DE102015015392A1 - Bipolar plate assembly, fuel cell system and vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatten-Anordnung (28) für einen Brennstoffzellenstapel, welche eine Anodenplatte (30) und eine Kathodenplatte (32) umfasst. Wenigstens ein Dichtelement (38) ist auf wenigstens eine Seite der Bipolarplatten-Anordnung (28) aufgebracht. Die beiden Platten (30, 32) sind miteinander durch Verbindungsmittel (36) verbunden, welche von dem wenigstens einen Dichtelement (38) verschieden sind. Wenigstens eine der beiden Platten (30, 32) umfasst ein Verriegelungselement (40), welches dazu ausgebildet ist, das wenigstens eine Dichtelement (38) an der Platte (30) zu fixieren. In einem Bereich, welcher das Verriegelungselement (40) umfasst, ist ein Teil des wenigstens einen Dichtelements (38) in einem Zwischenraum (66) zwischen den beiden Platten (30, 32) angeordnet. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, welcher eine Vielzahl solcher Bipolarplatten-Anordnungen (28) umfasst, und ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.The invention relates to a bipolar plate arrangement (28) for a fuel cell stack, which comprises an anode plate (30) and a cathode plate (32). At least one sealing element (38) is applied to at least one side of the bipolar plate assembly (28). The two plates (30, 32) are connected together by connecting means (36) which are different from the at least one sealing element (38). At least one of the two plates (30, 32) comprises a locking element (40), which is designed to fix the at least one sealing element (38) to the plate (30). In a region which comprises the locking element (40), a part of the at least one sealing element (38) is arranged in a gap (66) between the two plates (30, 32). The invention further relates to a fuel cell system comprising a fuel cell stack comprising a plurality of such bipolar plate assemblies (28) and a vehicle having such a fuel cell system.
Description
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatten-Anordnung für einen Brennstoffzellenstapel. Die Bipolarplatten-Anordnung umfasst eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte. Wenigstens ein Dichtelement ist auf wenigstens eine Seite der Bipolarplatten-Anordnung aufgebracht. Die beiden Platten sind miteinander durch Verbindungsmittel verbunden, welche von dem wenigstens einen Dichtelement verschieden sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, welcher eine Vielzahl solcher Bipolarplatten-Anordnungen umfasst, und ein Fahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem.The invention relates to a bipolar plate arrangement for a fuel cell stack. The bipolar plate assembly includes an anode plate and a cathode plate. At least one sealing element is applied to at least one side of the bipolar plate assembly. The two plates are connected to each other by connecting means, which are different from the at least one sealing element. The invention further relates to a fuel cell system comprising a fuel cell stack comprising a plurality of such bipolar plate assemblies and to a vehicle having such a fuel cell system.
In einem Brennstoffzellensystem erzeugen Brennstoffzellen wie etwa Protonenaustauschmembran(PEM)-Brennstoffzellen, elektrischen Strom durch die elektrochemische Reaktion, welche stattfindet, wenn ein Brennstoff wie etwa Wasserstoff und ein Oxidationsmittel wie etwa Sauerstoff über einander gegenüberliegende Seiten einer Elektrolytmembran geführt werden. Des Weiteren wird typischerweise ein Kühlmittel oder Kühlfluid verwendet, um die Wärme abzuführen, welche von dieser Reaktion erzeugt wird.In a fuel cell system, fuel cells such as proton exchange membrane (PEM) fuel cells produce electrical current through the electrochemical reaction that occurs when a fuel such as hydrogen and an oxidant such as oxygen are passed over opposing sides of an electrolyte membrane. Further, typically, a coolant or cooling fluid is used to dissipate the heat generated from this reaction.
Die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), welche eine Anode, eine Kathode und die Protonenaustauschmembran umfasst, welche zwischen diesen Elektroden angeordnet ist. Diese Membran-Elektroden-Anordnung ist zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung des Brennstoffs und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung des Oxidationsmittels umfasst. Die jeweiligen Kanäle, welche der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandt sind, bilden eine Kanalstruktur, welche als Strömungsfeld bezeichnet wird.The proton exchange membrane fuel cell comprises a membrane-electrode assembly (MEA) comprising an anode, a cathode, and the proton exchange membrane disposed between these electrodes. This membrane-electrode assembly is arranged between two separator plates, wherein one separator plate comprises channels for the distribution of the fuel and the other separator plate channels for the distribution of the oxidant. The respective channels facing the membrane-electrode assembly form a channel structure called a flow field.
