DE102017202705A1 - Fuel cell stack with distribution element in the media channel and manufacturing process - Google Patents
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Abstract
Hier offenbarte Technologie betrifft einen Brennstoffzellenstapel 100 mit mehreren Brennstoffzellen und mehreren Separatorplatten 110. Die Separatorplatten 110 bilden mindestens einen Medienkanal 120 zumindest teilweise aus.Der Medienkanal 120 stellt eine Fluidverbindung zwischen mindestens einem Medienanschluss 130 des Brennstoffzellenstapels 100 und den Brennstoffzellen her. Mindestens ein Verteilungselement 200 erstreckt sich im Medienkanal 120 von einem zum Medienanschluss 130 proximalen Bereich 230 zu einem zum Medienanschluss 130 distalen Bereich 220. Das Verteilungselement 200 ist eingerichtet, die Verteilung des Mediums auf die mehreren Brennstoffzellen zu beeinflussen.Technology disclosed herein relates to a fuel cell stack 100 having a plurality of fuel cells and a plurality of separator plates 110. The separator plates 110 at least partially form at least one media channel 120. The media channel 120 provides fluid communication between at least one media port 130 of the fuel cell stack 100 and the fuel cells. At least one distribution element 200 extends in the media channel 120 from a region 230 proximal to the media connection 130 to a region 220 distal to the media connection 130. The distribution element 200 is set up to influence the distribution of the medium among the plurality of fuel cells.
Description
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einem in einen Medienkanal angeordneten Verteilungselement. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels.The technology disclosed herein relates to a fuel cell stack having a distribution element disposed in a media channel. Further, the technology disclosed herein relates to a method of manufacturing a fuel cell stack.
Brennstoffzellenstapel als solche sind bekannt. Solche Brennstoffzellenstapel umfassen Medienkanäle, auch Medienports genannt, die Medien von den Medienanschlüssen zu den einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels fördern. Die einzelnen Brennstoffzellen sind in der Regel als Gleichteile ausgebildet. Aufgrund von Druckverlusten werden die einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels unterschiedlich mit Medien versorgt. Während der elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellen entsteht i.d.R. Produktwasser, welches zweckmäßig aus dem Stack ausgetragen werden sollte. Falls ein Kraftfahrzeug schräg abgestellt wurde kann der Fall eintreten, dass das Produktwasser schwerer abzuführen ist.Fuel cell stacks as such are known. Such fuel cell stacks include media channels, also called media ports, which convey media from the media ports to the individual fuel cells of the fuel cell stack. The individual fuel cells are usually designed as equal parts. Due to pressure losses, the individual fuel cells of the fuel cell stack are supplied differently with media. During the electrochemical reaction in the fuel cells i.d.R. Product water, which should be expediently discharged from the stack. If a motor vehicle has been turned off at an angle, it may happen that the product water is more difficult to remove.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Gleichverteilung der Medien und/oder den Produktwasseraustrag im Brennstoffzellenstapel zu verbessern, bevorzugt ohne dass sich gleichzeitig der benötigte Bauraum oder die Herstellkosten insbesondere bei Brennstoffzellenstapeln unterschiedlicher Leistung verschlechtern. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. 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 a previously known solution or to suggest an alternative solution. In particular, it is a preferred object of the technology disclosed here to improve the uniform distribution of the media and / or the product water discharge in the fuel cell stack, preferably without at the same time worsening the required installation space or production costs, in particular for fuel cell stacks of different power. Other preferred objects may result from the beneficial effects of the technology disclosed herein. The object (s) is / are solved by the subject matter of the independent claims. The dependent claims are preferred embodiments.
Die hier offenbarte Technologie betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Separatorplatten,
- - wobei die Separatorplatten mindestens einen Medienkanal zumindest teilweise ausbilden;
- - wobei der Medienkanal eine Fluidverbindung zwischen mindestens einem Medienanschluss des Brennstoffzellenstapels und den Brennstoffzellen herstellt;
- - wobei mindestens ein Verteilungselement sich im Medienkanal von einem zum Medienanschluss proximalen Bereich zu einem zum Medienanschluss distalen Bereich erstreckt, und wobei das Verteilungselement eingerichtet ist, die Verteilung des Mediums auf die mehreren Brennstoffzellen zu beeinflussen.
