser) verstanden. Da für jedes Betriebsmittel jeweils ein Zufuhr- und ein Abfuhrkanal erforderlich sind, weisen die Stapelelemente, insbesondere zumindest die Bipolarplatten, üblicherweise sechs solcher Durchgangsöffnungen auf, die für die Zentrierung genutzt werden können. Betriebsmittelkanäle können insbesondere bei Bipolarplatten leicht von Zentrieröffnungen oder sonstigen Öffnungen unterschieden werden. So führen bei Bipolarplatten typischerweise Verteilerkanäle von den Anoden- oder Kathodenbetriebsmittelöffnungen zu einem offenen Flussfeld an der Oberfläche der Bipolarplatte, welche einen chemisch aktiven Bereich einer angrenzenden Membran-Elektroden-Einheit mit den Reaktanten versorgt. Die Durchgangsöffnungen für das Kühlmittel sind jeweils mit geschlossenen Kühlmittelkanälen im Inneren der Bipolarplatten verbunden. Die Betriebsmittelöffnungen der Membran-Elektroden-Einheit weisen analoge Positionen wie jene der Bipolarplatten auf, sodass die Betriebsmittelöffnungen typischerweise entlang der Stapelrichtung gerade durch den Brennstoffzellenstapel hindurchführen.The passage openings of the stack elements form in the assembled state, ie in the stack, resource supply ducts. Operating means are understood to be an anode operating medium (fuel, in particular hydrogen), a cathode operating medium (oxygen-containing medium, in particular air) and a coolant (in particular water). Since a supply and a discharge channel are required for each resource, the stack elements, in particular at least the bipolar plates, usually have six such through openings, which can be used for centering. Operating medium channels can be easily distinguished, in particular in the case of bipolar plates, from centering openings or other openings. Thus, in bipolar plates, distribution channels typically lead from the anode or cathode device openings to an open flow field on the surface of the bipolar plate, which supplies a chemically active region of an adjacent membrane-electrode assembly with the reactants. The passage openings for the coolant are each connected to closed coolant channels in the interior of the bipolar plates. The resource ports of the membrane-electrode assembly have analogous positions to those of the bipolar plates, such that the resource ports typically pass straight through the fuel cell stack along the stacking direction.

Die Montagevorrichtung umfasst vorzugsweise eine Montageplatte, an der die Montagestangen befestigt sind.The mounting device preferably comprises a mounting plate to which the mounting rods are attached.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können auf einfache und schnelle Art und Weise die einzelnen Komponenten eines Brennstoffzellenstapels zueinander positioniert (zentriert) werden, ohne Gefahr zu laufen, dass es zu einer Faltenbildung beispielsweise von Membran-Elektroden-Einheiten kommt.By means of the method according to the invention, the individual components of a fuel cell stack can be positioned (centered) to one another in a simple and rapid manner without running the risk of wrinkling, for example of membrane-electrode units.

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 remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 einen stark vereinfachten Brennstoffzellenstapel, 1 a greatly simplified fuel cell stack,

2 eine Membran-Elektroden-Einheit in einer Draufsicht während der Montage, 2 a membrane-electrode assembly in a plan view during assembly,

3 eine Bipolarplatte in einer Draufsicht während der Montage, 3 a bipolar plate in a plan view during assembly,

4 eine isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen (zweiten) Endplatte, auf Montagestangen einer Montagevorrichtung aufliegend, 4 an isometric view of a (second) end plate according to the invention, resting on mounting rods of a mounting device,

5 eine erste Seitenansicht der zweiten Endplatte nach 4 in einer ersten Seitenansicht, 5 a first side view of the second end plate after 4 in a first side view,

6 eine zweite Seitenansicht der zweiten Endplatte nach 4 in einer zweiten Seitenansicht, 6 a second side view of the second end plate after 4 in a second side view,

7 eine erste Schnittansicht der zweiten Endplatte und einer Zentrierstange gemäß Schnitt A-A in 5, 7 a first sectional view of the second end plate and a centering rod according to section AA in 5 .

