DE102017201540A1

DE102017201540A1 - fuel cell stack

Info

Publication number: DE102017201540A1
Application number: DE102017201540.3A
Authority: DE
Inventors: Olav Finkenwirth; Stefan Haase
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2018-08-02

Abstract

Die Erfindung betrifft Brennstoffzellenstapel umfassend zwei stirnseitige Stromabnehmerplatten und mehrere gestapelte Brennstoffzellen zwischen den beiden Stromabnehmerplatten, wobei senkrecht zu den Stromabnehmerplatten und den Brennstoffzellen eine Stapelachse definiert ist, wobei eine Innenseite der Stromabnehmerplatten den Brennstoffzellen zugewandt ist und eine Außenseite den Brennstoffzellen abgewandt ist, eine Zuleitung und eine Ableitung für ein Kühlfluid, jeweils gebildet aus parallel zur Stapelachse verlaufenden Medienleitungen in den Brennstoffzellen und in zumindest einer der Stromabnehmerplatten, und eine Temperiervorrichtung mit zumindest einem Medienkanal in der zumindest einen Stromabnehmerplatte und/oder an der Außenseite der zumindest einen Stromabnehmerplatten, wobei der Medienkanal die Zuleitung mit der Ableitung verbindet und senkrecht zur Stapelachse verläuft.The invention relates to a fuel cell stack comprising two end-side pantograph plates and a plurality of stacked fuel cells between the two pantograph plates, wherein a stack axis is defined perpendicular to the pantograph and the fuel cells, an inside of the pantograph plates facing the fuel cells and an outer side facing away from the fuel cell, a supply line and a discharge for a cooling fluid, each formed from parallel to the stack axis extending media lines in the fuel cell and in at least one of the current collector plates, and a tempering device with at least one media channel in the at least one current collector plate and / or on the outside of the at least one current collector plates, wherein the media channel the supply line connects to the drain and runs perpendicular to the stacking axis.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der insbesondere in einem Fahrzeug verwendet wird.The technology disclosed herein relates to a fuel cell stack used in particular in a vehicle.

Die Randzellen eines Brennstoffzellenstapels werden nach dem Stand der Technik oftmals ohne eine aktive Membran-Elektrodenanordnung (MEA) ausgeführt, da diese aufgrund von Wärmeverlusten in der Regel eine niedrigere Temperatur und somit auch niedrigere Zellspannung als die anderen Membran-Elektrodenanordnungen des Stapels aufweisen. Randzellen mit aktiver Membran-Elektrodenanordnung würden die Gesamtleistung des Brennstoffzellenstapels begrenzen, da dieser in der Regel nach der niedrigsten Zellspannung geregelt wird.The edge cells of a fuel cell stack are often designed according to the prior art without an active membrane electrode assembly (MEA), since these usually have a lower temperature and thus lower cell voltage than the other membrane electrode assemblies of the stack due to heat losses. Edge cells with active membrane electrode assembly would limit the overall performance of the fuel cell stack, since this is usually controlled by the lowest cell voltage.

Die inaktiven Randzellen isolieren die aktiven Brennstoffzellen thermisch zur Umgebung des Brennstoffzellenstapels. Im Stand der Technik wird dieser Effekt noch dadurch unterstützt, dass die inaktiven Randzellen mit Kühlwasser und gegebenenfalls auch Reaktionsgasen durchströmt werden. In einigen Anwendungsfällen werden die Kühlkanäle der inaktiven Zellen auch mit dem Kühlwasserrücklauf der aktiven Zellen beaufschlagt, da dieser eine höhere Temperatur aufweist und den Wärmeverlust der aktiven Brennstoffzellen effektiv begrenzt.The inactive marginal cells thermally isolate the active fuel cells to the vicinity of the fuel cell stack. In the prior art, this effect is further supported by the fact that the inactive edge cells are flowed through with cooling water and possibly also reaction gases. In some applications, the cooling channels of the inactive cells are also exposed to the cooling water return of the active cells, since this has a higher temperature and effectively limits the heat loss of the active fuel cells.

Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Insbesondere soll ein Brennstoffzellenstapel mit möglichst großem Wirkungsgrad angegeben werden. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.It is a preferred object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate at least one disadvantage of the previously known solutions or to propose an alternative solution. Other preferred objects may result from the beneficial effects of the technology disclosed herein. In particular, a fuel cell stack should be specified with the greatest possible efficiency. The object (s) is / are solved by the subject matter of claim 1. The dependent claims are preferred embodiments.

Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Brennstoffzellenstapel insbesondere als Bestandteil eines Brennstoffzellensystems. Der Brennstoffzellenstapel umfasst mehrere Brennstoffzellen. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Das Brennstoffzellensystem umfasst neben den Brennstoffzellen vorzugsweise periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der Brennstoffzellen zum Einsatz kommen können. Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems umfassen i.d.R. zwei Separatorplatten. Der ionenselektive Separator einer Brennstoffzelle ist i.d.R. jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Anode aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem inonenselektiven Separator die Kathode aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff bzw. für Oxidationsmittel vorgesehen. Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator eine Anode ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator einer benachbarten Brennstoffzelle eine Kathode. Zwischen den ionenselektiven Separatoren und den Separatorplatten sind i.d.R. noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.The technology disclosed herein relates to a fuel cell stack, in particular as part of a fuel cell system. The fuel cell stack comprises a plurality of fuel cells. The fuel cell system is intended, for example, for mobile applications such as motor vehicles, in particular for providing the energy for at least one drive machine for locomotion of the motor vehicle. In its simplest form, a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidant into reaction products, producing electricity and heat. The fuel cell includes an anode and a cathode separated by an ion-selective or ion-permeable separator. The anode is supplied with fuel. Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode is supplied with oxidant. Preferred oxidizing agents are, for example, air, oxygen and peroxides. The ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). Preferably, a cation-selective polymer electrolyte membrane is used. Materials for such a membrane are, for example: Nafion®, Flemion® and Aciplex®. In addition to the fuel cells, the fuel cell system preferably comprises peripheral system components (BOP components) which can be used during operation of the fuel cells. The fuel cells of the fuel cell system include i.d.R. two separator plates. The ion-selective separator of a fuel cell is i.d.R. each arranged between two separator plates. The one separator plate forms the anode together with the ion-selective separator. The further separator plate arranged on the opposite side of the ion-selective separator, however, forms the cathode together with the ion-selective separator. Gas channels for fuel or for oxidants are preferably provided in the separator plates. The separator plates can be designed as monopolar plates and / or as bipolar plates. In other words, a separator plate expediently has two sides, one side forming an anode together with an ion-selective separator and the second side forming a cathode together with another ion-selective separator of an adjacent fuel cell. Between the ion-selective separators and the separator plates are i.d.R. still so-called gas diffusion layers or gas diffusion layers (GDL) provided.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel. Der Brennstoffzellenstapel umfasst zwei stirnseitige Stromabnehmerplatten und mehrere gestapelte Brennstoffzellen. Die Brennstoffzellen sind zwischen den beiden Stromabnehmerplatten entlang einer Stapelachse gestapelt. Vorzugsweise befindet sich außerhalb der Stromabnehmerplatte jeweils eine Endplatte, die auch als Druckplatte bezeichnet wird. Die beiden Endplatten werden insbesondere über Zugelemente miteinander verbunden und halten dadurch den gesamten Brennstoffzellenstapel zusammen.The problem is solved by a fuel cell stack. The fuel cell stack comprises two end-face collector plates and a plurality of stacked fuel cells. The fuel cells are stacked between the two pantograph plates along a stacking axis. Preferably, an end plate, which is also referred to as a pressure plate, is located outside the current collector plate. The two end plates are connected to each other in particular via tension elements and thereby hold the entire fuel cell stack together.

Die einzelne Brennstoffzelle weist in ihrem Randbereich mehrere Medienöffnungen auf. Die Medienöffnungen sind Durchgangsausnehmungen. Im gestapelten Zustand fluchten die entsprechenden Medienöffnungen der unterschiedlichen Brennstoffzellen und bilden dadurch eine Medienleitung. Üblicherweise sind zumindest vier Medienleitungen vorgesehen: zum Zuführen bzw. Abführen des Brennstoffs und zum Zuführen bzw. Abführen des Oxidationsmittels. Bei der hier vorgestellten Technologie ist ferner ein Kühlkreislauf vorgesehen. Es sind deshalb vorzugsweise sechs Medienleitungen ausgebildet. Entsprechende Medienöffnungen zur Bildung der Medienleitungen sind auch in zumindest einer der beiden Stromabnehmerplatten vorgesehen.The individual fuel cell has several media openings in its edge region. The media openings are through holes. In the stacked state, the corresponding media openings of the different fuel cells are aligned, thereby forming a media line. Usually, at least four media lines are provided: for supplying or discharging the fuel and for supplying or discharging the oxidizing agent. In the technology presented here Furthermore, a cooling circuit is provided. Therefore, preferably six media lines are formed. Corresponding media openings for forming the media lines are also provided in at least one of the two current collector plates.

Bei der hier beschriebenen Stromabnehmerplatte handelt es sich insbesondere um ein separates Element innerhalb des Brennstoffzellenstapels und nicht etwa um eine Separatorplatte oder Bipolarplatte die zur Verteilung der Reaktanden über die aktive Fläche genutzt wird und unter Umständen auch als Stromabnehmer ausgebildet sein kann. Die beiden hier beschriebenen Stromabnehmerplatten bilden die Anode und Katode des gesamten Brennstoffzellenstapels und sind über entsprechende Anschlüsse elektrisch kontaktierbar.The pantograph plate described here is, in particular, a separate element within the fuel cell stack and not a separator plate or bipolar plate which is used for distributing the reactants over the active area and under certain circumstances may also be designed as a current collector. The two pantograph plates described here form the anode and cathode of the entire fuel cell stack and can be electrically contacted via corresponding connections.

