DE102018203132A1 - Bipolar plate for fuel cell stack - Google Patents
Bipolar plate for fuel cell stack Download PDFInfo
- Publication number
- DE102018203132A1 DE102018203132A1 DE102018203132.0A DE102018203132A DE102018203132A1 DE 102018203132 A1 DE102018203132 A1 DE 102018203132A1 DE 102018203132 A DE102018203132 A DE 102018203132A DE 102018203132 A1 DE102018203132 A1 DE 102018203132A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- distributor
- fuel cell
- cell stack
- gas
- bipolar plate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 65
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 45
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims abstract description 38
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 17
- 239000011344 liquid material Substances 0.000 claims description 13
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 12
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 12
- 229920000914 Metallic fiber Polymers 0.000 claims description 11
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 11
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 10
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims description 10
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 8
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 8
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims description 7
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims description 7
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims description 6
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 5
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 4
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 3
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 2
- BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N (2r,3r,4s,5r)-2-[6-[[2-(3,5-dimethoxyphenyl)-2-(2-methylphenyl)ethyl]amino]purin-9-yl]-5-(hydroxymethyl)oxolane-3,4-diol Chemical compound COC1=CC(OC)=CC(C(CNC=2C=3N=CN(C=3N=CN=2)[C@H]2[C@@H]([C@H](O)[C@@H](CO)O2)O)C=2C(=CC=CC=2)C)=C1 BUHVIAUBTBOHAG-FOYDDCNASA-N 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 238000009954 braiding Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
- H01M8/0232—Metals or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0206—Metals or alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0221—Organic resins; Organic polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
- H01M8/0223—Composites
- H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
- H01M8/0256—Vias, i.e. connectors passing through the separator material
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0082—Organic polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04701—Temperature
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Bipolare Platte (50) für einen Brennstoffzellenstapel (9), umfassend mindestens eine erste als metallisches Gewebe ausgebildete Verteilerstruktur (1) für ein erstes Betriebsmedium (1a) des Brennstoffzellenstapels (9), eine zweite als metallisches Gewebe ausgebildete Verteilerstruktur (2) für ein zweites Betriebsmedium (2a) des Brennstoffzellenstapels (9) sowie eine erste gasdichte Trennwand (4) zwischen der ersten Verteilerstruktur (1) und der zweiten Verteilerstruktur (2), wobei eine Mehrzahl von Verbindungselementen (6) vorgesehen sind, die die erste gasdichte Trennwand (4) durchqueren und mit beiden Verteilerstrukturen (1, 2) jeweils verflochten und/oder verlötet sind.Verfahren (100) zur Herstellung einer bipolaren Platte (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei metallische Fäden als Verbindungselemente (6, 7) mit unterschiedlichen, jeweils als metallische Gewebe ausgebildeten, Verteilerstrukturen (1, 2; 2, 3) für Betriebsmedien (1a, 2a, 3a) des Brennstoffzellenstapels (9) verflochten werden (110).A bipolar plate (50) for a fuel cell stack (9), comprising at least one first distribution structure formed as a metallic fabric (1) for a first operating medium (1a) of the fuel cell stack (9), a second formed as a metallic fabric distribution structure (2) for a second Operating medium (2a) of the fuel cell stack (9) and a first gas-tight partition wall (4) between the first manifold structure (1) and the second manifold structure (2), wherein a plurality of connecting elements (6) are provided, the first gas-tight partition (4 ) and are intertwined and / or soldered to both distributor structures (1, 2) .A method (100) for producing a bipolar plate (50) according to any one of claims 1 to 8, wherein metallic filaments are used as connecting elements (6, 7) different distributor structures (1, 2, 2, 3), designed in each case as metallic fabric, for operating media (1a, 2a, 3a) of the fuel cell stack (9 ) (110).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft bipolare Platten zur Verbindung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel untereinander.The present invention relates to bipolar plates for connecting fuel cells in a fuel cell stack with each other.
