DE102017211755A1 - Plug-in element for a header of a fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einsteckelement für mindestens einen Header eines Brennstoffzellenstapels zum Beeinflussen und Optimieren einer Anströmung innerhalb des Brennstoffzellenstapels.The present invention relates to a male element for at least one header of a fuel cell stack for influencing and optimizing an inflow within the fuel cell stack.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einsteckelement für mindestens einen Header eines Brennstoffzellenstapels zum Beeinflussen und Optimieren einer Anströmung innerhalb des Brennstoffzellenstapels.The present invention relates to a male element for at least one header of a fuel cell stack for influencing and optimizing an inflow within the fuel cell stack.
Brennstoffzellen werden immer häufiger in Fahrzeugen eingesetzt. Heutige Hauptkanäle von Brennstoffzellenstapeln, die sogenannten Header, auf der Ein- und Ausgangsseite des Brennstoffzellenstapels haben einen konstanten Querschnitt. Dies hat beispielsweise den Nachteil, dass insbesondere für das schnelle Aufheizen des Brennstoffzellensystems bei einem Kaltstart die Kühlmittelmenge im System unnötig groß ist, was die Aufheizzeit des Brennstoffzellenstapels erheblich verlängern kann.Fuel cells are increasingly used in vehicles. Today's main channels of fuel cell stacks, the so-called headers, on the input and output side of the fuel cell stack have a constant cross section. This has, for example, the disadvantage that, in particular for the rapid heating of the fuel cell system during a cold start, the coolant quantity in the system is unnecessarily large, which can considerably increase the heating time of the fuel cell stack.
Durch den konstanten Querschnitt ergeben sich innerhalb des Headers zudem unvorteilhafte Strömungsverhältnisse, die dazu führen können, dass das System nicht sofort betriebswarm wird und es zu einer zeitlichen Verzögerung der Maximalleistung kommt. Ein konstanter Querschnitt in einem Header ist somit weder für eine optimale Anströmung noch für ein kurzes Aufheizverhalten vorteilhaft.Due to the constant cross-section, unfavorable flow conditions also result within the header, which can lead to the system not becoming operationally warmed up immediately and the maximum power being delayed in time. A constant cross section in a header is thus advantageous neither for optimum flow nor for a short heating behavior.
Header von üblichen Brennstoffzellenstapel weisen einen nachteiligen Strömungsverlauf auf. Durch eine unverhältnismäßig große Durchflussmenge an Kühlmittel weisen die Brennstoffzellenstapel eine relativ lange Aufwärmzeit auf.Headers of conventional fuel cell stacks have an adverse flow pattern. Due to a disproportionately large flow rate of coolant, the fuel cell stacks have a relatively long warm-up time.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Optimierung einer Anströmung in einem Header eines Brennstoffzellenstapels vorzuschlagen.The invention is therefore based on the object to propose a device for optimizing a flow in a header of a fuel cell stack.
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Einsteckelement für mindestens einen Header eines Brennstoffzellenstapels, insbesondere für einen Eingangsheader und/oder einen Ausgangsheader des Brennstoffzellenstapels. Erfindungsgemäß weist das Einsteckelement eine längliche Form auf und ist in dem Header positionierbar, wobei eine Anströmung eines Fluids durch den Header auf einzelne Zellen des Brennstoffzellenstapels entlang einer Ausdehnung des Headers durch das Einsteckelement beeinflussbar ist.The subject of the present invention is a plug-in element for at least one header of a fuel cell stack, in particular for an input header and / or an output header of the fuel cell stack. According to the invention, the male member has an elongated shape and is positionable in the header, wherein an inflow of fluid through the header to individual cells of the fuel cell stack along an extension of the header can be influenced by the male member.