- - The separator plates form at least one medium channel at least partially;
- - wherein the media channel establishes a fluid connection between at least one media port of the fuel cell stack and the fuel cells;
- wherein at least one distribution element extends in the media channel from a region proximal to the media connection to a region distal to the media connection, and wherein the distribution element is set up to influence the distribution of the medium among the plurality of fuel cells.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst mindestens eine Brennstoffzelle. Der Brennstoffzellenstapel ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) 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®.The fuel cell stack comprises at least one fuel cell. The fuel cell stack is intended, for example, for mobile applications such as motor vehicles (for example passenger cars, motorcycles, commercial 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®.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Brennstoffzellenstapel. Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können.The technology disclosed herein further includes a fuel cell system having such a fuel cell stack. A fuel cell system comprises, in addition to the at least one fuel cell, peripheral system components (BOP components) which can be used during operation of the at least one fuel cell.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel.The fuel cell system includes an anode subsystem formed by the fuel-bearing components of the fuel cell system. The main task of the Anodensubsystems is the introduction and distribution of fuel to the electrochemically active surfaces of the anode compartment and the removal of anode exhaust gas. The fuel cell system includes a cathode subsystem. The cathode subsystem is formed from the oxidant-carrying components. The main task of the cathode subsystem is the introduction and distribution of oxidant to the electrochemically active surfaces of the cathode compartment and the removal of unconsumed oxidant.
Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 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.The fuel cells of the fuel cell stack usually comprise two separator plates. The ion-selective separator of a fuel cell is usually arranged in each case 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. In the separator plates are preferably provided gas channels for fuel or for oxidants.
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.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.
Zwischen den ionenselektiven Separatoren und den Separatorplatten sind i.d.R. noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.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 mehreren Separatorplatten des Brennstoffzellenstapels bilden mindestens einen Medienkanal mit aus. Bevorzugt sind mehrere Medienkanäle vorgesehen, beispeilsweise für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und/oder das Kühlmittel. Bevorzugt können die Medienkanäle als Einlasskanäle oder als Auslasskanäle ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist der Medienkanal ein Gasauslasskanal, insbesondere für den Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel.The plurality of separator plates of the fuel cell stack form at least one media channel. Preferably, a plurality of media channels are provided, for example for the fuel, the oxidizing agent and / or the coolant. Preferably, the media channels may be formed as inlet channels or as outlet channels. Particularly preferably, the media channel is a gas outlet channel, in particular for the fuel and / or the oxidizing agent.
Gemäß der hier offenbarten Technologie bilden die mehreren Separatorplatten zusammen zumindest teilweise gemeinsam im montierten Zustand den Medienkanal mit aus. Hierzu kann jede der Separatorplatten mindestens ein Durchgangsloch aufweisen. Bevorzugt weisen die Separatorplatten mehrere Durchgangslöcher auf, wobei die Durchgangslöcher jeweils einen Medienkanal mit ausbilden. Bevorzugt sind die Separatorplatten sowie die entsprechenden Durchgangslöcher gleich aufgebaut. Insbesondere weisen die Durchgangslöcher der Separatorplatten dieselbe Geometrie auf. Bevorzugt können also die Separatorplatten als Gleichteile gefertigt werden. Beispielsweise können die Durchgangslöcher während der Herstellung der Separatorplatten durch Ausstanzen hergestellt werden.According to the technology disclosed herein, the plurality of separator plates together at least partially together in the assembled state of the media channel with. For this purpose, each of the separator plates have at least one through hole. Preferably, the separator plates on a plurality of through holes, wherein the through holes each form a media channel with. Preferably, the separator plates and the corresponding through holes are of identical construction. In particular, the through holes of the separator plates have the same geometry. Preferably, therefore, the separator plates can be manufactured as equal parts. For example, the through-holes may be made by punching during the manufacture of the separator plates.
Bevorzugt sind im gestapelten Zustand des Brennstoffzellenstapels die Durchgangslöcher der einzelnen Separatorplatten, die zusammen einen Medienkanal ausbilden, in Stapelrichtung gesehen und miteinander fluchtend angeordnet.Preferably, in the stacked state of the fuel cell stack, the through holes of the individual separator plates, which together form a media channel, seen in the stacking direction and arranged in alignment with each other.
