[go: up one dir, main page]

WO2018054580A1 - Brennstoffzelle - Google Patents

Brennstoffzelle Download PDF

Info

Publication number
WO2018054580A1
WO2018054580A1 PCT/EP2017/068730 EP2017068730W WO2018054580A1 WO 2018054580 A1 WO2018054580 A1 WO 2018054580A1 EP 2017068730 W EP2017068730 W EP 2017068730W WO 2018054580 A1 WO2018054580 A1 WO 2018054580A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
recesses
structural part
wings
base body
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2017/068730
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Berner
Stefan Schoenbauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to US16/334,184 priority Critical patent/US10886542B2/en
Priority to KR1020197011157A priority patent/KR102355788B1/ko
Priority to CN201780058233.9A priority patent/CN109716567B/zh
Priority to JP2019511917A priority patent/JP6825084B2/ja
Priority to EP17751298.5A priority patent/EP3516719A1/de
Publication of WO2018054580A1 publication Critical patent/WO2018054580A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

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
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/22—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs
    • B60K6/28—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the electric energy storing means, e.g. batteries or capacitors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines
    • B60K6/20—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/22—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs
    • B60K6/32—Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by apparatus, components or means specially adapted for HEVs characterised by the fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/70—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
    • B60L50/72—Constructional details of fuel cells specially adapted for electric vehicles
    • 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
    • H01M8/0223—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
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers
    • B60Y2200/91—Electric vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2200/00—Type of vehicle
    • B60Y2200/90—Vehicles comprising electric prime movers
    • B60Y2200/92—Hybrid vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60Y—INDEXING SCHEME RELATING TO ASPECTS CROSS-CUTTING VEHICLE TECHNOLOGY
    • B60Y2400/00—Special features of vehicle units
    • B60Y2400/20—Energy converters
    • B60Y2400/202—Fuel cells
    • 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
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • 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