In einem Brennstoffzellenstapel sind oft eine Vielzahl solcher Einheitszellen, welche die beiden Separatorplatten und die zwischen den Separatorplatten angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung umfassen, in Reihe verbunden. In solch einem Brennstoffzellenstapel werden anstelle von monopolaren Separatorplatten Bipolarplatten verwendet, welche elektrisch leitfähig sind und als Anode für eine Einheitszelle und als Kathode für die angrenzende Einheitszelle fungieren.In a fuel cell stack, a plurality of such unit cells, which include the two separator plates and the membrane-electrode assembly disposed between the separator plates, are often connected in series. In such a fuel cell stack, instead of monopolar separator plates, bipolar plates which are electrically conductive and function as an anode for a unit cell and as a cathode for the adjacent unit cell are used.
In einer Bipolarplatten-Anordnung können eine erste Platte, welche als Anode für eine erste Einheitszelle und eine zweite Platte, welche als Kathode für die angrenzende Einheitszelle fungiert, miteinander verbunden sein, beispielsweise durch Schweißen. Weil die Reaktanden in Form des Brennstoffs und des Oxidationsmittels und des Kühlmittels voneinander getrennt gehalten werden müssen, umfasst die Bipolarplatten-Anordnung typischerweise Dichtelemente, welche auf die Anodenplatte und die Kathodenplatte aufgebracht sein können. Solche Dichtelemente, zum Beispiel in der Form von Elastomerdichtungen, werden daher verwendet, um alle Gase und Fluide innerhalb der Bereiche zu halten, in welchen diese wirken sollen.In a bipolar plate arrangement, a first plate serving as an anode for a first unit cell and a second plate acting as a cathode for the adjacent unit cell may be connected to each other, for example, by welding. Because the reactants in the form of the fuel and the oxidant and the coolant must be kept separate from one another, the bipolar plate assembly typically includes sealing elements which may be applied to the anode plate and the cathode plate. Such sealing elements, for example in the form of elastomeric seals, are therefore used to hold all gases and fluids within the ranges in which they are intended to act.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bipolarplatten-Anordnung der eingangs genannten Art, ein Brennstoffzellensystem mit solchen Bipolarplatten-Anordnungen und ein Fahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welche beziehungsweise welches für eine besonders genaue Positionierung des Dichtelements sorgt.It is the object of the present invention to provide a bipolar plate arrangement of the type mentioned, a fuel cell system with such bipolar plate assemblies and a vehicle with such a fuel cell system, which or for a ensures particularly accurate positioning of the sealing element.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatten-Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by a bipolar plate arrangement having the features of patent claim 1, by a fuel cell system having the features of patent claim 9 and by a vehicle having the features of
Die erfindungsgemäße Bipolarplatten-Anordnung umfasst eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte. Wenigstens ein Dichtelement ist auf wenigstens eine Seite der Bipolarplatten-Anordnung aufgebracht. Die beiden Platten sind miteinander durch Verbindungsmittel verbunden, welche von dem wenigstens einen Dichtelement verschieden sind. Wenigstens eine der beiden Platten umfasst ein Verriegelungselement, welches dazu ausgebildet ist, das wenigstens eine Dichtelement an der Platte zu fixieren, welche das Verriegelungselement aufweist. In einem Bereich, welcher das Verriegelungselement umfasst, ist ein Teil des wenigstens einen Dichtelements in einem Zwischenraum zwischen den beiden Platten angeordnet. Auf diese Weise wird das Dichtelement zuverlässig in seiner Position gehalten, und es ist sicher an der Platte verankert, welche das Verriegelungselement umfasst. Jedoch ist es nicht die Funktion des Dichtelements, die beiden Platten zusammenzuhalten. Die beiden Platten sind vielmehr miteinander durch die Verbindungsmittel verbunden, welche von dem wenigstens einen Dichtelement verschieden sind. Weil das Verriegelungselement das Dichtelement sicher an der Platte fixiert, kann eine besonders genaue Positionierung des Dichtelements auf der Platte erreicht werden.The bipolar plate arrangement according to the invention comprises an anode plate and a cathode plate. At least one sealing element is applied to at least one side of the bipolar plate assembly. The two plates are connected to each other by connecting means, which are different from the at least one sealing element. At least one of the two plates comprises a locking element, which is designed to fix the at least one sealing element to the plate, which has the locking element. In a region comprising the locking element, a part of the at least one sealing element is arranged in a space between the two plates. In this way, the sealing element is reliably held in position, and it is securely anchored to the plate, which comprises the locking element. However, it is not the function of the sealing element to hold the two plates together. The two plates are rather connected to each other by the connecting means, which are different from the at least one sealing element. Because the locking element securely fixes the sealing element to the plate, a particularly accurate positioning of the sealing element on the plate can be achieved.
