DE102013007561A1 - Method for operating polymer electrolyte membrane fuel cell stack for fuel cell system for vehicle, involves cooling flow channel of stack to temperature at which water condenses, during cooling operation when water is present in stack - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels, bei welchem mittels wenigstens eines Temperierelements eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels verändert wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit wenigstens einem Temperierelement.The invention relates to a method for operating a fuel cell stack, wherein a temperature of the fuel cell stack is changed by means of at least one tempering element. Furthermore, the invention relates to a fuel cell stack with at least one tempering element.
Für Brennstoffzellenstapel, welche für mobile Anwendungen vorgesehen sind, kommen in der Regel Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen zum Einsatz. Der prinzipielle Aufbau einer Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle – kurz PEMFC – ist wie folgt. Die PEMFC enthält eine Membran-Elektroden-Anordnung – kurz MEA, die aus einer Anode, einer Kathode und einer dazwischen angeordneten Polymer-Elektrolyt-Membran (auch Ionomer-Membran) – kurz PEM – aufgebaut ist. Die MEA ist ihrerseits wiederum zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Brennstoff aufweist und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung von Oxidationsmittel und wobei die Kanäle der MEA zugewandt sind. Die Kanäle bilden eine Kanalstruktur, ein sog. Flow Field. Die Elektroden, Anode und Kathode, sind im Allgemeinen als Gasdiffusionselektroden – kurz GDE – ausgebildet. Diese haben die Funktion, den bei der elektrochemischen Reaktion (z. B. 2 H2 + O2 → 2 H2O) erzeugten Strom abzuleiten und die Reaktionsstoffe, Edukte und Produkte, durchdiffundieren zu lassen. Eine GDE besteht aus wenigstens einer Gasdiffusionsschicht bzw. Gasdiffusionslage – kurz GDL – und einer Katalysatorschicht, die der PEM zugewandt ist und an der die elektrochemische Reaktion abläuft. Die GDE kann ferner noch eine Gasverteilungslage aufweisen, die sich der Gasdiffusionslage anschließt und die in der PEMFC einer Separatorplatte zugewandt ist. Gasdiffusionslage und Gasverteilungslage unterscheiden sich v. a. in ihren Porengrößen und damit in der Art des Transportmechanismus für einen Reaktionsstoff (Diffusion bzw. Verteilung).For fuel cell stacks, which are intended for mobile applications, polymer electrolyte membrane fuel cells are generally used. The basic structure of a polymer electrolyte membrane fuel cell - PEMFC for short - is as follows. The PEMFC contains a membrane-electrode assembly - MEA short, which is composed of an anode, a cathode and a polymer electrolyte membrane arranged between them (also ionomer membrane) - PEM - constructed. In turn, the MEA is interposed between two separator plates, with one separator plate having fuel distribution channels and the other separator plate having channels for the distribution of oxidant and the channels facing the MEA. The channels form a channel structure, a so-called flow field. The electrodes, anode and cathode, are generally designed as gas diffusion electrodes - in short GDE. These have the function of dissipating the current generated in the electrochemical reaction (eg 2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O) and allowing the reactants, starting materials and products to diffuse through. A GDE consists of at least one gas diffusion layer or gas diffusion layer - in short GDL - and a catalyst layer which faces the PEM and at which the electrochemical reaction takes place. The GDE may also have a gas distribution layer, which adjoins the gas diffusion layer and which faces in the PEMFC a Separatorplatte. Gas diffusion layer and gas distribution layer differ mainly in their pore sizes and thus in the nature of the transport mechanism for a reactant (diffusion or distribution).
Eine derartige Brennstoffzelle kann bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischen Strom mit hoher Leistung erzeugen. Reale Brennstoffzellen sind meist zu so genannten Brennstoffzellenstapeln – kurz Stacks – gestapelt, um eine hohe Leistungsabgabe zu erzielen, wobei anstelle der monopolaren Separatorplatten bipolare Separatorplatten, so genannte Bipolarplatten, eingesetzt werden und monopolare Separatorplatten nur die beiden endständigen Abschlüsse des Stacks bilden. Sie werden z. T. Endplatten genannt und können sich baulich erheblich von den Bipolarplatten unterscheiden.Such a fuel cell can produce high power electrical power at relatively low operating temperatures. Real fuel cells are usually stacked into so-called fuel cell stacks - stacks - to achieve a high power output, instead of the monopolar separator plates bipolar separator plates, so-called bipolar plates are used and form monopolar separator plates only the two terminal terminations of the stack. They are z. T. end plates called and can be structurally different from the bipolar plates.