Stand der TechnikState of the art
Eine Brennstoffzelle umfasst einen Anodenraum, in dem ein Brennstoff vorgelegt wird, einen Kathodenraum, in dem ein Oxidationsmittel vorgelegt wird, sowie einen Elektrolyten oder eine semipermeable Membran als Trennung zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum. Der Brennstoff wird an der Anode zu Ionen oxidiert, die durch den Elektrolyten, bzw. durch die Membran, in den Kathodenraum übertreten und dort mit dem Oxidationsmittel reagieren. Dabei werden Elektronen frei, die über einen externen Verbraucher von der Anode zur Kathode fließen können, um den Stromkreislauf zu schließen.A fuel cell comprises an anode space in which a fuel is introduced, a cathode space in which an oxidant is introduced, and an electrolyte or a semi-permeable membrane as a separation between the anode space and the cathode space. The fuel is oxidized at the anode to ions that pass through the electrolyte, or through the membrane, in the cathode space and react there with the oxidizing agent. In this case, electrons are released, which can flow via an external load from the anode to the cathode to close the circuit.
Eine einzelne Brennstoffzelle liefert nur Spannungen von typischerweise weniger als 1,5 V. Um höhere Spannungen zu erzielen, wird eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel in Reihe geschaltet. Die einzelnen Brennstoffzellen sind untereinander elektrisch durch bipolare Platten verbunden. Eine bipolare Platte enthält typischerweise auf der einen Seite eine Medienverteilerstruktur für Oxidationsmittel, die zum Kathodenraum einer ersten Brennstoffzelle gehört, und auf der anderen Seite eine Medienverteilerstruktur für Brennstoff, die zum Anodenraum einer zweiten Brennstoffzelle gehört. Es ist wichtig, den elektrischen Widerstand beim Übergang von einer Brennstoffzelle zur nächsten zu minimieren, da dieser Widerstand mit der Anzahl der Brennstoffzellen im Stapel vervielfacht wird. Bipolare Platten sind beispielsweise in der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Im Rahmen der Erfindung wurde eine bipolare Platte für einen Brennstoffzellenstapel entwickelt. Diese bipolare Platte umfasst mindestens eine erste als metallisches Gewebe ausgebildete Verteilerstruktur für ein erstes Betriebsmedium des Brennstoffzellenstapels, eine zweite als metallisches Gewebe ausgebildete Verteilerstruktur für ein zweites Betriebsmedium des Brennstoffzellenstapels sowie eine erste gasdichte Trennwand zwischen der ersten Verteilerstruktur und der zweiten Verteilerstruktur.In the context of the invention, a bipolar plate for a fuel cell stack has been developed. This bipolar plate comprises at least a first distribution structure formed as a metallic tissue for a first operating medium of the fuel cell stack, a second formed as a metallic fabric distribution structure for a second operating medium of the fuel cell stack and a first gas-tight partition between the first distribution structure and the second distribution structure.
Es ist eine Mehrzahl von Verbindungselementen vorgesehen, die die erste gasdichte Trennwand durchqueren und mit beiden Verteilerstrukturen jeweils verflochten und/oder verlötet sind.There is provided a plurality of connecting elements which traverse the first gas-tight partition wall and are intertwined and / or soldered to both distributor structures.
Es wurde erkannt, dass die Ankopplung der Verbindungselemente an die beiden Verteilerstrukturen durch Verflechten und/oder Verlöten eine derart gute elektrische und thermische Leitfähigkeit bietet, dass diese Verbindungselemente, obwohl sie die gasdichte Trennwand nur auf einem geringen Teil ihrer Gesamtfläche durchqueren, die thermische und elektrische Leitfähigkeit für das Durchqueren der bipolaren Platte von einer Brennstoffzelle zur benachbarten Brennstoffzelle dominieren. Das bedeutet insbesondere, dass ein Kontaktwiderstand zwischen den Verteilerstrukturen und der gasdichten Trennwand keine Rolle mehr spielt. Der Brennstoffzellenstapel profitiert also von der kontrollierbaren und reproduzierbar durchgängigen Porosität einer aus einem Gewebe gebildeten Verteilerstruktur, ohne dass dies mit einer Erhöhung des Widerstands beim Übergang von einer Brennstoffzelle zur nächsten verbunden ist.It has been found that the coupling of the connecting elements to the two distribution structures by braiding and / or soldering provides such good electrical and thermal conductivity that these connecting elements, although they traverse the gas-tight partition only on a small part of their total area, the thermal and electrical Conductivity for traversing the bipolar plate from one fuel cell to the adjacent fuel cell dominate. This means in particular that a contact resistance between the distributor structures and the gas-tight partition wall no longer plays a role. The fuel cell stack therefore benefits from the controllable and reproducibly continuous porosity of a distributor structure formed from a fabric, without this being associated with an increase in the resistance during the transition from one fuel cell to the next.
