WO2011026543A1 - Fuel cell unit, fuel cell stack having fuel cell units - Google Patents
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Definitions
- Fuel cell unit fuel cell stack with
- the invention relates to a fuel cell unit with an MEA plate, with bipolar plates adjacent thereto, which are arranged such that an electrode space is formed on both sides of the MEA plate, with a seal, wherein the seal seals at least one of the electrode spaces and with a Weglandstopper Scheme , which is designed for spacing the bipolar plates and / or the MEA plate.
- the invention also relates to a
- Fuel cell systems are considered mobile
- the fuel cell systems include one or more fuel cell stacks in which a plurality of individual fuel cells are arranged. It is common to place more than 50 or 100 such fuel cells per stack to achieve sufficient voltage.
- the stack construction is also occupied with problems in terms of sealing and mechanical stress of the individual fuel cell or stacked body.
- z. B a fuel cell stack with 100 fuel cells, so there are 200 electrode spaces, so cathode or
- Anode rooms as well as a corresponding number of supply or discharge lines for the working gases.
- One of the bipolar plates per fuel cell has a stopper in an edge region, which is provided, for example, by a thickening of the
- Bipolar plate is formed so that the gap between the bipolar plates within a reasonable amount
- the invention is based on the object
- a fuel cell unit which is preferably suitable and / or designed for integration in a fuel cell stack for a vehicle.
- the fuel cell unit comprises a MEA plate (membrane-electrode assembly), which at least one membrane, in particular a proton-conducting membrane (PEM), and preferably catalyst layers and / or
- MEA plate and bipolar plates are used as stacked bodies in a fuel cell stack and / or in the
- Fuel cell unit arranged. In the electrode spaces, which are separated by the membrane, takes place during operation of the electrochemical process through which
- the fuel cell unit has a
- the Hinterlandstopper Scheme which is designed for spacing the bipolar plates and / or the MEA plate in the stacking direction.
- the Hinterlandstopper Bachelor is outside the electrode spaces, so separated from the electrode spaces by the seal arranged.
- the seal is applied to the MEA plate via a spraying process.
- Fuel cell stack or in the fuel cell unit the MEA plate can be applied. This will be the
- the seal is made in a LIM (Liquid Injection Molding) process.
- the MEA plate is placed in a tool and the seal, for example, as a liquid
- Preferred materials for gaskets are elastomers, e.g. Silicones, silicone rubbers (eg VMQ, FVMQ), silicone-based elastomers (eg fluorosilicone, FVMQ), thermoplastic elastomers (TPE), butyl rubbers (HR), polybutyl rubbers (PIB), ethylene-propylene rubbers (EPDM), fluororubbers (FKM, FFKM ), as well as polyamide elastomers and
- one of the aforementioned silicone material is preferred as the sealing material. It is particularly preferred if the seal after the
- Spray process with the MEA plate is permanently connected.
- the seal is forcibly mounted at the same time.
- the connection between MEA plate and seal for example, via a
- Material bond, a bond and / or a positive connection with the MEA plate done.
- a positive connection e.g. corresponding recesses or through holes may be provided in the MEA plate.
- the seal is formed completely circumferentially around the MEA plate. With a circumferential seal, the electrode spaces can be sealed very easily. Particularly preferably, the seal in a one-piece design seals both the
- the seal surrounds the gas diffusion layer or layers in the stacking direction of the MEA plate and / or laterally seals.
- the lateral and / or encompassing seal is completely circumferential around the MEA plate.
- the Hinterlandstopper Schemee can also be made of an electrically insulating material. In a preferred embodiment of the invention, the electrical insulation between the
- the seal extends to between the Schulandstopper Schemee the adjacent bipolar plates.
- the seal also forms an elastic and / or electrically insulating intermediate element between the two
- This embodiment has the advantage that components can be saved, as can be dispensed with an additional electrically insulating / elastic intermediate layer between the Deutschenlandstopper Symposiumen.
- the bipolar plates may e.g. consist of a metallic or a graphitic material.
- the Deutschenlandstopper Schemee are integrally formed with the bipolar plates.
- the Schulandstopper Schemee are integrally formed with the bipolar plates.
- a metallic material for example, when the
- Bipolar plates are made of stainless steel sheets, the Schulandstopper Schemee can be introduced by forming.
- the inland stopper regions are preferably created by ablating other regions.
- Other manufacturing methods such as e.g. Urformen, joining etc. for the production of
- the Hinterlandstopper Schemee can also be implemented yielding and / or elastic, wherein the elastic property is achieved either by a formula elasticity and / or a material elasticity. In the interpretation, however, it is preferred - as already explained - when the main force closure over the Deutschenlandstopper Schemee and only a side force across the seal or the active areas of
- Fuel cell unit ie via the gas diffusion layer and the membrane are derived.
- Another object of the invention relates to a
- Fuel cell stack which is suitable and / or designed for a vehicle, in particular, to provide drive energy for a drive motor.
- Fuel cell stack has a variety of
- Fuel cell units is achieved that the end plates of the fuel cell stack over the
- Figure 1 is a schematic longitudinal section along the
- FIG. 1 shows in a schematic
- Fuel cell unit 1 is designed in particular for mobile use, for example in a vehicle, for generating the drive energy.
- a plurality for example, more than 50 or 100 such
- Fuel cell units arranged in a fuel cell stack Fuel cell units arranged in a fuel cell stack.
- the MEA plate 2 comprises a membrane 4, on both sides of each of which a catalyst layer 5 and a
- Membrane 4, catalyst layer 5 and gas diffusion layer 6 extend flat in a plane perpendicular to the plane of the drawing.