Der Brennstoffzellenstapel kann mindestens einen Medienanschluss aufweisen. Der Medienanschluss ist eingerichtet, mit mindestens einer weiteren fluidführenden Leitung des Brennstoffzellensystems verbunden zu werden. Beispielsweise können Medienanschlüsse des Brennstoffzellenstapels mit weiteren Komponenten des Anodensubsystems, des Kathodensubsystems oder des Kühlkreises verbunden werden. Insbesondere können die Medienanschlüsse so gestaltet sein, dass sie von außerhalb des Brennstoffzellenstapels zwecks Kopplung zugänglich sind. The fuel cell stack may have at least one media connection. The media connection is set up to be connected to at least one further fluid-carrying line of the fuel cell system. For example, media connections of the fuel cell stack can be connected to other components of the anode subsystem, the cathode subsystem or the cooling circuit. In particular, the media ports may be configured to be accessible from outside the fuel cell stack for coupling.
Bevorzugt ist der Medienanschluss ein Gasauslassanschluss, insbesondere für Brennstoff oder Oxidationsmittel.The media connection is preferably a gas outlet connection, in particular for fuel or oxidant.
Gemäß der hier offenbarten Technologie kann der Medienkanal eine Fluidverbindung zwischen dem mindestens einen Medienanschluss und den Verbindungskanälen der Brennstoffzellen bzw. Separatorplatten herstellen. Mit anderen Worten strömt durch den Medienkanal das Medium zu den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels. Hierzu können in den Separatorplatten oder anderen Elementen der einzelnen Brennstoffzellen Verbindungskanäle vorgesehen sein, die von dem jeweiligen Medienkanal abzweigen und in dem Flussfeld der Separatorplatte bzw. der aktiven Fläche der Brennstoffzelle münden.According to the technology disclosed herein, the media channel may establish fluid communication between the at least one media port and the connection channels of the fuel cells or separator plates. In other words, the medium flows through the media channel to the fuel cells of the fuel cell stack. For this purpose, connecting channels can be provided in the separator plates or other elements of the individual fuel cells which branch off from the respective media channel and open into the flow field of the separator plate or the active surface of the fuel cell.
In dem mindestens einem Medienkanal kann mindestens ein Verteilungselement angeordnet sein. Bevorzugt ist in jedem Medienkanal mindestens ein Verteilungselement angeordnet. Das Verteilungselement kann insbesondere ein Einlegeteil sein. Das Verteilungselement kann sich im Medienkanal von einem zum Medienanschluss proximalen Bereich zu einem zum Medienanschluss distalen Bereich erstrecken. Das Verteilungselement ist eingerichtet, die Verteilung des Mediums auf verschiedene Brennstoffzellen zu beeinflussen. Bevorzugt ist das Verteilungselement eingerichtet, die Verteilung des Mediums auf die verschiedenen Brennstoffzellen im Vergleich zum Medienkanal ohne Verteilungselement zu vergleichmäßigen. Mit anderen Worten wird also bei eingebautem Verteilungselement eine gleichmäßigere Verteilung des Mediums auf die verschiedenen Brennstoffzellen erzielt als bei ausgebautem Verteilungselement.At least one distribution element can be arranged in the at least one media channel. Preferably, at least one distribution element is arranged in each media channel. The distribution element may in particular be an insert. The distribution element may extend in the media channel from a region proximal to the media connection to a region distal to the media connection. The distribution element is set up to influence the distribution of the medium to different fuel cells. Preferably, the distribution element is set up to equalize the distribution of the medium to the various fuel cells compared to the media channel without distribution element. In other words, a more uniform distribution of the medium to the various fuel cells is thus achieved when the distribution element is installed than when the distribution element has been removed.
Das Verteilungselement und der Medienkanal können insbesondere derart ausgebildet sein, dass mehrere Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels unabhängig von ihrer Position im Brennstoffzellenstapel im Wesentlichen gleich mit dem durch den Medienkanal strömenden Medium versorgt werden. „Im Wesentlichen gleich“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Abweichung in den den verschiedenen Brennstoffzellen zugeführten Mengen an Medium sich nur im vernachlässigbaren kleinen Umfang unterscheiden, der für den effizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems unbeachtlich ist, beispielsweise weniger als 10% Massenstromabweichung und besonders bevorzugt weniger als 5% Massenstromabweichung.The distribution element and the media channel can in particular be designed in such a way that a plurality of fuel cells of the fuel cell stack are supplied with the medium flowing through the medium channel substantially independently of their position in the fuel cell stack. "Essentially equal" in this context means that the deviations in the amounts of medium supplied to the various fuel cells differ only to a negligible small extent, which is irrelevant to the efficient operation of the fuel cell system, for example less than 10% mass flow deviation and particularly preferably less as 5% mass flow deviation.