Definitions

  • a fuel cell is therefore an electrochemical energy converter.
  • fuel cells in particular hydrogen (H2) and oxygen (02) in water (H20), electrical energy and heat are converted.
  • fuel cells are also known which operate with methanol or methane or with mixtures thereof.
  • the bipolar plate comprises at least one structural part, which has a base body, in which recesses are introduced, and wings which protrude away from the sides of the recesses and extend as far as the at least one membrane-electrode unit.
  • the main body of the structural part is formed, for example, as a flat sheet.
  • the bipolar plate additionally comprises at least one structural element, which also has a
  • Structural element through recesses in the structural part, and wings of the structural part protrude through recesses in the structural element.
  • the main body of the structural element bears against the main body of the structural part.
  • the main body of the structural element is formed, for example, as a flat sheet.
  • the recesses in the main body of the structural part and in the main body of the structural element are formed rectangular.
  • Each of the recesses in the main body of the structural part and in the main body of the structural element comprises two opposite longitudinal sides and two opposite transverse sides. The long sides run at right angles to the transverse sides.
  • the wings of the structural part and the wings of the structural element protrude from opposite longitudinal sides of the recesses in the main body of the structural part and the recesses in the main body of the
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a fuel cell stack
  • Figure 4 is a plan view of a structural part according to a first variant of
  • Figure 6 is a plan view of a structural part according to a second variant of
  • FIG. 7 shows a front view of the structural part from FIG. 6,
  • FIG. 8 shows a front view of a structural part according to a third variant of the fuel cell from FIG. 3, FIG.
  • FIG. 9 shows a front view of a structural part according to a fourth variant of the fuel cell from FIG. 3
  • FIG. 10 shows a section through a fuel cell according to a second one
  • FIG. 11 shows a plan view of a structural part of the fuel cell from FIG. 10
  • FIG. 12 shows a frontal view of the structural part from FIG. 11,
  • FIG. 13 shows a section through a fuel cell according to a third
  • FIG. 14 shows a plan view of a structural part of the fuel cell from FIG. 13, FIG.
  • FIG. 16 shows a section through a fuel cell according to a fourth
  • FIG. 17 shows a section through a fuel cell according to a fifth
  • the fuel cell 2 comprises a negative terminal 11 and a positive terminal 12.
  • a voltage supplied by the fuel cell 2 can be tapped off via the terminals 11, 12.
  • an electric current flows between the two terminals 11, 12 via an external circuit.
  • the fuel cell 2 has a first connection point 31, which serves to supply a fuel, in the present case hydrogen.
  • the fuel cell 2 also has a second connection point 32, which serves to supply an oxidizing agent, in the present case atmospheric oxygen.
  • the fuel cell 2 also has a third connection point 33, which serves for the derivation of originated water and the residual air.
  • the fuel cell 2 has an anode 21, a cathode 22 and a membrane 18.
  • the membrane 18 is arranged between the anode 21 and the cathode 22.
  • a first bipolar plate 40 is arranged, which is connected to the first connection point 31.
  • a second bipolar plate 40 is arranged, which is connected to the second connection point 32 and to the third connection point 33.
  • the first bipolar plate 40 and the second bipolar plate 40 are electrically conductive and made of graphite or metal, for example.
  • Gas diffusion layer 30 is provided.
  • the first gas diffusion layer 30 is electrically conductive and made, for example, from a porous carbon paper.
  • the first gas diffusion layer 30 ensures a uniform distribution of the fuel supplied via the first bipolar plate 40 to the anode 21.
  • a second gas diffusion layer 30 is provided between the cathode 22 and the second bipolar plate 40.
  • the second gas diffusion layer 30 is electrically conductive and made, for example, from a porous carbon paper.
  • the second gas diffusion layer 30 ensures uniform distribution of the oxidant supplied via the second bipolar plate 40 to the cathode 22.
  • Gas diffusion layers 30 together form a membrane-electrode unit 10, which is arranged centrally within the fuel cell 2.
  • Gas diffusion layer 30 and the second gas diffusion layer 30 are optional and may be omitted.
  • a first media space 41 is formed, which adjoins the membrane electrode assembly 10. Through the first media space 41, the fuel, which is supplied via the first connection point 31 of the fuel cell 2, is passed on to the anode 21 on.
  • a second media space 42 is formed, which adjoins the membrane-electrode unit 10. Through the second media space 42, the oxidizing agent, via the second connection point 32 of the
  • Fuel cell 2 is supplied to the cathode 22 is passed on. Through the second media space 42, the water produced during operation of the fuel cell 2 is also discharged from the fuel cell 2 via the third connection point 33 together with the unused residual air.
  • the anode 21, the first bipolar plate 40, and the first gas diffusion layer 30 interposed therebetween are electrically connected to the negative terminal 11 of FIG.
  • Fuel cell 2 connected.
  • the cathode 22, the second bipolar plate 40, and the second gas diffusion layer 30 interposed therebetween are electrically connected to the positive terminal 12 of the fuel cell 2.
  • FIG. 2 schematically shows a fuel cell stack 5.
  • Fuel cell stack 5 comprises a plurality of alternately arranged membrane electrode assemblies 10 and bipolar plates 40.
  • electrode units 10 are constructed as shown in FIG. 1 and each comprise an anode 21, a cathode 22, a diaphragm 18 arranged therebetween and two gas diffusion layers 30.
  • the bipolar plates 40 which are each arranged between two membrane-electrode assemblies 10, each comprise a centrally arranged separator plate 50.
  • the bipolar plates 40 furthermore each include a first structural part 51, which faces the first media space 41, and a second structural part 52, which faces the second media room 42.
  • the first structural part 51 can also be arranged within the first media room 41
  • the second structural part 52 can also be arranged within the second media room 42.
  • the bipolar plates 40 furthermore have structures, not shown here, for example in the form of a coolant space, for the passage of a coolant through the fuel cell 2. This is a discharge of the operation of the
  • Fuel cell 2 allows.
  • FIG. 3 shows a section through a fuel cell 2 according to a first embodiment.
  • the separator plate 50 is designed as a flat sheet. On the separator plate 50 is formed as a flat sheet body 60 of the first structural part 51 at. Between the main body 60 of the first structural part 51 and the membrane-electrode unit 10 is the first
  • the first structural member 51 may be made of a metal such as iron, stainless steel or titanium.
  • the main body 60 of the first structural part 51 has a thickness of at most 150 ⁇ , preferably at most 75 ⁇ , more preferably at most 25 ⁇ .
  • the first media space 41 may have a height of at most 1 mm, preferably at most 700 ⁇ , more preferably at most 350 ⁇ .
  • the first structural part 51 and the separator plate 50 are mechanically connected to each other. Brazing, soft soldering, diffusion joining and welding, in particular laser welding, but also other welding methods are suitable as joining technique.
  • FIG. 4 shows a top view of the first structural part 51 according to a first variant of the fuel cell 2 from FIG. 3.
  • Several recesses 65 are introduced into the main body 60 of the first structural part 51, in particular punched.
  • the recesses 65 are presently rectangular in shape and each comprise two opposite longitudinal sides 70 and two