- the membrane 4 which is designed in particular as a proton exchange membrane (PEM)
- PEM proton exchange membrane
- Bipolar plates 3 the anode or cathode space 7 a, b is completed in or against the stacking direction S.
- Bipolar plates 3 may be made of a graphitic material or - as shown here - of a metallic material, for example made of stainless steel sheets.
- the seal between the bipolar plates 3 and the MEA plate 2 is effected by a seal 8, which is formed circumferentially around the anode or cathode space 7a, b.
- seal 8 is designed as a LIM seal, that is to say a liquid injection molding seal, and is injection-molded laterally against the MEA plate 2 prior to installation of the MEA plate 2.
- the seal 8 surrounds the MEA plate 2 such that the gas diffusion layers 6 are also encompassed in a U-shape.
- the bipolar plates 3 show, at their edge regions facing away from the anode or cathode space 7a, an inland stop 9, that is to say a region whose
- Extension or thickness in the stacking direction S is greater than the other bipolar plate 3.
- these are yielding and / or elastic.
- the elasticity is achieved in the embodiment in Figure 1 by a formula elasticity.
- By Schulandstopper 9, a spacing of the bipolar plates 3 is ensured to each other outside the sealed area. This also leads to forces in the stacking direction S being removed via the hinterland stops 9 and not or less via the seals 8 or the gas diffusion layers 6.
- the hinterland stops 9 are supported in the stacking direction S on both sides on the bipolar plates 3. In the embodiment shown, the
- the hinterland stopper 9 are electrically insulated by an insulation 10.
- the insulation 10 may be formed as an elastic intermediate layer be and thus represents another component, the interpretation of the relationship between the main power flow on the hinterland stopper 10 and the seal 8 is to influence.
- FIG. 2 shows an alternative embodiment of the fuel cell unit 1 as a second embodiment of the invention.
- the insulation 10 is an integral part of the gasket 8.
- the insulation 10 may be injected as a separate component into the gasket 8 and thus connected thereto.
- the insulation 10 is injected together with the seal 8, ie urgeformt in the tool.
- the Schulandstopper 9 are based on this
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Abstract
The invention relates to a fuel cell unit and a fuel cell stack having such fuel cell units, the fuel cell unit being economical to produce and at the same time providing high functional reliability. The fuel cell unit (1) has an MEA plate (2), bipolar plates (3) adjacent thereto, the bipolar plates being arranged in such a way that one electrode chamber (7a, b) is formed on both sides of the MEA plate (2), a seal (8), wherein the seal (8) seals at least one of the electrode chambers (7a, b), a hinterland stopper area (9), which is designed to space the bipolar plates (3) and/or the MEA plate (2), wherein the seal (8) is applied to the MEA plate (2) by means of a spraying method.
Description
Brennstoffzelleneinheit, Brennstoffzellenstapel mit Fuel cell unit, fuel cell stack with
BrennstoffZeileneinheiten The fuel cell units
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit mit einer MEA-Platte, mit dazu benachbarten Bipolarplatten, die so angeordnet sind, dass sich beidseitig zu der MEA-Platte jeweils ein Elektrodenraum ausbildet, mit einer Dichtung, wobei die Dichtung mindestens einen der Elektrodenräume abdichtet und mit einem Hinterlandstopperbereich, welcher zur Beabstandung der Bipolarplatten und/oder der MEA-Platte ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft auch einen The invention relates to a fuel cell unit with an MEA plate, with bipolar plates adjacent thereto, which are arranged such that an electrode space is formed on both sides of the MEA plate, with a seal, wherein the seal seals at least one of the electrode spaces and with a Hinterlandstopperbereich , which is designed for spacing the bipolar plates and / or the MEA plate. The invention also relates to a
Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl dieser Fuel cell stack with a variety of these
BrennstoffZeileneinheiten . Fuel cell units.
Brennstoffzellensysteme werden als mobile Fuel cell systems are considered mobile
Energieversorgungseinheiten bei Fahrzeugen eingesetzt und stellen den für einen Antriebsmotor notwendigen Strom zur Verfügung. Die Brennstoffzellensysteme umfassen ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel, in denen eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen angeordnet sind. Es ist üblich, mehr als 50 oder 100 derartiger Brennstoffzellen pro Stapel anzuordnen, um eine ausreichende Spannung bzw. Leistung zu erreichen. Power supply units used in vehicles and provide the necessary power for a drive motor. The fuel cell systems include one or more fuel cell stacks in which a plurality of individual fuel cells are arranged. It is common to place more than 50 or 100 such fuel cells per stack to achieve sufficient voltage.
Die Stapelbauweise ist jedoch auch mit Problemen hinsichtlich der Abdichtung und der mechanischen Belastung der einzelnen Brennstoffzellen bzw. Stapelkörper belegt. Betrachtet man z.
B. einen Brennstoffzellenstapel mit 100 Brennstoffzellen, so ergeben sich 200 Elektrodenräume, also Kathoden- oder However, the stack construction is also occupied with problems in terms of sealing and mechanical stress of the individual fuel cell or stacked body. Looking at z. B. a fuel cell stack with 100 fuel cells, so there are 200 electrode spaces, so cathode or
Anodenräume, sowie eine entsprechende Anzahl von Zu- oder Ableitungen für die Arbeitsgase. Anode rooms, as well as a corresponding number of supply or discharge lines for the working gases.