Die Wichtigkeit dieser genauen Positionierung hängt mit der Tatsache zusammen, dass die Komponenten, welche innerhalb jeder Einheitszelle verwendet werden, oder jede wiederkehrende Lage des Brennstoffzellenstapels kumulative Toleranzen haben, welche bei der Gestaltung des Dichtelements in Betracht gezogen werden sollten. Die extrem kleine Einheitszellenhöhe für derzeitige Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellenstapel erfordert vergleichsweise kleine Dichtelemente mit beispielsweise einer Dicke von weniger als 1 mm und welche extrem enge Toleranzen von beispielsweise weniger als 50 μm haben. Des Weiteren hängt die Dichtfunktion des wenigstens einen Dichtelements vom Erreichen einer korrekten Ausrichtung oder Positionierung des Dichtelements relativ zu der Platte oder dem Substrat ab, auf welche beziehungsweise welches es aufgebracht ist. Diese Ausrichtung beizubehalten ist entscheidend, um das Dichtelement während aller Herstellungs- und Handhabungsprozesse wirksam in Position zu halten, um die korrekte Funktionalität des Dichtelements sicherzustellen. Durch das Bereitstellen des Verriegelungselements an wenigstens einer der beiden Platten der Bipolarplatten-Anordnung wird das wenigstens eine Dichtelement erfolgreich in Position gehalten, weil der Teil, welcher in dem Zwischenraum zwischen den beiden Platten angeordnet ist, derart als ein Hinterschnitt fungiert, dass das wenigstens eine Dichtelement die Platte mechanisch greift.The importance of this accurate positioning is related to the fact that the components used within each unit cell or each recurring layer of the fuel cell stack have cumulative tolerances that should be considered in the design of the sealing element. The extremely small unit cell height for current proton exchange membrane fuel cell stacks requires comparatively small sealing elements, for example less than 1 mm thick, and which have extremely tight tolerances of, for example, less than 50 μm. Furthermore, the sealing function of the at least one sealing element depends on achieving a correct alignment or positioning of the sealing element relative to the plate or substrate to which it is applied. Maintaining this alignment is critical to effectively holding the sealing element in position during all manufacturing and handling processes to ensure proper functionality of the sealing element. By providing the locking element on at least one of the two plates of the bipolar plate assembly, the at least one sealing element is successfully held in position because the part located in the space between the two plates acts as an undercut such that the at least one Sealing element mechanically grips the plate.
Das wenigstens eine Dichtelement wird bevorzugt durch Spritzgießen auf die Platte aufgebracht. Jedoch braucht die Verbindung des Dichtelements mit der Platte nur stark genug zu sein, um ein Entformen der Bipolarplatten-Anordnung aus dem Spritzgießwerkzeug zuzulassen, ohne dass das Dichtelement während des Entformens verschoben wird. Nach dem Entformen kann die Kraft geringer werden, welche das wenigstens eine Dichtelement an der Platte fixiert, welche das Verriegelungselement aufweist, beispielsweise aufgrund eines Abkühlens des Dichtelements.The at least one sealing element is preferably applied to the plate by injection molding. However, the connection of the sealing element to the plate need only be strong enough to allow the bipolar plate assembly to be removed from the injection mold without the sealing element being displaced during demolding. After removal from the mold, the force can be reduced, which fixes the at least one sealing element to the plate, which has the locking element, for example due to cooling of the sealing element.
