DE102011122314A1

DE102011122314A1 - Fuel cell stack has frame elements mounted on bipolar plate and on membrane-electrode assembly at fluid-tightly, and bipolar plate whose frame element is connected with another frame element of another bipolar plate

Info

Publication number: DE102011122314A1
Application number: DE102011122314A
Authority: DE
Inventors: Dirk Lindenau
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-06-27

Abstract

The fuel cell stack (3) has several stacked fuel cells (1). Each stacked fuel cells is provided with the bipolar plates (1.1,1.2), and a membrane-electrode assembly (1.3). The frame elements (1.1.1,1.2.1) are mounted on the bipolar plate and on the membrane-electrode assembly at fluid-tightly. The frame element (1.1.1) of bipolar plate (1.1) is connected with the frame element (1.2.1) of the adjacent bipolar plate (1.2). An independent claim is included for method for manufacturing fuel cell stack.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.The invention relates to a fuel cell stack according to the preamble of patent claim 1. The invention further relates to a method for producing a fuel cell stack according to the preamble of patent claim 6.

Aus der DE 102 13 067 A1 ist eine Brennstoffzellenanordnung bekannt, welche eine im Wesentlichen parallele Schichtung aufweist, wobei die Schichtung über eine erste und eine zweite Endplatte sowie mindestens eine dazwischen liegende Zwischenplatte verfügt. Die Endplatten sind über Verspannungsmittel zur Kompression der mindestens einen Zwischenplatte verspannbar. Die Verspannungsmittel sind als die Schichtung umlaufende Wicklung ausgeführt. Mindestens eine Windung der Wicklung weist bezüglich der Hauptumlaufrichtung der Wicklung einen Versatz auf.From the DE 102 13 067 A1 For example, a fuel cell assembly is known which has a substantially parallel lamination, the lamination having first and second end plates and at least one intermediate plate therebetween. The end plates are braced by means of tensioning means for compressing the at least one intermediate plate. The tensioning means are designed as the stratification circumferential winding. At least one turn of the winding has an offset with respect to the main direction of rotation of the winding.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Brennstoffzellenstapel sowie ein Verfahren zur Herstellung dessen anzugeben.The invention has for its object to provide a comparison with the prior art improved fuel cell stack and a method for producing the same.

Hinsichtlich des Brennstoffzellenstapels wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.With regard to the fuel cell stack, the object is achieved by the features specified in claim 1 and in terms of the method by the features specified in claim 6.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Ein Brennstoffzellenstapel umfasst eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzellen, welche jeweils zumindest aus einer Bipolarplatte, einer Membran-Eiektroden-Einheit und einem Rahmenelement gebildet sind, wobei das Rahmenelement zumindest an der Bipolarplatte und/oder an der Membran-Elektroden-Einheit fluiddicht befestigt ist.A fuel cell stack includes a plurality of stacked fuel cells each formed of at least one of a bipolar plate, a membrane electrode assembly, and a frame member, the frame member being fluid-tightly secured to at least the bipolar plate and / or the membrane-electrode assembly.

Erfindungsgemäß ist das Rahmenelement einer ersten Bipolarplatte mit dem Rahmenelement einer benachbarten zweiten Bipolarplatte stoffschlüssig verbunden.According to the invention, the frame element of a first bipolar plate is adhesively connected to the frame element of an adjacent second bipolar plate.