Die Druckschrift US 2006/70147785 AI, die wohl den The document US 2006/70147785 AI, probably the
nächstkommenden Stand der Technik bildet, zeigt einen closest prior art shows a
Brennstoffzellenstapel mit Bipolarplatten und MEA-Einheiten als Stapelkörper, die abwechselnd angeordnet sind, wobei Brennstoffzellen gebildet werden. Eine der Bipolarplatten pro Brennstoffzelle weist in einem Randbereich einen Stopper auf, welcher beispielsweise durch eine Verdickung der Fuel cell stack with bipolar plates and MEA units as stacked bodies, which are arranged alternately, wherein fuel cells are formed. One of the bipolar plates per fuel cell has a stopper in an edge region, which is provided, for example, by a thickening of the
Bipolarplatte gebildet ist, so dass der Zwischenraum zwischen den Bipolarplatten innerhalb eines vernünftigen Maßes Bipolar plate is formed so that the gap between the bipolar plates within a reasonable amount
kontrolliert ist und insbesondere kein zu enger oder zu weiter Spalt zwischen den Bipolarplatten entstehen kann. is controlled and in particular no too narrow or too wide gap between the bipolar plates can arise.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine The invention is based on the object
Brennstoffzelleneinheit bzw. einen Brennstoffzellenstapel mit derartigen BrennstoffZeileneinheiten vorzuschlagen, welche wirtschaftlich zu fertigen ist und zugleich eine hohe To propose fuel cell unit or a fuel cell stack with such fuel cell units, which is economical to manufacture and at the same time a high
Funktionssicherheit bereitstellt . Provides functional security.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelleneinheit mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch einen This object is achieved by a fuel cell unit with the features of claim 1 and by a
Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruches 14 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Fuel cell stack solved with the features of claim 14. Preferred or advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims, the
nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren. following description and the accompanying figures.
Im Rahmen der Erfindung wird eine Brennstoffzelleneinheit vorgeschlagen, welche bevorzugt für die Integration in einen Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug geeignet und/oder ausgebildet ist. Die Brennstoffzelleneinheit umfasst eine
MEA-Platte (Membran-Electrode-Assembly) , welche mindestens eine Membran, insbesondere eine protonenleitende Membran (PEM), sowie vorzugsweise Katalysatorschichten und/oder In the context of the invention, a fuel cell unit is proposed, which is preferably suitable and / or designed for integration in a fuel cell stack for a vehicle. The fuel cell unit comprises a MEA plate (membrane-electrode assembly), which at least one membrane, in particular a proton-conducting membrane (PEM), and preferably catalyst layers and / or
Gasdiffusionslagen aufweist. Has gas diffusion layers.
Dazu benachbart sind Bipolarplatten angeordnet, die Adjacent to bipolar plates are arranged, the
beidseitig zu der MEA-Platte jeweils einen Elektrodenraum, nämlich einen Anodenraum und einen Kathodenraum, ausbilden. MEA-Platte und Bipolarplatten werden als Stapelkörper in einem Brennstoffzellenstapel und/oder in der form on both sides of the MEA plate in each case an electrode space, namely an anode space and a cathode space. MEA plate and bipolar plates are used as stacked bodies in a fuel cell stack and / or in the
Brennstoffzelleneinheit angeordnet. In den Elektrodenräumen, welche durch die Membran voneinander getrennt sind, findet im Betrieb der elektrochemische Prozess statt, durch den Fuel cell unit arranged. In the electrode spaces, which are separated by the membrane, takes place during operation of the electrochemical process through which
chemische Energie aus einem Brennstoff, meist Wasserstoff, und einem Oxidanten, meist Sauerstoff, in elektrische Energie gewandelt wird. chemical energy from a fuel, usually hydrogen, and an oxidant, usually oxygen, is converted into electrical energy.
Es ist eine Dichtung vorgesehen, wobei die Dichtung There is a seal provided, with the seal
mindestens einen, vorzugsweise beide Elektrodenräume, at least one, preferably both electrode spaces,
insbesondere umlaufend abdichtet. especially circumferentially seals.
Zudem weist die Brennstoffzelleneinheit einen In addition, the fuel cell unit has a
Hinterlandstopperbereich auf, welcher zur Beabstandung der Bipolarplatten und/oder der MEA-Platte in Stapelrichtung ausgebildet ist. Der Hinterlandstopperbereich ist außerhalb der Elektrodenräume, also von den Elektrodenräumen durch die Dichtung getrennt, angeordnet. Hinterlandstopperbereich, which is designed for spacing the bipolar plates and / or the MEA plate in the stacking direction. The Hinterlandstopperbereich is outside the electrode spaces, so separated from the electrode spaces by the seal arranged.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Dichtung über ein Spritzverfahren an die MEA-Platte appliziert ist. In the context of the invention it is proposed that the seal is applied to the MEA plate via a spraying process.
Vorteile des neuen Konzeptes sind darin zu sehen, dass die Dichtung bereits vor dem Einbau der MEA-Platte in den Advantages of the new concept can be seen in the fact that the seal before the installation of the MEA plate in the
Brennstoffzellenstapel bzw. in die Brennstoffzelleneinheit an
die MEA-Platte appliziert werden kann. Dadurch wird die Fuel cell stack or in the fuel cell unit the MEA plate can be applied. This will be the
Montage wesentlich vereinfacht, da eine Fehlmontage der Mounting much easier, as a faulty assembly of the
Dichtung als separates Teil nicht erfolgen kann. Seal can not be done as a separate part.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Funktion Another advantage is that the function
„Positionierung" der Stapelkörper in Stapelrichtung im Stapel zueinander von der Funktion der Abdichtung der Gase im Stapel entkoppelt ist. Damit kann die Dichtung entlastet werden und optional weicher ausgelegt werden. "Positioning" of the stacking body in the stacking direction in the stack to each other is decoupled from the function of sealing the gases in the stack.Thus, the seal can be relieved and optionally softer designed.