8 eine zweite Schnittansicht der zweiten Endplatte und einer Zentrierstange gemäß Schnitt C-C in 6 und 8th a second sectional view of the second end plate and a centering rod according to section CC in 6 and

9 eine dritte Schnittansicht der zweiten Endplatte und einer Stützstange gemäß Schnitt B-B in 6. 9 a third sectional view of the second end plate and a support rod according to section BB in 6 ,

1 zeigt in einer stark schematischen Darstellung einen Brennstoffzellenstapel 10. Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst eine erste (hier untere) Endplatte 11 sowie eine zweite (hier obere) Endplatte 12. Zwischen den Endplatten 11, 12 ist eine Vielzahl übereinander gestapelter Stapelelemente angeordnet, welche Bipolarplatten 13 und Membran-Elektroden-Einheiten 14 umfassen. Die Bipolarplatten 13 sind mit den Membran-Elektroden-Einheiten 14 abwechselnd gestapelt. Die Membran-Elektroden-Einheiten 14 umfassen jeweils eine Membran und beidseitig der Membran anschließende Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode (nicht dargestellt). An der Membran anliegend, können die Membran-Elektroden-Einheiten 14 zudem (ebenfalls nicht dargestellte) Gasdiffusionslagen aufweisen. Zwischen den Bipolarplatten 13 und Membran-Elektroden-Einheiten 14 sind jeweils Dichtungselemente 15 angeordnet, welche die Anoden- und Kathodenräume gasdicht nach außen abdichten. Zwischen den Endplatten 11 und 12 ist der Brennstoffzellenstapel 10 mittels Zugelementen 16, z. B. Zugstangen oder Spannblechen, verpresst. 1 shows a highly schematic representation of a fuel cell stack 10 , The fuel cell stack 10 includes a first (here lower) end plate 11 and a second (here upper) end plate 12 , Between the end plates 11 . 12 a plurality of stacked stack elements is arranged, which bipolar plates 13 and membrane-electrode assemblies 14 include. The bipolar plates 13 are with the membrane electrode units 14 alternately stacked. The membrane-electrode units 14 each comprise a membrane and on both sides of the membrane subsequent electrodes, namely an anode and a cathode (not shown). Adjacent to the membrane, the membrane electrode units 14 also have gas diffusion layers (also not shown). Between the bipolar plates 13 and membrane-electrode assemblies 14 are each sealing elements 15 arranged, which seal the anode and cathode chambers gas-tight to the outside. Between the end plates 11 and 12 is the fuel cell stack 10 by means of tension elements 16 , z. B. tie rods or clamping plates, pressed.

In 1 sind von den Bipolarplatten 13 und den Membran-Elektroden-Einheiten 14 lediglich die Schmalseiten sichtbar. Die Hauptseiten der Bipolarplatten 13 und der Membran-Elektroden-Einheiten 14 liegen aneinander an. Die Darstellung in 1 ist teilweise nicht dimensionsgetreu. Typischerweise beträgt eine Dicke einer Einzelzelle, bestehend aus einer Bipolarplatte 13 und einer Membran-Elektroden-Einheit 14, wenige mm, wobei die Membran-Elektroden-Einheit 14 die weitaus dünnere Komponente ist. Zudem ist die Anzahl der Einzelzellen üblicherweise wesentlich größer als dargestellt.In 1 are from the bipolar plates 13 and the membrane electrode assemblies 14 only the narrow sides visible. The main sides of the bipolar plates 13 and the membrane electrode assemblies 14 lie against each other. The representation in 1 is partially not dimensionally accurate. Typically, a thickness of a single cell consisting of a bipolar plate 13 and a membrane-electrode assembly 14 , a few mm, with the membrane-electrode unit 14 the much thinner component is. In addition, the number of single cells is usually much larger than shown.

Die Montage des Brennstoffzellenstapels 10 wird anhand der folgenden Figuren dargestellt.The assembly of the fuel cell stack 10 is illustrated by the following figures.

Die Montage des Brennstoffzellenstapels 10 erfolgt mithilfe einer in den folgenden Figuren nur unvollständig dargestellten Montagevorrichtung, die im Wesentlichen eine beispielsweise horizontal angeordnete Montageplatte sowie wenigstens zwei daran befestigte vorzugsweise rechtwinklig sich von der Montageplatte erstreckende Montagestäbe aufweist. Zur Montage des Brennstoffzellenstapels 10 wird zunächst die erste Endplatte 11 so auf die Montageplatte aufgelegt, dass die Montagestäbe durch Durchgangsöffnungen der Endplatte geführt werden, wodurch diese in ihrer Position festgelegt wird. Dieser erste Schritt ist vorliegend nicht dargestellt.The assembly of the fuel cell stack 10 takes place by means of a mounting device shown only incomplete in the following figures, which essentially has a mounting plate arranged horizontally, for example, as well as at least two attached thereto preferably at right angles extending from the mounting plate mounting rods. For mounting the fuel cell stack 10 First, the first end plate 11 placed on the mounting plate so that the mounting rods are passed through through holes in the end plate, whereby this is fixed in position. This first step is not shown here.