An den Stromabnehmerplatten sind eine den Brennstoffzellen zugewandte Innenseite und eine gegenüberliegende Außenseite definiert. Die Außenseite ist insbesondere der jeweiligen Endplatte zugewandt. Zwischen dieser Außenseite der Stromabnehmerplatte und der Endplatte kann eine Isolatorplatte zur elektrischen Isolierung angeordnet sein.At the pantograph plates, an inner side facing the fuel cell and an opposite outer side are defined. The outside is in particular facing the respective end plate. Between this outer side of the current collector plate and the end plate may be arranged an insulator plate for electrical insulation.

Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Zuleitung und eine Ableitung für ein Kühlfluid. Das Kühlfluid kann sowohl zum Kühlen als auch zum Erwärmen genutzt werden und kann auch als Temperierfluid bezeichnet werden. Die Zuleitung und die Ableitung sind gebildet durch Medienleitungen. Wie bereits beschrieben, sind diese Medienleitungen durch fluchtende Medienöffnungen in den Brennstoffzellen und in zumindest einer der beiden Stromabnehmerplatten gebildet. In den einzelnen Brennstoffzellen fließt das Kühlfluid durch die jeweilige Brennstoffzelle hindurch aus der Zuleitung in die Ableitung. Bei der hier vorgestellten Technologie ist vorgesehen, dieses Kühlfluid zusätzlich zum Temperieren zumindest einer der beiden Stromabnehmerplatten zu nutzen.The fuel cell stack includes a supply line and a discharge for a cooling fluid. The cooling fluid can be used both for cooling and for heating and can also be referred to as a tempering fluid. The inlet and the outlet are formed by media lines. As already described, these media lines are formed by aligned media openings in the fuel cells and in at least one of the two collector plates. In the individual fuel cells, the cooling fluid flows through the respective fuel cell from the supply line into the discharge line. In the technology presented here, it is provided to use this cooling fluid in addition to the tempering of at least one of the two current collector plates.

Hierzu umfasst der Brennstoffzellenstapel eine Temperiervorrichtung für zumindest eine der beiden Stromabnehmerplatten. Die Temperiervorrichtung befindet sich dabei in der Stromabnehmerplatte und/oder an der Außenseite der Stromabnehmerplatte. Die Innenseite der Stromabnehmerplatte bleibt dabei unverändert und steht weiterhin vollflächig für den elektrischen Kontakt zur angrenzenden Brennstoffzelle zur Verfügung.For this purpose, the fuel cell stack comprises a temperature control device for at least one of the two current collector plates. The tempering device is located in the current collector plate and / or on the outside of the current collector plate. The inside of the pantograph plate remains unchanged and continues to be fully available for electrical contact with the adjacent fuel cell.

Die Temperiervorrichtung umfasst zumindest einen Medienkanal für das Kühlfluid. Der Medienkanal verbindet die Zuleitung mit der Ableitung und verläuft somit senkrecht zur Stapelachse. Der Medienkanal läuft in der Stromabnehmerplatte oder an der Außenseite der Stromabnehmerplatte von der Zuleitung zur Ableitung. Insbesondere ist der Medienkanal mäandernd geführt. Das Kühlfluid im Medienkanal erwärmt oder kühlt die Stromabnehmerplatte. The tempering device comprises at least one media channel for the cooling fluid. The media channel connects the supply line to the drain and thus runs perpendicular to the stack axis. The media channel runs in the pantograph plate or on the outside of the pantograph plate from the supply line to the drain. In particular, the media channel is meandering. The cooling fluid in the media channel heats or cools the current collector plate.

Eine herkömmliche Stromabnehmerplatte hat einen negativen Einfluss auf die Homogenität der Temperatur innerhalb des Brennstoffzellenstapels. Aufgrund ihrer großen thermischen Masse entzieht sie dem Brennstoffzellenstapel Wärme über thermische Leitung. Dies gilt insbesondere im dynamischen Betrieb des Brennstoffzellensystems, bei dem erwartungsgemäß schnelle Temperaturwechsel vollzogen werden, so beispielsweise beim Starten des Brennstoffzellensystems oder bei einem Wechsel zwischen Teillast und Volllast. Eine einfache thermische Isolierung des Brennstoffzellenstapels gegenüber der Stromabnehmerplatte ist nicht möglich, da dadurch die notwendige elektrische Verbindung unterbrochen wird.A conventional pantograph plate has a negative impact on the homogeneity of the temperature within the fuel cell stack. Due to its large thermal mass, it extracts heat from the fuel cell stack via thermal conduction. This is especially true in the dynamic operation of the fuel cell system, in which, as expected, rapid temperature changes are performed, such as when starting the fuel cell system or when switching between part load and full load. A simple thermal insulation of the fuel cell stack relative to the pantograph plate is not possible because it breaks the necessary electrical connection.