  • the recesses 65 may in particular also be square.
  • the longitudinal sides 70 of the recesses 65 run parallel to the flow direction S, and the transverse sides 72 of the recesses 65 extend at right angles to the flow direction S.
  • the recesses 65 may also be arranged such that the
  • Longitudinal sides 70 of the recesses 65 extend at right angles to the flow direction S, and the transverse sides 72 of the recesses 65 parallel to the
  • the recesses 65 may also have any other shapes and be formed, for example, triangular and hexagonal. Also, sides 70, 72 of the recesses 65 inclined to each other, so not necessarily parallel or perpendicular.
  • the recesses 65 are arranged in rows. Adjacent recesses 65 in a row are separated by webs 66. According to the first variant shown here, the recesses 65 in the
  • the length of the longitudinal sides 70 corresponds at most to the length of the bipolar plate 40, preferably short pieces are possible with a few millimeters in length.
  • the distance between two rows of recesses 65 should be as small as possible, preferably at most 1 mm, more preferably at most 500 ⁇ m.
  • the width of the webs 66 is also selected as narrow as possible, preferably at most 1 mm, more preferably at most 500 ⁇ .
  • FIG. 5 shows a frontal view of the first structural part 51 of FIG. 4.
  • the first wings 61 and the second wings 62 project away and extend to the membrane-electrode unit 10.
  • a wing angle A is formed between the wings 61, 62 and the recesses 65 in the base body 60 in each case.
  • Base body 60 of the first structural part 51 remote ends of the wings 61, 62 each have a deflection 69.
  • the deflection 69 may be a
  • the width of the transverse sides 72 is predetermined by the height of the first media space 41 and the wing angle A and by the embodiment of the deflection 69.
  • the wing angle A is in a range between 70 ° and 90 °, preferably between 80 ° and 90 °.
  • FIG. 6 shows a plan view of the first structural part 51 according to a second variant of the fuel cell 2 from FIG. 3, and FIG. 7 shows a frontal view of the first structural part 51 from FIG. 6.
  • the recesses 65 are as in FIG. 4 and FIG first variant arranged in rows, and adjacent recesses 65 in a row are separated by webs 66.
  • the recesses 65 are present in the successive rows present about one third of the width of the
  • Transverse sides 72 offset from each other. Furthermore, irregular displacements of the recesses 65 in successive rows are conceivable.
  • FIG. 8 shows a frontal view of the first structural part 51 according to a third variant of the fuel cell 2 from FIG. 3.
  • the separator plate 50 is likewise designed as a flat sheet metal. Notwithstanding the first and second variants, the base body 60 of the first structural part 51 is arranged at a distance from the separator plate 50 and is located, for example, in the middle of the first media space 41.
  • the first wings 61 protrude to the membrane-electrode unit 10.
  • FIG. 9 shows a front view of the first structural part 51 according to a fourth variant of the fuel cell 2 from FIG. 3.
  • the main body 60 of the first structural part 51 is arranged at a distance from the separator plate 50 and is located, for example, in the middle of the first media space 41.
  • the recesses 65 are arranged in the base body 60 in rows.
  • the wings 61, 62 extend to the membrane electrode assembly 10. From the longitudinal sides 70 of the recesses 65 in the adjacent rows, the wings 61, 62 protrude to the
  • FIG. 10 shows a section through a fuel cell 2 according to a second embodiment. From a transverse side 72 of the recesses 65 a respective fin 63 protrudes from the base body 60 and extends into the first Media room 41 into it. The fin 63 runs at right angles to the
  • a fin angle B is formed between the fins 63 and the recesses 65 in the base body 60.
  • the fin angle B is in a range between 30 ° and 90 °, preferably between 45 ° and 90 °.
  • FIG. 11 shows a plan view of the first structural part 51 of the fuel cell 2 from FIG. 10, and FIG. 12 shows a front view of the first structural part 51 from FIG. 11.
  • the maximum length of the fin 63 is at most 0.7 times the height of the first media room 41. preferably at most 0.5 times the height of the first media space 41, more preferably at most 0.3 times the height of the first media space 41st
  • FIG. 13 shows a section through a fuel cell 2 according to a third embodiment.
  • the main body 60 of the first structural part 51 is arranged at a distance from the separator plate 50 and is located, for example, in the middle of the first media room 41. From longitudinal sides 70 of the recesses 65, the first wings 61 protrude to the membrane-electrode unit 10, and from the respective ones opposite longitudinal sides 70 of the recesses 65 protrude the second wings 62 to the separator 50th
  • a fin 63 projects away from the main body 60 in the direction of the membrane-electrode unit 10.
  • Direction of flow S is located downstream, in each case a fin 63 projects away from the base body 60 in the direction of the separator plate 50.
  • the fins 63 By means of the fins 63, the flow of the fuel can be deflected in a targeted manner in the direction of the membrane electrode unit 10.
  • FIG. 14 shows a plan view of the first structural part 51 of the fuel cell 2 from FIG. 13, and FIG. 15 shows a front view of the first structural part 51 from FIG. 14.
  • the maximum length of the fins 63 is at most 0.3 times the height of the first media space 41.
  • the fins 63 are each made in one piece. Thereby are the
  • the fins 63 are each made in two parts and each comprise a first sub-fin 63a and a second sub-fin 63b.
  • the contact surfaces of the wings 61, 62 are enlarged with the membrane electrode assembly 10 and the separator 50 in comparison to the Republicslö on the left side.
  • FIG. 16 shows a section through a fuel cell 2 according to a fourth embodiment. From the longitudinal sides 70 of the recesses 65 in the base body 60 of the first structural part 51, first wings 61 protrude to the
  • the bipolar plate 40 additionally comprises a structural element 55, which has a main body 60 into which recesses 65 are likewise introduced. From the longitudinal sides 70 of the recesses 65 in the base body 60 of the structural member 55 also protrude first wing 61 to the membrane electrode assembly 10, and second wings 62 protrude to the separator plate 50th Der
  • the base body 60 of the structural element 55 rests against the base body 60 of the first structural part 51 in the present case.
  • FIG. 17 shows a section through a fuel cell 2 according to a fifth embodiment, which is formed similarly to the fuel cell 2 according to the fourth embodiment shown in FIG. Unlike the fuel cell 2 according to the fourth embodiment, in the fuel cell 2 according to a fifth embodiment, the main body 60 of the
  • Structured element 55 spaced from the base body 60 of the first structural member 51.
  • the fuel cell 2 results in an increase in the number of contact points and the contact surfaces to the membrane electrode assembly 10 and to the separator 50. Further, the distances between the rows of contacts can be reduced and it still remains a closed current path of Membrane electrode unit 10 to the separator 50 consist. As a result, a larger current carrying capacity is achieved, whereby the main body 60 of the structural parts 51, 52 and the
  • Structure element 55 may have a lower material thickness.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (2), umfassend mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit (10) und mindestens eine Bipolarplatte (40), die eine Separatorplatte (50) umfasst. Die Bipolarplatte (40) umfasst mindestens ein Strukturteil (51, 52), welches einen Grundkörper (60), in den Ausnehmungen (65) eingebracht sind, und Flügel (61, 62), die von Seiten (70, 72) der Ausnehmungen (65) weg ragen und sich bis zu der mindestens einen Membran- Elektroden-Einheit (10) erstrecken, aufweist.