Dies bedeutet wiederum, dass es gar nicht mehr auf die elektrische oder thermische Leitfähigkeit der gasdichten Trennwand ankommt. Es besteht also völlige Freiheit, ein Material für die gasdichte Trennwand anhand der sonstigen Anforderungen an den Brennstoffzellenstapel auszuwählen. Beispielsweise kann für den mobilen Einsatz zur Gewichtsersparnis ein Kunststoff verwendet werden. This in turn means that it no longer depends on the electrical or thermal conductivity of the gas-tight partition. So there is complete freedom to select a material for the gas-tight partition on the basis of other requirements for the fuel cell stack. For example, a plastic can be used for the mobile use for weight saving.
Weiterhin wird die Herstellung der bipolaren Platte deutlich vereinfacht. Die gasdichte Trennwand kann hergestellt und zugleich auch an die Verteilerstrukturen gekoppelt werden, indem ein Material im flüssigen Zustand in den Zwischenraum zwischen den Verteilerstrukturen eingebracht und anschließend verfestigt wird. Die Gasdichtigkeit ist dann unmittelbar hergestellt, ohne dass ein separates Dichtelement benötigt wird. Auch ist es nicht erforderlich, beim Zusammenfügen der Verteilerstrukturen mit der gasdichten Trennwand enge Fertigungstoleranzen zu beachten.Furthermore, the production of the bipolar plate is significantly simplified. The gas-tight partition can be produced and at the same time coupled to the distributor structures by introducing a material in the liquid state into the intermediate space between the distributor structures and then solidifying it. The gas-tightness is then directly produced without the need for a separate sealing element. Also, it is not necessary to observe close manufacturing tolerances when assembling the distributor structures with the gas-tight partition.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist mindestens ein Verbindungselement sowohl Teil des Gewebes der ersten Verteilerstruktur als auch Teil des Gewebes der zweiten Verteilerstruktur. Das bedeutet, dass dieses Verbindungselement in beide Gewebe eingeflochten ist. Da innerhalb eines jeden Gewebes der Kontaktwiderstand zwischen den einzelnen Fäden des Gewebes vernachlässigbar ist, ist das Verbindungselement dann optimal an beide Verteilerstrukturen angekoppelt.In a particularly advantageous embodiment, at least one connecting element is both part of the fabric of the first distributor structure and part of the fabric of the second distributor structure. This means that this connection element is woven into both fabrics. Since the contact resistance between the individual threads of the fabric is negligible within each tissue, the connecting element is then optimally coupled to both distributor structures.
Die Gewebe beider Verteilerstrukturen verschmelzen also letztendlich zu einem einzigen, in die dritte Dimension erweiterten, „zweigeschossigen Gewebe“. Die Position und Dichte (Häufigkeit) der Verbindungselemente kann dann vorteilhaft so ausgewählt werden, dass die Verbindungselemente nicht nur eine optimale Leitfähigkeit bieten, sondern auch Stabilität und Festigkeit nach dem Fachwerk-Prinzip.Thus, the tissues of both distribution structures eventually merge into a single "two-story tissue" extended into the third dimension. The position and density (frequency) of the connecting elements can then be advantageously selected so that the connecting elements not only provide optimum conductivity, but also stability and strength according to the framework principle.
Vorteilhaft sind die erste Verteilerstruktur zur Verteilung eines Brennstoffs als Betriebsmedium des Brennstoffzellenstapels und die zweite Verteilerstruktur zur Verteilung eines Oxidationsmittels als Betriebsmedium des Brennstoffzellenstapels ausgebildet. Im fertig zusammengefügten Brennstoffzellenstapel befindet sich die erste Verteilerstruktur dann im Anodenraum einer Brennstoffzelle, und die zweite Verteilerstruktur befindet sich im Kathodenraum einer benachbarten Brennstoffzelle. The first distributor structure for distributing a fuel as the operating medium of the fuel cell stack and the second distributor structure for distributing an oxidizing agent as the operating medium of the fuel cell stack are advantageously formed. In the finished assembled fuel cell stack, the first distributor structure is then located in the anode compartment of a fuel cell, and the second distributor structure is located in the cathode compartment of an adjacent fuel cell.