Durch diese neue Designfreiheit kann eine optimale Auslegung sowohl für die Positionierungsfunktion als auch für die This new design freedom allows an optimal design for both the positioning function and for the
Dichtungsfunktion hinsichtlich Werkstoff und Sealing function in terms of material and
Fertigungstechnologie erreicht werden. Insgesamt ergibt sich eine einfach zu montierende und damit kostengünstige und sehr funktionssichere Brennstoffzelleneinheit . Manufacturing technology can be achieved. Overall, this results in an easy to install and therefore cost-effective and very reliable fuel cell unit.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Dichtung in einem LIM-Verfahren (Liquid-Inj ection-Molding) hergestellt. Hierbei wird die MEA-Platte in ein Werkzeug eingelegt und die Dichtung zum Beispiel als flüssiger In a preferred embodiment of the invention, the seal is made in a LIM (Liquid Injection Molding) process. Here, the MEA plate is placed in a tool and the seal, for example, as a liquid
Zweikomponentenkunststoff angespritzt . Two-component plastic molded.
Bevorzugte Materialien für Dichtungen sind Elastomere wie z.B. Silikone, Silikonkautschuke (z.B. VMQ, FVMQ) , Elastomere auf Silikonbasis (z.B. Fluorsilikone, FVMQ), thermoplastische Elastomere (TPE) , Butylkautschuke (HR), Polybutylkautschuke (PIB), Ethylen-Propylen-Kautschuke (EPDM) , Fluorkautschuke (FKM, FFKM) , sowie ferner Polyamidelastomere und Preferred materials for gaskets are elastomers, e.g. Silicones, silicone rubbers (eg VMQ, FVMQ), silicone-based elastomers (eg fluorosilicone, FVMQ), thermoplastic elastomers (TPE), butyl rubbers (HR), polybutyl rubbers (PIB), ethylene-propylene rubbers (EPDM), fluororubbers (FKM, FFKM ), as well as polyamide elastomers and
Polyurethankautschuke und dergleichen. Prinzipiell kommen auch Kombinationen und Mischungen von den vorstehend Polyurethane rubbers and the like. In principle, combinations and mixtures of the above
genannten Materialien in Frage. Bei der vorliegenden mentioned materials in question. At the present
Erfindung ist jedoch einer der vorgenannten Silikonwerkstoff als Dichtungsmaterial bevorzugt.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Dichtung nach dem Invention, however, one of the aforementioned silicone material is preferred as the sealing material. It is particularly preferred if the seal after the
Spritzverfahren mit der MEA-Platte unlösbar verbunden ist. In dieser Ausführungsform wird bei der Montage der MEA-Platte in dem Stapel bzw. der Brennstoffzelleneinheit zwangsweise zugleich die Dichtung montiert. Die Verbindung zwischen MEA- Platte und Dichtung kann beispielsweise über einen Spray process with the MEA plate is permanently connected. In this embodiment, during assembly of the MEA plate in the stack or fuel cell unit, the seal is forcibly mounted at the same time. The connection between MEA plate and seal, for example, via a
Stoffschluss , einen Haftschluss und/oder einen Formschluss mit der MEA-Platte erfolgen. Bei einem Formschluss können z.B. entsprechende Aussparungen oder Durchgangsöffnungen in der MEA-Platte vorgesehen sein. Material bond, a bond and / or a positive connection with the MEA plate done. In a positive connection, e.g. corresponding recesses or through holes may be provided in the MEA plate.
Es ist besonders bevorzugt, wenn die Dichtung vollständig umlaufend um die MEA-Platte ausgebildet ist. Mit einer umlaufenden Dichtung können die Elektrodenräume besonders einfach abgedichtet werden. Besonders bevorzugt dichtet die Dichtung in einer einstückigen Ausbildung sowohl den It is particularly preferred if the seal is formed completely circumferentially around the MEA plate. With a circumferential seal, the electrode spaces can be sealed very easily. Particularly preferably, the seal in a one-piece design seals both the
Anodenraum als auch den Kathodenraum ab. Anode space and the cathode compartment.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist In a preferred embodiment of the invention
vorgesehen, dass die Dichtung die Gasdiffusionslage oder -lagen in Stapelrichtung der MEA-Platte umgreift und/oder seitlich abdichtet. Vorzugsweise erfolgt die seitliche und/oder umgreifende Abdichtung vollständig umlaufend um die MEA-Platte. Bei einem Umgreifen zeigt die Dichtung im provided that the seal surrounds the gas diffusion layer or layers in the stacking direction of the MEA plate and / or laterally seals. Preferably, the lateral and / or encompassing seal is completely circumferential around the MEA plate. When embracing the seal shows in
Kontaktbereich zu der MEA-Platte in einem Längsschnitt parallel zur Stapelrichtung zum Beispiel eine U-förmige Contact area to the MEA plate in a longitudinal section parallel to the stacking direction, for example, a U-shaped
Gestalt, wobei die freien Schenkel des U auf der Oberseite bzw. Unterseite der MEA-Platte anliegen. Falls nur die Shape, wherein the free legs of the U rest on the top or bottom of the MEA plate. If only the
Seitenflächen senkrecht zur Stapelrichtung abgedichtet sein sollen, sind auf der Oberseite bzw. Unterseite der MEA-Platte keine Dichtungsbereiche positioniert.