Das Verriegelungselement an wenigstens einer der beiden Platten bereitzustellen, ist besonders vorteilhaft, wenn die Platten der Bipolarplatten-Anordnung aus Metall gebildet sind. Solche Metallplatten als das Substrat, auf welches das Dichtelement aufgebracht wird, haben typischerweise eine Beschichtung auf der Oberseite der Metalloberfläche, welche Korrosion verhindert und die Leitfähigkeit verbessert. Solch eine Beschichtung kann es schwieriger machen, dass das Dichtelement ausreichend an der Platte anhaftet, um in Position gehalten zu werden. Jedoch ist dieses Problem bewältigt, weil die Platte das Verriegelungselement umfasst. Daher braucht keine Grundierung auf die Beschichtung auf der Metalloberfläche aufgebracht zu werden, um die Anhaftung des Dichtelements an dem Plattenmaterial zu erhöhen. Daher können der Aufwand und die Kosten, welche mit dem Aufbringen einer Grundierung verbunden sind, während der Herstellung der Bipolarplatten-Anordnung vermieden werden.Providing the locking element on at least one of the two plates is particularly advantageous when the plates of the bipolar plate arrangement are formed from metal. Such metal plates as the substrate to which the sealing member is applied typically have a coating on top of the metal surface which prevents corrosion and improves conductivity. Such a coating can make it more difficult for the sealing element to adhere sufficiently to the plate to be held in position. However, this problem is overcome because the plate comprises the locking element. Therefore, no primer needs to be applied to the coating on the metal surface to increase the adhesion of the sealing member to the plate material. Therefore, the expense and cost associated with applying a primer can be avoided during fabrication of the bipolar plate assembly.
Des Weiteren ist das Bereitstellen des Verriegelungselements auf der Platte, um das Dichtelement in Position zu halten, besser für eine Serienfertigung geeignet, als das Hinzufügen eines Grundierungs- oder Klebstoffauftragsprozesses vor dem Aufbringen des Dichtelements. Da mit der vorliegenden Bipolarplatten-Anordnung kein Bedarf besteht, irgendeine Art von Grundierung zu der Platte hinzuzufügen, ist auch das Risiko einer Kontamination anderer Komponenten innerhalb der Brennstoffzelle mit der Grundierung verringert. Außerdem können Grundierungen mit der Zeit zersetzen und den Verbindungsprozess des Dichtelements an der Platte beeinträchtigen. Dies ist insbesondere in aggressiven Umgebungen wie der der Brennstoffzellenumgebung wahr. Des Weiteren können Gesundheitsprobleme vermieden werden, welche mit der Verwendung von Grundierungen zusammenhängen, welche gefährlich sind. Und das Problem, welches mit dem erfolgreichen In-Position-Halten eines angespritzten Dichtelements auf einem Metallsubstrat zusammenhängt, ist gelöst.Furthermore, providing the locking element on the plate to hold the sealing element in place is better suited for mass production than adding a primer or adhesive application process prior to applying the sealing element. Since there is no need to add any type of primer to the plate with the present bipolar plate assembly, the risk of contamination of other components within the fuel cell with the primer is also reduced. In addition, primers can degrade over time and interfere with the bonding process of the sealing element to the plate. This is especially true in aggressive environments like the fuel cell environment. Furthermore, health problems can avoided, which are related to the use of primers, which are dangerous. And the problem associated with successfully holding a molded sealing element in place on a metal substrate is solved.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Verriegelungselement einen Basisbereich, in welchem die Platten, welche miteinander verbunden sind, im Wesentlichen parallel sind, und einen zweiten Bereich, welcher an den Basisbereich angrenzt. In dem zweiten Bereich hat die Platte, welche das wenigstens eine Dichtelement fixiert, eine Neigung, und das wenigstens eine Dichtelement kapselt zumindest den zweiten, geneigten Bereich ein. Auf diese Weise wirkt das Material des Dichtelements, welches unter den zweiten Bereich fließt und so den geneigten Bereich von oben und unten einkapselt, als eine mechanische Verriegelung, welches die Dichtung auf der Platte in Position hält. Das Dichtelement kann auch in dem Basisbereich zwischen die beiden Platten gelangen, in welchem die Platten einander nahe sind, aber es kann ein Spalt vorhanden sein, welcher sich zu dem Verbindungsmittel hin verjüngen kann. Mit einer solchen Ausgestaltung des Verriegelungselements ist das wenigstens eine Dichtelement verlässlich an der Platte fixiert und auf der Platte in Position gehalten.In an advantageous embodiment, the locking element comprises a base region in which the plates, which are connected to each other, are substantially parallel, and a second region, which adjoins the base region. In the second region, the plate which fixes the at least one sealing element has an inclination, and the at least one sealing element encapsulates at least the second, inclined region. In this way, the material of the sealing element which flows under the second region and thus encapsulates the inclined region from above and below, acts as a mechanical lock which holds the gasket on the plate in position. The sealing element may also pass in the base region between the two plates in which the plates are close to each other, but there may be a gap which may taper towards the connecting means. With such an embodiment of the locking element, the at least one sealing element is reliably fixed to the plate and held in position on the plate.