Vorzugsweise ist der Medienkanal der Temperiervorrichtung durch eine Nut auf der Außenseite der Stromabnehmerplatte gebildet. Diese Nut wird vorzugsweise durch eine angrenzende weitere Platte verschlossen. Bei dieser Konfiguration befindet sich der Medienkanal der Temperiervorrichtung „in der Stromabnehmerplatte“ und gleichzeitig „an der Außenseite“ der Stromabnehmerplatte.Preferably, the media channel of the temperature control device is formed by a groove on the outside of the current collector plate. This groove is preferably closed by an adjacent further plate. In this configuration, the media channel of the temperature control is "in the pantograph plate" and at the same time "on the outside" of the pantograph plate.

Auch in die weitere Platte kann vorzugsweise eine zur Stromabnehmerplatte hin offene Nut ausgebildet sein, wobei dann die beiden aufeinanderliegenden Nuten den Medienkanal der Temperiervorrichtung bilden.Also in the further plate can preferably be formed to the current collector plate open groove, in which case the two superimposed grooves form the media channel of the temperature control.

Ferner ist es bevorzugt vorgesehen, dass der vollständige Medienkanal der Temperiervorrichtung in einer an die Außenseite der Stromabnehmerplatte angrenzenden weiteren Platte ausgebildet ist. Da die weitere Platte direkt an die Außenseite der Stromabnehmerplatte angrenzt, befindet sich der Medienkanal der Temperiervorrichtung somit „an der Außenseite“ der Stromabnehmerplatte.Furthermore, it is preferably provided that the complete media channel of the temperature control device is formed in a further plate adjoining the outside of the current collector plate. Since the further plate is directly adjacent to the outside of the current collector plate, the media channel of the temperature control is thus "on the outside" of the current collector plate.

Die hier beschriebene „weitere Platte“ ist zur vollständigen oder teilweisen Ausbildung des Medienkanals der Temperiervorrichtung vorgesehen und kann deshalb als Temperierplatte bezeichnet werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Temperierplatte auch als Isolatorplatte zur elektrischen Isolierung zwischen der Endplatte und der Stromabnehmerplatte ausgebildet ist. The "further plate" described here is intended for the complete or partial formation of the media channel of the tempering device and can therefore be referred to as tempering plate. In particular, it is provided that the temperature control plate is also formed as an insulator plate for electrical insulation between the end plate and the current collector plate.

Vorzugsweise ist in dem Medienkanal der Temperiervorrichtung ein ansteuerbares Stellelement angeordnet. Das Stellelement ist angeordnet und ausgebildet zum Variieren einer Durchflussmenge an Kühlfluid durch den Medienkanal. Das Kühlfluid im Zulauf und Ablauf wird üblicherweise zentral für den gesamten Brennstoffzellenstapel gesteuert. Dabei werden insbesondere die Anforderungen der Brennstoffzellen berücksichtigt. Das hier vorgestellte separate Stellelement im Medienkanal der Temperiervorrichtung ermöglicht eine gezielte Änderung der Erwärmung bzw. Kühlung der Stromabnehmerplatte. Das Stellelement variiert dabei nur das für die Temperiervorrichtung abgezweigte Kühlfluid.Preferably, a controllable actuating element is arranged in the media channel of the temperature control. The actuator is arranged and configured to vary a flow rate of cooling fluid through the media channel. The cooling fluid in the inlet and outlet is usually controlled centrally for the entire fuel cell stack. In particular, the requirements of Fuel cells considered. The presented here separate actuator in the media channel of the temperature control allows a targeted change in the heating or cooling of the collector plate. The actuator varies only the diverted for the temperature control cooling fluid.

Das Stellelement ist insbesondere ein Drosselventil, mit dem die Durchflussmenge stufenlos variierbar ist. Ein ansteuerbarer Aktor bewegt vorzugsweise das Ventil.The control element is in particular a throttle valve, with which the flow rate is infinitely variable. A controllable actuator preferably moves the valve.

Des Weiteren umfasst die Temperiervorrichtung zumindest einen Sensor. Alle hier beschriebenen Sensoren sind zum Erfassen von Temperatur und/oder Druck des Kühlfluides ausgebildet. Das Stellelement ist in Abhängigkeit der mit dem Sensor erfassten Temperatur und/oder des mit dem Sensor erfassten Drucks ansteuerbar.Furthermore, the tempering device comprises at least one sensor. All of the sensors described here are designed to detect the temperature and / or pressure of the cooling fluid. The actuating element can be controlled as a function of the temperature detected by the sensor and / or of the pressure detected by the sensor.