Hierzu kann vorgesehen sein, dass das Verteilungselement senkrecht zur Längsachse des Verteilungselement (bzw. in Stapelrichtung der Separatorplatten im montierten Zustand) unterschiedlich große Querschnittsflächen aufweist, wobei das Verteilungselement im distalen Bereich eine größere Querschnittsfläche aufweist als im proximalen Bereich.For this purpose, it may be provided that the distribution element is perpendicular to the longitudinal axis of the Distribution element (or in the stacking direction of the separator plates in the mounted state) has different sized cross-sectional areas, wherein the distribution element in the distal region has a larger cross-sectional area than in the proximal region.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Verbindungskanäle vom Medienkanal zu den Brennstoffzellen bzw. zu den Separatorplatten durch das Verteilungselement im unterschiedlichen Maße verschlossen werden, wobei ein Verbindungskanal im distalen Bereich weniger verschlossen wird als ein Verbindungskanal im proximalen Bereich.Alternatively or additionally, it may be provided that the connection channels are sealed to a different extent by the distribution element from the media channel to the fuel cells or to the separator plates, wherein a connection channel is less closed in the distal region than a connection channel in the proximal region.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Verteilungselement im distalen Bereich eine größere Porösität aufweist als im proximalen Bereich. Eine größere Porösität geht damit einher, dass das Medium vergleichsweise einfach durch das Verteilungselement zu dem jeweiligen Verbindungskanal im distalen Bereich strömen kann, wohingegen die geringere Porösität im proximalen Bereich einen größeren Strömungswiderstand darstellt. Somit wird also durch Variation vom Strömungswiderstand durch das Verteilungselement eine Gleichverteilung des Mediums auf die verschiedenen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels erwirkt.Alternatively or additionally, it can be provided that the distribution element has a greater porosity in the distal region than in the proximal region. A greater porosity is associated with the fact that the medium can flow comparatively easily through the distribution element to the respective connecting channel in the distal region, whereas the lower porosity in the proximal region represents a greater flow resistance. Thus, by variation of the flow resistance through the distribution element, a uniform distribution of the medium to the different fuel cells of the fuel cell stack is obtained.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass für zwei Brennstoffzellenstapel mit jeweils einer unterschiedlichen Gesamtzahl an Separatorplatten im jeweiligen Brennstoffzellenstapel unterschiedliche Verteilungselemente in den mindestens einen Medienkanal des jeweiligen Brennstoffzellenstapels vorgesehen sind, und wobei die zwei Brennstoffzellenstapel gleichzeitig dieselben Separatorplatten aufweisen. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Länge und die Querschnittsfläche in einer Richtung senkrecht zur Längsachse des Verteilungselementes über die Länge des Verteilungselementes mit der Gesamtzahl an Separatorplatten im Brennstoffzellenstapel variiert. Die Verteilungselemente für die zwei unterschiedlichen Brennstoffzellenstapel unterscheiden sich beispielsweise in ihrer Länge und/oder in ihrem Querschnittsflächenprofil in Richtung der Längsachse. Ebenso könnte der Durchströmquerschnitt zu den Verbindungskanälen und/oder die Porösität des Verteilungselementes variiert werden, um eine bessere Gleichverteilung für unterschiedlich lange Brennstoffzellenstapel zu erzielen. Vorteilhaft können somit Brennstoffzellenstapel unterschiedlicher Leistung bereitgestellt werden, die hinsichtlich ihrer Medienverteilung zu den einzelnen Brennstoffzellen optimiert sind, ohne dass hierzu verschiedene Brennstoffzellen bzw. Separatorplatten vorgesehen sein müssen. Somit können für verschiedene Brennstoffzellenstapel die Separatorplatten als Gleichteile ausgebildet werden, was maßgeblich zur Reduktion der Herstellungskosten beitragen kann.It can preferably be provided that for two fuel cell stacks each having a different total number of separator plates in the respective fuel cell stack, different distribution elements are provided in the at least one media channel of the respective fuel cell stack, and wherein the two fuel cell stacks simultaneously have the same separator plates. It can preferably be provided that the length and the cross-sectional area in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the distribution element over the length of the distribution element varies with the total number of separator plates in the fuel cell stack. The distribution elements for the two different fuel cell stacks differ, for example, in their length and / or in their cross-sectional area profile in the direction of the longitudinal axis. Likewise, the flow cross-section to the connecting channels and / or the porosity of the distribution element could be varied in order to achieve a better uniform distribution for fuel cell stacks of different lengths. Advantageously, fuel cell stacks of different power can thus be provided, which are optimized with regard to their media distribution to the individual fuel cells, without the need for different fuel cells or separator plates. Thus, the Separatorplatten can be designed as a common part for different fuel cell stack, which can contribute significantly to the reduction of manufacturing costs.