Eine Anströmung charakterisiert eine Strömung eines jeweiligen Fluids in Richtung zu einzelnen Zellen des Brennstoffzellenstapels bzw. eine auf die einzelnen Zellen jeweils auftreffende Strömung eines jeweiligen Fluids. Ein Brennstoffzellenstapel kann beispielsweise Header auf einer Eingangsseite und einer Ausgangsseite aufweisen. Insbesondere kann der Brennstoffzellenstapel jeweils einen Header zum Zuführen und Abführen eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels, Luft oder beispielsweise eines Wasserstoffgases aufweisen. Durch das Einbringen des erfindungsgemäßen Einsteckelementes in einen oder mehrere Header des Brennstoffzellenstapels kann ein Querschnitt des mindestens einen Headers entlang seiner länglichen Ausdehnung eingestellt werden. Insbesondere kann durch das Einstellen des Querschnittes des mindestens einen Headers ein optimierter Strömungsverlauf des durch den Header geführten Fluids realisiert werden. Das Einsteckelement kann eine Anströmung auf einzelne Zellen des Brennstoffzellenstapels beeinflussen und die Anströmung optimieren. Insbesondere kann eine durch den mindestens einen Header geleitete Mediummenge reduziert werden. Auf der Wasserstoffseite kann somit eine ungenutzte bzw. sogenannte tote Kraftstoffmenge reduziert werden, sodass beispielsweise bei einem Unfall eine Menge an austretendem Wasserstoff verringert werden kann. Bei einem Header zum Führen von Luft kann die Luftmenge für einen Abstellprozess des Brennstoffzellenstapels reduziert werden. Die benötigte Luft sollte bei einem Abstellen des Brennstoffzellenstapels minimal sein. Durch ein Reduzieren einer notwendigen Kühlmittelmenge in den jeweiligen Brennstoffzellen kann beispielsweise ein Aufheizverhalten des Brennstoffzellenstapels beschleunigt werden.An incoming flow characterizes a flow of a respective fluid in the direction of individual cells of the fuel cell stack or a flow of a respective fluid impinging on the individual cells. For example, a fuel cell stack may include headers on an input side and an output side. In particular, the fuel cell stack may each have a header for supplying and discharging a liquid or gaseous coolant, air or, for example, a hydrogen gas. By introducing the male element according to the invention into one or more headers of the fuel cell stack, a cross section of the at least one header can be adjusted along its elongated extent. In particular, by adjusting the cross section of the at least one header, an optimized flow profile of the fluid guided through the header can be realized. The male element can influence an inflow to individual cells of the fuel cell stack and optimize the flow. In particular, an amount of medium directed by the at least one header can be reduced. Thus, an unused or so-called dead fuel quantity can be reduced on the hydrogen side, so that, for example, in the case of an accident, an amount of escaping hydrogen can be reduced. With a header for guiding air, the amount of air for a shutdown process of the fuel cell stack can be reduced. The required air should be minimal when stopping the fuel cell stack. By reducing a necessary amount of coolant in the respective fuel cells, for example, a heating behavior of the fuel cell stack can be accelerated.
Das Einsteckelement kann beispielsweise bei einer Montage der Brennstoffzelle in einen oder mehrere Header eingesetzt werden. Das Einsteckelement kann dabei unbeweglich in dem mindestens einen Header positioniert sein oder entlang einer länglichen Ausdehnung des Headers bewegbar sein. Beispielsweise kann das Einsteckelement hierzu eine gleiche Länge aufweisen, wie eine längliche Ausdehnung des Headers oder kürzer als der Header ausgeführt sein. Neben einer Optimierung einer Anströmung des durch den Header geführten Fluids wird durch das Einsteckelement eine Durchflussrate des Fluids durch den Header und somit auch durch den Brennstoffzellenstapel erhöht oder reduziert. Hierdurch kann ein Aufheizverhalten des Brennstoffzellenstapels zeitlich beschleunigt werden.The plug-in element can be used for example in a mounting of the fuel cell in one or more headers. The male member may be immovably positioned in the at least one header or movable along an elongated extent of the header. For example, the male member may have an equal length for this purpose, such as an elongated extension of the header or shorter than the header. In addition to an optimization of a flow of the guided through the header fluid is increased or reduced by the male member, a flow rate of the fluid through the header and thus also through the fuel cell stack. In this way, a heating behavior of the fuel cell stack can be accelerated in time.