Der Sensor ist vorzugsweise in der Stromabnehmerplatte oder in der an die Außenseite angrenzenden weiteren Platte angeordnet.The sensor is preferably arranged in the current collector plate or in the further plate adjacent to the outside.

Der Sensor erfasst Temperatur und/oder Druck des Kühlfluides entweder im Medienkanal der Temperiervorrichtung oder möglichst nah an der Abzweigung des Medienkanals von der Zuleitung bzw. möglichst nah an der Mündung des Medienkanals in die Ableitung.The sensor detects temperature and / or pressure of the cooling fluid either in the media channel of the temperature control or as close to the branch of the media channel from the supply line or as close to the mouth of the media channel in the derivative.

Besonders bevorzugt befinden sich ein erster Sensor im Bereich der Zuleitung und ein zweiter Sensor im Bereich der Ableitung. Die Sensoren müssen dabei nicht unmittelbar in der Zuleitung oder Ableitung angeordnete sein. Entscheidend ist, dass der erste Sensor relativ nahe an der Zuleitung die Werte erfasst und der zweite Sensor relativ nahe an der Ableitung die Werte erfasst.Particularly preferred are a first sensor in the supply line and a second sensor in the region of the derivative. The sensors do not have to be arranged directly in the supply line or discharge line. It is crucial that the first sensor detects the values relatively close to the feed line and the second sensor detects the values relatively close to the feed line.

Das Stellelement ist vorzugsweise in Abhängigkeit der erfassten Werte beider Sensoren ansteuerbar. Insbesondere ist das Stellelement in Abhängigkeit eines Unterschieds zwischen der vom ersten Sensor erfassten Temperatur und der vom zweiten Sensor erfassten Temperatur ansteuerbar. Zusätzlich oder alternativ ist vorzugsweise das Stellelement in Abhängigkeit eines Unterschieds zwischen dem vom ersten Sensor erfassten Druck und dem vom zweiten Sensor erfassten Druck ansteuerbar.The actuating element can preferably be activated as a function of the detected values of both sensors. In particular, the actuating element can be controlled as a function of a difference between the temperature detected by the first sensor and the temperature detected by the second sensor. Additionally or alternatively, preferably, the actuating element is controllable in dependence on a difference between the pressure detected by the first sensor and the pressure detected by the second sensor.

Die Ansteuerung des Stelleelements in Abhängigkeit der erfassten Werte erfolgt vorzugsweise mittels eines Steuergeräts.The control of the control element as a function of the detected values is preferably carried out by means of a control device.

Anstatt der Ansteuerung des Stellelements über ein Steuergerät und entsprechende Sensoren, ist auch bevorzugt vorgesehen, ein passives Stellelement zu verwenden. Das passive Stellelement kann manuell eingestellt werden. Beispielsweise bei der Herstellung oder bei der Wartung des Brennstoffzellenstapels kann das Stellelement auf eine gewünschte Durchflussmenge eingestellt werden. Zusätzlich oder alternativ verändert das passive Stellelement die Durchflussmenge selbstständig, vorzugsweise in Abhängigkeit der Temperatur des Mediums und/oder des Drucks im Medienkanal. Beispielsweise mit einem Bimetall kann die passive Steuerung in Abhängigkeit der Temperatur erfolgen. Beispielsweise mit einem federbelasteten Element kann die passive Steuerung in Abhängigkeit des Drucks erfolgen.Instead of the control of the actuating element via a control unit and corresponding sensors, it is also preferably provided to use a passive control element. The passive actuator can be adjusted manually. For example, in the manufacture or maintenance of the fuel cell stack, the actuator can be set to a desired flow rate. Additionally or alternatively, the passive actuator changes the flow rate independently, preferably as a function of the temperature of the medium and / or the pressure in the media channel. For example, with a bimetal, the passive control can be done depending on the temperature. For example, with a spring-loaded element, the passive control can be done in dependence of the pressure.

Die offenbarte Technologie umfasst ferner in Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem umfasst zumindest einen der beschriebenen Brennstoffzellenstapel. Die mit dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie wird vorzugsweise zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet.The disclosed technology further includes a vehicle having a fuel cell system. The fuel cell system comprises at least one of the described fuel cell stacks. The electrical energy generated by the fuel cell system is preferably used to drive the vehicle.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht des hier offenbarten Brennstoffzellenstapels,
2 eine Stromabnehmerplatte des Brennstoffzellenstapels, und
3 eine weitere schematische Ansicht des Brennstoffzellenstapels.

The technology disclosed herein will now be explained with reference to the figures. Show it:

1 a schematic view of the fuel cell stack disclosed herein,
2 a pantograph plate of the fuel cell stack, and
3 another schematic view of the fuel cell stack.