Anschließend werden die Stapelelemente, umfassend die Bipolarplatten 13 und die Membran-Elektroden-Einheiten 14, abwechselnd auf die Montagestäbe gesteckt. Diese Schritte sind anhand der 2 und 3 dargestellt.Subsequently, the stacking elements comprising the bipolar plates 13 and the membrane-electrode assemblies 14 , alternately put on the mounting rods. These steps are based on the 2 and 3 shown.

Die 2 und 3 zeigen eine typische Membran-Elektroden-Einheit 14 beziehungsweise eine Bipolarplatte 13 während ihrer Montage jeweils in einer Draufsicht auf eine ihrer Hauptflächen. Beide Komponenten 13 und 14 weisen einen aktiven Bereich 17 sowie einen den aktiven Bereich umgebenden inaktiven Bereich 18 auf. Im Falle der Membran-Elektroden-Einheit 14 umfasst der aktive Bereich 17 ein Gefüge aus der Membran und den beidseitig die Membran kontaktierenden Elektroden 19, die beispielsweise in Form einer katalytischen Beschichtung auf der Membran vorliegen können (2). In 2 ist lediglich eine der Elektroden 19 sichtbar. Im Falle der Bipolarplatte 13 hingegen weist der aktive Bereich 17 ein Flussfeld 20 auf, das ein System offener Rinnen (Kanäle) umfasst (3). Die Bipolarplatte 13 umfasst üblicherweise zweigleichartige aufeinander gefügte Platten, von denen in 3 lediglich die obere sichtbar ist. Dementsprechend weist die Bipolarplatte 13 auf ihrer hier nicht sichtbaren Seite ein weiteres Flussfeld auf. Zwischen den beiden Platten der Bipolarplatte 13 wird ein System geschlossener Kanäle ausgebildet, welches der Kühlung der Brennstoffzelle dient.The 2 and 3 show a typical membrane electrode assembly 14 or a bipolar plate 13 during their assembly in each case in a plan view of one of their main surfaces. Both components 13 and 14 have an active area 17 and an inactive area surrounding the active area 18 on. In the case of the membrane-electrode unit 14 includes the active area 17 a structure of the membrane and the electrodes contacting the membrane on both sides 19 , which may be present for example in the form of a catalytic coating on the membrane ( 2 ). In 2 is just one of the electrodes 19 visible, noticeable. In the case of the bipolar plate 13 whereas the active area indicates 17 a river field 20 containing a system of open channels (channels) ( 3 ). The bipolar plate 13 usually comprises two-like superimposed plates, of which in 3 only the upper one is visible. Accordingly, the bipolar plate 13 on her not visible side on another river field. Between the two plates of the bipolar plate 13 a system of closed channels is formed which serves to cool the fuel cell.

Beide Stapelkomponenten 13 und 14 weisen in ihrem inaktiven Bereich 18 angeordnete Durchgangsöffnungen 21 korrespondierender Gestalt und Position auf. Im gestapelten und verpressten Zustand bilden die insgesamt sechs Durchgangsöffnungen 21 jeweils sechs Betriebsmittelversorgungskanäle aus, welche den Brennstoffzellenstapel 10 auf seiner gesamten Länge durchsetzen. Die Durchgangsöffnungen 21 sind üblicherweise jeweils von umlaufenden Dichtungselementen umgeben, welche die Betriebsmittelversorgungskanäle abdichten (nicht dargestellt). Die durch die Durchgangsöffnungen 21 ausgebildeten Betriebsmittelversorgungskanäle dienen der Zufuhr und Abfuhr der Betriebsmittel der Brennstoffzelle, insbesondere des Brennstoffs Wasserstoff, des Oxidationsmittels Luft und des Kühlmittels Wasser. Der Brennstoff wird über eine der Durchgangsöffnungen 21 zugeführt, über ein in 3 nicht dargestelltes Verteilersystem dem anodenseitigen Flussfeld 20 der Bipolarplatte 13 und somit der Anode der Membran-Elektroden-Einheit 14 zugeführt, von dort über ein weiteres Verteilersystem einer weiteren Durchgangsöffnung 21 zugeleitet und von dieser aus dem Stapel abgeführt. Dementsprechend wird über noch eine weitere Durchgangsöffnung 21 Luft dem kathodenseitigen Flussfeld 20 der Bipolarplatte 13 und somit der Kathode der Membran-Elektroden-Einheit 14 zugeführt und von dort einer weiteren Durchgangsöffnung 21 zugeleitet und abgeführt. Noch zwei weitere, mit dem inneren Kanalsystem der Bipolarplatte 13 in Verbindung stehende Durchgangsöffnungen 21 dienen der Kühlmittelversorgung.Both stack components 13 and 14 show in their inactive area 18 arranged passage openings 21 corresponding shape and position. In the stacked and compressed state form the total of six through holes 21 each six resource supply channels, which the fuel cell stack 10 enforce on its entire length. The passage openings 21 are usually each surrounded by circumferential sealing elements, which seal the resource supply channels (not shown). The through the openings 21 trained resource supply channels serve the supply and discharge of the resources of the fuel cell, in particular the fuel hydrogen, the oxidant air and the coolant water. The fuel gets over one of the through holes 21 fed over an in 3 not shown distribution system the anode-side flow field 20 the bipolar plate 13 and thus the anode of the membrane-electrode assembly 14 supplied from there via a further distribution system of a further passage opening 21 fed and removed from this from the stack. Accordingly, over yet another through hole 21 Air the cathode-side flow field 20 the bipolar plate 13 and thus the cathode of the membrane-electrode assembly 14 supplied and from there another passage opening 21 fed and discharged. Two more, with the internal channel system of the bipolar plate 13 related passageways 21 serve the coolant supply.