Description

Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, umfassend mindestens eine Membran- Elektroden-Einheit und mindestens eine Bipolarplatte, die eine Separatorplatte umfasst.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische
Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) in Wasser (H20), elektrische Energie und Wärme gewandelt. Es sind aber auch Brennstoffzellen bekannt, welche mit Methanol oder Methan oder mit Mischungen daraus arbeiten.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton-Exchange-Membran = PEM) -Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die ausschließlich für Protonen, also nur für Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel,
insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt. Protonenaustauschmembran- Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode. Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und es reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran zu der Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an der Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an der Kathode sind
Verteilerplatten vorgesehen, welche auch als Flow Field bezeichnet werden. Die Flow Fields weisen beispielsweise kanalartige Strukturen zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels auf. Eine Kombination von mehreren Verteilerplatten, die auch als Kontaktierung zwischen zwei Zellen dient, wird Bipolarplatte genannt. Die Bipolarplatten können ferner Strukturen zur
Durchleitung einer Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
In der DE 10 2013 226 815 AI ist ein Brennstoffzellenstapel offenbart, der mehrere Brennstoffzellen mit jeweils einer Membran-Elektroden-Einheit umfasst. Die Membran-Elektroden-Einheit ist dabei von zwei Separatorplatten umgeben, welche als Bipolarplatten ausgestaltet sind.
Aus der DE 10 2012 221 730 AI ist eine Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte bekannt, welche aus zwei Plattenhälften aufgebaut ist. Dabei weist jede der beiden Plattenhälften eine Verteilerstruktur auf, welche zur Verteilung der Reaktionsgase sowie einer Kühlflüssigkeit vorgesehen sind.
Aus der DE 10 2014 207 594 AI ist eine Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle bekannt. Die Bipolarplatte weist dabei einen mäanderförmigen Kanal auf, welcher beispielsweise als Nut ausgebildet ist. Der mäanderförmige Kanal dient zur Einleitung von Wasserstoff oder Sauerstoff in die Brennstoffzelle.
Die DE 10 2013 223 817 AI offenbart einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen. Jede Brennstoffzelle umfasst dabei eine Membran-Elektroden- Einheit, die von Medienverteileinheiten umgeben ist. Aus der JP 5252193 B2 sowie der JP 2010-061992 A ist eine Brennstoffzelle bekannt, die Gasdiffusionslagen zur Verteilung des Brennstoffs sowie der Luft aufweist. Zwischen der Gasdiffusionslagen und einer Separatorplatte ist dabei ein metallisches Gitter angeordnet.
In der JP 2010-061994 A ist eine Brennstoffzelle offenbart, die ein metallisches Gitter zur Durchleitung eines Gases umfasst. Das Gitter weist dabei große und kleine Öffnungen auf, welche alternierend angeordnet sind.
Offenbarung der Erfindung
Es wird eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die mindestens eine Membran- Elektroden-Einheit und mindestens eine Bipolarplatte umfasst. Die Bipolarplatte umfasst dabei eine Separatorplatte. Die Membran-Elektroden-Einheit umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine dazwischen angeordnete Membran. Zwischen der Membran-Elektroden-Einheit und der Separatorplatte ist dabei ein Medienraum in der Bipolarplatte gebildet, welcher zur Zufuhr eines Brennstoffs zu der Anode oder zur Zufuhr von Luftsauerstoff zu der Kathode vorgesehen ist.
Erfindungsgemäß umfasst die Bipolarplatte mindestens ein Strukturteil, welches einen Grundkörper, in den Ausnehmungen eingebracht sind, und Flügel, die von Seiten der Ausnehmungen weg ragen und sich bis zu der mindestens einen Membran-Elektroden-Einheit erstrecken, aufweist. Der Grundkörper des Strukturteils ist beispielsweise als ein flaches Blech ausgebildet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt der Grundkörper des mindestens einen Strukturteils an der Separatorplatte an.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
Grundkörper des mindestens einen Strukturteils von der Separatorplatte beabstandet angeordnet, und Flügel erstrecken sich von Seiten der
Ausnehmungen bis zu der Separatorplatte. Die Flügel des Strukturteils erstrecken sich also teilweise zu der Membran-Elektroden-Einheit und teilweise zu der Separatorplatte. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Bipolarplatte zusätzlich mindestens ein Strukturelement, welches ebenfalls einen
Grundkörper, in den Ausnehmungen eingebracht sind, und Flügel, die von Seiten der Ausnehmungen weg ragen, aufweist. Dabei ragen Flügel des
Strukturelements durch Ausnehmungen in dem Strukturteil hindurch, und Flügel des Strukturteils ragen durch Ausnehmungen in dem Strukturelement hindurch.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Grundkörper des Strukturelements an dem Grundkörper des Strukturteils an. Der Grundkörper des Strukturelements ist beispielsweise als ein flaches Blech ausgebildet.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Grundkörper des Strukturelements von dem Grundkörper des Strukturteils beabstandet angeordnet.
Vorteilhaft sind die Ausnehmungen in dem Grundkörper des Strukturteils sowie in dem Grundkörper des Strukturelements rechteckförmig ausgebildet. Jede der Ausnehmungen in dem Grundkörper des Strukturteils sowie in dem Grundkörper des Strukturelements umfasst dabei zwei gegenüberliegende Längsseiten und zwei gegenüberliegende Querseiten. Die Längsseiten verlaufen dabei rechtwinklig zu den Querseiten.
Die Flügel des Strukturteils sowie die Flügel des Strukturelements ragen dabei von gegenüberliegenden Längsseiten der Ausnehmungen in dem Grundkörper des Strukturteils sowie der Ausnehmungen in dem Grundkörper des
Strukturelements weg.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ragt von mindestens einer Querseite der Ausnehmungen in dem Grundkörper des Strukturteils sowie der Ausnehmungen in dem Grundkörper des Strukturelements mindestens eine Finne von dem Grundkörper weg.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die von dem Grundkörper des Strukturteils sowie von dem Grundkörper des Strukturelements entfernten Enden der Flügel des Strukturteils sowie des Strukturelements eine Umlenkung auf.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle findet vorteilhaft Verwendung in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In- Hybridfahrzeug (PHEV).
Vorteile der Erfindung
In einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sind die Zufuhr eines Brennstoffs zu der Anode sowie die Zufuhr von Luftsauerstoff zu der Kathode durch den jeweiligen Medienraum verbessert. Auch ist der Abtransport des entstandenen Produktwassers aus dem Medienraum verbessert. Alternativ kann die Erfindung auch als Flow Field im Kühlkanal verwendet werden. Zudem ist die elektrische Kontaktierung der Bipolarplatte mit den Elektroden der Membran-Elektroden- Einheit vereinfacht. Auch die Fertigung der Bipolarplatte ist verhältnismäßig einfach durch Stanzen der Ausnehmungen und Biegen der dabei entstandenen Flügel durchführbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels,