Es ist jedoch besonders bevorzugt, wenn die Dichtung in Side surfaces are to be sealed perpendicular to the stacking direction, no sealing areas are positioned on the top or bottom of the MEA plate. However, it is particularly preferred if the seal in
Stapelrichtung zumindest in Abschnitten zwischen der MEA- Platte, insbesondere der Gasdiffusionslage, und der Stacking direction at least in sections between the MEA plate, in particular the gas diffusion layer, and the
benachbarten Bipolarplatte abdichtend angeordnet ist, so dass sich ein Kraftschluss zwischen Bipolarplatte, Dichtung und Gasdiffusionslage in Stapelrichtung ergibt. Die Dichtung erfolgt somit nicht oder nicht nur zwischen den adjacent bipolar plate is arranged sealingly, so that there is a frictional connection between the bipolar plate, gasket and gas diffusion layer in the stacking direction. The seal is thus not or not only between the
Bipolarplatten, sondern zwischen der MEA-Platte und der Bipolar plates, but between the MEA plate and the
Bipolarplatte. Für den Fall, dass die Bipolarplatte Bipolar plate. In the event that the bipolar plate
metallisch ausgebildet ist, kann diese eine parallel zur Dichtung verlaufende Sicke aufweisen, um die is formed metallic, this may have a parallel to the seal extending bead to the
Funktionssicherheit der Dichtung zu erhöhen. To increase functional reliability of the seal.
Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausbildung ist In a preferred structural design
vorgesehen, dass sich die Hinterlandstopperbereiche provided that the hinterland stopper areas
benachbarter Bipolarplatten gegenseitig abstützen. Der adjacent bipolar plates support each other. Of the
Kraftfluss erfolgt dann zwischen den Bipolarplatten unter Ausklammerung der MEA-Platte. Es ist dabei optional möglich, dass zwischen den Hinterlandstopperbereichen benachbarter Bipolarplatten eine elektrische Isolierung und/oder ein elastischer Bereich angeordnet ist. Power flow then takes place between the bipolar plates, excluding the MEA plate. It is optionally possible that an electrical insulation and / or an elastic region is arranged between the hinterland stopper regions of adjacent bipolar plates.
Allgemein ist es nämlich bevorzugt, wenn der In general, it is preferred that the
Hauptkraftschluss des Brennstoffzellenstapels über die Main force closure of the fuel cell stack over the
Hinterlandstopperbereiche erfolgt und nur ein kleinerer Nebenkraftschluss über die Dichtungen abgetragen wird, um diese unabhängig von mechanischen Belastungen auslegen zu können. Es ist jedoch sinnvoll, zwischen den Hinterlandstopperbereiche carried out and only a small Nebenkraftschluss is removed through the seals in order to interpret these independently of mechanical stress can. However, it makes sense between the
Hinterlandstopperbereichen elektrische Isolierungen Outback stopper areas electrical insulations
anzuordnen, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Alternativ hierzu können die Hinterlandstopperbereiche auch aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt sein.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die elektrische Isolierung zwischen den to avoid a short circuit. Alternatively, the Hinterlandstopperbereiche can also be made of an electrically insulating material. In a preferred embodiment of the invention, the electrical insulation between the
Hinterlandstopperbereichen elastisch ausgebildet, um etwaige Fertigungstoleranzen elastisch ausgleichen zu können. Hinterlandstopperbereichen elastically formed to compensate for any manufacturing tolerances elastic.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Dichtung bis zwischen die Hinterlandstopperbereiche der angrenzenden Bipolarplatten. Damit bildet die Dichtung neben der Dichtungsfunktion auch ein elastisches und/oder elektrisch isolierendes Zwischenelement zwischen den In one possible embodiment of the invention, the seal extends to between the Hinterlandstopperbereiche the adjacent bipolar plates. Thus, in addition to the sealing function, the seal also forms an elastic and / or electrically insulating intermediate element between the two
Hinterlandstopperbereichen aus. Diese Ausführungsform hat de Vorteil, dass Bauteile eingespart werden können, da auf eine zusätzliche elektrisch isolierende/elastische Zwischenlage zwischen den Hinterlandstopperbereichen verzichtet werden kann . Outback stopper areas. This embodiment has the advantage that components can be saved, as can be dispensed with an additional electrically insulating / elastic intermediate layer between the Hinterlandstopperbereichen.
Die Bipolarplatten können z.B. aus einem metallischen oder einem graphitischen Werkstoff bestehen. Die The bipolar plates may e.g. consist of a metallic or a graphitic material. The
Hinterlandstopperbereiche können umlaufend und/oder Hinterlandstopperbereiche can circulating and / or
unterbrochen und/oder nur in Bereichen angebracht sein. interrupted and / or be installed only in areas.
Insellösungen sind ebenfalls möglich. Isolated solutions are also possible.
Besonders bevorzugt sind die Hinterlandstopperbereiche einstückig mit den Bipolarplatten ausgebildet. Im Fall eines metallischen Werkstoffes, zum Beispiel, wenn die Particularly preferably, the Hinterlandstopperbereiche are integrally formed with the bipolar plates. In the case of a metallic material, for example, when the
Bipolarplatten aus Edelstahlblechen gefertigt sind, können die Hinterlandstopperbereiche durch Umformen eingebracht werden. Im Fall von graphitischen Materialien werden die Hinterlandstopperbereiche vorzugsweise durch Abtragen von anderen Bereichen erzeugt. Andere Fertigungsverfahren wie z.B. Urformen, Fügen etc zur Fertigung der Bipolar plates are made of stainless steel sheets, the Hinterlandstopperbereiche can be introduced by forming. In the case of graphitic materials, the inland stopper regions are preferably created by ablating other regions. Other manufacturing methods such as e.g. Urformen, joining etc. for the production of
Hinterlandstopperbereiche sind ebenfalls denkbar. Prinzipiel ist es auch möglich, dass die Hinterlandstopperbereiche als separate Bauteile eingesetzt werden.