Die Verteilerstrukturen können mit jeweils an die entsprechenden Medien angepassten Beschichtungen versehen sein, um die Dauerhaltbarkeit der metallischen Fäden des Gewebes zu verbessern. Beispielsweise können die Kanäle der Verteilerstruktur für Wasserstoff als Brennstoff mit einer versprödungshemmenden Beschichtung versehen sein. Die Kanäle der Verteilerstruktur für Luft als Oxidationsmittel können beispielsweise mit einer gegen im Betrieb des Brennstoffzellenstapels entstehendes Produktwasser (DI-Wasser) beständigen Beschichtung versehen sein.The distributor structures may be provided with respective coatings adapted to the respective media in order to improve the durability of the metallic threads of the fabric. For example, the channels of the hydrogen distribution structure may be provided with an embrittlement-inhibiting coating as fuel. The channels of the distributor structure for air as the oxidizing agent can be provided, for example, with a product water (DI-water) resistant to coating during operation of the fuel cell stack.
Die Beschichtung kann beispielsweise bereits auf die metallischen Fäden aufgebracht sein, bevor diese zu den jeweiligen Verteilerstrukturen verflochten werden. Dies ist fertigungstechnisch deutlich einfacher als die Verteilerstrukturen nachträglich von innen zu beschichten. Insbesondere ist dann sichergestellt, dass das jeweilige Beschichtungsmaterial die durchgängigen Poren in den Verteilerstrukturen nicht verlegt.For example, the coating can already be applied to the metallic threads before they are interwoven into the respective distributor structures. This is much easier to manufacture than coating the distribution structures from the inside out. In particular, it is then ensured that the respective coating material does not displace the continuous pores in the distributor structures.
Im fertig zusammengefügten Brennstoffzellenstapel stehen die Verteilerstrukturen im Kontakt mit Gasdiffussionsschichten von Katalysatoren zu beiden Seiten des Elektrolyten, bzw. der semipermeablen Membran. Diese Kontaktstellen sollten korrosionsbeständig, aber auch elektrisch und thermisch leitend sein. Eine Beschichtung zu diesem Zweck kann ebenfalls bereits vor dem Verflechten der metallischen Fäden zu den Verteilerstrukturen auf die Fäden aufgebracht sein, aber auch beispielsweise erst nachträglich auf die fertigen Verteilerstrukturen aufgebracht werden.In the finished assembled fuel cell stack, the distributor structures are in contact with gas diffusion layers of catalysts on both sides of the electrolyte, or the semipermeable membrane. These contact points should be corrosion resistant, but also be electrically and thermally conductive. A coating for this purpose can likewise be applied to the threads already before the interweaving of the metallic threads into the distributor structures, but also, for example, can only be subsequently applied to the finished distributor structures.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind zusätzlich eine dritte als metallisches Gewebe ausgebildete Verteilerstruktur sowie eine zweite gasdichte Trennwand zwischen der zweiten Verteilerstruktur und der dritten Verteilerstruktur vorgesehen. Es ist dann weiterhin eine Mehrzahl weiterer Verbindungselemente vorgesehen, die die zweite gasdichte Trennwand durchqueren und mit der zweiten und der dritten Verteilerstruktur jeweils verflochten und/oder verlötet sind.In a further particularly advantageous embodiment, a third distribution structure formed as a metallic fabric and a second gas-tight partition wall between the second distribution structure and the third distribution structure are additionally provided. It is then further provided a plurality of further connecting elements which traverse the second gas-tight partition and are intertwined and / or soldered to the second and the third distributor structure, respectively.
Die elektrische und thermische Verbindung zwischen der zweiten und der dritten Verteilerstruktur funktioniert völlig analog zu der Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Verteilerstruktur. Auf diese Weise ergibt sich auf dem Weg von der ersten zur dritten Verteilerstruktur ein besonders niedriger Gesamtwiderstand im Vergleich zu einem Aufbau, in dem eine Vielzahl von Kontaktwiderständen jeweils zwischen einer Verteilerstruktur und einer angrenzenden gasdichten Trennwand zu überwinden ist.The electrical and thermal connection between the second and the third distributor structure works completely analogously to the connection between the first and the second distributor structure. In this way, on the way from the first to the third distributor structure results in a particularly low total resistance compared to a structure in which a plurality of contact resistances is to be overcome in each case between a distributor structure and an adjacent gas-tight partition.