Figur 3 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle gemäß einer ersten
Ausführungsform,
Figur 4 eine Draufsicht auf ein Strukturteil gemäß einer ersten Variante der
Brennstoffzelle aus Figur 3, Figur 5 eine Frontalansicht auf das Strukturteil aus Figur 4,
Figur 6 eine Draufsicht auf ein Strukturteil gemäß einer zweiten Variante der
Brennstoffzelle aus Figur 3,
Figur 7 eine Frontalansicht auf das Strukturteil aus Figur 6,
Figur 8 eine Frontalansicht auf ein Strukturteil gemäß einer dritten Variante der Brennstoffzelle aus Figur 3,
Figur 9 eine Frontalansicht auf ein Strukturteil gemäß einer vierten Variante der Brennstoffzelle aus Figur 3 Figur 10 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle gemäß einer zweiten
Ausführungsform,
Figur 11 eine Draufsicht auf ein Strukturteil der Brennstoffzelle aus Figur 10, Figur 12 eine Frontalansicht auf das Strukturteil aus Figur 11,
Figur 13 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle gemäß einer dritten
Ausführungsform, Figur 14 eine Draufsicht auf ein Strukturteil der Brennstoffzelle aus Figur 13,
Figur 15 eine Frontalansicht auf das Strukturteil aus Figur 14,
Figur 16 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle gemäß einer vierten
Ausführungsform und
Figur 17 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle gemäß einer fünften
Ausführungsform. Ausführungsformen der Erfindung In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
In Figur 1 ist eine Brennstoffzelle 2 schematisch dargestellt. Die Brennstoffzelle 2 umfasst ein negatives Terminal 11 und ein positives Terminal 12. Über die Terminals 11, 12 kann eine von der Brennstoffzelle 2 zur Verfügung gestellte Spannung abgegriffen werden. Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 fließt ein elektrischer Strom zwischen den beiden Terminals 11, 12 über einen externen Stromkreis.
Die Brennstoffzelle 2 weist eine erste Anschlussstelle 31 auf, welche zur Zuführung eines Brennstoffs, vorliegend Wasserstoff, dient. Die Brennstoffzelle 2 weist ferner eine zweite Anschlussstelle 32 auf, welche zur Zuführung eines Oxidationsmittels, vorliegend Luftsauerstoff, dient. Die Brennstoffzelle 2 weist auch eine dritte Anschlussstelle 33 auf, welche zur Ableitung von entstandenem Wasser sowie der Restluft dient.
Weiterhin weist die Brennstoffzelle 2 eine Anode 21, eine Kathode 22 und eine Membran 18 auf. Die Membran 18 ist dabei zwischen der Anode 21 und der Kathode 22 angeordnet. Auf der Seite der Anode 21 ist eine erste Bipolarplatte 40 angeordnet, welche mit der ersten Anschlussstelle 31 verbunden ist. Auf der Seite der Kathode 22 ist eine zweite Bipolarplatte 40 angeordnet, welche mit der zweiten Anschlussstelle 32 und mit der dritten Anschlussstelle 33 verbunden ist. Die erste Bipolarplatte 40 sowie die zweite Bipolarplatte 40 sind elektrisch leitfähig und beispielsweise aus Graphit oder aus Metall gefertigt.
Zwischen der Anode 21 und der ersten Bipolarplatte 40 ist eine erste
Gasdiffusionslage 30 vorgesehen. Die erste Gasdiffusionslage 30 ist elektrisch leitfähig und beispielsweise aus einem porösen Kohlenstoffpapier gefertigt. Die erste Gasdiffusionslage 30 gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung des über die erste Bipolarplatte 40 zugeführten Brennstoffs zu der Anode 21. Zwischen der Kathode 22 und der zweiten Bipolarplatte 40 ist eine zweite Gasdiffusionslage 30 vorgesehen. Die zweite Gasdiffusionslage 30 ist elektrisch leitfähig und beispielsweise aus einem porösen Kohlenstoffpapier gefertigt. Die zweite Gasdiffusionslage 30 gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung des über die zweite Bipolarplatte 40 zugeführten Oxidationsmittels zu der Kathode 22.
Die Anode 21, die Kathode 22, die Membran 18 und die beiden
Gasdiffusionslagen 30 bilden gemeinsam eine Membran-Elektroden-Einheit 10, welche zentral innerhalb der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist. Die erste
Gasdiffusionslage 30 sowie die zweite Gasdiffusionslage 30 sind optional und können auch entfallen.
In der ersten Bipolarplatte 40 ist ein erster Medienraum 41 gebildet, der an die Membran-Elektroden-Einheit 10 angrenzt. Durch den ersten Medienraum 41 wird der Brennstoff, der über die erste Anschlussstelle 31 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, zu der Anode 21 weiter geleitet wird.
In der zweiten Bipolarplatte 40 ist ein zweiter Medienraum 42 gebildet, der an die Membran-Elektroden-Einheit 10 angrenzt. Durch den zweiten Medienraum 42 wird das Oxidationsmittel, das über die zweite Anschlussstelle 32 der
Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, zu der Kathode 22 weiter geleitet wird. Durch den zweiten Medienraum 42 wird auch das im Betrieb der Brennstoffzelle 2 entstehende Wasser zusammen mit der nicht verbrauchten Restluft über die dritte Anschlussstelle 33 aus der Brennstoffzelle 2 abgeleitet.
Die Anode 21, die erste Bipolarplatte 40 und die dazwischen angeordnete erste Gasdiffusionslage 30 sind elektrisch mit dem negativen Terminal 11 der
Brennstoffzelle 2 verbunden. Die Kathode 22, die zweite Bipolarplatte 40 und die dazwischen angeordnete zweite Gasdiffusionslage 30 sind elektrisch mit dem positiven Terminal 12 der Brennstoffzelle 2 verbunden.
In Figur 2 ist ein Brennstoffzellenstapel 5 schematisch dargestellt. Der
Brennstoffzellenstapel 5 umfasst dabei mehrere alternierend angeordnete Membran-Elektroden-Einheiten 10 und Bipolarplatten 40. Die Membran- Elektroden-Einheiten 10 sind dabei wie in Figur 1 gezeigt aufgebaut und umfassen jeweils eine Anode 21, eine Kathode 22, eine dazwischen angeordnete Membran 18 und zwei Gasdiffusionslagen 30. Die Bipolarplatten 40, die zischen je zwei Membran-Elektroden-Einheiten 10 angeordnet sind, umfassen jeweils eine zentral angeordnete Separatorplatte 50. Der erste Medienraum 41 und der zweite Medienraum 42, die an je eine der benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten 10 angrenzen, umgeben die Separatorplatte 50.
Die Bipolarplatten 40 umfassen ferner jeweils ein erstes Strukturteil 51, welches dem ersten Medienraum 41 zugewandt ist, und ein zweites Strukturteil 52, welches dem zweiten Medienraum 42 zugewandt ist. Das erste Strukturteil 51 kann auch innerhalb des ersten Medienraums 41 angeordnet sein, und das zweite Strukturteil 52 kann auch innerhalb des zweiten Medienraums 42 angeordnet sein.
Die Bipolarplatten 40 weisen weiterhin hier nicht dargestellte Strukturen, beispielsweise in Form eines Kühlmittelraums, zur Durchleitung eines Kühlmittels durch die Brennstoffzelle 2 auf. Dadurch ist eine Abführung von im Betrieb der
Brennstoffzelle 2 entstehender Wärme und damit eine Kühlung der
Brennstoffzelle 2 ermöglicht.
Figur 3 zeigt einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle 2 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Separatorplatte 50 ist als flaches Blech ausgestaltet. An der Separatorplatte 50 liegt ein als flaches Blech ausgebildeter Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 an. Zwischen dem Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 und der Membran-Elektroden-Einheit 10 ist der erste
Medienraum 41 gebildet.