Die Bipolarplatten sind im Allgemeinen aus zwei Teilplatten zusammengesetzt. Diese Teilplatten weisen im Wesentlichen komplementäre und bzgl. einer Spiegelebene spiegelbildliche Formen auf. Die Teilplatten müssen aber nicht zwingend spiegelbildlich sein. Wichtig ist lediglich, dass sie zumindest eine gemeinsame Berührungsfläche aufweisen, an der sie verbunden werden können. Die Teilplatten weisen eine unebene Topographie auf. Hierdurch entstehen an den jeweils voneinander weg weisenden Oberflächen der Teilplatten die vorstehend bereits erwähnten Kanalstrukturen. An den jeweils aufeinander zuweisenden Oberflächen der Teilplatten besteht z. B. bei geprägten metallischen Teilplatten die zur o. g. Kanalstruktur komplementäre Kanalstruktur. Beim Aufeinanderlegen der beiden Teilplatten entsteht dadurch zwischen den Teilplatten, auf deren zueinander hin weisenden Oberflächen, ein Hohlraum, welcher aus einem System mehrerer miteinander verbundener Tunnels besteht. Der Hohlraum bzw. das System der Tunnels ist durch eine im Wesentlichen die Teilplatten im Randbereich umlaufende Fügung flüssigkeitsdicht umrandet, wobei Öffnungen zur Kühlmittelzufuhr und -abfuhr vorgesehen sind, sodass der Hohlraum für die Verteilung eines Kühlmittels genutzt werden kann.The bipolar plates are generally composed of two partial plates. These sub-plates have substantially complementary and with respect to a mirror plane mirror-image forms. However, the partial plates do not necessarily have to be mirror images. It is only important that they have at least one common contact surface to which they can be connected. The partial plates have an uneven topography. As a result, the channel structures already mentioned above arise at the surfaces of the partial plates that point away from each other. At the respectively facing each other surfaces of the sub-panels z. B. in embossed metal part plates to the o. G. Channel structure complementary channel structure. When the two sub-panels are placed on top of each other, a cavity, which consists of a system of several interconnected tunnels, thus arises between the sub-panels, on their mutually facing surfaces. The cavity or the system of the tunnel is surrounded in a liquid-tight manner by a joint which essentially surrounds the partial plates in the edge region, openings being provided for the coolant supply and removal, so that the cavity can be used for the distribution of a coolant.
Somit gehört zu den Aufgaben einer Bipolarplatte: Die Verteilung von Oxidationsmittel und von Reduktionsmittel; die Verteilung von Kühlmittel und somit die Kühlung (besser gesagt Temperierung) der Brennstoffzellen; Die fluidische Trennung der Einzelzellen eines Stacks voneinander; ferner die elektrische Kontaktierung der hintereinander geschalteten Einzelzellen eines Stacks und somit die Durchleitung des von den Einzelzellen erzeugten elektrischen Stroms.Thus, one of the tasks of a bipolar plate is: the distribution of oxidizing agent and reducing agent; the distribution of coolant and thus the cooling (better tempering) of the fuel cell; The fluidic separation of the individual cells of a stack from each other; Furthermore, the electrical contacting of the series-connected individual cells of a stack and thus the passage of the electric current generated by the individual cells.