Die stoffschlüssige Verbindung der Rahmenelemente ermöglicht die Erzeugung einer gleichmäßigen Vorspannung in dem Brennstoffzellenstapel, wobei Spannelemente, wie z. B. Spannbänder, eingespart werden können. Damit ist in vorteilhafter Art und Weise eine kosten- und zeiteffiziente Herstellung eines Brennstoffzellenstapels, insbesondere in einer Massenproduktion, möglich. Auch die chemischen und elektrischen Eigenschaften des Brennstoffzellenstapels sind besonders vorteilhaft ausgebildet, da aufgrund der vorbestimmbaren konstanten Vorspannung der Rahmenelemente und der Membran-Elektroden-Einheiten konstante chemische Bedingungen und Prozesse erzielt werden können, woraus sich für jede Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels gleiche elektrische Eigenschaften ergeben.The cohesive connection of the frame elements allows the generation of a uniform bias in the fuel cell stack, wherein clamping elements, such as. B. straps can be saved. Thus, a cost and time-efficient production of a fuel cell stack, in particular in a mass production, is possible in an advantageous manner. The chemical and electrical properties of the fuel cell stack are formed particularly advantageous because due to the pre-definable constant bias of the frame members and the membrane electrode units constant chemical conditions and processes can be achieved, resulting in the same electrical properties for each fuel cell of the fuel cell stack.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 schematisch eine Seitenansicht einer Brennstoffzelle nach dem Stand der Technik, 1 FIG. 2 is a schematic side view of a prior art fuel cell; FIG.

2 schematisch ein mit der Brennstoffzelle gemäß 1 korrespondierendes Ersatzfedermodell, 2 schematically a with the fuel cell according to 1 corresponding substitute spring model,

3 schematisch einen mittels Spannbändern verspannten Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik, 3 1 schematically shows a clamping of the fuel cell stack according to the prior art,

4 schematisch ein mit dem verspannten Brennstoffzellenstapel gemäß 3 im Wesentlichen korrespondierendes Ersatzfedermodell, 4 schematically a with the strained fuel cell stack according to 3 essentially corresponding substitute spring model,

5 schematisch einen weiteren mittels Spannbändern verspannten Brennstoffzellenstapel, 5 schematically a further tensioned by means of tension bands fuel cell stack,

6 schematisch einen Brennstoffzellenstapel mit Bipolarplatten, welche ein starres Rahmenelement aufweisen, 6 schematically a fuel cell stack with bipolar plates, which have a rigid frame member,

7 schematisch ein mit dem Brennstoffzellenstapel gemäß 6 im Wesentlichen korrespondierendes Ersatzfedermodell und 7 schematically a with the fuel cell stack according to 6 essentially corresponding substitute spring model and

8 schematisch einen in einem Gehäuse angeordneten Brennstoffzellenstapel. 8th schematically a fuel cell stack arranged in a housing.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

1 zeigt eine aus zwei Bipolarplatten 1.1, 1.2 gebildete Brennstoffzelle 1 nach dem Stand der Technik in einer Seitenansicht. Zwischen den Bipolarplatten 1.1, 1.2 ist eine Membran-Elektroden-Einheit 1.3 angeordnet, welche eine Membran, eine Katalysatorschicht und eine Gas-Diffusionsschicht aufweist. 1 shows one of two bipolar plates 1.1 . 1.2 formed fuel cell 1 in the prior art in a side view. Between the bipolar plates 1.1 . 1.2 is a membrane-electrode unit 1.3 arranged, which has a membrane, a catalyst layer and a gas diffusion layer.

Jede Bipolarplatte 1.1, 1.2 weist ein Rahmenelement 1.1.1, 1.2.1 auf, welches einen inneren Bereich, d. h. einen aktiven Bereich, der Bipolarplatte 1 randseitig umläuft.Each bipolar plate 1.1 . 1.2 has a frame element 1.1.1 . 1.2.1 which has an inner region, ie an active region, of the bipolar plate 1 rotates at the edge.

Zwischen einem Rahmenelement 1.1.1 einer ersten Bipolarplatte 1.1 und der Membran-Elektroden-Einheit 1.3 und dem Rahmenelement 1.2.1 der zweiten Bipolarplatte 1.2 und der Membran 1.3 ist jeweils ein umlaufendes Dichtelement 2 angeordnet.Between a frame element 1.1.1 a first bipolar plate 1.1 and the membrane-electrode assembly 1.3 and the frame element 1.2.1 of the second bipolar plate 1.2 and the membrane 1.3 is in each case a circumferential sealing element 2 arranged.

