DE102020128317A1 - Bipolar plate, fuel cell and fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (2) mit einer Mehrzahl am Umfang vorliegender, der Zentrierung dienender Abschnitte, auf denen jeweils ein elektrisch isolierender Isolationskörper (6) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzelle sowie einen Brennstoffzellenstapel.The invention relates to a bipolar plate (2) with a plurality of sections which are present on the circumference and serve for centering, on each of which an electrically insulating insulating body (6) is arranged. The invention further relates to a fuel cell and a fuel cell stack.
Description
Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte mit einer Mehrzahl am Umfang vorliegender, der Zentrierung dienender Abschnitte, auf denen jeweils ein elektrisch isolierender Isolationskörper angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzelle sowie einen Brennstoffzellenstapel.The invention relates to a bipolar plate with a plurality of sections present on the circumference that serve for centering and on each of which an electrically insulating insulating body is arranged. The invention further relates to a fuel cell and a fuel cell stack.
Brennstoffzellen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente eine sogenannte Membranelektrodenanordnung, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseits an der Membran angeordneten Elektrode ist, nämlich einer Anode und Kathode. Zudem können Gasdiffusionslagen beidseitig der Membranelektrodenanordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Für eine Leistungssteigerung können mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst werden.Fuel cells are used for the chemical conversion of fuel with oxygen into water in order to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain a so-called membrane electrode arrangement as a core component, which is a combination of a proton-conducting membrane and one electrode, namely an anode and cathode, arranged on both sides of the membrane. In addition, gas diffusion layers can be arranged on both sides of the membrane electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane. To increase performance, several fuel cells can be connected in series and combined in a fuel cell stack.
Im Betrieb wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen e- stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu 02- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mitDuring operation, the fuel, in particular hydrogen (H 2 ) or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place, with the release of electrons e - . A water-bound or water-free transport of the protons H + from the anode compartment to the cathode compartment takes place via the membrane, which separates the reaction compartments from one another in a gas-tight manner and insulates them electrically. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is supplied to the cathode, so that a reduction of O 2 to 0 2- takes place, with the electrons being absorbed. At the same time, the oxygen anions also react in the cathode compartment
Die Mehrzahl von Brennstoffzellen für einen Brennstoffzellenstapel werden im Allgemeinen mithilfe von einer Spannvorrichtung mit einer Kraft im Bereich von mehreren 10.000 N verpresst, um einen ausreichenden Kontaktdruck an der katalysatorbeschichteten Membran zur Reduktion ohmscher Verluste zu erzielen und mittels der hohen Verpressung Undichtigkeiten zu vermeiden. Für diesen Aufbau des Brennstoffzellenstapels müssen die einzelnen Brennstoffzellen ausgerichtet und zentriert werden, um Toleranzen in der Zellreihe zu minimieren, wozu die Brennstoffzellen an Anschlägen ausgerichtet werden, an denen Strukturen an den Brennstoffzellen als Gegenanschläge angelegt werden. Die
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Bipolarplatte mit verbesserter elektrischer Isolation bereit zu stellen. Aufgabe ist weiterhin eine verbesserte Brennstoffzelle und einen verbesserten Brennstoffzellenstapel bereit zu stellen.The object of the present invention is to provide a bipolar plate with improved electrical insulation. The object is also to provide an improved fuel cell and an improved fuel cell stack.
Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a bipolar plate having the features of claim 1, by a fuel cell having the features of
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte zeichnet sich dadurch aus, dass durch den Isolationskörper eine sichere elektrische Isolation der Bauteile erreicht wird, wobei die elektrische Isolation über die Bipolarplatte selbst erfolgt. Diese elektrische Isolation wird auch aufrechterhalten, wenn die Bauteile während des Stapelprozesses leicht deformiert werden. Da die Entwicklung zu immer dünneren Ausgangsmaterialien der Bipolarplatte tendiert, ist die bestehende elektrische Isolation selbst bei Deformationen besonders vorteilhaft. Weiterhin ist für die elektrische Isolierung keine Verpressung notwendig.The bipolar plate according to the invention is characterized in that reliable electrical insulation of the components is achieved by the insulating body, with the electrical insulation taking place via the bipolar plate itself. This electrical isolation is maintained even if the components are slightly deformed during the stacking process. Since there is a trend towards ever thinner starting materials for the bipolar plate, the existing electrical insulation is particularly advantageous, even in the event of deformation. Furthermore, no pressing is necessary for the electrical insulation.