Eine PEM kann mehrere Komponenten enthalten. Die wichtigste Komponente ist dabei ein oder mehrere protonenleitfähige Ionomere. Ferner können verstärkende Komponenten wie z. B. organische Fasern (insbesondere PTFE-Fasern) und/oder anorganische Fasern (insbesondere Glasfasern) enthalten sein, die z. B. als Gewebe oder Gewirke ausgebildet sein können. Ferner können Füllstoffe enthalten sein, wie z. B. Metalloxid-Partikel (insbesondere Kieselgel, SiO2), die z. B. bei der Feuchthaltung der PEM eine Funktion übernehmen. Darüber hinaus können weitere Komponenten enthalten sein, wie z. B. Phosphorsäure, niedermolekulare Amphotere (insbesondere Imidazol und/oder Pyrazol). Eine PEM kann aber auch aus einem protonenleitfähigen Glasfilm bestehen, insbesondere aus einem nanoporösen Phosphosilicat-Glasfilm. Ist auf eine oder beide Hauptoberflächen der PEM eine Katalysatorschicht aufgebracht, so wird im allgemeinen von einer Catalyst Coated Membrane – kurz CCM – gesprochen.A PEM can contain several components. The most important component is one or more proton-conductive ionomers. Furthermore, reinforcing components such. As organic fibers (especially PTFE fibers) and / or inorganic fibers (especially glass fibers) may be included, the z. B. may be formed as a woven or knitted fabric. Furthermore, fillers may be included, such as. B. metal oxide particles (especially silica gel, SiO 2 ), the z. B. assume a function in the moisturization of the PEM. In addition, other components may be included, such as. As phosphoric acid, low molecular weight amphoteric (especially imidazole and / or pyrazole). However, a PEM can also consist of a proton-conductive glass film, in particular of a nanoporous phosphosilicate glass film. If a catalyst layer is applied to one or both of the main surfaces of the PEM, it is generally referred to as a catalyst coated membrane-CCM for short.
Die
Als nachteilig ist hierbei der Umstand anzusehen, dass es bei einem derartigen Brennstoffzellenstapel dennoch zu Funktionsstörungen kommen kann.A disadvantage here is the fact that it can nevertheless lead to malfunction in such a fuel cell stack.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und einen Brennstoffzellenstapel der eingangs genannten Art zu schaffen, mittels welchem sich Funktionsstörungen besonders einfach vermeiden lassen.Object of the present invention is therefore to provide a method and a fuel cell stack of the type mentioned, by means of which can be particularly easy to avoid malfunction.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1 and by a fuel cell stack having the features of
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem Kühlbetrieb mittels des wenigstens einen Temperierelements zumindest ein das wenigstens eine Temperierelement aufweisender Bereich des Brennstoffzellenstapels auf eine Temperatur gekühlt, bei welcher Wasser kondensiert, sofern in dem Brennstoffzellenstapel Wasser vorhanden ist. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei einem Brennstoffzellenstapel insbesondere nach dem Abschalten oder Herunterfahren zu einem Sich-Ansammeln von kondensierendem Wasser kommen kann. Bei der Brennstoffzellenreaktion wird nämlich Wasser gebildet, und beim Herunterfahren des Brennstoffzellenstapels sinkt dessen Temperatur ab. Hierbei in die flüssige Phase überführtes, also kondensiertes Wasser kann anschließend gefrieren und so insbesondere kritische Stellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels verstopfen. Jedoch können auch Ansammlungen von nicht gefrorenem Wasser ein Starten des Brennstoffzellensystems erschweren und zu einer erheblichen Verlängerung der Startzeit führen. Das Vorhandensein von Eis kann jedoch sogar zu einem Abbrechen des Startvorgangs führen.In the method according to the invention, in a cooling operation by means of the at least one tempering element, at least one region of the fuel cell stack having the at least one tempering element is cooled to a temperature at which water condenses, provided that water is present in the fuel cell stack. This is based on the finding that a fuel cell stack, in particular after switching off or shutdown, can lead to a condensed water accumulation. Namely, in the fuel cell reaction, water is formed, and when the fuel cell stack shuts down, its temperature decreases. In this case, in the liquid phase transferred, so condensed water can then freeze and clog so particular critical points within the fuel cell stack. However, accumulations of unfrozen water can make it difficult to start the fuel cell system and lead to a significant increase in the start time. However, the presence of ice may even cause the startup process to abort.
Vorliegend wird jedoch mittels des wenigstens einen Temperierelements der zumindest eine Bereich des Brennstoffzellenstapels gezielt auf die Temperatur gekühlt, bei welcher es zum Kondensieren von Wasser kommt. Dadurch wird flüssiges Wasser in dem wenigstens einen Bereich gebildet, und es kann nicht unkontrolliert in andere Bereiche des Brennstoffzellenstapels gelangen, in welchen das Ansammeln von kondensiertem Wasser und insbesondere das Ausbilden von Eis die Beaufschlagung der Brennstoffzellen mit dem Reaktanden beeinträchtigt oder gar unterbindet. Es wird also die Kondensation gezielt in den zumindest einen Bereich verlagert, um so das Gefrieren von Wasser an gefährdeteren Stellen zu vermeiden.In the present case, however, the at least one region of the fuel cell stack is purposefully cooled by means of the at least one tempering element to the temperature at which water condenses. As a result, liquid water is formed in the at least one area, and it can not uncontrollably reach other areas of the fuel cell stack, in which the accumulation of condensed water and in particular the formation of ice impairs or even prevents the loading of the fuel cell with the reactant. Thus, the condensation is deliberately shifted in the at least one area, so as to avoid the freezing of water at more vulnerable sites.