Es ist ersichtlich, dass gemäß der dargestellten Ausführungsform die beiden Stapelelemente 13 und 14 im Wesentlichen den gleichen Zuschnitt bezüglich der Hauptflächen aufweisen. Alternativ kann die Membran-Elektroden-Einheit 14 jedoch auch einen kleineren Zuschnitt aufweisen, der sich im Wesentlichen auf den aktiven Bereich 17 beschränkt, sodass die Betriebsmittelversorgungskanäle ausschließlich durch die Durchgangsöffnungen 21 der Bipolarplatten 13 ausgebildet werden.It can be seen that according to the illustrated embodiment, the two stacking elements 13 and 14 have substantially the same blank with respect to the major surfaces. Alternatively, the membrane-electrode unit 14 however, also have a smaller cut, which is essentially on the active area 17 limited, so that the resource supply channels only through the through holes 21 the bipolar plates 13 be formed.

Ebenfalls in den 2 und 3 zu sehen sind jeweils vier Montagestangen 51, 52 der nicht weiter sichtbaren Montagevorrichtung. Die Montagestangen 51 und 52 sind mit ihrem hier nicht sichtbaren unteren Ende auf der Montageplatte der Montagevorrichtung fixiert. Dabei erstrecken sie sich insbesondere rechtwinklig von der Montageplatte, mit der sie in der Regel unbeweglich verbunden sind.Also in the 2 and 3 You can see four mounting rods each 51 . 52 the not visible mounting device. The mounting rods 51 and 52 are fixed with their not visible lower end on the mounting plate of the mounting device. They extend in particular at right angles from the mounting plate, with which they are usually immovably connected.

Die Montagestangen der Montagevorrichtung umfassen im dargestellten Beispiel einerseits drei Zentrierstangen 51, die durch drei unterschiedliche Durchgangsöffnungen 21 der beiden Stapelelemente 13, 14 geführt sind. Eine weitere Montagestange ist als Stützstange 52 ausgebildet und ebenfalls durch eine der Durchgangsöffnungen 21 geführt.The mounting rods of the mounting device comprise in the example shown on the one hand three centering rods 51 passing through three different passages 21 the two stack elements 13 . 14 are guided. Another mounting rod is as a support rod 52 trained and also through one of the through holes 21 guided.

Die Zentrierstangen 51 der Montagevorrichtung sind dabei so angeordnet und ausgebildet, dass sie einen Randbereich der korrespondierenden Durchgangsöffnung 21 der Bipolarplatte 13 und der Membran-Elektroden-Einheit 14 an mindestens einem Punkt (gekennzeichnet als Kontaktpunkte 53) berühren (kontaktieren). Jede der Zentrierstangen 51 der Montageeinrichtung kann optional eine Zentrierleiste 54 definierter Oberflächengüte umfassen, welche sich vorzugsweise über die gesamte Anlagelänge der Zentrierstangen 51 erstreckt. Zur Ausrichtung der Stapelelemente 13, 14 relativ zueinander, kontaktieren diese jeweils die Zentrierleisten 54 der Zentrierstangen 51 an den Berührungspunkten 53. Hierdurch ist die Position der Stapelelemente 13 und 14 vollständig definiert.The centering rods 51 The mounting device are arranged and designed so that they have an edge region of the corresponding passage opening 21 the bipolar plate 13 and the membrane-electrode assembly 14 at least one point (marked as contact points 53 touch (contact). Each of the centering rods 51 The mounting device can optionally have a centering strip 54 comprise defined surface quality, which preferably over the entire length of the plant centering rods 51 extends. For aligning the stack elements 13 . 14 relative to each other, these each contact the centering strips 54 the centering rods 51 at the touch points 53 , This is the position of the stack elements 13 and 14 completely defined.