Auch ist es vorteilhaft, dass jeder Isolationskörper in Form von lokalen Einlegern in den Bereichen der für die Zentrierung notwendigen Anschläge angeordnet ist. Dadurch kommt es zu geringeren Materialkosten, Bauraumbedarf und Gewicht, wobei weiterhin eine ausreichende elektrische Isolation gegeben ist, um Stapelschäden zu vermeiden.It is also advantageous that each insulating body is arranged in the form of local inserts in the areas of the stops required for centering. This results in lower material costs, installation space requirements and weight, with sufficient electrical insulation still being provided in order to avoid stacking damage.
Auch ist es vorteilhaft, dass die lokalen Einleger zusammengefasst sind zu einem formschlüssig an dem Umfang angeordneten elektrisch isolierenden Rahmen und durch an einem Plattenkörper geprägte Nuten ausgerichtet ist. Durch die geprägten Nuten wird der elektrisch isolierende Rahmen zusätzlich in der dafür vorgesehenen Position gehalten.It is also advantageous that the local inserts are combined to form an electrically insulating frame arranged in a form-fitting manner on the circumference and through to a plate body embossed grooves is aligned. The electrically insulating frame is also held in the intended position by the embossed grooves.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass der Isolationskörper als ein Spritzteil angespritzt ist. So ist es möglich, dass der Isolationskörper im selben Prozessschritt wie die Dichtung an die Bipolarplatte angespritzt wird. Ebenfalls ist es denkbar, dass der Isolationskörper aus dem gleichen Material wie die Dichtung besteht. Es ist auch vorteilhaft, dass der Isolationskörper aus einem harten Material gebildet ist. Durch das harte Material ist eine ausreichende Positionierungsgenauigkeit bei der Zentrierung gegeben.Furthermore, it is advantageous that the insulating body is injection molded as an injection molded part. It is thus possible for the insulating body to be injection molded onto the bipolar plate in the same process step as the seal. It is also conceivable that the insulating body consists of the same material as the seal. It is also advantageous that the insulating body is made of a hard material. The hard material ensures sufficient positioning accuracy when centering.
Der Isolationskörper ist dauerhaft mit der Bipolarplatte verbunden, wodurch eine sichere Isolation der Bauteile, insbesondere im Zentrierungsbereich, erreicht wird und auch weiterhin bestehen bleibt, wenn die Bauteile deformiert werden. So wird die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses und einem daraus resultierenden Stapelschadens minimiert.The insulating body is permanently connected to the bipolar plate, which means that the components are reliably isolated, particularly in the centering area, and this is maintained even if the components are deformed. This minimizes the likelihood of a short circuit and resulting stack damage.
Auch ist es möglich, dass der Isolationskörper durch eine elektrisch nichtleitende Beschichtung gebildet ist.It is also possible for the insulating body to be formed by an electrically non-conductive coating.
Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen mit erfindungsgemäßen Bipolarplatten.The advantages and effects mentioned above also apply analogously to a fuel cell stack with a plurality of fuel cells with bipolar plates according to the invention.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention. Embodiments are therefore also to be regarded as included and disclosed by the invention which are not explicitly shown or explained in the figures, but which result from the explained embodiments and can be generated by means of separate combinations of features.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte und eines Rahmens vor der Montage, -
2 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte mit einem formschlüssig eingelegten Rahmen, -
3 eine schematische Darstellung des Querschnitts der formschlüssigen Verbindung der Bipolarplatte mit einem Rahmen, entsprechend dem Schnitt III-III aus2 , -
4 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte mit lokalen Einlegern, -
5 eine schematische Darstellung einer Bipolarplatte mit einer angespritzten Dichtung und einem angespritzten Isolationskörper, -
6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Bipolarplatte mit angespritzter Dichtung und angespritzten Isolationskörper, und -
7 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzelle mit einem fehlenden Überstand der Membranelektrodenanordnung im Bereich des Gegenanschlages.