Von dem Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 ragen Flügel 61, 62 durch den ersten Medienraum 41 bis zu der der Membran-Elektroden-Einheit 10. In der gezeigten Darstellung sind die zweiten Flügel 62 durch die ersten Flügel 61 verdeckt und daher nicht sichtbar. Im Betrieb der Brennstoffzelle 2 strömt der Brennstoff in Strömungsrichtung S durch den ersten Medienraum 41. Das erste Strukturteil 51 kann aus einem Metall wie beispielsweise Eisen, Edelstahl oder Titan gefertigt sein. Der Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 hat eine Dicke von höchstens 150 μηη, bevorzugt höchstens 75 μηη, weiter bevorzugt höchstens 25 μηη. Der erste Medienraum 41 kann eine Höhe von höchstens 1 mm, bevorzugt höchstens 700 μηη, weiter bevorzugt höchstens 350 μηη haben.
Das erste Strukturteil 51 und die Separatorplatte 50 sind mechanisch miteinander verbunden. Als Verbindungstechnik eignen sich beispielsweise Hartlöten, Weichlöten, Diffusionsfügen sowie Schweißen, insbesondere Laserschweißen, aber auch andere Schweißverfahren.
Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf das erste Strukturteil 51 gemäß einer ersten Variante der Brennstoffzelle 2 aus Figur 3. In den Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 sind mehrere Ausnehmungen 65 eingebracht, insbesondere gestanzt. Die Ausnehmungen 65 sind vorliegend rechteckförmig ausgebildet und umfassen jeweils zwei gegenüberliegende Längsseiten 70 und zwei
gegenüberliegende Querseiten 72. Die Ausnehmungen 65 können insbesondere auch quadratisch sein. Die Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 verlaufen parallel zu der Strömungsrichtung S, und die Querseiten 72 der Ausnehmungen 65 verlaufen rechtwinklig zu der Strömungsrichtung S.
Die Ausnehmungen 65 können auch derart angeordnet sein, dass die
Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 rechtwinklig zu der Strömungsrichtung S verlaufen, und die Querseiten 72 der Ausnehmungen 65 parallel zu der
Strömungsrichtung S verlaufen. Auch ist es denkbar, dass sowohl die
Längsseiten 70 als auch die Querseiten 72 der Ausnehmungen 65 geneigt, beispielsweise um einen Winkel von 45°, zu der Strömungsrichtung S verlaufen.
Die Ausnehmungen 65 können auch beliebige andere Formen aufweisen und beispielsweise dreieckig sowie sechseckig ausgebildet sein. Auch können Seiten 70, 72 der Ausnehmungen 65 geneigt zueinander verlaufen, also nicht zwingend parallel oder rechtwinklig. Die Ausnehmungen 65 sind in Reihen angeordnet. Benachbarte Ausnehmungen 65 in einer Reihe sind durch Stege 66 voneinander getrennt. Gemäß der hier gezeigten ersten Variante sind die Ausnehmungen 65 in den
aufeinanderfolgenden Reihen gleichmäßig so verteilt, dass die Stege 66 der folgenden Reihe in der Mitte der Ausnehmungen 65 der vorangehenden Reihe liegen.
Die Länge der Längsseiten 70 entspricht maximal der Länge der Bipolarplatte 40, vorzugsweise sind kurze Stücke mit wenigen Millimeter Länge denkbar. Der Abstand zwischen zwei Reihen von Ausnehmungen 65 sollte so gering wie möglich, bevorzugt höchstens 1 mm, weiter bevorzugt höchstens 500 μηη sein. Die Breite der Stege 66 ist ebenfalls möglichst schmal gewählt, bevorzugt höchstens 1 mm, weiter bevorzugt höchstens 500μηη.
Figur 5 zeigt eine Frontalansicht auf das erste Strukturteil 51 aus Figur 4. Von den Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 ragen die ersten Flügel 61 und die zweiten Flügel 62 weg und erstrecken sich bis zu der Membran-Elektroden- Einheit 10. Zwischen den Flügeln 61, 62 und den Ausnehmungen 65 in dem Grundkörper 60 ist dabei jeweils ein Flügelwinkel A gebildet. Die von dem
Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 entfernten Enden der Flügel 61, 62 weisen jeweils eine Umlenkung 69 auf. Die Umlenkung 69 kann eine
Beschädigung der Membran-Elektroden-Einheit 10 verhindern.
Die Breite der Querseiten 72 ist durch die Höhe des ersten Medienraums 41 und den Flügelwinkel A sowie durch die Ausführung der Umlenkung 69 vorgegeben. Der Flügelwinkel A liegt in einem Bereich zwischen 70° und 90°, bevorzugt zwischen 80° und 90°. Durch die Flügelwinkel A und die Umlenkung 69 kann ein Vordruck auf die Membran-Elektroden-Einheit 10 ausgeübt werden um den elektrischen Kontakt zu verbessern.
Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf das erste Strukturteil 51 gemäß einer zweiten Variante der Brennstoffzelle 2 aus Figur 3, und Figur 7 zeigt eine Frontalansicht auf das erste Strukturteil 51 aus Figur 6. Die Ausnehmungen 65 sind wie bei der in Figur 4 und Figur 5 dargestellten ersten Variante in Reihen angeordnet, und benachbarte Ausnehmungen 65 in einer Reihe sind durch Stege 66 voneinander getrennt.
Abweichend von der ersten Variante sind die Ausnehmungen 65 in den aufeinanderfolgenden Reihen vorliegend um etwa ein Drittel der der Breite der
Querseiten 72 zueinander versetzt. Weiterhin sind unregelmäßige Versetzungen der Ausnehmungen 65 in aufeinanderfolgenden Reihen denkbar.
Figur 8 zeigt eine Frontalansicht auf das erste Strukturteil 51 gemäß einer dritten Variante der Brennstoffzelle 2 aus Figur 3. Die Separatorplatte 50 ist ebenfalls als flaches Blech ausgestaltet. Abweichend von der ersten und zweiten Variante ist der Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 von der Separatorplatte 50 beabstandet angeordnet und befindet sich beispielsweise in der Mitte des ersten Medienraums 41.
Von Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 ragen die ersten Flügel 61 zu der Membran-Elektroden-Einheit 10. Von den jeweils gegenüberliegenden
Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 ragen die zweiten Flügel 62 zu der Separatorplatte 50.
Figur 9 zeigt eine Frontalansicht auf das erste Strukturteil 51 gemäß einer vierten Variante der Brennstoffzelle 2 aus Figur 3. Wie bei der dritten Variante ist der Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 von der Separatorplatte 50 beabstandet angeordnet und befindet sich beispielsweise in der Mitte des ersten Medienraums 41. Die Ausnehmungen 65 sind in dem Grundkörper 60 in Reihen angeordnet.
Von den Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 in einer Reihe ragen die Flügel 61, 62 zu der Membran-Elektroden-Einheit 10. Von den Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 in den benachbarten Reihen ragen die Flügel 61, 62 zu der
Separatorplatte 50.
Figur 10 zeigt einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Von einer Querseite 72 der Ausnehmungen 65 ragt jeweils eine Finne 63 von dem Grundkörper 60 weg und erstreckt sich in den ersten Medienraum 41 hinein. Die Finne 63 verläuft dabei rechtwinklig zu der
Strömungsrichtung S. Mittels der Finne 63 kann die Strömung des Brennstoffs gezielt in Richtung der Membran-Elektroden-Einheit 10 umgelenkt werden.
Zwischen den Finnen 63 und den Ausnehmungen 65 in dem Grundkörper 60 ist dabei jeweils ein Finnenwinkel B gebildet. Der Finnenwinkel B liegt in einem Bereich zwischen 30° und 90°, bevorzugt zwischen 45° und 90°.
Figur 11 zeigt eine Draufsicht auf das erste Strukturteil 51 der Brennstoffzelle 2 aus Figur 10, und Figur 12 zeigt eine Frontalansicht auf das erste Strukturteil 51 aus Figur 11. Die maximale Länge der Finne 63 beträgt höchstens 0,7mal die Höhe des ersten Medienraums 41, bevorzugt höchstens 0,5mal die Höhe des ersten Medienraums 41, weiter bevorzugt höchstens 0,3mal die Höhe des ersten Medienraums 41.