Dem Brennstoffzellenstapel wird also mittels des nach Art einer Kühlfalle betriebenen wenigstens einen Temperierelements gezielt Wasser entzogen. Dadurch wird der Brennstoffzellenstapel besonders gut für eine anschließende Inbetriebnahme, insbesondere einen Gefrierstart, vorbereitet.The fuel cell stack is thus deliberately withdrawn water by means of the manner of a cold trap operated at least one tempering. As a result, the fuel cell stack is prepared particularly well for a subsequent startup, in particular a freeze start.
Im Kühlbetrieb wirkt somit das wenigstens eine Temperierelement als kontrollierter Kondensatsammler und verhindert die unkontrollierte Kondensation von Wasser und infolge dessen eine mögliche spätere Bildung von Eis an kritischen Stellen. Es lassen sich also Funktionsstörungen auf besonders einfache Art und Weise vermeiden. Dadurch, dass Schäden bzw. Startschwierigkeiten infolge von Eisbildung verhindert werden, kommt es zu einer Erhöhung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels. Auch ist eine Verkürzung des zum Hochfahren oder Inbetriebnehmen des Brennstoffzellenstapels erforderlichen Zeitraums erreichbar. Des Weiteren wird so das Wassermanagement innerhalb des Brennstoffzellenstapels verbessertIn cooling mode, therefore, the at least one tempering element acts as a controlled condensate collector and prevents the uncontrolled condensation of water and as a result a possible later formation of ice at critical points. It is therefore possible to avoid malfunctions in a particularly simple manner. The fact that damage or starting difficulties are prevented as a result of ice formation, there is an increase in the life of the fuel cell stack. Also, a shortening of the time required to start up or start up the fuel cell stack is achievable. Furthermore, this improves the water management within the fuel cell stack
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der zumindest eine Bereich des Brennstoffzellenstapels beim Herunterfahren des Brennstoffzellenstapels auf die Temperatur gekühlt, bei welcher gegebenenfalls vorhandenes Wasser kondensiert. Insbesondere beim Herunterfahren oder Shutdown des Brennstoffzellenstapels ist es nämlich von besonderer Bedeutung, dass sich nicht an kritischen Stellen Wasser ansammelt.In an advantageous embodiment of the invention, the at least one region of the fuel cell stack is cooled when the fuel cell stack is lowered to the temperature at which any water present condenses. In particular, when shutting down or shutdown of the fuel cell stack, it is of particular importance that does not accumulate water at critical points.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der zumindest eine Bereich des Brennstoffzellenstapels auf eine Temperatur gekühlt wird, bei welcher das kondensierte Wasser gefriert. Dann ist nämlich besonders weitgehend sichergestellt, dass nicht Wassertröpfchen in die hinsichtlich einer möglichen Verstopfung kritischen Bereiche des Brennstoffzellenstapels gelangen können.It has also proven to be advantageous if the at least one region of the fuel cell stack is cooled to a temperature at which the condensed water freezes. For then it is particularly largely certain that not Water droplets can get into the critical in terms of a possible blockage areas of the fuel cell stack.
Bevorzugt wird als der zumindest eine Bereich des Brennstoffzellenstapels ein Strömungskanal gekühlt, über welchen ein Reaktand jeweiligen Strömungsfeldern einer Mehrzahl von Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird. Ein solcher Strömungskanal oder Sammelkanal, welcher sich zu den einzelnen Strömungsfeldern oder Flow Fields des Brennstoffzellenstapels hin verzweigt, wird auch als Header bezeichnet. Da dieser ein besonders großes durchströmbares Volumen aufweist, ist hier ein gezieltes Ansammeln von kondensiertem Wasser besonders unkritisch.Preferably, as the at least one region of the fuel cell stack, a flow channel is cooled, via which a reactant is supplied to respective flow fields of a plurality of fuel cells of the fuel cell stack. Such a flow channel or collection channel, which branches off to the individual flow fields or flow fields of the fuel cell stack, is also referred to as header. Since this has a particularly large volume that can be flowed through, a targeted accumulation of condensed water is particularly uncritical here.