Ist die Brennstoffzelle 1 in einem in 3 näher dargestellten Brennstoffzellenstapel 3 angeordnet, welcher mit den Brennstoffzellenstapel 3 axial umlaufenden Spannbändern 4, insbesondere Stahlbändern, verspannt ist, wirken auf jede einzelne Brennstoffzelle 1 in dem Brennstoffzellenstapel 3 Presskräfte, wobei eine auf eine Brennstoffzelle 1 optimal wirkende Presskraft F in einem ersten Ersatzffedermodell E1 in 2 dargestellt ist. Zur axialen Verspannung sind an gegenüberliegenden Enden des Brennstoffzellenstapels 3 Endplatten 5 angeordnet.Is the fuel cell 1 in an in 3 Fuel cell stack shown in detail 3 arranged, which with the fuel cell stack 3 axial clamping bands 4 , in particular steel strips, is stressed, acting on each individual fuel cell 1 in the fuel cell stack 3 Press forces, with one on a fuel cell 1 optimally acting pressing force F in a first substitute spring model E1 in FIG 2 is shown. For axial clamping are at opposite ends of the fuel cell stack 3 endplates 5 arranged.

In dem ersten Ersatzfedermodell E1 stellen erste randseitig angeordnete Federelemente 6 die zusammenpressbaren Dichtelemente 2 der Brennstoffzelle 1 dar, wobei die zwischen den ersten randseitig angeordneten, die Dichtelemente 2 darstellenden Federelementen 6 weitere Federelemente 7 gezeigt sind, die eine Elastizität der Brennstoffzelle 1 darstellen, Dabei ist in dem ersten Ersatzfedermodell E1 eine aus der wirkenden Presskraft F optimal eingestellte Flächenpressung der Brennstoffzelle 1 gezeigt, die nur sehr aufwändig realisierbar ist.In the first substitute spring model E1 provide first edge arranged spring elements 6 the compressible sealing elements 2 the fuel cell 1 is, wherein the arranged between the first edge, the sealing elements 2 performing spring elements 6 further spring elements 7 are shown, the elasticity of the fuel cell 1 In this case, in the first substitute spring model E1, a surface pressure of the fuel cell optimally set from the acting pressing force F is present 1 shown, which is very complicated to realize.

Um eine optimale Dichtwirkung der Dichtelemente 2 und eine optimale Kontaktierung der Bipolarplatten 1.1, 1.2 mit den Membran-Elektroden-Einheiten 1.3 zu erzielen, müssen die Dichtelemente 2 mit einer bestimmten Presskraft F um einen bestimmten Weg zusammen gepresst werden, so dass sich Dichtwirkung und Kontaktierung der Komponenten der Brennstoffzellen 1 gegenseitig beeinflussen.For optimum sealing effect of the sealing elements 2 and an optimal contacting of the bipolar plates 1.1 . 1.2 with the membrane electrode units 1.3 to achieve the sealing elements 2 With a certain pressing force F are pressed together by a certain way, so that sealing effect and contacting the components of the fuel cell 1 influence each other.

3 zeigt den Brennstoffzellenstapel 3 und 4 zeigt ein zweites Ersatzfedermodell E2 zur Verdeutlichung optimal wirkender Presskräfte F hinsichtlich des verspannten Brennstoffzellenstapels 3. 3 shows the fuel cell stack 3 and 4 shows a second substitute spring model E2 to illustrate optimally acting pressing forces F with respect to the strained fuel cell stack 3 ,

Hierbei stellen zweite randseitig angeordnete Federelemente 8 zwei Spannbänder 4 zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels 3 dar, wobei mittels der Federelemente 6, 7, 8 eine durch wirkende Presskräfte F optimal eingestellte Flächenpressung hinsichtlich des Brennstoffzellenstapels 3 gezeigt ist.Here are the second edge arranged spring elements 8th two tension bands 4 for clamping the fuel cell stack 3 is, wherein by means of the spring elements 6 . 7 . 8th an optimally adjusted by pressing forces F surface pressure with respect to the fuel cell stack 3 is shown.

Ein Übergangswiderstand zwischen verschiedenen Komponenten der Brennstoffzellen 1 in einem Brennstoffzellenstapel 3 ist u. a. abhängig von einer lokalen Flächenpressung, die gemäß dem Stand der Technik mittels der Endplatten 5 und der Spannbänder 4 auf die Brennstoffzellen 1 wirkt.A contact resistance between different components of the fuel cells 1 in a fuel cell stack 3 depends among other things on a local surface pressure, which according to the prior art by means of the end plates 5 and the straps 4 on the fuel cells 1 acts.