Analog zur Verbindung zwischen der ersten und zweiten Verteilerstruktur ist in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung mindestens eines der weiteren Verbindungselemente sowohl Teil des Gewebes der zweiten Verteilerstruktur als auch Teil des Gewebes der dritten Verteilerstruktur. Das „zweigeschossige Gewebe“ ist also zu einem „dreigeschossigen Gewebe“ erweitert.Analogously to the connection between the first and second distributor structure, in a particularly advantageous embodiment at least one of the further connecting elements is both part of the fabric of the second distributor structure and part of the fabric of the third distributor structure. The "two-storey tissue" is therefore extended to a "three-storey tissue".
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die erste Verteilerstruktur zur Verteilung eines Brennstoffs als Betriebsmedium des Brennstoffzellenstapels, die zweite Verteilerstruktur zur Verteilung eines Kühlmittels als Betriebsmedium des Brennstoffzellenstapels und die dritte Verteilerstruktur zur Verteilung eines Oxidationsmittels als Betriebsmedium des Brennstoffzellenstapels ausgebildet. Indem also „Zwischengeschosse“ für die Kühlung in den Brennstoffzellenstapel eingefügt sind, lässt sich die Kühlung räumlich auf den gesamten Brennstoffzellenstapel verteilen. Dies vermeidet große Temperaturunterschiede innerhalb des Brennstoffzellenstapels, die auf Grund thermischer Ausdehnungseffekte zu mechanischen Spannungen führen. Weiterhin kann insgesamt eine größere Wärmemenge aus dem Brennstoffzellenstapel abgeführt und dessen Leistungsdichte somit weiter gesteigert werden.In a particularly advantageous embodiment, the first distribution structure for distributing a fuel as the operating medium of the fuel cell stack, the second distribution structure for distributing a coolant as the operating medium of the fuel cell stack and the third distribution structure for distributing an oxidizing agent as the operating medium of the fuel cell stack. Thus, by inserting "intermediate floors" for the cooling in the fuel cell stack, the cooling can be spatially distributed over the entire fuel cell stack. This avoids large temperature differences within the fuel cell stack, which due to thermal expansion effects lead to mechanical stresses. Furthermore, a total of a larger amount of heat can be dissipated from the fuel cell stack and thus its power density can be further increased.
Vorteilhaft umfasst mindestens eine der Verteilerstrukturen Fäden aus Stahl und/oder Aluminium. Diese Metalle sind vergleichsweise kostengünstig und zugleich gut verflechtbar. Die Verbindungselemente müssen nicht zwingend aus dem gleichen Metall bestehen wie die Fäden, die lediglich innerhalb einer der Verteilerstrukturen verlaufen. Es müssen lediglich gemeinsam verwendete Metalle kompatibel in Bezug auf Kontaktkorrosion sein.At least one of the distributor structures advantageously comprises threads made of steel and / or aluminum. These metals are comparatively inexpensive and at the same time well interleaved. The connecting elements need not necessarily be made of the same metal as the threads which run only within one of the distributor structures. Only shared metals need to be compatible in terms of contact corrosion.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die erste gasdichte Trennwand, und/oder die zweite gasdichte Trennwand, Aluminium, einen Kunststoff und/oder ein Harz.In a particularly advantageous embodiment, the first gas-tight partition, and / or the second gas-tight partition, aluminum, a plastic and / or a resin.
Aluminium hat hier den Vorteil, dass es besonders leicht ist und auch einen vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkt hat. Weiterhin kann Kontaktkorrosion ausgeschlossen werden, wenn die an die gasdichte Trennwand angrenzenden Verteilerstrukturen ebenfalls aus Aluminium bestehen.Aluminum has the advantage here that it is particularly light and also has a comparatively low melting point. Furthermore, contact corrosion can be ruled out if the distributor structures adjoining the gas-tight partition also consist of aluminum.
Ein Kunststoff und ein Harz sind noch leichter als Aluminium und auch bei noch niedrigeren Temperaturen als Aluminium flüssig. Weiterhin wird unabhängig davon, aus welchen Metallen die angrenzenden Verteilerstrukturen bestehen, keine Kontaktkorrosion dieser Verteilerstrukturen bewirkt. A plastic and a resin are even lighter than aluminum and even at temperatures even lower than aluminum liquid. Furthermore, irrespective of which metals the adjacent distributor structures consist of, no contact corrosion of these distributor structures is effected.