Zusätzlich oder alternativ kann als der zumindest eine Bereich des Brennstoffzellenstapels ein Strömungskanal gekühlt werden, in welchen ein Reaktand von jeweiligen Strömungsfeldern einer Mehrzahl von Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels her einströmt. Auch der Strömungskanal oder Header, in welchen der Reaktand nach dem Durchströmen der Strömungsfelder bzw. Flow Fields eintritt, weist nämlich einen vergleichsweise großen durchströmbaren Querschnitt auf und eignet sich somit zur gezielten Ansammlung von Kondensat.Additionally or alternatively, as the at least one region of the fuel cell stack, a flow channel into which a reactant flows from respective flow fields of a plurality of fuel cells of the fuel cell stack can be cooled. Also, the flow channel or header, in which the reactant enters after flowing through the flow fields or flow fields, namely, has a comparatively large flow-through cross-section and is thus suitable for targeted accumulation of condensate.
Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das wenigstens eine Temperierelement in dem zumindest einen Strömungskanal von dem Reaktanden außenumfangsseitig umströmt wird. Dann stellt nämlich das wenigstens eine Temperierelement eine besonders große Oberfläche bereit, auf welcher sich das kondensierte Wasser ansammeln kann. Zudem lässt sich durch ein solches mittig im Strom des Reaktanden angeordnetes Temperierelement der Gasstrom des Reaktanden besonders gleichmäßig kühlen.In this case, it has proven to be advantageous if the at least one tempering element in the at least one flow channel flows around the outer peripheral side of the reactant. For then the at least one tempering element provides a particularly large surface on which the condensed water can accumulate. In addition, by means of such a tempering element arranged centrally in the stream of the reactant, the gas stream of the reactant can be cooled particularly uniformly.
Es kann der den einzelnen Brennstoffzellen zuströmende oder der von den Strömungsfeldern in den zumindest einen Strömungskanal eintretende Strom eines Brennstoffs gekühlt werden, um ein gezieltes Entfeuchten dieses Reaktanden zu erreichen.It can be cooled to the individual fuel cell inflowing or entering from the flow fields in the at least one flow channel stream of fuel to achieve a targeted dehumidification of this reactant.
Bevorzugt wird jedoch wenigstens der zumindest eine Strömungskanal mittels des wenigstens einen Temperierelements gekühlt, welcher mit einem Oxidationsmittel als dem Reaktanden beaufschlagt wird. Auf der Seite der mit dem Oxidationsmittel beaufschlagten Kathode einer jeweiligen Brennstoffzelle ist nämlich aufgrund der Befeuchtung des dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Oxidationsmittels und aufgrund der Bildung von Produktwasser der Brennstoffzellenreaktion vergleichsweise viel Wasser vorhanden. Daher ist hier das gezielte Entfeuchten einfriergefährdeter Gasdurchführungen besonders günstig.Preferably, however, at least the at least one flow channel is preferably cooled by means of the at least one tempering element, which is acted upon by an oxidizing agent as the reactant. Namely, on the side of the oxidant-charged cathode of each fuel cell, comparatively much water exists due to the humidification of the oxidant supplied to the fuel cell stack and the formation of product water of the fuel cell reaction. Therefore, the targeted dehumidification of freezing gas openings is particularly favorable here.
In einem von dem Kühlbetrieb verschiedenen Betriebsmodus kann vorteilhaft mittels des wenigstens einen Temperierelements der zumindest eine Bereich des Brennstoffzellenstapels auf eine Temperatur aufgeheizt werden, bei welcher gefrorenes Wasser auftaut. Dadurch wird sichergestellt, dass es innerhalb des Brennstoffzellenstapels nicht zu einem dauerhaften Vorliegen von Eis kommt. Zudem können so die Reaktanden oder Betriebsgase vorgeheizt werden, so dass besonders rasch für die elektrochemischen Reaktionen günstige Bedingungen vorliegen. Vorhandene Eisblockaden können so besonders schnell abgetaut und das entstehende Wasser ausgetragen werden. Durch das Erwärmen der Reaktanden oder Betriebsgase kann auch die Bildung von Eis unterbunden werden.In an operating mode different from the cooling mode, the at least one tempering element can advantageously be used to heat the at least one region of the fuel cell stack to a temperature at which frozen water thaws. This ensures that there is no permanent presence of ice within the fuel cell stack. In addition, the reactants or operating gases can thus be preheated, so that there are favorable conditions for the electrochemical reactions particularly quickly. Existing ice blocks can be defrosted very quickly and the resulting water can be discharged. By heating the reactants or operating gases and the formation of ice can be prevented.