Die Hinterlandstopperbereiche können in manchen Hinterlandstopperbereiche are also conceivable. Prinzipiel it is also possible that the Hinterlandstopperbereiche are used as separate components. The Hinterlandstopperbereiche can in some
Ausführungsformen starr oder im Wesentlichen starr Embodiments rigid or substantially rigid
ausgebildet sein. Bei anderen Ausführungsformen können die Hinterlandstopperbereiche auch nachgiebig und/oder elastisch realisiert sein, wobei die elastische Eigenschaft wahlweise durch eine Formelastizität und/oder eine Werkstoffelastizität erreicht wird. Bei der Auslegung ist es jedoch - wie bereits erläutert - bevorzugt, wenn der Hauptkraftschluss über die Hinterlandstopperbereiche und nur ein Nebenkraftschluss über die Dichtung oder die aktiven Bereiche der be educated. In other embodiments, the Hinterlandstopperbereiche can also be implemented yielding and / or elastic, wherein the elastic property is achieved either by a formula elasticity and / or a material elasticity. In the interpretation, however, it is preferred - as already explained - when the main force closure over the Hinterlandstopperbereiche and only a side force across the seal or the active areas of
Brennstoffzelleneinheit , also über die Gasdiffusionslage und die Membran, abgeleitet werden. Somit wird durch das Fuel cell unit, ie via the gas diffusion layer and the membrane are derived. Thus, by the
Abstützen der Bipolarplatten über die Supporting the bipolar plates over the
Hinterlandstopperbereiche der Hauptdichtbereich aus dem Hinterlandstopperbereiche the main sealing area from the
Hauptkraftschluss genommen. Main force closure taken.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft einen Another object of the invention relates to a
Brennstoffzellenstapel, welcher für ein Fahrzeug geeignet und/oder ausgebildet ist, insbesondere, um Antriebsenergie für einen Antriebsmotor zur Verfügung zu stellen. Der Fuel cell stack, which is suitable and / or designed for a vehicle, in particular, to provide drive energy for a drive motor. Of the
Brennstoffzellenstapel weist eine Vielzahl von Fuel cell stack has a variety of
Brennstoffzelleneinheiten auf, wie sie zuvor beschrieben worden sind bzw. nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Fuel cell units, as described above or according to one of the preceding claims. By the use of the invention
Brennstoffzelleneinheiten wird erreicht, dass die Endplatten des Brennstoffzellenstapels sich über die Fuel cell units is achieved that the end plates of the fuel cell stack over the
Hinterlandstopperbereiche und die aktiven Bereiche abstützen, wobei der Hauptkraftschluss über die Support hinterland stopper areas and the active areas, with the main force closure on the
Hinterlandstopperbereiche erfolgt . Hinterlandstopperbereiche done.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:
Figur 1 einen schematischen Längsschnitt entlang der Further features, advantages and effects of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments of the invention. Showing: Figure 1 is a schematic longitudinal section along the
Stapelrichtung durch eine BrennstoffZeileneinheit als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung; Stacking direction by a fuel cell unit as a first embodiment of the invention;
Figur 2 in gleicher Darstellung wie die Figur 1 ein zweites Figure 2 in the same representation as the figure 1, a second
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Embodiment of the invention.
Die Figur 1 zeigt in einer schematischen FIG. 1 shows in a schematic
Längsschnittdarstellung eine Brennstoffzelleneinheit 1 als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Longitudinal sectional view of a fuel cell unit 1 as a first embodiment of the invention. The
Brennstoffzelleneinheit 1 ist insbesondere für einen mobilen Einsatz, zum Beispiel in einem Fahrzeug, zur Erzeugung der Antriebsenergie ausgelegt. Hierzu werden eine Vielzahl, zum Beispiel mehr als 50 oder 100 derartiger Fuel cell unit 1 is designed in particular for mobile use, for example in a vehicle, for generating the drive energy. For this purpose, a plurality, for example, more than 50 or 100 such
BrennstoffZeileneinheiten in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet . Fuel cell units arranged in a fuel cell stack.
In dem gezeigten Bereich sind drei Stapelkörper in einer Stapelrichtung S angeordnet, wobei mittig eine MEA-Platte 2 liegt, die in Stapelrichtung S beidseitig an Bipolarplatten 3 angrenzt. Die MEA-Platte 2 umfasst eine Membran 4, an die beidseitig jeweils eine Katalysatorschicht 5 und eine In the area shown, three stacked bodies are arranged in a stacking direction S, wherein an MEA plate 2 lies in the middle, which is adjacent to bipolar plates 3 in the stacking direction S on both sides. The MEA plate 2 comprises a membrane 4, on both sides of each of which a catalyst layer 5 and a
Gasdiffusionslage 6 angrenzen. Membran 4, Katalysatorschicht 5 und Gasdiffusionslage 6 erstrecken sich flächig in einer Ebene senkrecht zu der Zeichenebene. Durch die Membran 4, welche insbesondere als eine Protonenaustauschmembran (PEM) ausgebildet ist, wird ein Anodenraum und ein Kathodenraum 7a, b voneinander getrennt. Durch die angrenzenden Gas diffusion layer 6 adjacent. Membrane 4, catalyst layer 5 and gas diffusion layer 6 extend flat in a plane perpendicular to the plane of the drawing. Through the membrane 4, which is designed in particular as a proton exchange membrane (PEM), an anode space and a cathode space 7a, b are separated from each other. By the adjacent
Bipolarplatten 3 wird der Anoden- bzw. Kathodenraum 7a, b in bzw. gegen die Stapelrichtung S abgeschlossen. Die Bipolar plates 3, the anode or cathode space 7 a, b is completed in or against the stacking direction S. The
Bipolarplatten 3 können aus einem graphitischen Werkstoff oder - wie hier gezeigt - aus einem metallischen Werkstoff, z.B. aus Edelstahlblechen, gefertigt sein.