Eine Presskraft F wirkt insbesondere im aktiven Bereich, d. h. im Bereich der Membran-Elektroden-Einheit 1.3 der gestapelten Brennstoffzellen 1.3 und im Bereich der Dichtelemente 2, wobei die Presskraft F in Abhängigkeit insbesondere von Betriebszuständen, Temperaturen, Drücken, Aufquellen von Materialien durch Feuchtigkeiten, Toleranzen der Komponenten der Brennstoffzellen 1 und der Endplatten 5, Vorspannung und Kriechen der Spannbänder 4 sowie der Steifigkeit der Bipolarplatten 1.1, 1.2 und der Endplatten 5 wirkt.A pressing force F acts in particular in the active region, ie in the region of the membrane-electrode unit 1.3 the stacked fuel cells 1.3 and in the area of the sealing elements 2 , wherein the pressing force F depending on particular operating conditions, temperatures, pressures, swelling of materials by moisture, tolerances of the components of the fuel cell 1 and the end plates 5 , Preload and creep of the tension bands 4 and the stiffness of the bipolar plates 1.1 . 1.2 and the end plates 5 acts.

5 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 3 mit 32 Brennstoffzellen 1 nach dem Stand der Technik, wobei an den sich gegenüberliegenden Enden des Brennstoffzellenstapels 3 jeweils eine Endplatte 5 angeordnet ist und der Brennstoffzellenstapel 3 mittels zwei den Brennstoffzellenstapel 3 axial umlaufenden Spannbändern 4 verpresst ist. 5 shows a fuel cell stack 3 with 32 fuel cells 1 according to the prior art, wherein at the opposite ends of the fuel cell stack 3 one end plate each 5 is arranged and the fuel cell stack 3 by means of two the fuel cell stack 3 axial clamping bands 4 is compressed.

Aufgrund der Ausbildung der Brennstoffzellen 1 und der Anordnung der Dichtelemente 2 wirken auf die Brennstoffzellen 1 des Brennstoffzellenstapels 3 unterschiedliche aus der Presskraft F resultierende Anpresskräfte, so dass sich die Bipolarplatten 1.1, 1.2 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 3 verschieben können, woraus zumindest unterschiedliche Übergangswiderstände resultieren können.Due to the formation of fuel cells 1 and the arrangement of the sealing elements 2 act on the fuel cells 1 of the fuel cell stack 3 different pressing forces resulting from the pressing force F, so that the bipolar plates 1.1 . 1.2 inside the fuel cell stack 3 can shift, resulting in at least different contact resistances can result.

Um zu vermeiden, dass innerhalb des Brennstoffzellenstapels 3 verschiedene Anpresskräfte auf die Brennstoffzellen 1, also deren Komponenten, wirken und dadurch ein Übergangswiderstand unterschiedlich ausgeprägt ist, ist vorgesehen, die Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 der jeweiligen Bipolarplatte 1.1, 1.2 im Vergleich zum oben beschriebenen Stand der Technik zumindest geometrisch verändert auszubilden, wie in der 6 näher dargestellt ist. 7 zeigt dazu ein drittes Ersatzfedermodell E3.To avoid being inside the fuel cell stack 3 different contact forces on the fuel cells 1 , So their components, act and thus a contact resistance is different, is provided, the frame elements 1.1.1 . 1.2.1 the respective bipolar plate 1.1 . 1.2 form at least geometrically changed compared to the above-described prior art, as in the 6 is shown in more detail. 7 shows a third replacement spring model E3.

Das jeweilige Rahmenelement 1.1.1, 1.2.1 ist aus einem Kunststoff oder einem Kunststoffgemisch gebildet, wobei ein derartiger Kunststoff oder ein derartiges Kunststoffgemisch verwendet wird, dass die Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 starr ausgebildet sind.The respective frame element 1.1.1 . 1.2.1 is formed from a plastic or a plastic mixture, wherein such a plastic or a plastic mixture is used, that the frame elements 1.1.1 . 1.2.1 are rigid.