Dies trifft insbesondere zu, wenn das Verriegelungselement einen dritten Bereich umfasst, welcher an den zweiten Bereich angrenzt, wobei die Platten in dem dritten Bereich im Wesentlichen parallel sind und das wenigstens eine Dichtelement auch den dritten Bereich einkapselt. Mit solch einer Ausgestaltung hat das Verriegelungselement einen plattformartigen Basisbereich, einen rampenartigen zweiten Bereich und wiederum einen plattformartigen dritten Bereich. Solch ein Verriegelungselement ist leicht herzustellen und besonders verlässlich, um das Dichtelement in Position zu halten.This is especially true when the locking member comprises a third portion adjacent to the second portion, the plates being substantially parallel in the third portion and the at least one sealing member also encapsulating the third portion. With such an embodiment, the locking element has a platform-like base region, a ramp-like second region and in turn a platform-like third region. Such a locking element is easy to manufacture and particularly reliable to hold the sealing element in position.
Zusätzlich oder alternativ kann das Verriegelungselement zwei Basisbereiche umfassen, welche einander zugewandt sind, und in welchen die Platten im Wesentlichen parallel sind, und einen Brückenbereich, welcher die beiden Basisbereiche verbindet. Hierbei kapselt das wenigstens eine Dichtelement zumindest den Brückenbereich ein. Der Brückenbereich kann insbesondere gekrümmt ausgebildet sein. Des Weiteren kann der Brückenbereich einen flachen oberen Teilbereich und geneigte oder gekrümmte Flanken aufweisen, welche zu dem flachen oberen Teilbereich führen. Das Material, welches das Dichtelement bildet, kann während des Aufbringens des Dichtmaterials auf die Platte leicht unter den Brückenbereich fließen und auch den Brückenbereich bedecken. Daher kann der Brückenbereich leicht von dem Dichtelement umgeben oder umschlossen werden. Dies führt zu einer starken Fixierung des Dichtelements an der Platte.Additionally or alternatively, the locking element may comprise two base portions which face each other and in which the plates are substantially parallel, and a bridge portion connecting the two base portions. In this case, the at least one sealing element encapsulates at least the bridge region. The bridge region may be formed in particular curved. Furthermore, the bridge portion may have a flat upper portion and inclined or curved flanks leading to the flat upper portion. The material forming the sealing element can easily flow under the bridging area during the application of the sealing material to the panel and also cover the bridge area. Therefore, the bridge portion can be easily surrounded or enclosed by the sealing member. This leads to a strong fixation of the sealing element on the plate.
In einer weiteren alternativen oder zusätzlichen Ausführungsform kann das Verriegelungselement einen Basisbereich umfassen, welcher an das Verbindungsmittel angrenzt, wobei in diesem Basisbereich die Platten im Wesentlichen parallel sind. Der Teil des wenigstens einen Dichtelements, welcher in dem Zwischenraum zwischen den beiden Platten angeordnet ist, ist dann zu einer Seite hin durch den Basisbereich begrenzt. Mit einer solchen Ausgestaltung ist ein sehr flaches Verriegelungselement bereitgestellt, welches dazu beiträgt, die Höhe der Bipolarplatten-Anordnung und so der Einheitszellen eines Brennstoffzellenstapels zu minimieren, welcher eine Vielzahl der Bipolarplatten-Anordnungen umfasst.In a further alternative or additional embodiment, the locking element may comprise a base portion adjacent to the connecting means, in which base portion the plates are substantially parallel. The part of the at least one sealing element, which is arranged in the intermediate space between the two plates, is then bounded to one side by the base region. With such a configuration, a very flat locking member is provided which helps to minimize the height of the bipolar plate assembly and thus the unit cells of a fuel cell stack comprising a plurality of the bipolar plate assemblies.
Um eine besonders gleichmäßige Verteilung des Dichtmaterials in den Zwischenräumen zwischen den beiden Platten zu ermöglichen, kann wenigstens eine Öffnung und bevorzugt eine Vielzahl von Öffnungen zwischen zwei zweiten Bereichen und/oder zwischen zwei dritten Bereichen vorgesehen sein, welche einander in einer Breitenrichtung des wenigstens einen Dichtelements zugewandt sind, wenn das Verriegelungselement die zweiten Bereiche und/oder die dritten Bereiche umfasst. In gleicher Weise kann die wenigstens eine Öffnung zwischen den beiden Basisbereichen vorgesehen sein, welche einander in der Breitenrichtung des wenigstens einen Dichtelements zugewandt sind.In order to allow a particularly uniform distribution of the sealing material in the spaces between the two plates, at least one opening and preferably a plurality of openings between two second regions and / or between two third regions may be provided, which in a width direction of the at least one sealing element facing, when the locking element comprises the second regions and / or the third regions. In the same way, the at least one opening can be provided between the two base regions, which face each other in the width direction of the at least one sealing element.