Die Abdichtung zwischen den Bipolarplatten 3 und der MEA- Platte 2 erfolgt durch eine Dichtung 8, welche umlaufend um den Anoden- bzw. Kathodenraum 7a, b ausgebildet ist. Die Bipolar plates 3 may be made of a graphitic material or - as shown here - of a metallic material, for example made of stainless steel sheets. The seal between the bipolar plates 3 and the MEA plate 2 is effected by a seal 8, which is formed circumferentially around the anode or cathode space 7a, b. The
Dichtung 8 ist in dem gezeigten Beispiel als LIM-Dichtung, also eine Liquid-Injection-Molding-Dichtung ausgebildet und wird vor dem Einbau der MEA-Platte 2 seitlich umlaufend an die MEA-Platte 2 angespritzt. Wie sich aus der Figur 1 ergibt, umgreift die Dichtung 8 die MEA-Platte 2 so, dass auch die Gasdiffusionslagen 6 u-förmig mit umgriffen sind. Durch diese Ausführung erfolgt die Abdichtung der Kathodenbzw. Anodenräume 7a, b nicht nur in lateraler Richtung neben der MEA-Platte 2, sondern in Stapelrichtung S auch In the example shown, seal 8 is designed as a LIM seal, that is to say a liquid injection molding seal, and is injection-molded laterally against the MEA plate 2 prior to installation of the MEA plate 2. As can be seen from FIG. 1, the seal 8 surrounds the MEA plate 2 such that the gas diffusion layers 6 are also encompassed in a U-shape. By this design, the sealing of the Kathodenbzw. Anode spaces 7a, b not only in the lateral direction next to the MEA plate 2, but in the stacking direction S also
deckungsgleich zu der MEA-Platte 2. congruent with the MEA plate 2.
Konstruktiv betrachtet zeigen die Bipolarplatten 3 an ihren den Anoden- bzw. Kathodenraum 7a, abgewandten Randbereichen einen Hinterlandstopper 9, also einen Bereich, dessen Viewed constructively, the bipolar plates 3 show, at their edge regions facing away from the anode or cathode space 7a, an inland stop 9, that is to say a region whose
Erstreckung oder Dicke in Stapelrichtung S größer als die sonstige Bipolarplatte 3 ist. Optional sind diese nachgiebig und/oder elastisch ausgebildet. Die Elastizität wird bei dem Ausführungsbeispiel in der Figur 1 durch eine Formelastizität erreicht. Durch den Hinterlandstopper 9 wird außerhalb des abgedichteten Bereichs eine Beabstandung der Bipolarplatten 3 zueinander sicher gestellt. Dies führt auch dazu, dass Kräfte in Stapelrichtung S über die Hinterlandstopper 9 abgetragen werden und nicht oder weniger über die Dichtungen 8 oder die Gasdiffusionslagen 6. Die Hinterlandstopper 9 stützen sich dabei in Stapelrichtung S beidseitig an den Bipolarplatten 3 ab. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Extension or thickness in the stacking direction S is greater than the other bipolar plate 3. Optionally, these are yielding and / or elastic. The elasticity is achieved in the embodiment in Figure 1 by a formula elasticity. By Hinterlandstopper 9, a spacing of the bipolar plates 3 is ensured to each other outside the sealed area. This also leads to forces in the stacking direction S being removed via the hinterland stops 9 and not or less via the seals 8 or the gas diffusion layers 6. The hinterland stops 9 are supported in the stacking direction S on both sides on the bipolar plates 3. In the embodiment shown, the
Hinterlandstopper 9 einstückig mit den Bipolarplatten 3 ausgebildet. Zueinander sind die Hinterlandstopper 9 durch eine Isolierung 10 elektrisch isoliert. Optional kann die Isolierung 10 als eine elastische Zwischenschicht ausgebildet
sein und stellt damit eine weitere Komponente dar, über deren Auslegung das Verhältnis zwischen Hauptkraftfluss über die Hinterlandstopper 10 und die Dichtung 8 zu beeinflussen ist. Hinterlandstopper 9 integrally formed with the bipolar plates 3. For each other, the hinterland stopper 9 are electrically insulated by an insulation 10. Optionally, the insulation 10 may be formed as an elastic intermediate layer be and thus represents another component, the interpretation of the relationship between the main power flow on the hinterland stopper 10 and the seal 8 is to influence.
Die Figur 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 als ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Vergleich zu der Ausführungsform in der Figur 1 ist die Isolierung 10 ein integraler Bestandteil der Dichtung 8. Bei einer ersten Alternative kann die Isolierung 10 als ein separates Bauteil in die Dichtung 8 eingespritzt sein und so mit dieser verbunden sein. Bei einer anderen Umsetzungsalternative wird die Isolierung 10 gemeinsam mit der Dichtung 8 gespritzt, also im Werkzeug urgeformt. Die Hinterlandstopper 9 stützen sich bei diesem FIG. 2 shows an alternative embodiment of the fuel cell unit 1 as a second embodiment of the invention. Compared to the embodiment in FIG. 1, the insulation 10 is an integral part of the gasket 8. In a first alternative, the insulation 10 may be injected as a separate component into the gasket 8 and thus connected thereto. In another implementation alternative, the insulation 10 is injected together with the seal 8, ie urgeformt in the tool. The Hinterlandstopper 9 are based on this
Ausführungsbeispiel unmittelbar auf der Dichtung 8 bzw. der Isolierung 10 ab.