Der proximale Bereich ist dabei ein Bereich, der in einem geringeren Abstand zum Medienanschluss angeordnet ist als der distale Bereich. Bevorzugt befindet sich der proximale Bereich unmittelbar benachbart zum Medienanschluss des Brennstoffzellenstapels, die in der Regel in der Endplatte oder benachbart zu einer Endplatte vorgesehen sind. Bevorzugt ist der distale Bereich unmittelbar benachbart zu dem Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnet, an dem nicht der Medienanschluss vorgesehen ist. Mit anderen Worten kann an diesen Ende also nicht das Medium abfließen.The proximal region is an area which is arranged at a smaller distance from the media connection than the distal region. Preferably, the proximal region is immediately adjacent the media port of the fuel cell stack, which is typically provided in the end plate or adjacent to an end plate. Preferably, the distal region is disposed immediately adjacent to the end of the fuel cell stack to which the media port is not provided. In other words, the medium can not drain away at this end.
Im Verteilungselement kann mindestens ein Förderkanal vorgesehen sein. Das Verteilungselement kann derart angeordnet und ausgebildet sein, dass der Förderkanal Flüssigkeit und/oder Medium vom distalen Bereich zum proximalen Bereich fördert. Vorteilhaft an einer solchen Ausgestaltung ist, dass selbst bei einer ungünstigen Anordnung des Brennstoffzellenstapels, beispielsweise bei einer Schräglage des Brennstoffzellenstapels im Vergleich zu seiner normalen Einbaulage, etwaiges Produktwasser abtransportiert werden kann. Falls beispielsweise ein Kraftfahrzeug in einer extremen Schräglage betrieben wird, kann trotzdem während des Betriebs des Brennstoffzellensystems durch den Kanal das Produktwasser abtransportiert werden. Hierzu kann das Produktwasser beispielsweise am distalen Ende benachbart zur Endplatte in den Förderkanal strömen, der das Produktwasser dann zum proximalen Ende am Medienanschluss, bevorzugt am Medienauslass aus dem Stapel, fördert. Der Medienkanal kann beispielsweise durch einen offenen Kanal auf der Rückseite des Verteilungselements ausgebildet werden. In diesem Fall bilden dann die Wandung des Medienkanals und das Verteilungselement den Förderkanal aus. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Förderkanal komplett im Verteilungselement ausgebildet sein. Wird das Produktwasser komplett ausgetragen, so kann sich das Froststartverhalten verbessern.At least one delivery channel can be provided in the distribution element. The distribution element may be arranged and configured such that the delivery channel conveys liquid and / or medium from the distal region to the proximal region. An advantage of such a configuration is that even with an unfavorable arrangement of the fuel cell stack, for example in an inclined position of the fuel cell stack compared to its normal installation position, any product water can be removed. If, for example, a motor vehicle is operated in an extreme inclined position, the product water can still be transported away during operation of the fuel cell system through the channel. For this purpose, the product water can flow, for example, at the distal end adjacent to the end plate into the conveying channel, which then conveys the product water to the proximal end at the media connection, preferably at the media outlet from the stack. The media channel can be formed for example by an open channel on the back of the distribution element. In this case, then form the wall of the media channel and the distribution element from the conveyor channel. In a further embodiment, the delivery channel can be completely formed in the distribution element. If the product water is discharged completely, the frost start behavior may improve.