Die Verfestigung des Kunststoffes oder des Harzes muss nicht zwangsläufig durch Abkühlen unter einen Schmelzpunkt erfolgen. Beispielsweise kann der Kunststoff oder das Harz ein Gemisch aus zwei oder mehr Komponenten sein, die miteinander reagieren und so die Verfestigung bewirken. Es kann auch beispielsweise ein Kunststoff oder ein Harz verwendet werden, dessen Verfestigung durch Bestrahlung mit UV-Licht aktiviert wird. Der Kunststoff, bzw. das Harz, kann dann einen höheren Schmelzpunkt haben, so dass der Brennstoffzellenstapel bei höheren Temperaturen betrieben werden kann.The solidification of the plastic or the resin does not necessarily take place by cooling below a melting point. For example, the plastic or resin may be a mixture of two or more components that react with one another to effect solidification. It is also possible, for example, to use a plastic or a resin whose solidification is activated by irradiation with UV light. The plastic, or the resin, can then have a higher melting point, so that the fuel cell stack can be operated at higher temperatures.
Die Erfindung bezieht sich nach dem zuvor Beschriebenen auch auf ein Verfahren zur Herstellung der bipolaren Platte. Bei diesem Verfahren werden metallische Fäden als Verbindungselemente mit unterschiedlichen, jeweils als metallische Gewebe ausgebildeten, Verteilerstrukturen für Betriebsmedien des Brennstoffzellenstapels verflochten.The invention also relates to the method described above for producing the bipolar plate. In this method, metallic threads are intertwined as connecting elements with different, each formed as a metallic fabric, distribution structures for operating media of the fuel cell stack.
Dabei können beispielsweise fertige Gewebematten als Verteilerstrukturen verwendet und die Verbindungselemente nachträglich mit diesen Gewebematten verflochten werden.In this case, for example, finished fabric mats can be used as distributor structures and the connecting elements can be subsequently interwoven with these fabric mats.
Besonders vorteilhaft werden zur Bildung einer jeden Verteilerstruktur metallische Fäden miteinander verflochten werden, wobei einige der Fäden als Verbindungselemente von einer Verteilerstruktur in eine andere Verteilerstruktur, oder durch alle Verteilerstrukturen, geführt werden. Dann ist zum einen der elektrische und thermische Widerstand beim Übergang von einer Verteilerstruktur zum Verbindungselement und umgekehrt minimal. Zum anderen tragen die Verbindungselemente dann maximal zur Stabilität und Festigkeit der bipolaren Platte bei.In order to form each distributor structure, metallic filaments are particularly advantageously interlaced, wherein some of the filaments are guided as connecting elements from one distributor structure into another distributor structure, or through all distributor structures. Then, on the one hand, the electrical and thermal resistance in the transition from a distribution structure to the connecting element and vice versa minimal. On the other hand, the connecting elements then maximally contribute to the stability and strength of the bipolar plate.
Vorteilhaft wird das Material der gasdichten Trennwand, bzw. Trennwände, jeweils im flüssigen Aggregatzustand in Zwischenräume zwischen benachbarten Verteilerstrukturen eingeführt und dort verfestigt. Auf diese Weise passt es sich an die genauen Abmessungen der Verteilerstrukturen an, so dass beim Zusammenfügen der Trennwände mit den Verteilerstrukturen keine engen Toleranzen zu beachten sind.Advantageously, the material of the gas-tight partition, or partitions, each inserted in the liquid state in intermediate spaces between adjacent distributor structures and solidified there. In this way, it adapts to the exact dimensions of the distributor structures, so that when assembling the partitions with the distributor structures no close tolerances are to be observed.
Vorteilhaft wird ein solches Verhältnis zwischen der Porengröße in den Verteilerstrukturen und der Viskosität und/oder Oberflächenspannung des flüssigen Materials gewählt, dass das flüssige Material nicht in die Poren der Verteilerstrukturen eindringt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Poren der Verteilerstrukturen durch das flüssige Material nicht verlegt werden.Advantageously, such a ratio is chosen between the pore size in the distributor structures and the viscosity and / or surface tension of the liquid material that the liquid material does not penetrate into the pores of the distributor structures. In this way it is ensured that the pores of the distributor structures are not displaced by the liquid material.