Bevorzugt ist das Verriegelungselement in eine Längsrichtung des wenigstens einen Dichtelements durchgängig ausgebildet, wobei in der Längsrichtung eine Größe des wenigstens einen Dichtelements größer ist als in einer Breitenrichtung des wenigstens einen Dichtelements. Verglichen mit intermittierenden mechanischen Verriegelungselementen oder Verriegelungseinrichtungen werden viel weniger Verbindungsmittel benötigt, welche an das durchgängige Verriegelungselement angrenzen, um zu verhindern, dass das Dichtelementmaterial frei zwischen die Platten wandert. Daher verringert die Verwendung eines durchgängigen Verriegelungselements den Aufwand bei der Herstellung der Bipolarplatten-Anordnung erheblich.Preferably, the locking element is formed continuously in a longitudinal direction of the at least one sealing element, wherein in the longitudinal direction, a size of the at least one sealing element is greater than in a width direction of the at least one sealing element. Compared with intermittent mechanical locking elements or locking devices, much fewer connecting means are needed which abut the continuous locking element to prevent the sealing element material from freely migrating between the plates. Therefore, the use of a continuous locking element significantly reduces the expense of manufacturing the bipolar plate assembly.
Dies ist insbesondere zutreffend, wenn die Verbindungsmittel als Schweißnähte ausgebildet sind, welche entlang der Längsrichtung ausgerichtet sind. Im Falle von intermittierenden Verriegelungsmitteln bewirken Schweißnähte um jede einzelne dieser Elemente herum eine erhebliche Verformung der Platte. Solch eine Verformung führt zu einer Variation in der Dicke und Höhe des Dichtelements, welche wiederum die Dichtfunktion negativ beeinflusst. Mit einem durchgängigen Verriegelungselement ist die Anzahl von Schweißnähten erheblich verringert, da die Schweißnähte nicht um jedes einzelne der individuellen Verriegelungselemente herumzugehen brauchen. Die verringerte Anzahl an Schweißnähten verringert die Verformung der Platte, welche andernfalls durch umfangsseitige Schweißnähte um individuelle Verriegelungselemente herum geschaffen wird. Da durch die Verwendung durchgängiger Verriegelungselemente die Verformung der Platte minimiert wird, können die sich aus Variationen in der Dicke der Dichtung und der Höhe der Dichtung ergebenden Beeinträchtigungen vermieden werden.This is particularly true when the connecting means are formed as welds which are aligned along the longitudinal direction. In the case of intermittent locking means, welds around each of these elements cause significant deformation of the panel. Such deformation leads to a variation in the thickness and height of the sealing element, which in turn adversely affects the sealing function. With a continuous locking element, the number of welds is significantly reduced since the welds do not need to go around each one of the individual locking elements. The reduced number of welds reduces the deformation of the plate, which is otherwise provided by circumferential welds around individual locking elements. Since the use of continuous locking elements minimizes deformation of the plate, the resulting impairments in the thickness of the seal and the height of the seal can be avoided.
Indem die Schweißnähte parallel zu dem Verriegelungselement als das Verbindungsmittel bereitgestellt werden, kann besonders einfach und gut sichergestellt werden, dass kein Dichtmaterial jenseits der Schweißnähte zwischen die Platten gerät.By providing the welding seams parallel to the locking element as the connecting means, it can be ensured in a particularly simple and good manner that no sealing material gets caught between the plates beyond the welding seams.
Jedoch ist es vorteilhaft, wenn das Dichtelement einen flachen Bereich umfasst, welcher sich jenseits der Schweißnähte in die Breitenrichtung des Verriegelungselements erstreckt, welche mit der Breitenrichtung des Dichtelements zusammenfällt. Daher erstreckt sich auf der Oberfläche der Platte, welche das Verriegelungselement aufweist, das Dichtelement weiter in die Breitenrichtung als in dem Zwischenraum zwischen den beiden Platten. Mit solch einem vergleichsweise breiten Dichtelement können Herstellungstoleranzen der Platten und von Plattenmerkmalen wie etwa Öffnungen oder Löchern für die Reaktanden und/oder das Kühlmittel kompensiert werden.However, it is preferable that the seal member includes a flat portion extending beyond the welds in the width direction of the lock member which coincides with the width direction of the seal member. Therefore, on the surface of the plate having the lock member, the seal member extends farther in the width direction than in the space between the two plates. With such a comparatively wide sealing element, manufacturing tolerances of the plates and plate features such as apertures or holes for the reactants and / or the refrigerant can be compensated.