Auch für diesen Zweck des Temperierelements, nämlich dem Einbringen von Wärme in den Brennstoffzellenstapel, ist es sinnvoll, das wenigstens eine Temperierelement in zumindest einem der Strömungskanäle vorzusehen, über welchen der Brennstoff oder das Oxidationsmittel den Brennstoffzellen zugeführt oder von diesen abgeführt werden. Aufgrund des hier vorliegenden vergleichsweise großen Volumens stört nämlich das Sich-Bilden von flüssigem Wasser augrund des Auftauens von Eis besonders wenig.Also for this purpose of the tempering, namely the introduction of heat into the fuel cell stack, it is useful to provide the at least one tempering in at least one of the flow channels through which the fuel or the oxidant supplied to the fuel cells or discharged from them. Because of the comparatively large volume present here, the formation of liquid water due to the thawing of ice is particularly disturbing.
Insbesondere hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der zumindest eine Bereich beim Inbetriebnehmen des Brennstoffzellenstapels auf die Temperatur aufgeheizt wird, bei welcher gefrorenes Wasser auftaut. Bei der Inbetriebnahme ist nämlich das rasche Entfernen von gegebenenfalls vorhandenen Eisblockaden besonders vorteilhaft. Dies gilt insbesondere bei einem Gefrierstart, also bei einem Inbetriebnehmen oder Hochfahren des Brennstoffzellenstapels, wenn Umgebungstemperaturen von weniger als 0°C vorliegen.In particular, it has proven to be advantageous if the at least one region is heated to the temperature at the startup of the fuel cell stack, at which frozen water thaws. During commissioning, namely, the rapid removal of any existing ice blocks is particularly advantageous. This applies in particular to a freeze start, that is to say when the fuel cell stack is put into operation or started up when ambient temperatures of less than 0 ° C. are present.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn als das wenigstens eine Temperierelement wenigstens ein Peltierelemente zum Einbringen von Wärme in den Brennstoffzellenstapel oder zum Kühlen desselben genutzt wird. Peltierelemente lassen sich nämlich besonders einfach sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen nutzen, sie brauchen lediglich mit elektrischer Energie beaufschlagt zu werden, um die gewünschte Heizwirkung bzw. Kühlwirkung hervorzurufen. Ein Vorsehen von aufwändigen Fluidkanälen kann so entfallen. Insbesondere kann ein Stapel von Peltierelementen zum Einsatz kommen, dessen Geometrie an den Brennstoffzellenstapel angepasst ist.Finally, it has proven to be advantageous if at least one Peltier element is used for introducing heat into the fuel cell stack or for cooling the same as the at least one tempering element. Peltier elements are particularly easy to use both for cooling and for heating, they only need to be charged with electrical energy to produce the desired heating effect or cooling effect. A provision of complex fluid channels can thus be omitted. In particular, a stack of Peltier elements can be used whose geometry is adapted to the fuel cell stack.
Peltierelemente stellen zudem eine Lastsenke, also einen Abwärme generierenden Verbraucher bereit. Dieser kann die Eigenerwärmung des Brennstoffzellenstapels unterstützen, insbesondere beim Gefrierstart des Brennstoffzellenstapels.Peltier elements also provide a Lastsenke, so a waste heat-generating consumer ready. This can be the self-heating of the Support fuel cell stack, especially during the freeze start of the fuel cell stack.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel umfasst wenigstens ein Temperierelement, mittels welchem eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels veränderbar ist. Hierbei ist das wenigstens eine Temperierelement in zumindest einem Bereich des Brennstoffzellenstapels angeordnet, welcher im Betrieb des Brennstoffzellenstapels von einem Reaktanden durchströmbar ist. Mittels des Temperierelements ist der Bereich auf eine Temperatur kühlbar ist, bei welcher Wasser kondensiert, wenn in dem Brennstoffzellenstapel Wasser vorhanden ist. Durch die Anordnung des Temperierelements in dem von dem Reaktanden durchströmbaren Bereich gelangt das Temperierelement in unmittelbaren Kontakt mit dem Reaktanden. Es kann so dem Reaktanden im Kühlbetrieb Feuchtigkeit entziehen, also als Kondensatsammler wirken.The fuel cell stack according to the invention comprises at least one tempering element, by means of which a temperature of the fuel cell stack is variable. In this case, the at least one tempering element is arranged in at least one region of the fuel cell stack, which can be flowed through by a reactant during operation of the fuel cell stack. By means of the tempering the range is coolable to a temperature at which water condenses when water is present in the fuel cell stack. As a result of the arrangement of the tempering element in the region through which the reactant can flow, the tempering element comes into direct contact with the reactant. It can thus withdraw moisture from the reactants in cooling mode, thus acting as a condensate collector.