Dabei sind die Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 besonders bevorzugt wenigstens in einem vorgegebenen Temperaturbereich starr, wobei die Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 zumindest in dem Temperaturbereich, in dem die Brennstoffzellen 1 betrieben wird, starr ausgebildet sind.Here are the frame elements 1.1.1 . 1.2.1 particularly preferably rigid at least in a predetermined temperature range, wherein the frame elements 1.1.1 . 1.2.1 at least in the temperature range in which the fuel cells 1 is operated, are rigid.

Die Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 weisen jeweils in ihrem mittleren Bereich eine Aussparung als Aufnahmeeinheit für die Membran-Elektroden-Einheit 1.3 auf, wodurch dieselbe in das Rahmenelement 1.1.1, 1.2.1 der jeweiligen Bipolarplatte 1.1, 1.2 integriert ist.The frame elements 1.1.1 . 1.2.1 each have in their central region a recess as a receiving unit for the membrane electrode assembly 1.3 on, whereby the same in the frame element 1.1.1 . 1.2.1 the respective bipolar plate 1.1 . 1.2 is integrated.

Das jeweilige Rahmenelement 1.1.1, 1.2.1 weist im Wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt auf, so dass ein erstes Rahmenelement 1.1.1 einer ersten Bipolarplatte 1.1 Block auf Block an einem zweiten Rahmenelement 1.2.1 einer zweiten Bipolarplatte 1.2 anliegt, wobei vorgesehen ist, die Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 direkt stoffschlüssig miteinander zu verbinden.The respective frame element 1.1.1 . 1.2.1 has a substantially rectangular cross-section, so that a first frame element 1.1 .1 a first bipolar plate 1.1 Block by block on a second frame element 1.2.1 a second bipolar 1.2 is applied, it being provided, the frame members 1.1.1 . 1.2.1 directly cohesively connect with each other.

Dazu sind die Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 mittels verschiedener Fügeverfahren, insbesondere mittels Laserschweißens und/oder Klebens und/oder anderer Verfahren des Kunststoffschweißens, stoffschlüssig miteinander verbindbar, wobei die stoffschlüssige Verbindung zumindest gegenüber Prozessmedien der Brennstoffzelle 1 dicht ist.These are the frame elements 1.1.1 . 1.2.1 by means of various joining methods, in particular by means of laser welding and / or gluing and / or other methods of plastic welding, integrally connectable to one another, wherein the cohesive connection at least to process media of the fuel cell 1 is tight.

Dadurch, dass die Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 der Bipolarplatten 1.1, 1.2 und somit gebildeter Brennstoffzellen 1 stoffschlüssig miteinander verbunden sind, kann der Brennstoffzellenstapel 3 ohne Einsatz von Spannbändern 4 und/oder anderen Spannelementen hergestellt werden, wodurch eine Anzahl von Komponenten zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels 3 verringert werden kann.Because of the frame elements 1.1.1 . 1.2.1 the bipolar plates 1.1 . 1.2 and thus formed fuel cells 1 cohesively connected to each other, the fuel cell stack 3 without the use of tension bands 4 and / or other tension members, thereby providing a number of components for manufacturing the fuel cell stack 3 can be reduced.

Da die Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 des Brennstoffzellenstapels 3 starr ausgebildet sind, weisen die Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 keine Nachgiebigkeit, also eine Elastizität von Null auf. Dabei weisen die Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 bevorzugt über deren Ausdehnung, insbesondere im Randbereich, gleiche Abmessungen auf, so dass die Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 formschlüssig übereinanderstapelbar sind. Dadurch ist es möglich, die einzelnen Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 gleichmäßig übereinander zu stapeln, so dass die Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 der Bipolarplatten 1.1, 1.2 und somit die Brennstoffzellen 1 parallel zueinander angeordnet sind und zwischen den Bipolarplatten 1.1, 1.2 ein Abstand von Null eingestellt ist, wodurch eine Kontaktierung verbessert ist.Because the frame elements 1.1.1 . 1.2.1 of the fuel cell stack 3 are rigid, have the frame elements 1.1.1 . 1.2.1 no compliance, so an elasticity of zero. In this case, the frame elements 1.1.1 . 1.2.1 preferably over their extent, in particular in the edge region, same dimensions, so that the frame elements 1.1.1 . 1.2.1 are positively stacked übereinanderstapelbar. This makes it possible, the individual frame elements 1.1.1 . 1.2.1 evenly stacked on top of each other so that the frame elements 1.1.1 . 1.2.1 the bipolar plates 1.1 . 1.2 and thus the fuel cells 1 are arranged parallel to each other and between the bipolar plates 1.1 . 1.2 a distance of zero is set, whereby a contact is improved.