Embodiment directly on the seal 8 and the insulation 10 from.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Brennstoffzelleneinheit 1 fuel cell unit
2 MEA-Platte 2 MEA plate
3 Bipolarplatte 3 bipolar plate
4 Membran 4 membrane
5 Katalysatorschicht 5 catalyst layer
6 Gasdiffusionslage 6 gas diffusion layer
7a, Anoden- und Kathodenraum 7a, anode and cathode compartment
8 Dichtung 8 seal
9 Hinterlandstopper 9 hinterland stopper
10 Isolierung
10 insulation
Claims
Brennstoffzelleneinheit (1) mit einer EA-Platte (2), mit dazu benachbarten Bipolarplatten (3), die so Fuel cell unit (1) with an EA plate (2), with adjacent bipolar plates (3), which are as follows
angeordnet sind, dass sich beidseitig zu der MEA-Platte (2) jeweils ein Elektrodenraum (7a, b) ausbildet, mit einer Dichtung (8), wobei die Dichtung (8) mindestens einen der Elektrodenräume (7a,b) abdichtet, einen Hinterlandstopperbereich (9), welcher zur are arranged so that an electrode space (7a, b) is formed on both sides of the MEA plate (2), with a seal (8), the seal (8) sealing at least one of the electrode spaces (7a, b), a hinterland stopper area (9), which for
Beabstandung der Bipolarplatten (3) und/oder der MEA- Platte (2) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet dass die Dichtung (8) über ein Spritzverfahren an die MEA-Platte Spacing of the bipolar plates (3) and/or the MEA plate (2) is formed, characterized in that the seal (8) is attached to the MEA plate via a spraying process
(2) appliziert ist. (2) is applied.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (8) in einem LIM- Verfahren (Liquid Injection Moulding) Verfahren Fuel cell unit (1) according to claim 1, characterized in that the seal (8) in a LIM process (Liquid Injection Molding) process
hergestellt ist.
is manufactured.
3. Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (8) aus Silikon besteht und/oder umfasst. 3. Fuel cell unit (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the seal (8) consists of and / or comprises silicone.
4. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung mit der MEA-Platte (2) unlösbar verbunden ist. 4. Fuel cell unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the seal is permanently connected to the MEA plate (2).
5. Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 4, dadurch 5. Fuel cell unit (1) according to claim 4, characterized
gekennzeichnet, dass die Dichtung (8) stoffschlüssig, haftschlüssig und/oder formschlüssig mit der MEA-Platte (2) verbunden ist. characterized in that the seal (8) is connected to the MEA plate (2) in a cohesive, adhesive and/or form-fitting manner.
6. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (8) vollständig um die MEA-Platte (2) ausgebildet ist. 6. Fuel cell unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the seal (8) is formed completely around the MEA plate (2).
7. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die MEA-Platte (2) eine Membran (4), Katalysatorschichten (5) und 7. Fuel cell unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the MEA plate (2) has a membrane (4), catalyst layers (5) and
Gasdiffusionslagen (6) umfasst, wobei die Dichtung (8) die Gasdiffusionslagen (6) in Stapelrichtung (S) Gas diffusion layers (6), wherein the seal (8) the gas diffusion layers (6) in the stacking direction (S)
vollständig umgreift und/oder seitlich abdichtet. completely surrounds and/or seals laterally.
8. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (8) in Stapelrichtung (S) zumindest abschnittsweise zwischen der MEA-Platte (2) , insbesondere der Gasdiffusionslage (6) , und der benachbarten Bipolarplatte (3) abdichtend angeordnet ist.
8. Fuel cell unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the seal (8) in the stacking direction (S) at least in sections between the MEA plate (2), in particular the gas diffusion layer (6), and the adjacent bipolar plate (3 ) is arranged sealingly.
9. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die 9. Fuel cell unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that
Hinterlandstopperbereiche (9) benachbarter Bipolarplatten (3) gegenseitig abstützen. Support the hinterland stopper areas (9) of adjacent bipolar plates (3) against each other.
10. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Hinterlandstopperbereichen (9) benachbarter 10. Fuel cell unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that between the hinterland stopper areas (9) adjacent
Bipolarplatten (3) eine elektrische Isolierung (10) angeordnet ist. Bipolar plates (3) an electrical insulation (10) is arranged.
11. Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 10, dadurch 11. Fuel cell unit (1) according to claim 10, characterized
gekennzeichnet, dass die elektrische Isolierung (10) elastisch ausgebildet ist. characterized in that the electrical insulation (10) is elastic.
12. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Dichtung (8) bis zwischen die Hinterlandstopperbereiche (9) der angrenzenden Bipolarplatten (3) erstreckt. 12. Fuel cell unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the seal (8) extends between the hinterland stopper areas (9) of the adjacent bipolar plates (3).
13. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die 13. Fuel cell unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that
Hinterlandstopperbereiche (9) elastisch ausgebildet sind. Hinterland stopper areas (9) are designed to be elastic.
14. Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug, gekennzeichnet durch eine Vielzahl der BrennstoffZeileneinheiten (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Fuel cell stack for a vehicle, characterized by a plurality of fuel cell units (1) according to one of the preceding claims.
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Legal Events
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 10739525 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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NENP | Non-entry into the national phase |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
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