Figur 13 zeigt einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle 2 gemäß einer dritten Ausführungsform. Der Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 ist von der Separatorplatte 50 beabstandet angeordnet und befindet sich beispielsweise in der Mitte des ersten Medienraums 41. Von Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 ragen die ersten Flügel 61 zu der Membran-Elektroden-Einheit 10, und von den jeweils gegenüberliegenden Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 ragen die zweiten Flügel 62 zu der Separatorplatte 50.
Von der Querseite 72 der Ausnehmungen 65, welche in Strömungsrichtung S stromaufwärts gelegen ist, ragt jeweils eine Finne 63 von dem Grundkörper 60 weg in Richtung auf die Membran-Elektroden-Einheit 10 zu. Von der
gegenüberliegenden Querseite 72 der Ausnehmungen 65, welche in
Strömungsrichtung S stromabwärts gelegen ist, ragt jeweils eine Finne 63 von dem Grundkörper 60 weg in Richtung auf die Separatorplatte 50 zu. Mittels der Finnen 63 kann die Strömung des Brennstoffs gezielt in Richtung der Membran- Elektroden-Einheit 10 umgelenkt werden.
Figur 14 zeigt eine Draufsicht auf das erste Strukturteil 51 der Brennstoffzelle 2 aus Figur 13, und Figur 15 zeigt eine Frontalansicht auf das erste Strukturteil 51 aus Figur 14. Die maximale Länge der Finnen 63 beträgt höchstens 0,3mal die Höhe des ersten Medienraums 41.
Bei den Darstellungen nach Figur 13, Figur 14 und Figur 15 auf der jeweils linken Seite sind die Finnen 63 jeweils einteilig ausgeführt. Dadurch sind die
Kontaktflächen der Flügel 61, 62 mit der Membran-Elektroden-Einheit 10 sowie mit der Separatorplatte 50 verkleinert.
Bei den Darstellungen nach Figur 13, Figur 14 und Figur 15 auf der jeweils rechten Seite sind die Finnen 63 jeweils zweiteilig ausgeführt und umfassen jeweils eine erste Teilfinne 63a und eine zweite Teilfinne 63b. Dadurch sind die Kontaktflächen der Flügel 61, 62 mit der Membran-Elektroden-Einheit 10 sowie mit der Separatorplatte 50 im Vergleich zu den Darstellungenlö auf der jeweils linken Seite vergrößert.
Figur 16 zeigt einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle 2 gemäß einer vierten Ausführungsform. Von den Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 in dem Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 ragen erste Flügel 61 zu der
Membran-Elektroden-Einheit 10, und zweite Flügel 62 ragen zu der
Separatorplatte 50.
Die Bipolarplatte 40 umfasst dabei zusätzlich ein Strukturelement 55, welches einen Grundkörper 60 aufweist, in den ebenfalls Ausnehmungen 65 eingebracht sind. Von den Längsseiten 70 der Ausnehmungen 65 in dem Grundkörper 60 des Strukturelements 55 ragen ebenfalls erste Flügel 61 zu der Membran-Elektroden- Einheit 10, und zweite Flügel 62 ragen zu der Separatorplatte 50. Der
Grundkörper 60 des Strukturelements 55 liegt vorliegend an dem Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 an.
Das erste Strukturteils 51 und das Strukturelement 55 sind derart angeordnet, dass die ersten Flügel 61 des Strukturelements 55 durch die Ausnehmungen 65 des ersten Strukturteils 51 hindurch ragen, und dass die zweiten Flügel 62 des ersten Strukturteils 51 durch die Ausnehmungen 65 des Strukturelements 55 hindurch ragen. Figur 17 zeigt einen Schnitt durch eine Brennstoffzelle 2 gemäß einer fünften Ausführungsform, welche ähnlich der in Figur 16 dargestellten Brennstoffzelle 2 gemäß der vierten Ausführungsform ausgebildet ist. Abweichend von der Brennstoffzelle 2 gemäß der vierten Ausführungsform ist bei der Brennstoffzelle 2 gemäß einer fünften Ausführungsform der Grundkörper 60 des
Strukturelements 55 von dem Grundkörper 60 des ersten Strukturteils 51 beabstandet angeordnet.
Bei der vierten sowie der fünften Ausführungsform der Brennstoffzelle 2 ergibt sich eine Erhöhung der Kontaktstellenanzahl sowie der Kontaktflächen zu der Membran-Elektroden-Einheit 10 sowie zu der Separatorplatte 50. Ferner können die Abstände zwischen den Kontaktreihen verkleinert werden und es bleibt dennoch ein geschlossener Strompfad von Membran-Elektroden-Einheit 10 zu der Separatorplatte 50 bestehen. Dadurch wird eine größere Stromtragfähigkeit erreicht, wodurch die Grundkörper 60 der Strukturteile 51, 52 und des
Strukturelements 55 eine geringere Materialstärke aufweisen können.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzelle (2), umfassend
mindestens eine Membran-Elektroden-Einheit (10) und
mindestens eine Bipolarplatte (40),
die eine Separatorplatte (50) umfasst,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bipolarplatte (40) mindestens ein Strukturteil (51, 52) umfasst, welches einen Grundkörper (60), in den Ausnehmungen (65) eingebracht sind, und
Flügel (61, 62), die von Seiten (70, 72) der Ausnehmungen (65) weg ragen und sich bis zu der mindestens einen Membran- Elektroden- Einheit (10) erstrecken, aufweist.
2. Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (60) des mindestens einen Strukturteils (51, 52) an der Separatorplatte (50) anliegt.
3. Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (60) des mindestens einen Strukturteils (51, 52) von der Separatorplatte (50) beabstandet angeordnet ist, und dass
Flügel (61, 62) sich von Seiten (70, 72) der Ausnehmungen (65) bis zu der Separatorplatte (50) erstrecken.
Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bipolarplatte (40) mindestens ein Strukturelement (55) umfasst, welches einen Grundkörper (60), in den Ausnehmungen (65) eingebracht sind, und Flügel (61, 62), die von Seiten (70, 72) der Ausnehmungen (65) weg ragen, aufweist, wobei
Flügel (61, 62) des Strukturelements (55) durch Ausnehmungen (65) des Strukturteils (51, 52) hindurch ragen, und
Flügel (61, 62) des Strukturteils (51, 52) durch Ausnehmungen (65) des Strukturelements (55) hindurch ragen.
Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (60) des Strukturelements (55) an dem Grundkörper (60) des Strukturteils (51, 52) anliegt.
Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (60) des Strukturelements (55) von dem Grundkörper (60) des Strukturteils (51, 52) beabstandet angeordnet ist.
Brennstoffzelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Ausnehmungen (65) rechteckförmig ausgebildet sind, und dass die Flügel (61, 62) von gegenüberliegenden Längsseiten (70) der Ausnehmungen (65) weg ragen.
Brennstoffzelle (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass von mindestens einer Querseite (72) der Ausnehmungen (65) mindestens eine Finne (63) von dem Grundkörper (60) weg ragt.
Brennstoffzelle (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die von dem Grundkörper (60) entfernten Enden der Flügel (61, 62) eine Umlenkung (69) aufweisen.
Verwendung einer Brennstoffzelle (2), nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Elektrofahrzeug (EV), in einem Hybridfahrzeug (HEV) oder in einem Plug-In-Hybridfahrzeug (PHEV).
PCT/EP2017/068730 2016-09-21 2017-07-25 Brennstoffzelle Ceased WO2018054580A1 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/334,184 US10886542B2 (en) 2016-09-21 2017-07-25 Fuel cell
KR1020197011157A KR102355788B1 (ko) 2016-09-21 2017-07-25 연료 전지
CN201780058233.9A CN109716567B (zh) 2016-09-21 2017-07-25 燃料电池
JP2019511917A JP6825084B2 (ja) 2016-09-21 2017-07-25 燃料電池
EP17751298.5A EP3516719A1 (de) 2016-09-21 2017-07-25 Brennstoffzelle