Die Stützstange 52 ist – anderes als die Zentrierstangen 51 – so angeordnet und ausgebildet, dass sie die entsprechende Durchgangsöffnung 21 der Stapelelemente 13, 14 nicht berührt. Somit dient die Stützstange 52 weniger der Zentrierung der Elemente 13, 14 sondern vielmehr der Abstützung der zweiten Endplatte 12, was anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert ist.The support bar 52 is - other than the centering rods 51 - Arranged and designed so that they have the corresponding passage opening 21 the stack elements 13 . 14 not touched. Thus, the support rod is used 52 less the centering of the elements 13 . 14 but rather the support of the second end plate 12 , which is explained in more detail with reference to the following figures.

Nachdem sämtliche Bipolarplatten 13 und Membran-Elektroden-Einheiten 14 in der vorbeschriebenen Weise auf die Montagevorrichtung 50 aufgelegt und relativ zueinander ausgerichtet sind, wird die zweite Endplatte 12 aufgelegt. Dieser Schritt ist anhand der folgenden 4 bis 9 dargestellt, welche die zweite Endplatte 12 während ihrer Montage mittels der Montagevorrichtung 50, von welcher lediglich die Montagestangen 51, 52 dargestellt sind, zeigen. Die Montagestangen 51, 52 entsprechen nicht denen in 2 und 3. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in den 4 bis 9 ferner die gestapelten Bipolarplatten 13 und Membran-Elektroden-Einheiten 14 nicht dargestellt.After all bipolar plates 13 and membrane-electrode assemblies 14 in the manner described above on the mounting device 50 are placed and aligned relative to each other, the second end plate 12 hung up. This step is based on the following 4 to 9 shown which the second end plate 12 during its assembly by means of the mounting device 50 of which only the mounting rods 51 . 52 are shown, show. The mounting rods 51 . 52 do not match those in 2 and 3 , For the sake of clarity are in the 4 to 9 further, the stacked bipolar plates 13 and membrane-electrode assemblies 14 not shown.

Die 4, 5 und 6 zeigen die zweite Endplatte 12 in einer isometrischen Ansicht sowie Seitenansichten auf eine ihrer Längsseiten beziehungsweise auf eine ihrer Kurzseiten. In der dargestellten Ausführung weist die zweite Endplatte 12 einen den Stapel aus Bipolarplatten 13 und Membran-Elektroden-Einheiten 14 überstehenden Abschnitt 22 auf. Dieser dient der Aufnahme von elektronischen Steuerelementen.The 4 . 5 and 6 show the second end plate 12 in an isometric view and side views on one of their long sides or on one of their short sides. In the illustrated embodiment, the second end plate 12 a stack of bipolar plates 13 and membrane-electrode assemblies 14 protruding section 22 on. This is used to hold electronic controls.

Die zweite Endplatte 12 weist in den Bereichen der Montagestangen 51, 52 der Montagevorrichtung 50 keine Durchgangsöffnungen auf. Somit sind in den Bereichen der Endplatte 12, welche den auf die Endplatte 12 projizierten Flächen der Durchgangsöffnungen 21 der Stapelelemente 13, 14 entsprechen (siehe 2 und 3), keine Durchgangsöffnungen vorhanden. Dementsprechend treten die Montagestangen nicht durch die Endplatte 12 hindurchdurch. Vielmehr liegt die Endplatte 12 auf Endabschnitten 55 der Montagestangen auf und wird von diesen getragen. Im dargestellten Beispiel sind auf der gesamten Hauptfläche der zweiten Endplatte 12 keine Durchgangsöffnungen vorhanden. Verschiedene in den 4 bis 6 erkennbare Elemente auf der oberen Seite und auf der kurzen Seite der Endplatte 12 sind keine Durchgangsöffnungen, sondern Erhebungen, Sacklöcher oder mit einem inneren Kanalsystem der Endplatte in Verbindung stehende Öffnungen, und weisen verschiedene Funktionen auf. Beispielsweise dient die Öffnung 23 der Entlüftung eines inneren Kühlsystems der zweiten Endplatte 12, die vorzugsweise als obere Endplatte des Brennstoffzellenstapels 10 verwendet wird.The second end plate 12 points in the areas of the mounting rods 51 . 52 the mounting device 50 no through holes on. Thus, in the areas of the end plate 12 pointing to the end plate 12 projected areas of the passage openings 21 the stack elements 13 . 14 correspond (see 2 and 3 ), no through holes available. Accordingly, the mounting bars do not pass through the end plate 12 through. Rather, the end plate lies 12 on end sections 55 the mounting rods on and is supported by these. In the example shown are on the entire major surface of the second end plate 12 no through holes available. Different in the 4 to 6 recognizable elements on the upper side and on the short side of the end plate 12 are not through-holes, but elevations, blind holes or openings communicating with an inner channel system of the end plate, and have various functions. For example, the opening serves 23 the venting of an inner cooling system of the second end plate 12 , preferably as the upper end plate of the fuel cell stack 10 is used.