Zudem resultiert daraus, dass die Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 starr und identisch ausgebildet sind, eine Druckstabilität, so dass ebenfalls ein jeweiliger Abstand zwischen der jeweiligen Bipolarplatte 1.1, 1.2 und ihrer in der Aufnahmeeinheit angeordneten Membran-Elektroden-Einheit 1.3 optimal einstellbar ist.It also results from the fact that the frame elements 1.1.1 . 1.2.1 are rigid and identical, a pressure stability, so that also a respective distance between the respective bipolar plate 1.1 . 1.2 and its membrane electrode assembly disposed in the receiving unit 1.3 is optimally adjustable.

Mittels der derart ausgebildeten Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 ist der aktive Bereich abgedichtet, so dass die aus dem Stand der Technik bekannten Dichtelemente 2 nicht erforderlich sind und somit eine Anzahl der Komponenten zur Bildung einer Brennstoffzelle 1 und eines Brennstoffzellenstapels 3 nochmals verringerbar ist.By means of the thus formed frame elements 1.1.1 . 1.2.1 the active area is sealed, so that the known from the prior art sealing elements 2 are not required and thus a number of components for forming a fuel cell 1 and a fuel cell stack 3 is again reduced.

Nicht dargestellte Zuführleitungen für Prozessmedien der Brennstoffzelle 1 verlaufen in dem jeweiligen Rahmenelement 1.1.1, 1.2.1 und sind durch die derartige Ausbildung des Rahmenelementes 1.1.1, 1.2.1 ebenfalls dicht.Not shown supply lines for process media of the fuel cell 1 run in the respective frame element 1.1.1 . 1.2.1 and are by such a configuration of the frame member 1.1.1 . 1.2.1 also tight.

Eine Vorspannung der Kontaktierung zwischen Bipolarplatte 1.1, 1.2 und Membran-Elektroden-Einheit 1.3 resultiert aus Toleranzen hinsichtlich der Höhe der Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 und aus Toleranzen einer Dicke D der Materialien der Membran-Elektrodeneinheit 1.3 der jeweiligen Bipolarplatte 1.1, 1.2. Eine Vorspannung des Brennstoffzellenstapels 3 kann durch eine automatische Kontrolle der Maßhaltigkeit der Höhe h des jeweiligen Rahmenelementes 1.1.1, 1.2.1 sowie durch die Dicke D der Materialien der Membran-Elektroden-Einheit 1.3 sichergestellt werden.A bias of the contact between bipolar plate 1.1 . 1.2 and membrane electrode assembly 1.3 results from tolerances on the height of the frame members 1.1.1 . 1.2.1 and tolerances of a thickness D of the materials of the membrane electrode assembly 1.3 the respective bipolar plate 1.1 . 1.2 , A bias of the fuel cell stack 3 can by an automatic control of the dimensional accuracy of the height h of the respective frame element 1.1.1 . 1.2.1 and the thickness D of the materials of the membrane-electrode assembly 1.3 be ensured.

Mittels der derart ausgeformten Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 ist der Brennstoffzellenstapel 3 zusätzlich nach außen abgedichtet.By means of the thus shaped frame elements 1.1.1 . 1.2.1 is the fuel cell stack 3 additionally sealed to the outside.

Vorzugsweise weisen alle Komponenten der Brennstoffzelle 1 den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, dass beispielsweise bei einer betriebsbedingten Ausdehnung keine weitere Verspannung des Brennstoffzellenstapels 3 auftritt.Preferably, all components of the fuel cell 1 the same thermal expansion coefficient that, for example, in an operational expansion no further tension of the fuel cell stack 3 occurs.