Vorteilhaft wird ein Material gewählt, das einen geringeren Schmelzpunkt hat als die metallischen Fäden. Dann werden die metallischen Fäden beim Kontakt zu dem flüssigen Material nicht thermisch angegriffen.Advantageously, a material is selected which has a lower melting point than the metallic filaments. Then, the metallic threads are not thermally attacked on contact with the liquid material.
Es kann aber auch ein Material gewählt werden, das einen gleich großen oder höheren Schmelzpunkt hat als die metallischen Fäden. Die metallischen Fäden können dann durch eine Beschichtung zumindest für die Zeit bis zum Verfestigen des Materials vor dem Schmelzen geschützt werden. Es ist vorteilhaft, wenn das flüssige Material nicht zu schnell abkühlen muss. Das flüssige Material kann sich dann beim Abkühlen insbesondere in den Bereichen, in denen es von den Verbindungselementen durchquert wird, an die Verbindungselemente anpassen. Es entstehen dann entlang der Verbindungselemente keine Pfade, entlang derer die Gasdichtigkeit geschwächt wird.However, it is also possible to choose a material which has an equal or higher melting point than the metallic threads. The metallic filaments may then be protected by a coating at least for the time to solidification of the material prior to melting. It is advantageous if the liquid material does not have to cool down too quickly. The liquid material can then adapt to the connecting elements during cooling, in particular in the areas in which it is traversed by the connecting elements. There are then no paths along the connecting elements, along which the gas-tightness is weakened.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Verteilerstrukturen durch Wärmeleitung mit einer Wärmesenke verbunden, während sie im Kontakt mit dem flüssigen Material der gasdichten Trennwand, bzw. Trennwände, stehen. Durch diese Kühlung kann zum einen das Verfestigen des Materials beschleunigt werden. Zum anderen hinterlässt die Kühlung, im Gegensatz zu einer Beschichtung, keine dauerhaften Rückstände auf den Verteilerstrukturen. Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.In a further advantageous embodiment, the distributor structures are connected by heat conduction with a heat sink, while they are in contact with the liquid material of the gas-tight partition, or partitions. By this cooling, on the one hand, the solidification of the material can be accelerated. On the other hand, the cooling, in contrast to a coating, leaves no permanent residues on the distributor structures. Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to figures.
Figurenlistelist of figures
Es zeigt:
-
1 Prinzipieller Aufbau eines Brennstoffzellenstapels9 ; -
2 Ausführungsbeispiel der bipolarenPlatte 50 ; -
3 Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100 .
-
1 Basic structure of afuel cell stack 9 ; -
2 Embodiment of thebipolar plate 50 ; -
3 Embodiment of themethod 100 ,
Nach
Jede Membran-Elektroden-Einheit
Zur Führung eines jeden Betriebsmediums
Einige Fäden sind zunächst Teil der ersten Verteilerstruktur
Analog sind einige Fäden zunächst Teil der zweiten Verteilerstruktur
Die gasdichten Trennwände
Gemäß Schritt
Innerhalb von Schritt
Gemäß Block
Die Verteilerstrukturen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102016213057 A1 [0003]DE 102016213057 A1 [0003]
Claims (15)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102018203132.0A DE102018203132A1 (en) | 2018-03-02 | 2018-03-02 | Bipolar plate for fuel cell stack |
| PCT/EP2019/054957 WO2019166538A1 (en) | 2018-03-02 | 2019-02-28 | Bipolar plate for a fuel cell stack |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102018203132.0A DE102018203132A1 (en) | 2018-03-02 | 2018-03-02 | Bipolar plate for fuel cell stack |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102018203132A1 true DE102018203132A1 (en) | 2019-09-05 |
Family
ID=65686827
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102018203132.0A Pending DE102018203132A1 (en) | 2018-03-02 | 2018-03-02 | Bipolar plate for fuel cell stack |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102018203132A1 (en) |
| WO (1) | WO2019166538A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102019207702A1 (en) * | 2019-05-27 | 2020-12-03 | Robert Bosch Gmbh | Bipolar plate |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10253958A1 (en) * | 2001-11-20 | 2003-06-05 | Gen Motors Corp | PEM fuel cell with low contact resistance |