Die 7, 8 und 9 zeigen verschiedene Schnittansichten durch die zweite Endplatte 12 und durch die Montagestangen 51, 52 der Montagevorrichtung 50. Erkennbar weist die Endplatte 12 an ihrer unteren, dem Stapel zugewandten Seite Aussparungen in Form von Sacklöchern 24 auf. Diese Sacklöcher 24 dienen der Aufnahme der Montagestangen 51, 52. Wie in den Figuren zu sehen ist, weisen die Sacklöcher 24 der zweiten Endplatte 12 eine deutlich kleinere Querschnittsfläche auf als die Montagestangen 51, 52 über ihren Hauptbereich. Andererseits weisen die Montagestangen 51, 52 jeweils einen, gegen den übrigen Abschnitt verjüngten Endabschnitt 55 auf, mit dem sie in die Sacklöcher eingreifen. Dabei berühren die Endabschnitte 55 der Zentrierstangen 51 die entsprechenden Sacklöcher 24 der zweiten Endplatte 12 in einem Punkt entlang des Umfangrandes des Sacklochs sowie die Auflagefläche der Sacklöcher 24 (Siehe 7 und 8). Hingegen berührt der Endabschnitt 55 der Stützstange 51 den Umfangrand des entsprechenden Sacklochs 24 nicht (9). Vielmehr liegt die Endplatte mit der Auflagefläche des entsprechenden Sacklochs 24 lediglich auf der endseitigen Stirnfläche der Stützstange 52 auf. Die Funktion der Stützstange 52 ist somit die stabile Abstützung der zweiten Endplatte bei ihrer Montage.The 7 . 8th and 9 show various sectional views through the second end plate 12 and through the mounting bars 51 . 52 the mounting device 50 , Recognizable points the end plate 12 at its bottom, the stack-facing side recesses in the form of blind holes 24 on. These blind holes 24 serve to accommodate the mounting rods 51 . 52 , As can be seen in the figures, the blind holes 24 the second end plate 12 a significantly smaller cross-sectional area than the mounting rods 51 . 52 over their main area. On the other hand, the mounting rods 51 . 52 one each, against the remaining portion tapered end portion 55 on, with which they intervene in the blind holes. The end sections touch 55 the centering rods 51 the corresponding blind holes 24 the second end plate 12 at a point along the peripheral edge of the blind hole and the Bearing surface of the blind holes 24 (Please refer 7 and 8th ). By contrast, the end section touches 55 the support rod 51 the peripheral edge of the corresponding blind hole 24 Not ( 9 ). Rather, the end plate is located with the support surface of the corresponding blind hole 24 only on the end-side end face of the support rod 52 on. The function of the support bar 52 is thus the stable support of the second end plate during its assembly.

Nachdem die zweite Endplatte 12 auf die beschriebene Weise auf die Montagestangen 51, 52 aufgelegt wurde, wird der gesamte Brennstoffzellenstapel angehoben und aus der Montagevorrichtung 50 entfernt. Hierbei kann die Höhe des Stapels aus erster Endplatte 11, Bipolarplatten 13 und Membran-Elektroden-Einheiten 14 im Wesentlichen der maximalen Stapelhöhe unterhalb der zweiten Endplatte 12 entsprechen, sodass bei Auflegen der zweiten Endplatte 12 diese bereits in Kontakt mit dem obersten Stapelelement 13, 14 steht. Alternativ kann eine Lücke zwischen dem Stapel und der zweiten Endplatte 12 vorhanden sein. In diesem Fall wird der Stapel aus erster Endplatte 11, Bipolarplatten 13 und Membran-Elektroden-Einheiten 14 zunächst angehoben, bis er die zweite Endplatte 12 berührt, und sodann der gesamte Stapel mitsamt zweiter Endplatte 12 aus der Montagevorrichtung 50 entfernt.After the second end plate 12 in the manner described on the mounting rods 51 . 52 has been applied, the entire fuel cell stack is lifted and out of the mounting device 50 away. Here, the height of the stack of first end plate 11 , Bipolar plates 13 and membrane-electrode assemblies 14 essentially the maximum stack height below the second end plate 12 match, so when placing the second end plate 12 this already in contact with the top stacking element 13 . 14 stands. Alternatively, there may be a gap between the stack and the second end plate 12 to be available. In this case, the stack of first end plate 11 , Bipolar plates 13 and membrane-electrode assemblies 14 First raised it until the second endplate 12 touched, and then the entire stack together with the second end plate 12 from the mounting device 50 away.