Denkbar ist auch, dass die Komponenten gezielt gegenläufige Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass über einen größeren Bereich eine konstante Vorspannung im Brennstoffzellenstapel 1 erzielbar ist.It is also conceivable that the components have selectively opposite coefficients of thermal expansion, so that over a larger area, a constant bias in the fuel cell stack 1 is achievable.

Beispielsweise weisen Aramidfasern und Kohlenstofffasern einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, so dass insbesondere in den Kunststoff des jeweiligen Rahmenelementes 1.1.1, 1.2.1 bei Herstellung desselben gezielt auch solche Fasern oder Werkstoffe eingebracht werden können. Solche Werkstoffe werden üblicherweise als Festkörper mit negativer thermischer Ausdehnung bezeichnet.For example, aramid fibers and carbon fibers have a negative thermal expansion coefficient, so that in particular in the plastic of the respective frame element 1.1.1 . 1.2.1 when producing the same targeted also such fibers or materials can be introduced. Such materials are usually referred to as solid with negative thermal expansion.

Mittels der geometrisch veränderten und starren Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 der Bipolarplatten 1.1, 1.2 und somit auch der Brennstoffzellen 1 sind ein Aufbau sowie eine Herstellung des Brennstoffzellenstapels 3 erheblich vereinfacht.By means of geometrically modified and rigid frame elements 1.1.1 . 1.2.1 the bipolar plates 1.1 . 1.2 and thus also the fuel cells 1 are a construction and production of the fuel cell stack 3 considerably simplified.

Zudem ist durch die verbesserte Kontaktierung und Dichtwirkung, welche aus der Ausbildung der Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 resultieren, eine Funktion des Brennstoffzellenstapels 3 verbessert und eine Verlässlichkeit im Wesentlichen sichergestellt, wobei zumindest durch die Reduzierung der Komponenten zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels 3 Kosten vermindert werden können.In addition, by the improved contacting and sealing effect, which from the design of the frame members 1.1.1 . 1.2.1 result, a function of the fuel cell stack 3 improved and substantially ensured reliability, wherein at least by reducing the components for producing the fuel cell stack 3 Costs can be reduced.

Des Weiteren ist vorgesehen, den Brennstoffzellenstapel 3, dessen Bipolarplatten 1.1, 1.2 starre Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 aufweisen, in einem Gehäuse 9 anzuordnen, wie in 8 näher dargestellt ist.Furthermore, it is provided, the fuel cell stack 3 whose bipolar plates 1.1 . 1.2 rigid frame elements 1.1.1 . 1.2.1 have, in a housing 9 to arrange, as in 8th is shown in more detail.

Das Gehäuse 9 umschließt den Brennstoffzellenstapel 3 vorzugsweise vollständig, wobei das Gehäuse 9 wenigstens eine Zuführleitung 9.1 aufweist, über welche dem Brennstoffzellenslapel 3 zumindest ein Prozessmedium zuführbar ist. The housing 9 encloses the fuel cell stack 3 preferably completely, the housing 9 at least one supply line 9.1 over which the fuel cell stack 3 at least one process medium can be supplied.

Dabei ist das Gehäuse 9 vorgesehen, um Verformungen des Brennstoffzellenstapels 3, insbesondere aufgrund eines vorherrschenden Betriebsinnendrucks, entgegenzuwirken, wobei der Brennstoffzellenstapel 3 nahezu im Formschluss in dem Gehäuse 9 angeordnet ist. Durch die Rahmenelemente 1.1.1, 1.2.1 ist der Brennstoffzellenstapel 3 quaderförmig ausgebildet, wobei bevorzugt eine Außenkontur des Brennstoffzellenstapels 3 mit einer Innenkontur des Gehäuses 9 korrespondiert.Here is the case 9 provided to deformations of the fuel cell stack 3 , in particular due to a prevailing internal operating pressure to counteract, wherein the fuel cell stack 3 almost in the form-fit in the housing 9 is arranged. Through the frame elements 1.1.1 . 1.2.1 is the fuel cell stack 3 formed cuboid, wherein preferably an outer contour of the fuel cell stack 3 with an inner contour of the housing 9 corresponds.