Besonders bevorzugt ist im proximalen Bereich am Verteilungselement eine Strahlpumpe bzw. Venturidüse-Düse ausgebildet. Eine Strahlpumpe umfasst generell ein Rohrstück mit einer Querschnittsverengung, bspw. durch zwei gegeneinander gerichtete Konen, die an der Stelle ihres geringsten Durchmessers vereint sind. An dieser verengten Stelle oder benachbart hierzu endet hier der Förderkanal. Das Ende des Förderkanals wird mit dem Medium des Medienkanals umströmt, dass dann als Treibmittel fungiert. Mit einer solchen Strahlpumpe lässt sich vorteilhaft die im Abgas enthaltene Strömungsenergie zum Fördern der Flüssigkeit nutzen. Eine solche Strahlpumpe ist vergleichsweise günstig, ausfallsicher und benötigt vergleichsweise wenig Platz.Particularly preferably, a jet pump or venturi nozzle is formed in the proximal region on the distribution element. A jet pump generally comprises a pipe section with a cross-sectional constriction, for example by two oppositely directed cones, which are united at the point of their smallest diameter. At this constricted point or adjacent thereto ends here the delivery channel. The end of the conveyor channel is flowed around with the medium of the media channel, which then acts as a propellant. With such a jet pump, the flow energy contained in the exhaust gas can advantageously be used to convey the liquid. Such a jet pump is comparatively cheap, failsafe and requires comparatively little space.
Der hier offenbarte Brennstoffzellenstapel kann ferner eine Heizeinrichtung umfassen, die eingerichtet ist, den Förderkanal zu erwärmen. Besonders bevorzugt ist die Heizeinrichtung in dem Verteilungselement vorgesehen. Besonders bevorzugt ist die Heizeinrichtung eine elektrische Heizeinrichtung. Eine solche Heizeinrichtung hat den Vorteil, dass eventuell gefrorenes Wasser leichter aufgetaut werden kann. Hierzu kann beispielsweise eine Heizspirale konzentrisch zum Förderkanal angeordnet sein. Aber auch andere Ausgestaltung sind vorstellbar.The fuel cell stack disclosed herein may further include a heater that is set up to heat the conveyor channel. Particularly preferably, the heating device is provided in the distribution element. Particularly preferably, the heating device is an electrical heating device. Such a heater has the advantage that any frozen water can be thawed more easily. For this purpose, for example, a heating coil can be arranged concentrically to the delivery channel. But other design are conceivable.
Bevorzugt umfasst das Verteilungselement eine so geringe Leitfähigkeit auf, dass es nicht zu Kurzschlussströme zwischen benachbarten Separatorplatten kommen kann. Bevorzugt ist das Verteilungselement so angeordnet, dass es im Medienkanal nicht vibriert bzw. nicht verrutscht. Bevorzugt ist das Verteilungselement derart ausgebildet und eingerichtet, dass sich kein Produktwasser zwischen einer Wand des Medienkanals und der Rückseite des Verteilerelements ansammeln kann.The distribution element preferably has such a low conductivity that it can not lead to short-circuit currents between adjacent separator plates. Preferably, the distribution element is arranged so that it does not vibrate or slip in the media channel. Preferably, the distribution element is designed and arranged such that no product water can accumulate between a wall of the media channel and the back of the distribution element.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels. Das Verfahren umfasst den Schritt: Anordnen von mindestens einem Verteilungselement in mindestens einem von mehreren Separatorplatten ausgebildeten Medienkanal vor, während und/oder nach dem Stapeln von mehreren Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, wobei es sich bevorzugt um das hier offenbarte Verbindungselement, die hier offenbarten Separatorplatten und den hier offenbarte Medienkanal handelt.The technology disclosed herein further includes a method of manufacturing a fuel cell stack. The method comprises the step of arranging at least one distribution element in at least one media channel formed by a plurality of separator plates before, during, and / or after stacking a plurality of fuel cells into a fuel cell stack, preferably the interconnect element disclosed herein, the separator plates disclosed herein, and is the media channel disclosed here.
Das hier offenbarte Verfahren kann die Schritte umfassen:
- a) Bereitstellen des Verteilungselements; und
- b) Stapeln der mehreren Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels; wobei das Verteilungselement die zu stapelnden Brennstoffzellen während des Stapelns positioniert.