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016218062.2 2016-09-21
DE102016218062.2A DE102016218062A1 (de) 2016-09-21 2016-09-21 Brennstoffzelle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018054580A1 true WO2018054580A1 (de) 2018-03-29

Family

ID=59581865

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2017/068730 Ceased WO2018054580A1 (de) 2016-09-21 2017-07-25 Brennstoffzelle

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10886542B2 (de)
EP (1) EP3516719A1 (de)
JP (1) JP6825084B2 (de)
KR (1) KR102355788B1 (de)
CN (1) CN109716567B (de)
DE (1) DE102016218062A1 (de)
WO (1) WO2018054580A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10601054B2 (en) * 2018-07-14 2020-03-24 Amir Hossein Zare Fuel cell with impingement jet flow field
CN113815595A (zh) * 2021-09-06 2021-12-21 达魔重卡电动汽车制造(杭州)有限公司 一种燃料电池与涡轮发动机双动力驱动的新能源汽车

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0418528A1 (de) * 1989-09-11 1991-03-27 Asea Brown Boveri Ag Stromkollektor für keramische Brennstoffzellen
US20090136805A1 (en) * 2007-11-23 2009-05-28 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell
JP2010061994A (ja) 2008-09-03 2010-03-18 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2010061992A (ja) 2008-09-03 2010-03-18 Toyota Motor Corp 燃料電池
US20130065153A1 (en) * 2010-04-07 2013-03-14 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Flat tubular solid oxide fuel cell stack
DE102012221730A1 (de) 2012-11-28 2014-05-28 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Abdichten eines Kühlmittelraums einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzelle
DE102013223817A1 (de) 2013-11-21 2015-05-21 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenelement, Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels
DE102013226815A1 (de) 2013-12-20 2015-06-25 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzelle
DE102014207594A1 (de) 2014-04-23 2015-10-29 Robert Bosch Gmbh Bipolarplatte für eine Elektrolyse- oder Brennstoffzelle

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5252193Y2 (de) 1971-02-02 1977-11-28
JPH02160371A (ja) * 1988-12-13 1990-06-20 Toshiba Corp 燃料電池のガスチャンネル
JPH0311557A (ja) * 1989-06-09 1991-01-18 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 溶融炭酸塩型燃料電池
JP2006252974A (ja) * 2005-03-11 2006-09-21 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池、燃料電池スタック、及び燃料電池車両
DE102005032632A1 (de) * 2005-07-13 2007-01-25 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzelle mit katalytischer Heizung
JP4915070B2 (ja) * 2005-09-22 2012-04-11 トヨタ車体株式会社 燃料電池用セパレータ
JP5927839B2 (ja) * 2011-10-25 2016-06-01 日産自動車株式会社 燃料電池スタック
KR101416390B1 (ko) * 2012-12-12 2014-07-08 현대자동차 주식회사 연료 전지용 금속 분리판, 이를 포함하는 연료 전지 스택 및 이에 적용되는 가스켓 어셈블리

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0418528A1 (de) * 1989-09-11 1991-03-27 Asea Brown Boveri Ag Stromkollektor für keramische Brennstoffzellen
US20090136805A1 (en) * 2007-11-23 2009-05-28 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell
JP2010061994A (ja) 2008-09-03 2010-03-18 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP2010061992A (ja) 2008-09-03 2010-03-18 Toyota Motor Corp 燃料電池
JP5252193B2 (ja) 2008-09-03 2013-07-31 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
US20130065153A1 (en) * 2010-04-07 2013-03-14 Korea Advanced Institute Of Science And Technology Flat tubular solid oxide fuel cell stack
DE102012221730A1 (de) 2012-11-28 2014-05-28 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Abdichten eines Kühlmittelraums einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzelle
DE102013223817A1 (de) 2013-11-21 2015-05-21 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellenelement, Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels
DE102013226815A1 (de) 2013-12-20 2015-06-25 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzelle
DE102014207594A1 (de) 2014-04-23 2015-10-29 Robert Bosch Gmbh Bipolarplatte für eine Elektrolyse- oder Brennstoffzelle

Also Published As

Publication number Publication date
JP2019531577A (ja) 2019-10-31
EP3516719A1 (de) 2019-07-31
KR102355788B1 (ko) 2022-01-26
CN109716567B (zh) 2022-07-12
US20190207229A1 (en) 2019-07-04
KR20190055173A (ko) 2019-05-22
DE102016218062A1 (de) 2018-03-22
JP6825084B2 (ja) 2021-02-03
US10886542B2 (en) 2021-01-05
CN109716567A (zh) 2019-05-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102015224994B4 (de) Bipolarplattenstruktur für Brennstoffzellen
DE10322537B4 (de) Stapelstruktur einer Brennstoffzelle
DE102016213057A1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle
DE60301189T2 (de) Brennstoffzellenstapel mit beheizten Endplatten
WO2020193055A1 (de) Bipolarplatte für einen brennstoffzellenstapel und brennstoffzellenstapel
WO2018108546A2 (de) Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte, bipolarplatte für eine brennstoffzelle und brennstoffzelle
DE102020215014A1 (de) Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle und elektrochemische Zelle
DE102014210358A1 (de) Brennstoffzellenstapel mit einer dummyzelle
DE102012023055A1 (de) Bipolarplatte sowie Brennstoffzelle mit einer solchen
WO2022038007A1 (de) Bipolarplattenhalbzeug für eine bipolarplatte, bipolarplatte, brennstoffzelle sowie ein verfahren zum herstellen eines bipolarplattenhalbzeugs
WO2018233921A1 (de) Brennstoffzelle
DE102020213574A1 (de) Verteilerplatte für eine elektrochemische Zelle, elektrochemische Zelle und Verfahren zum Betrieb einer elektrochemischen Zelle
WO2018054580A1 (de) Brennstoffzelle
WO2010083788A1 (de) Wiederholeinheit für einen brennstoffzellenstapel
EP3563442B1 (de) Gasverteilerplatte für eine brennstoffzelle und brennstoffzelle
DE102011010607A1 (de) Plattenverbindungsverfahren für einen eingebetteten brennstoffzellensensor
WO2022111922A1 (de) Bipolarplatte für eine elektrochemische zelle, anordnung elektrochemischer zellen und verfahren zum betrieb der anordnung elektrochemischer zellen
DE102018200846A1 (de) Brennstoffzellenplatte, Bipolarplatte und Brennstoffzellenaufbau
DE102016205010A1 (de) Bipolarplatte, Brennstoffzelle und ein Kraftfahrzeug
DE102020215024A1 (de) Bipolarplatte für eine elektrochemische Zelle, Anordnung elektrochemischer Zellen und Verfahren zur Herstellung der Bipolarplatte
WO2017215872A1 (de) Verfahren zur herstellung einer bipolarplatte für eine brennstoffzelle und brennstoffzelle
DE102022000581B3 (de) Brennstoffzelle
DE102019205069A1 (de) Bipolarplatte für Brennstoffzellen, Brennstoffzellenstapel mit solchen Bipolarplatten sowie Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenstapel
DE10113001A1 (de) Brennstoffzelle mit optimierter Reaktandenverteilung
DE102021206090A1 (de) Wasserstoff- und Kühlmittel Flow-Field-Design ohne Kühlmittelverteilungsbereich einer Bipolarplatte für PEM-Brennstoffzellen und Elektrolyseure

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17751298

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2019511917

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20197011157

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017751298

Country of ref document: EP

Effective date: 20190423