Alternativ zur Verwendung des Gehäuses 9 kann der Brennstoffzellenstapel 3 auch von einem Rahmen umgeben sein, mittels dessen eine Verformung des Brennstoffzellenstapels 3 aufgrund von vorherrschendem Betriebsdruck weitestgehend vermeidbar ist.Alternatively to the use of the housing 9 can the fuel cell stack 3 Also be surrounded by a frame, by means of which a deformation of the fuel cell stack 3 due to prevailing operating pressure is largely avoidable.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Brennstoffzellefuel cell
1.11.1: erste Bipolarplattefirst bipolar plate
1.1.11.1.1: erstes Rahmenelementfirst frame element
1.21.2: zweite Bipolarplattesecond bipolar plate
1.2.11.2.1: zweites Rahmenelementsecond frame element
1.31.3: Membran-Elektroden-EinheitMembrane-electrode assembly
22: Dichtelementsealing element
33: Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
44: Spannbandstrap
55: Endplatteendplate
55: erstes randseitig angeordnetes Federelementfirst edge arranged spring element
77: weiteres Federelementanother spring element
88th: zweites randseitig angeordnetes Federelementsecond edge arranged spring element
99: Gehäusecasing
9.19.1: Zuführleitungfeed
DD: Dickethickness
FF: Presskraftpressing force
E1E1: erstes Ersatzfedermodellfirst replacement spring model
E2E2: zweites Ersatzfedermodellsecond replacement spring model
E3E3: drittes Ersatzfedermodellthird substitute spring model
hH: Höheheight

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10213067 A1 [0002]

Claims

Fuel cell stack ( 3 ) comprising a plurality of stacked fuel cells ( 1 ), which in each case at least from a bipolar plate ( 1.1 . 1.2 ), a membrane-electrode assembly ( 1.3 ) and a frame element ( 1.1.1 . 1.2.1 ) are formed, wherein the frame element ( 1.1.1 . 1.2.1 ) at least on the bipolar plate ( 1.1 . 1.2 ) and / or on the membrane electrode assembly ( 1.3 ) is attached fluid-tight, characterized in that the frame element ( 1.1.1 ) a first bipolar plate ( 1.1 ) with the frame element ( 1.2.1 ) of an adjacent second bipolar plate ( 1.2 ) is integrally connected.

Fuel cell stack ( 3 ) according to claim 1, characterized in that the frame elements ( 1.1.1 . 1.2.1 ) are attachable to each other at least by laser welding and / or gluing, wherein the frame elements ( 1.1.1 . 1.2.1 ) outside a region in which the membrane electrode assembly ( 1.3 ), are attached to each other.

Fuel cell stack ( 3 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the frame elements ( 1.1.1 . 1.2.1 ) are formed from a plastic or plastic mixture.

Fuel cell stack ( 3 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the frame elements ( 1.1.1 . 1.2.1 ) are rigid.

Fuel cell stack ( 3 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane-electrode unit ( 1.3 ) in the frame element ( 1.1.1 . 1.2.1 ) is integrated.

Method for producing a fuel cell stack ( 3 ) with several fuel cells ( 1 ), which in each case at least from a bipolar plate ( 1.1 . 1.2 ), a membrane-electrode assembly ( 1.3 ) and a frame element ( 1.1.1 . 1.2.1 ), wherein a plurality of fuel cells ( 1 ), and wherein the frame element ( 1.1.1 . 1.2.1 ) at least on the bipolar plate ( 1.1 . 1.2 ) and / or the membrane electrode assembly ( 1.3 ) is attached fluid-tight, characterized in that the frame element ( 1.1.1 ) a first bipolar plate ( 1.1 ) with a frame element ( 1.2.1 ) of an adjacent second bipolar plate ( 1.2 ) is materially connected.

Method according to claim 6, characterized in that the frame elements ( 1.1.1 . 1.2.1 ) are firmly bonded to each other by means of laser welding and / or gluing.