Durch das Vorsehen eines solchen Temperierelements lassen sich Funktionsstörungen des Brennstoffzellenstapels besonders einfach vermeiden. In einem Heizbetrieb ist bevorzugt das wenigstens eine Temperierelement als besonders rasch wirkender Gasheizer einsetzbar.By providing such a tempering element malfunction of the fuel cell stack can be particularly easy to avoid. In a heating operation, the at least one tempering element is preferably used as a particularly rapidly acting gas heater.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für den erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel und umgekehrt.The advantages and preferred embodiments described for the method according to the invention also apply to the fuel cell stack according to the invention and vice versa.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawings. Showing:
Von einem in
Die Bipolarplatte
Bei der in
Über den kleineren Durchbruch
Es hat sich gezeigt, dass insbesondere dieser Übergangsbereich
Vorliegend sind daher Mittel vorgesehen, welche es ermöglichen, stromaufwärts dieses Übergangsbereichs
Diese Mittel umfassen beispielsweise wenigstens ein Temperierelement, welches bevorzugt als Peltierelement
Beim Herunterfahren des Brennstoffzellenstapels
Insbesondere in Zusammenschau mit
Die gezielte Entfeuchtung der einfriergefährdeten Gasdurchführungen, also insbesondere der Übergangsbereiche
Wie insbesondere aus
Aus
Das in zumindest einem oder in mehreren der Strömungskanäle
Anstatt eines durch den gesamten Brennstoffzellenstapel
Hierbei kann ein jeweiliges Peltierelement einer jeweiligen Brennstoffzelle zugeordnet sein, oder es kann jeweils ein Peltierelement Wärme bzw. Kühlleistung für mehrere Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
- 1212
- Bipolarplattebipolar
- 1414
- Durchbruchbreakthrough
- 1616
- Strömungskanalflow channel
- 1818
- ÜbergangsbereichTransition area
- 2020
- Durchbruchbreakthrough
- 2222
- PeltierelementPeltier element
- 2424
- Strömungspfeilflow arrow
- 2626
- Strömungsfeldflow field
- 2828
- Strömungskanalflow channel
- 3030
- Brennstofffuel
- 3232
- Strömungskanalflow channel
- 3434
- Strömungskanalflow channel
- 3636
- Kühlmittelcoolant
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2005/0112436 A1 [0007] US 2005/0112436 A1 [0007]
Claims (10)
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DE201310007561 DE102013007561A1 (en) | 2013-05-02 | 2013-05-02 | Method for operating polymer electrolyte membrane fuel cell stack for fuel cell system for vehicle, involves cooling flow channel of stack to temperature at which water condenses, during cooling operation when water is present in stack |
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DE201310007561 DE102013007561A1 (en) | 2013-05-02 | 2013-05-02 | Method for operating polymer electrolyte membrane fuel cell stack for fuel cell system for vehicle, involves cooling flow channel of stack to temperature at which water condenses, during cooling operation when water is present in stack |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104238594A (en) * | 2014-09-17 | 2014-12-24 | 西安交通大学 | Temperature control and test system and method for fuel cell |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050112436A1 (en) | 2003-11-25 | 2005-05-26 | Carol Jeffcoate | Methods and devices for heating or cooling fuel cell systems |
-
2013
- 2013-05-02 DE DE201310007561 patent/DE102013007561A1/en not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050112436A1 (en) | 2003-11-25 | 2005-05-26 | Carol Jeffcoate | Methods and devices for heating or cooling fuel cell systems |
Cited By (1)
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CN104238594A (en) * | 2014-09-17 | 2014-12-24 | 西安交通大学 | Temperature control and test system and method for fuel cell |
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