-
1 a schematic representation of a bipolar plate and a frame before assembly, -
2 a schematic representation of a bipolar plate with a positively inserted frame, -
3 a schematic representation of the cross section of the positive connection of the bipolar plate with a frame, corresponding to section III-III2 , -
4 a schematic representation of a bipolar plate with local inserts, -
5 a schematic representation of a bipolar plate with a molded seal and a molded insulating body, -
6 a schematic representation of a cross section of a bipolar plate with a molded seal and a molded insulation body, and -
7 a schematic, perspective view of a section of a fuel cell known from the prior art with a missing overhang of the membrane electrode arrangement in the area of the counter-stop.
Ein Brennstoffzellenstapel besteht aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran, die zusammen eine Membranelektrodenanordnung bilden. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.A fuel cell stack consists of a plurality of fuel cells connected in series. Each of the fuel cells includes an anode and a cathode, and a proton conductive membrane separating the anode from the cathode, together forming a membrane electrode assembly. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.
Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).Fuel (e.g. hydrogen) is supplied to the anodes via anode chambers within the fuel cell stack. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The membrane lets the protons (e.g. H + ) through, but is impermeable to the electrons (e - ). The following reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation/donation of electrons). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or an energy storage device via an external circuit. Cathode gas (e.g. oxygen or air containing oxygen) can be supplied to the cathodes via cathode chambers within the fuel cell stack, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O (reduction/electron uptake).
Dem Brennstoffzellenstapel wird über eine Kathodenfrischgasleitung durch einen Verdichter komprimierte Luft zugeführt wird. Zusätzlich ist der Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodenabgasleitung verbunden. Anodenseitig wird dem Brennstoffzellenstapel in einem Wasserstofftank bereitgehaltener Wasserstoff über eine Anodenfrischgasleitung zugeführt zur Bereitstellung der für die elektrochemische Reaktion in einer Brennstoffzelle erforderlichen Reaktanten. Diese Gase werden an Bipolarplatten 2 übergeben, die für die Verteilung der Gase an die Membran und der Ausleitung Hauptkanäle (Ports) aufweisen. Zusätzlich weisen die Bipolarplatten 2 Hauptkanäle für die Durchleitung eines Kühlmediums in einem Kühlmediumkanal auf, so dass auf kleinstem Raum drei verschiedene Medien geführt werden.Air compressed by a compressor is supplied to the fuel cell stack via a cathode fresh gas line. In addition, the fuel cell stack is connected to a cathode exhaust gas line. On the anode side, hydrogen that is kept ready in a hydrogen tank is supplied to the fuel cell stack via an anode fresh gas line in order to provide the reactants required for the electrochemical reaction in a fuel cell. These gases are transferred to
Daher wird eine Bipolarplatte 2 mit einer Mehrzahl am Umfang vorliegender, der Zentrierung dienender Abschnitte, auf denen jeweils ein elektrisch isolierender Isolationskörper 6 angeordnet ist, bereitgestellt.Therefore, a
Die
Es ist auch möglich, dass jeder Isolationskörper 6 in Form von lokalen Einlegern 5 in den Bereichen der für die Zentrierung notwendigen Anschläge angeordnet ist (
Weiterhin ist es möglich, dass der Isolationskörper 6 durch eine elektrisch nichtleitende Beschichtung gebildet ist.Furthermore, it is possible for the insulating
Alle Ausführungsformen der Isolationskörper 6 sind dauerhaft mit der Bipolarplatte 2 verbunden.All of the embodiments of the insulating
Die erfindungsgemäße Bipolarplatte 2 kann in einer in einem Brennstoffzellenstapel angeordneten Brennstoffzelle verbaut werden. Brennstoffzellenvorrichtungen mit einem derartigen Brennstoffzellenstapel zeigen ihre Vorteile insbesondere bei der Anwendung in einem Kraftfahrzeug, da dort besondere mechanische Belastungen und Erschütterungen vorliegen.The
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Membranelektrodenanordnungmembrane electrode assembly
- 22
- Bipolarplattebipolar plate
- 33
- ÜberstandGot over
- 44
- Elektrisch isolierender RahmenElectrically insulating frame
- 55
- Lokale EinlegerLocal Depositors
- 66
- Isolationskörperinsulating body
- 77
- Geprägte NutEmbossed groove
- 88th
- Halbplattehalf plate
- 99
- Dichtungpoetry
- 1010
- Angespritzte DichtungMolded seal
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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