- a) providing the distribution element; and
- b) stacking the plurality of fuel cells of the fuel cell stack; wherein the distribution member positions the fuel cells to be stacked during stacking.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Verfahren zur Herstellung von zwei unterschiedlichen Brennstoffzellenstapeln, wobei für zwei Brennstoffzellenstapel mit einer unterschiedlichen Gesamtzahl an Separatorplatten im Brennstoffzellenstapel unterschiedliche Verteilungselemente in den mindestens einen Medienkanal vorgesehen sind, und wobei die zwei Brennstoffzellenstapel dieselben Separatorplatten aufweisen.The technology disclosed herein further includes a method of manufacturing two different fuel cell stacks, wherein for two fuel cell stacks having a different total number of separator plates in the fuel cell stack, different distribution elements are provided in the at least one media channel, and wherein the two fuel cell stacks have the same separator plates.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie die Einbringung eines insbesondere nichtleitenden Elements in den Port (=Medienkanal) eines zusammengebauten Brennstoffzellenstapels, um den Querschnitt über die Zellebenen anzupassen, sodass jede Zelle unabhängig von Ihrer Position im Brennstoffzellenstack gleich mit Medien verteilt wird, wobei die Zelle vorteilhaft ein Gleichteil ist.In other words, the technology disclosed herein involves introducing a particular nonconducting element into the port of an assembled fuel cell stack to match the cross section across the cell planes such that each cell is distributed equally with media, regardless of their position in the fuel cell stack Cell is advantageously a common part.
Insbesondere kann der Portdurchmesser vom Medienport in Abhängigkeit von der Position der Zelle variiert werden. Der Einleger (=Verteilungselement) kann sich so an der Kontur des Ports und/oder der Endplatten abstützen, dass eine Vibration oder Verrutschen ausgeschlossen ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Einleger so ausgestaltet sein, dass er die Anströmung von mindestens einer Durchtrittsöffnung zum Strömungsfeld einer Einzelzelle bzw. einer Separatorplatte verringert bzw. zumindest teilweise verhindert. Somit kann die Verteilung der Flüsse zwischen den Zellen noch genauer beeinflusst werden.In particular, the port diameter of the media port can be varied depending on the position of the cell. The insert (= distribution element) can be supported on the contour of the port and / or the end plates so that vibration or slippage is excluded. Alternatively or additionally, the insert may be designed such that it reduces or at least partially prevents the flow of at least one passage opening to the flow field of a single cell or a separator plate. Thus, the distribution of fluxes between cells can be more accurately influenced.
Der Einleger kann ausgebildet sein, dass sich wenig oder bevorzugt keine Flüssigkeit zwischen dem Einleger und den Dichtungslinien sammeln kann. Insbesondere kann die Rückseite des Einlegers gegen die Separatorplatte pressen. Bevorzugt kann die Rückseite so verformbar ausgebildet sein, dass die durch die Zellen bzw. Separatorplatten gebildeten Konturen zumindest bereichsweise geschlossen werden.The insert may be configured so that little or preferably no liquid can collect between the insert and the seal lines. In particular, the back of the insert can press against the separator plate. Preferably, the rear side can be formed so deformable that the contours formed by the cells or separator plates are closed at least partially.
Bevorzugt weist der Einleger eine geringe und insbesondere im Vergleich zu den Separatorplatten geringere thermische Masse auf. Vorteilhaft kann somit die Kondensationsbildung verringert bzw. vermieden werden. Vorteilhaft kann mindestens eine Oberfläche des Einlegers derart ausgebildet sein, dass die Wahrscheinlichkeit einer Ausbildung eine Flüssigkeits-Filmbildung verringert bzw. vermieden wird. Hierzu kann beispielsweise eine hydrophobe Schicht/Material vorgesehen sein.Preferably, the insert has a low and, in comparison to the separator plates, lower thermal mass. Advantageously, the formation of condensation can thus be reduced or avoided. Advantageously, at least one surface of the insert can be designed such that the likelihood of formation reduces or avoids liquid film formation. For this purpose, for example, a hydrophobic layer / material may be provided.
Zweckmäßig weist der Einleger eine elektrische Leitfähigkeit auf, die so gering ist, das Kurzschlussströme zwischen Separatorplatten unterbunden werden.Suitably, the insert has an electrical conductivity which is so low that short-circuit currents between separator plates are prevented.