Die 1 bis 3 erläutern einen Brennstoffzellenstapel 1 mit einer Temperiervorrichtung zum Kühlen bzw. Erwärmen zumindest einer Stromabnehmerplatte 2 des Brennstoffzellenstapels 1.The 1 to 3 explain a fuel cell stack 1 with a tempering device for cooling or heating at least one pantograph plate 2 of the fuel cell stack 1 ,

1 zeigt schematisch vereinfacht den Brennstoffzellenstapel 1 mit mehreren entlang einer Stapelachse 4 aneinander gestapelten Brennstoffzellen 3. An den stirnseitigen Enden des Brennstoffzellenstapels 1 befinden sich jeweils Endplatten 5. Zwischen der jeweiligen Endplatte 5 und den Brennstoffzellen 3 befindet sich eine der Stromabnehmerplatten 2. Im gezeigten Beispiel sind die Stromabnehmerplatten 2 über Isolatorplatten 6 gegenüber den Endplatten 5 elektrisch isoliert. Die beiden Stromabnehmerplatten 2 bilden die Anode und Katode des gesamten Brennstoffzellenstapels 1. 1 shows schematically simplified the fuel cell stack 1 with several along a stack axis 4 stacked fuel cells 3 , At the front ends of the fuel cell stack 1 are each end plates 5 , Between the respective end plate 5 and the fuel cells 3 there is one of the pantograph plates 2 , In the example shown are the pantograph plates 2 over insulator plates 6 opposite the end plates 5 electrically isolated. The two pantograph plates 2 form the anode and cathode of the entire fuel cell stack 1 ,

Über die in 1 linke Endplatte 5 erfolgt die Zu- und Abführung der Medien: Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlfluid. Dementsprechend verlaufen schematisch eingezeichnete Medienleitungen 9 parallel zur Stapelachse 4 von der Endplatte 5 durch die linke Isolatorplatte 6 und die linke Stromabnehmerplatte 2 zu den Brennstoffzellen 3About the in 1 left end plate 5 the supply and discharge of the media takes place: fuel, oxidizing agent and cooling fluid. Accordingly, schematically drawn media lines run 9 parallel to the stacking axis 4 from the end plate 5 through the left insulator plate 6 and the left pantograph plate 2 to the fuel cells 3

2 zeigt eine Draufsicht auf die in 1 links dargestellte Stromabnehmerplatte 2. Die Stromabnehmerplatte 2 weist, genauso wie die Brennstoffzellen 3, zwei Medienöffnungen 10 für das Kühlfluid und vier weitere Medienöffnungen 11 für die Reaktanden auf. Die im Brennstoffzellenstapel 1 fluchtenden Medienöffnungen 10, 11 bilden die Medienleitungen 9. 2 shows a plan view of the in 1 Left illustrated pantograph plate 2 , The pantograph plate 2 points, as well as the fuel cells 3 , two media openings 10 for the cooling fluid and four more media openings 11 for the reactants. The fuel cell stack 1 aligned media openings 10 . 11 form the media lines 9 ,

In 1 sind eine Innenseite 7 und eine Außenseite 8 der Stromabnehmerplatten 2 gekennzeichnet. 2 zeigt die Außenseite 8 der Stromabnehmerplatte 2. In dieser Außenseite 8 ist die Temperiervorrichtung durch einen Medienkanal 12 gebildet. Der Medienkanal 12 verbindet die beiden Medienöffnungen 10 des Kühlfluides. Im gezeigten Beispiel ist die rechte Medienöffnung 10 Teil der Zuleitung 17 des Kühlfluides und die linke Medienöffnung 10 Teil der Ableitung 18 des Kühlfluides.In 1 are an inside 7 and an outside 8th the pantograph plates 2 characterized. 2 shows the outside 8th the pantograph plate 2 , In this outside 8th is the temperature control device through a media channel 12 educated. The media channel 12 connects the two media openings 10 of the cooling fluid. In the example shown, the right-hand media opening is 10 Part of the supply line 17 of the cooling fluid and the left media port 10 Part of the derivation 18 of the cooling fluid.

Rein schematisch zeigt 2 einen mäandernden Medienkanal 12. Insbesondere können auch mehrere Medienkanäle 12 zwischen Zuleitung 17 und Ableitung 18 ausgebildet werden. Der zumindest eine Medienkanal 12 muss nicht gleichmäßig verlaufen, sondern kann zur gezielten Temperierung bestimmter Bereiche der Stromabnehmerplatte 2 gestaltet sein.Purely schematically shows 2 a meandering media channel 12 , In particular, several media channels can 12 between supply line 17 and derivative 18 be formed. The at least one media channel 12 does not have to run evenly, but can be used to specifically temper certain areas of the collector plate 2 be designed.