Anschließend wird der Stapel beispielsweise mithilfe von Spannelementen 16 (siehe 1) verpresst. Alternativ kann der Stapel noch in der Montagevorrichtung 50 mithilfe von Spannelementen 16 verpresst und erst dann aus der Vorrichtung entnommen werden.Then the stack is, for example, using clamping elements 16 (please refer 1 ) pressed. Alternatively, the stack still in the mounting device 50 using clamping elements 16 pressed and only then removed from the device.

Die in der ersten Endplatte 11 vorhandenen Durchgangsöffnungen müssen nicht verschlossen werden. Sie werden vorzugsweise zum fluidführenden Anschluss an Betriebsmittelversorgungseinrichtungen einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Kühlmittelversorgung verwendet. Da die zweite Endplatte 12 keine solche Durchgangsöffnungen aufweist, jedenfalls nicht im Bereich der durch die Durchgangsöffnungen 21 der Bipolarplatten 13 und Membran-Elektroden-Einheiten 14 ausgebildeten Betriebsmittelversorgungskanäle, besteht keine Notwendigkeit zu ihrem nachträglichen Verschluss.The one in the first end plate 11 existing through holes do not have to be closed. They are preferably used for fluid-carrying connection to equipment supply devices of a fuel cell, in particular a coolant supply. Because the second end plate 12 has no such through holes, at least not in the area through the through holes 21 the bipolar plates 13 and membrane-electrode assemblies 14 trained resource supply channels, there is no need for their subsequent closure.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
1111
erste Endplattefirst end plate
1212
zweite Endplattesecond end plate
1313
Bipolarplattebipolar
1414
Membran-Elektroden-EinheitMembrane-electrode assembly
1515
Dichtungselementsealing element
1616
Spannelementclamping element
1717
aktiver Bereichactive area
1818
inaktiver Bereichinactive area
1919
Elektrode (katalytische Schicht)Electrode (catalytic layer)
2020
Flussfeldflow field
2121
DurchgangsöffnungThrough opening
2222
überstehender Abschnittoverhanging section
2323
Entlüftungsöffnungvent
2424
Sacklochblind
5050
Montagevorrichtungmounter
5151
Montagestange, ZentrierstangeMounting rod, centering rod
5252
Montagestange, StützstangeMounting rod, support rod
5353
Berührungspunktpoint of contact
5454
Zentrierleistecentering
5555
Endabschnittend

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102009030427 [0006] DE 102009030427 [0006]

Claims (10)