Der Einleger kann in einer Ausgestaltung während des Stapelvorgangs und/oder danach in den Port eingebracht werden. Vorteilhaft kann das Verteilungselement dabei im Port verklemmt und/oder verrastet werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Verteilungselement auch stoffschlüssig verbunden werden, beispielsweise mittels eines Klebers. Zweckmäßig kann dazu das Verteilungselement durch den Medienanschluss eingeschoben werden. Ferner vorteilhaft ist hierzu der Medienkanal im Wesentlichen gerade und Hinterschneidungsfrei ausgebildet. „Im Wesentlichen“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass für die generelle Strömungsführung und für das Einschieben vernachlässigbare Krümmungen bzw. Hinterschneidungen unbeachtlich sind. Das Verteilungselement kann hier vorteilhaft zusätzlich als Führung der Zellen während des Stapels verwendet werden. Es dient also als interner Anschlag, der im Stack verbleibt.The insert can be introduced in one embodiment during the stacking process and / or thereafter in the port. Advantageously, the distribution element can be jammed in the port and / or locked. Alternatively or additionally, the distribution element can also be materially connected, for example by means of an adhesive. Appropriately, the distribution element can be inserted through the media connection. Further advantageous for this purpose, the media channel is formed substantially straight and undercut substantially. "Essentially" in this context means that negligible curvatures or undercuts are irrelevant for the general flow guidance and for insertion. The distribution element can be advantageously used here additionally as a guide of the cells during the stack. So it serves as an internal stop, which remains in the stack.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Verteilungselement derart ausgebildet und angeordnet ist, dass es während des Stapels des Brennstoffzellenstapels als Montagehilfe und insbesondere als Positionierelement für die zu stapelnden Elemente (z.B. Separatorplatten, etc.) dient. Ebenso kann an der Rückwand des Verteilungselementes ein Material angeordent sein, dass sich über Zeit ausdehnt bzw. aufschwillt. Somit kann die Abstützung verbessert werden und/oder ein Ansammeln von Flüssigkeit zwischen Rückwand des Verteilungselementes und der Wandung vom Medienkanal verringert werden. Alternatively or additionally, it can be provided that the distribution element is designed and arranged such that it serves as an assembly aid during the stack of the fuel cell stack and in particular as a positioning element for the elements to be stacked (eg separator plates, etc.). Likewise, a material can be arranged on the rear wall of the distribution element that expands or swells over time. Thus, the support can be improved and / or a build-up of liquid between the rear wall of the distribution element and the wall can be reduced by the media channel.
Der Einleger kann ein elektrisches Heizelement enthalten, um bei Temperaturen unter 0°C Eis zu entfernen. Ferner kann ein Wasserrückführungskanal im Einleger eingebracht sein. Dieser kann vom entgegengesetzten Ende (Terminal End-Plate) angesammeltes Wasser über den Kanal an der Medienplatte austragen. Bevorzugt kann hierzu eine Venturidüse vorgesehen sein.The insert may include an electrical heating element to remove ice at temperatures below 0 ° C. Furthermore, a water return channel can be introduced in the insert. This can discharge accumulated water from the opposite end (terminal end plate) via the channel on the media plate. Preferably, a Venturi nozzle can be provided for this purpose.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Querschnittsansicht durch einen Brennstoffzellenstapel 100 entlang der Schnittlinie A-A der2 ; und -
2 eine schematische Querschnittsansicht durch einen Brennstoffzellenstapel 100 entlang der Schnittlinie B-B der1 .
-
1 a schematic cross-sectional view through afuel cell stack 100 along the section line AA of2 ; and -
2 a schematic cross-sectional view through afuel cell stack 100 along the section line BB of1 ,
Die
In dieser Schnittansicht sind zwei Medienkanäle
Der erste Medienkanal und der zweite Medienkanal sind hier als Gaskanäle 120 ausgebildet. Das Oxidationsmittel O2 strömt hier in den Medienanschluss
Hier nicht dargestellt ist die Heizeinrichtung, die beispielsweise benachbart zu einer Wandung des Förderkanals
Die
Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Brennstoffzellenstapel, die/eine Separatorplatte, der/ein Medienkanal, der/ein Medienanschluss, das/ein Verteilungselement, der/ein Förderkanal, die/eine Heizeinrichtung, der/ein Gasauslasskanal , die/eine Strahlpumpe, der/ein Verbindungskanal) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Brennstoffzellenstapel, die mindestens eine Separatorplatte, der mindestens eine Medienkanal, der mindestens eine Medienanschluss, das mindestens eine Verteilungselement, der mindestens eine Förderkanal, die mindestens eine Heizeinrichtung, der mindestens eine Gasauslasskanal , die mindestens eine Strahlpumpe, der mindestens eine Verbindungskanal) etc.). In den hier dargestellten Ausführungsbeispielen sind jeweils zwei Verteilungselemente
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.
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