Des Weiteren kann das Dichtelement insbesondere einen gewölbten Bereich oder eine Wölbung umfassen, welche eine größere Höhe aufweist, als die flachen Bereiche, welche sich jenseits der Schweißnähte erstrecken. Solch eine Gestaltung des Dichtelements kann besonders gut die notwendige Dichtfunktion über den gesamten Brennstoffzellenstapel mit allen Herstellungstoleranzen jeder der Komponenten des Brennstoffzellenstapels bereitstellen.In addition, the sealing element can in particular comprise a curved area or a curvature which has a greater height than the flat areas which extend beyond the weld seams. Such a design of the sealing element may particularly well provide the necessary sealing function over the entire fuel cell stack with all manufacturing tolerances of each of the components of the fuel cell stack.
Um das Dichtelement bereitzustellen, können bevorzugt weiche und elastische Materialien eingesetzt werden. Insbesondere kann ein Silikonkautschukmaterial das Dichtelement bilden. Des Weiteren können Fluorelastomere wie etwa FKM verwendet werden, oder Ethylen-Propylen-Dien-Monomer(EPDM)-Kautschuk. Des Weiteren kann ein Polyisobutylen(PIB)-Material wie etwa ein Butylkautschuk das Material bilden, welches verwendet wird, um das Dichtelement auszubilden. Jedoch sind Silikonmaterialien wie etwa Silikonkautschuk bevorzugt. Mit solchen Materialien, insbesondere Silikonmaterialien, ist das Bereitstellen des Verriegelungselements besonders vorteilhaft, um das Dichtelement auf der Platte in Position zu halten.To provide the sealing element, soft and elastic materials may preferably be used. In particular, a silicone rubber material may form the sealing element. Further, fluoroelastomers such as FKM can be used, or ethylene-propylene-diene monomer (EPDM) rubber. Further, a polyisobutylene (PIB) material such as a butyl rubber may form the material used to form the sealing element. However, silicone materials such as silicone rubber are preferred. With such materials, in particular silicone materials, the provision of the locking element is particularly advantageous in order to hold the sealing element in position on the plate.
Das wenigstens eine Dichtelement kann insbesondere auf die Bipolarplatten-Anordnung durch Spritzgießen aufgebracht werden. Jedoch ist bevorzugt das wenigstens eine Dichtelement auf nur eine Seite der Bipolarplatten-Anordnung aufgebracht. Um ein Dichtelement auf der anderen Seite der Bipolarplatten-Anordnung bereitzustellen, kann Tiefdrucken verwendet werden, und andere Materialien können gewählt werden, um ein Dichtelement bereitzustellen, welches eine bessere Anhaftung an die Plattenoberfläche zeigt, selbst wenn eine die Korrosion hemmende Beschichtung auf der Metalloberfläche bereitgestellt ist.The at least one sealing element can be applied in particular to the bipolar plate arrangement by injection molding. However, the at least one sealing element is preferably applied to only one side of the bipolar plate arrangement. In order to provide a sealing member on the other side of the bipolar plate assembly, intaglio printing may be used and other materials may be selected to provide a sealing member which exhibits better adhesion to the plate surface even though a corrosion inhibiting coating is provided on the metal surface is.