Der Medienkanal 12 umfasst eine Nut auf der Außenseite 8 der Stromabnehmerplatte 2. Auf dieser Außenseite 8 liegt die Isolatorplatte 6 auf, sodass die Isolatorplatte 6 die Nut verschließt. Alternativ ist auch vorgesehen, dass der Medienkanal 12 sich teilweise oder vollständig in einer weiteren, an der Außenseite 8 anliegenden Platte, insbesondere der gezeigten Isolatorplatte 6, befindet.The media channel 12 includes a groove on the outside 8th the pantograph plate 2 , On this outside 8th lies the insulator plate 6 on, so the insulator plate 6 the groove closes. Alternatively, it is also provided that the media channel 12 partially or completely in another, on the outside 8th adjacent plate, in particular the insulator plate shown 6 , is located.

Vorzugsweise ist an beiden Stromabnehmerplatten 2 die hier gezeigte Temperiervorrichtung vorgesehen. Die in 1 auf der rechten Seite gezeigte Stromabnehmerplatte 2 bedarf keiner weiteren Medienöffnung 11 für die Reaktanden. Hier sind insbesondere nur die beiden Medienöffnungen 10 für das Kühlfluid ausgebildet.Preferably, on both pantograph plates 2 provided the temperature control device shown here. In the 1 Current collector plate shown on the right side 2 requires no further media opening 11 for the reactants. Here are in particular only the two media openings 10 formed for the cooling fluid.

3 zeigt eine weitere schematische Ansicht des Brennstoffzellenstapels 1. Hier ist insbesondere der Verlauf des Kühlfluides eingezeichnet. Zu sehen sind die zwei parallelen Medienleitungen 9, die die Zuleitung 17 und die Ableitung 18 für das Kühlfluid bilden. Innerhalb der Brennstoffzellen 3 befinden sich entsprechende weitere Medienkanäle 16, sodass das Kühlfluid senkrecht zur Stapelachse 4 durch die Brennstoffzellen 3 hindurch fließen kann. 3 shows a further schematic view of the fuel cell stack 1 , Here in particular the course of the cooling fluid is shown. You can see the two parallel media lines 9 that the supply line 17 and the derivative 18 for the cooling fluid. Inside the fuel cell 3 are appropriate further media channels 16 so that the cooling fluid is perpendicular to the stacking axis 4 through the fuel cells 3 can flow through it.

Ferner zeigt 3 in den beiden Stromabnehmerplatten 2 den entsprechenden Medienkanal 12 zur Führung des Kühlfluides senkrecht zur Stapelachse 4 durch die Stromabnehmerplatten 2. Die im Folgenden beschriebene Regelung des Kühlfluides kann auch angewendet werden, wenn die Temperiervorrichtung nur an einer Stromabnehmerplatte 2 ausgebildet wird: Further shows 3 in the two pantograph plates 2 the corresponding media channel 12 for guiding the cooling fluid perpendicular to the stacking axis 4 through the pantograph plates 2 , The regulation of the cooling fluid described below can also be used if the temperature control device only on a pantograph plate 2 is trained:

Innerhalb der Stromabnehmerplatte 2, möglichst nah an der Zuleitung 17 bzw. Ableitung 18, ist jeweils ein Sensor 14 angeordnet. Mit dem jeweiligen Sensor 14 kann die Temperatur und/oder der Druck im Kühlfluid erfasst werden. Im Medienkanal 12 der Temperiervorrichtung befindet sich ein Stellelement 13. Ein Steuergerät 15 steuert über dieses Stellelement 13 die Durchflussmenge an Kühlfluid in Abhängigkeit der Werte der Sensoren 14.Inside the pantograph plate 2 , as close as possible to the supply line 17 or derivative 18 , is each a sensor 14 arranged. With the respective sensor 14 the temperature and / or the pressure in the cooling fluid can be detected. In the media channel 12 the temperature control is an actuator 13 , A control unit 15 controls via this control element 13 the flow rate of cooling fluid as a function of the values of the sensors 14 ,

Die schematische Darstellung zeigt das Stellelement 13 in der Mitte des Medienkanals 12. Allerdings kann das Stellelement 13 an beliebiger Stelle des Medienkanals 12, so auch an dessen Abzweigung oder Mündung, angeordnet werden.The schematic diagram shows the actuator 13 in the middle of the media channel 12 , However, the actuator can 13 anywhere in the media channel 12 , so be arranged at the junction or mouth.

Das Beispiel zeigt die Medienkanäle 12 in den Stromabnehmerplatten 2. Alternativ können der Medienkanäle 12 und insbesondere auch die Stellelemente 13 und Sensoren 14 in einer weiteren Platte, beispielsweise der Isolatorplatte 6, an der Außenseite 8 angeordnet werden.The example shows the media channels 12 in the pantograph plates 2 , Alternatively, the media channels 12 and in particular also the adjusting elements 13 and sensors 14 in another plate, for example the insulator plate 6 , on the outside 8th to be ordered.