Brennstoffzellenstapel (10), umfassend eine erste Endplatte (11) und eine zweite Endplatte (12) und eine Mehrzahl zwischen der ersten und der zweiten Endplatte (11, 12) aufeinander gestapelt angeordneter Stapelelemente (13, 14), wobei die Stapelelemente in abwechselnder Reihenfolge angeordnete Bipolarplatten (13) und Membran-Elektroden-Einheiten (14) umfassen und zumindest ein Teil der Stapelelemente (13, 14) fluchtend zueinander angeordnete Durchgangsöffnungen (21) zur Ausbildung von Betriebsmittelversorgungskanälen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Endplatte (12) auf ihrer den Stapelelementen (13, 14) zugewandten Seite zumindest zwei Sacklöcher (24) aufweist, die jeweils in einem Bereich korrespondierend mit einer Durchgangsöffnung (21) der Stapelelemente (13, 14) angeordnet sind.Fuel cell stack ( 10 ) comprising a first end plate ( 11 ) and a second end plate ( 12 ) and a plurality between the first and the second end plate ( 11 . 12 ) stacked stacked elements ( 13 . 14 ), wherein the stack elements arranged in alternating order bipolar plates ( 13 ) and membrane electrode assemblies ( 14 ) and at least a part of the stack elements ( 13 . 14 ) through holes arranged in alignment with each other ( 21 ) for forming resource supply channels, characterized in that the second end plate ( 12 ) on its the stack elements ( 13 . 14 ) facing side at least two blind holes ( 24 ), each in a region corresponding to a passage opening ( 21 ) of the stack elements ( 13 . 14 ) are arranged. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Endplatte (12) zumindest in den mit den Durchgangsöffnungen (21) der Stapelelemente (13, 14) korrespondierenden Bereichen keine Durchgangsöffnungen aufweist.Fuel cell stack ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the second end plate ( 12 ) at least in the with the passage openings ( 21 ) of the stack elements ( 13 . 14 ) has corresponding passage areas no through openings. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sacklöcher (24) der zweiten Endplatte (12) jeweils eine kleinere Querschnittsfläche aufweisen als die korrespondierende Durchgangsöffnung (21) der Stapelelemente (13, 14).Fuel cell stack ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the blind holes ( 24 ) of the second end plate ( 12 ) each have a smaller cross-sectional area than the corresponding passage opening ( 21 ) of the stack elements ( 13 . 14 ). Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Endplatte (11) Durchgangsöffnungen in Bereichen aufweist, die mit den Durchgangsöffnungen (21) der Stapelelemente (13, 14) korrespondierenden.Fuel cell stack ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first end plate ( 11 ) Has passage openings in areas that communicate with the passage openings ( 21 ) of the stack elements ( 13 . 14 ) corresponding. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen der ersten Endplatte (11) zum fluidführenden Anschluss an Betriebsmittelversorgungseinrichtungen einer Brennstoffzelle ausgebildet sind.Fuel cell stack ( 10 ) according to claim 4, characterized in that the passage openings of the first end plate ( 11 ) are formed to the fluid-carrying connection to equipment supply means of a fuel cell. Verfahren zur Montage eines Brennstoffzellenstapels (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die Schritte: – Bereitstellen einer Montagevorrichtung (50) mit wenigstens zwei Montagestangen (51, 52), – Stapeln der ersten Endplatte (11) und der Stapelelemente (13, 14), wobei die Montagestangen (51, 52) der Montagevorrichtung (50) durch die Durchgangsöffnungen (21) der ersten Endplatte (11) und der Stapelelemente (13, 14) geführt werden, – Auflegen der zweiten Endplatte (12) derart, dass Endabschnitte (55) der Montagestangen (51, 52) der Montagevorrichtung (50) in die Sacklöcher (24) der zweiten Endplatte (12) eingreifen und – Entfernen des Brennstoffzellenstapels (10) aus der Montagevorrichtung (50).Method for assembling a fuel cell stack ( 10 ) according to one of claims 1 to 5, comprising the steps: - providing a mounting device ( 50 ) with at least two mounting rods ( 51 . 52 ), - stacking the first end plate ( 11 ) and the stack elements ( 13 . 14 ), whereby the mounting bars ( 51 . 52 ) of the mounting device ( 50 ) through the passage openings ( 21 ) of the first end plate ( 11 ) and the stack elements ( 13 . 14 ), - placing the second end plate ( 12 ) such that end sections ( 55 ) of the mounting rods ( 51 . 52 ) of the mounting device ( 50 ) in the blind holes ( 24 ) of the second end plate ( 12 ) and - removing the fuel cell stack ( 10 ) from the mounting device ( 50 ). Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Montagestangen (51, 52) der Montagevorrichtung (50) mindestens eine Zentrierstange (51) umfassen, die angeordnet und ausgebildet ist, einen Randbereich der korrespondieren Durchgangsöffnung (21) der gestapelten Stapelelemente (13, 14) an mindestens einem Punkt (53) oder mindestens einem Abschnitt zu kontaktieren.Method according to claim 6, characterized in that the mounting rods ( 51 . 52 ) of the mounting device ( 50 ) at least one centering rod ( 51 ), which is arranged and formed, an edge region of the corresponding passage opening ( 21 ) of the stacked stack elements ( 13 . 14 ) at least one point ( 53 ) or at least one section to contact. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Montagestangen (51, 52) der Montagevorrichtung (50) mindestens zwei und bevorzugt drei Zentrierstangen (51) umfassen.Method according to claim 7, characterized in that the mounting bars ( 51 . 52 ) of the mounting device ( 50 ) at least two and preferably three centering rods ( 51 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Montagestangen (51, 52) der Montagevorrichtung (50) zumindest eine Stützstange (52) umfassen, die angeordnet und ausgebildet ist, einen Randbereich der korrespondieren Durchgangsöffnung (21) der gestapelten Stapelelemente (13, 14) an keinem Punkt zu kontaktieren.Method according to one of claims 6 to 8, characterized in that the mounting rods ( 51 . 52 ) of the mounting device ( 50 ) at least one support rod ( 52 ), which is arranged and formed, an edge region of the corresponding passage opening ( 21 ) of the stacked stack elements ( 13 . 14 ) at no point to contact. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Endabschnitte (55) der Montagestangen (51, 52) der Montagevorrichtung (50) eine kleinere Querschnittsfläche aufweisen als die übrigen Abschnitte der Montagestange (51, 52).Method according to one of claims 6 to 9, characterized in that the end sections ( 55 ) of the mounting rods ( 51 . 52 ) of the mounting device ( 50 ) have a smaller cross-sectional area than the remaining portions of the mounting rod ( 51 . 52 ).
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