| DE102007042985A1 (en) * | 2007-09-10 | 2009-03-12 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Bipolar plate for a PEM electrolyzer |
| DE102014209049A1 (en) * | 2014-05-13 | 2015-11-19 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Bipolar plate and layer structure with a bipolar plate |
| DE102016213057A1 (en) | 2016-07-18 | 2018-01-18 | Robert Bosch Gmbh | Method for producing a bipolar plate for a fuel cell and fuel cell |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2781606B1 (en) * | 1998-07-21 | 2000-10-13 | Sorapec | NEW BIPOLAR COLLECTOR FOR FUEL CELL |
| WO2003103082A2 (en) * | 2002-05-31 | 2003-12-11 | Lynntech, Inc. | Electrochemical cell and bipolar assembly for an electrochemical cell |
| FR2888048B1 (en) * | 2005-06-29 | 2007-11-02 | Peugeot Citroen Automobiles Sa | METHOD FOR MANUFACTURING A BIPOLAR PLATE FOR A FUEL CELL AND A BIPOLAR PLATE OBTAINED |
-
2018
- 2018-03-02 DE DE102018203132.0A patent/DE102018203132A1/en active Pending
-
2019
- 2019-02-28 WO PCT/EP2019/054957 patent/WO2019166538A1/en not_active Ceased
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10253958A1 (en) * | 2001-11-20 | 2003-06-05 | Gen Motors Corp | PEM fuel cell with low contact resistance |
| DE102007042985A1 (en) * | 2007-09-10 | 2009-03-12 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Bipolar plate for a PEM electrolyzer |
| DE102014209049A1 (en) * | 2014-05-13 | 2015-11-19 | Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft | Bipolar plate and layer structure with a bipolar plate |
| DE102016213057A1 (en) | 2016-07-18 | 2018-01-18 | Robert Bosch Gmbh | Method for producing a bipolar plate for a fuel cell and fuel cell |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102019207702A1 (en) * | 2019-05-27 | 2020-12-03 | Robert Bosch Gmbh | Bipolar plate |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2019166538A1 (en) | 2019-09-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE102015224994B4 (en) | Bipolar plate structure for fuel cells | |
| DE112007001512B4 (en) | A method of manufacturing a fuel cell electrolyte membrane and method of making a membrane electrode assembly | |
| DE102016213057A1 (en) | Method for producing a bipolar plate for a fuel cell and fuel cell | |
| DE10066454B4 (en) | Fuel cell stack built into an automobile | |
| DE102014210358A1 (en) | FUEL CELL STACK WITH A DUMMY CELL | |
| DE102015205227A1 (en) | Separator and fuel cell with the same | |
| DE102004008231A1 (en) | Tubular flat plate fuel cells and process for their manufacture | |
| EP2898115B1 (en) | Electrolysis block and cell frame, electrode assembly and construction kit therefor | |
| DE102015214517A1 (en) | A bipolar plate and membrane electrode assembly for a fuel cell, fuel cell and fuel cell stack disposed in a fuel cell stack | |
| DE102018200673A1 (en) | Bipolar plate, fuel cell and a motor vehicle | |
| EP4105358B1 (en) | Electrolytic cell and electrolysis unit for electrochemical decomposition of water | |
| DE102009001185A1 (en) | Separator plate for a fuel cell stack and method of manufacture | |
| DE102017218029A1 (en) | fuel cell | |
| DE102014206682A1 (en) | Bipolar plate and fuel cell | |
| DE102018203132A1 (en) | Bipolar plate for fuel cell stack | |
| DE102018213155A1 (en) | Fuel cell and fuel cell stack | |
| DE1671970B2 (en) | BATTERY OF FUEL ELEMENTS OR ELECTROLYZERS AND METHOD OF MANUFACTURING IT | |
| DE102020204386A1 (en) | Process for the production of a gas and / or electron conduction structure and fuel / electrolysis cell | |
| DE3039013C2 (en) | Electrochemical generator | |
| DE102014217050A1 (en) | Bipolar plate and fuel cell | |
| DE102018203406A1 (en) | Gas distributor structure for a fuel cell | |
| DE102016224688A1 (en) | Bipolar plate for a fuel cell and fuel cell | |
| DE102020216098A1 (en) | Electrochemical cell and method of making an electrochemical cell | |
| DE102021200837A1 (en) | Multi-layer coating system, in particular for attachment to a fuel cell, and fuel cell with such a coating system | |
| DE1496116A1 (en) | battery |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R163 | Identified publications notified | ||
| R012 | Request for examination validly filed |