Die Temperiervorrichtung kann z.B. für folgenden Fall genutzt werden: Bei einer Laststeigerung des Brennstoffzellenstapels 1 erwärmen sich die mittleren Brennstoffzellen 3 stärker als die Randzellen. Die Randzellen haben dadurch teilweise sogar einen negativen Gradienten der Temperatur entlang der Strömungsrichtung des Oxidationsmittels, insbesondere Luft. Durch Erhöhung der Durchflussmenge an Kühlfluid durch die Temperiervorrichtung reduziert sich dieser Gradient.The tempering device can be used, for example, for the following case: When the load on the fuel cell stack increases 1 the middle fuel cells warm up 3 stronger than the marginal cells. In some cases, the marginal cells even have a negative gradient of the temperature along the flow direction of the oxidizing agent, in particular air. By increasing the flow rate of cooling fluid through the temperature control, this gradient is reduced.

Vorzugsweise wird bei der Ansteuerung des Stelleelements 13 auch eine Leistung des Brennstoffzellenstapels 1 und/oder eine Temperatur im Zulauf oder Ablauf des Oxidationsmittels berücksichtigt.Preferably, in the control of the location element 13 also a performance of the fuel cell stack 1 and / or a temperature in the inlet or outlet of the oxidizing agent taken into account.

Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
22: StromabnehmerplattenCurrent collector plates
33: Brennstoffzellenfuel cells
44: Stapelachsestacking axis
55: Endplattenendplates
66: Isolatorplatteninsulator plates
77: Innenseiteinside
88th: Außenseiteoutside
99: Medienleitungenmedia lines
1010: Medienöffnungen des KühlfluidesMedia openings of the cooling fluid
1111: weitere Medienöffnungen der Reaktandenfurther media openings of the reactants
1212: Medienkanal der TemperiervorrichtungMedia channel of the temperature control
1313: Stellelementeactuators
1414: Sensorensensors
1515: Steuergerätcontrol unit
1616: weitere Medienkanäle in den Brennstoffzellenadditional media channels in the fuel cells
1717: Zuleitungsupply
1818: Ableitungderivation

Claims

Fuel cell stack (1) comprising Two end-face pantograph plates (2) and a plurality of stacked fuel cells (3) between the two pantograph plates (2), wherein perpendicular to the pantograph plates (2) and the fuel cells (3) a stacking axis (4) is defined, wherein an inside (7) the current collector plates (2) facing the fuel cells (3) and an outer side (8) facing away from the fuel cells (3), A supply line (17) and a discharge line (18) for a cooling fluid, each formed from parallel to the stacking axis (4) extending media lines (9) in the fuel cells (3) and in at least one of the pantograph plates (2), and A temperature control device with at least one media channel (11) in the at least one current collector plate (2) and / or on the outside (8) of the at least one current collector plates (2), wherein the media channel (11) the supply line (17) with the derivative ( 18) connects and perpendicular to the stacking axis (4).

Fuel cell stack after Claim 1 , wherein the media channel (11) of the temperature control device is formed by a groove on the outside (8) of the current collector plate (2).

Fuel cell stack after Claim 2 wherein the groove is closed by an adjacent further plate, preferably an insulator plate (6).

Fuel cell stack according to one of the preceding claims, wherein the media channel (11) of the temperature control device is formed in a further plate adjacent to the outside (8) of the current collector plate (2).

Fuel cell stack according to one of the preceding claims, wherein in the media channel (11) of the temperature control device a controllable adjusting element (13) for varying a flow rate through the media channel (11) is arranged.

Fuel cell stack after Claim 5 wherein the tempering device comprises at least one sensor (14) for detecting the temperature and / or pressure of the cooling fluid, and wherein the actuating element (13) is controllable in dependence on the detected temperature and / or the detected pressure.

Fuel cell stack after Claim 6 in which the sensor (14) is arranged in the current collector plate (2) or in a plate adjacent to the outside (8).

Fuel cell stack according to one of Claims 6 or 7 in which a first sensor (14) is arranged on the feed line (17) and a second sensor (14) is arranged on the discharge line (18) of the cooling fluid, the setting element (13) being dependent on a difference between that of the first sensor (14). detected temperature and the temperature detected by the second sensor (14) can be controlled, and / or wherein the actuating element (13) in response to a difference between the pressure detected by the first sensor (14) and the second sensor (14) detected pressure can be controlled ,

Fuel cell stack according to one of the preceding claims, wherein in the media channel (11) of the tempering a passive actuator for varying a flow rate through the media channel (11) is arranged.

Vehicle comprising a fuel cell system with at least one fuel cell stack (1) according to one of the preceding claims.