So kann ein Dichtelement mit größerer Höhe auf der Seite der Bipolarplatten-Anordnung bereitgestellt werden, welche das Verriegelungselement umfasst, wohingegen ein vergleichsweise flaches Dichtelement auf der anderen Seite bereitgestellt ist. Dies führt zu einer verringerten Höhe der gesamten Bipolarplatten-Anordnung, welche unterschiedliche Dichtelemente auf beiden Seiten umfasst, wobei das spritzgegossene Dichtelement durch das Verriegelungselement in Position gehalten ist.Thus, a sealing element with a greater height can be provided on the side of the bipolar plate arrangement, which comprises the locking element, whereas a comparatively flat sealing element is provided on the other side. This leads to a reduced height of the entire bipolar plate assembly, which comprises different sealing elements on both sides, wherein the injection-molded sealing element is held in position by the locking element.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Bipolarplatten-Anordnung ein Kühlmittel-Strömungsfeld zwischen der Kathodenplatte und der Anodenplatte umfasst. So kann Wärme, welche während der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion erzeugt wird, wirksam abgeführt werden.Finally, it has been found to be advantageous if the bipolar plate assembly comprises a coolant flow field between the cathode plate and the anode plate. Thus, heat generated during the electrochemical fuel cell reaction can be efficiently dissipated.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, welches insbesondere in einem Fahrzeug verwendet werden kann, beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Bipolarplatten-Anordnungen. Hierbei ist eine Membran-Elektroden-Anordnung zwischen einem Paar der Bipolarplatten-Anordnungen des Brennstoffzellenstapels angeordnet.The fuel cell system according to the invention, which can be used in particular in a vehicle, includes a fuel cell stack with a multiplicity of bipolar plate arrangements according to the invention. Here, a membrane-electrode assembly is disposed between a pair of the bipolar plate assemblies of the fuel cell stack.
Solch ein Brennstoffzellensystem kann eine Vielzahl von weiteren Komponenten beinhalten, welche insbesondere für Brennstoffzellensysteme von Fahrzeugen üblich sind, und welche vorliegend nicht im Detail erläutert zu werden brauchen.Such a fuel cell system may include a variety of other components which are particularly common for fuel cell systems of vehicles, and which need not be discussed in detail herein.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.The vehicle according to the invention comprises a fuel cell system according to the invention.
Die Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen, welche für die erfindungsgemäße Bipolarplatten-Anordnung beschrieben sind, gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und für das erfindungsgemäße Fahrzeug.The advantages and preferred embodiments which are described for the bipolar plate arrangement according to the invention also apply to the fuel cell system according to the invention and to the vehicle according to the invention.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and feature combinations mentioned above in the description as well as those mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures Features and combinations of features can be used not only in the specified combination, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the invention. Thus, embodiments are also included and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, however, emerge and can be produced by separated combinations of features from the embodiments explained.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings, in which functionally identical elements are provided with the same reference numerals. Showing:
Ein Brennstoffzellensystem
Die Membran-Elektroden-Anordnungen
Um die Reaktanden wie etwa den Wasserstoff und die Luft ebenso wie die Abgasfluide und das Kühlmittel getrennt voneinander zu halten, ist typischerweise eine Anzahl von Dichtelementen
Die metallischen Bipolarplatten-Anordnungen
Daher umfasst in der Bipolarplatten-Anordnung
Das Verriegelungselement
Im Bereich der Schlitze
Die Länge der geneigten Bereiche
Da Material des Dichtelements
Jedoch fließt das eingespritzte Material des Dichtelements
In der in
Wie aus
Die in
Des Weiteren sind die Brücken
Die Breite
In der in
In der in
Wie oben erörtert kann auch in der in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
- 1212
- Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
- 1414
- Versorgungsleitungsupply line
- 1616
- Tanktank
- 1818
- Abgasleitungexhaust pipe
- 2020
- Rezirkulationsleitungrecirculation
- 2222
- Membran-Elektroden-AnordnungMembrane electrode assembly
- 2424
- Versorgungsleitungsupply line
- 2626
- Abgasleitungexhaust pipe
- 2828
- Bipolarplatten-AnordnungBipolar arrangement
- 3030
- Anodenplatteanode plate
- 3232
- Kathodenplattecathode plate
- 3434
- Endplatteendplate
- 3636
- SchweißnahtWeld
- 3838
- Dichtelementsealing element
- 4040
- Verriegelungselementlocking element
- 4242
- Längsrichtunglongitudinal direction
- 4444
- Breitenrichtungwidth direction
- 4646
- Schlitzslot
- 4848
- Brückebridge
- 5050
- Längelength
- 52 52
- Breitewidth
- 5454
- Basisbereichbase region
- 5656
- zweiter Bereichsecond area
- 5858
- dritter Bereichthird area
- 6060
- Höheheight
- 6262
- Längelength
- 6464
- Abstanddistance
- 6666
- Zwischenraumgap
- 6868
- Wölbungbulge
- 7070
- flacher Teilbereichflat partial area
- 7272
- oberer Teilbereichupper section
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 2004/0180255 A1 [0007] US 2004/0180255 A1 [0007]
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