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das Einsteckelement einen runden, eckigen, länglichen, oder ovalen Querschnitt auf. Das Einsteckelement kann hierdurch einen angepassten Querschnitt aufweisen, der auf das durch den Header geleitete Fluid passiv einwirken kann. Beispielsweise kann das Fluid das Einsteckelement zumindest einseitig umfließen und somit zumindest teilweise umgelenkt werden. Je nach Anforderung an den Brennstoffzellenstapel kann beispielsweise eine turbulente oder laminare Strömung innerhalb des Headers realisiert werden. Beispielsweise kann das Einsteckelement auch derart ausgeführt sein, dass es in Header mit unterschiedlichen Querschnitten positionierbar ist. Hierdurch kann eine universelle Verwendbarkeit eines Einsteckelementes realisiert werden.According to one embodiment of the invention, the male element has a round, angular, oblong, or oval cross-section. The male member may thereby have an adapted cross section, which can passively act on the fluid passed through the header. For example, the fluid flow around the male element at least on one side and thus be at least partially deflected. Depending on the requirements of the fuel cell stack, for example, a turbulent or laminar flow within the header can be realized. For example, the male member can also be designed such that it can be positioned in headers with different cross sections. In this way, a universal usability of a male element can be realized.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Einsteckelement über seine längliche Erstreckung hinweg einen verändernden Querschnitt auf. Hierdurch kann beispielsweise in einem Eingangsheader in Strömungsrichtung ein Querschnitt zum Führen des Fluids durch das Einsteckelement kontinuierlich verringert werden, da die Zellenanzahl in Strömungsrichtung des Eingangsheaders abnimmt und somit die notwendige Kühlmittelmenge immer geringer wird. Im Ausgangsheader kann der Querschnitt zum Führen des Fluids durch das Einsteckelement in Strömungsrichtung stetig zunehmen. Aufgrund der in Strömungsrichtung zunehmenden Zellenanzahl muss hier die geführte Kühlmittelmenge ebenfalls zunehmen. Dies kann ebenso auf beliebige geführte Fluide, wie beispielsweise Luft oder Wasserstoffgas, übertragen werden.According to a further embodiment of the invention, the male element has a varying cross-section over its elongated extent. As a result, for example, in an input header in the flow direction, a cross section for guiding the fluid through the male member can be reduced continuously, since the number of cells in the flow direction of the input header decreases and thus the necessary amount of coolant is always lower. In the output header, the cross section for guiding the fluid through the male member in the flow direction can increase steadily. Due to the increasing number of cells in the flow direction, the amount of coolant conveyed here must also increase. This may also be transferred to any guided fluids, such as air or hydrogen gas.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung verringert sich der Querschnitt des Einsteckelementes entlang seiner länglichen Erstreckung. Insbesondere kann sich der Querschnitt des Einsteckelements linear verjüngen. Hierdurch kann der Querschnitt des Headers zum Führen eines Fluids optimal an eine Gesamtgröße des Brennstoffzellenstapels angepasst werden. Beispielsweise kann der Querschnitt entlang der länglichen Ausdehnung des Einsteckelementes quadratisch zunehmen oder abnehmen. Ein Einsteckelement mit einer sich linear verjüngenden Form kann technisch besonders einfach hergestellt werden. Der Durchfluss des Fluids kann durch den Header linear entlang seiner länglichen Ausdehnung reduziert oder erhöht werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Einsteckelement Perforationen, Riffelungen, Führungskanäle und dergleichen aufweisen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the cross section of the male element decreases along its elongated extent. In particular, the cross-section of the male member may be linearly tapered. As a result, the cross section of the header for guiding a fluid can be optimally adapted to a total size of the fuel cell stack. For example, the cross-section may increase or decrease quadratically along the elongate extent of the male member. An insert with a linearly tapered shape can be made particularly technically simple. The flow of the fluid can be reduced or increased linearly along its elongated extent by the header. Alternatively or additionally, the male member perforations, corrugations, guide channels and the like.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Querschnitt des Einsteckelementes zumindest bereichsweise an einen Querschnitt des Headers angepasst. Somit kann das Einsteckelement passgenau in mindestens einen Header des Brennstoffzellenstapels integriert bzw. eingelegt werden. Ein an einen Querschnitt des Headers angepasstes Einsteckelement kann vorzugsweise ein Teilvolumen des Headers vollständig gegen das Fluid abdichten und somit ein definiertes Teilvolumen des Headers zum strömungsoptimierten Führen des Fluids freigeben.According to a further embodiment of the invention, the cross section of the male element is at least partially adapted to a cross section of the header. Thus, the male member can be accurately integrated or inserted into at least one header of the fuel cell stack. A plug-in element adapted to a cross section of the header can preferably completely seal off a partial volume of the header against the fluid and thus release a defined partial volume of the header for flow-optimized routing of the fluid.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Einsteckelement in mindestens einen Header formschlüssig eingelegt oder in mindestens einem Header befestigt. Abhängig von den Anforderungen an den Brennstoffzellenstapel kann beispielsweise nur in einem Eingangsheader oder nur in einem Ausgangsheader zum Führen eines Kühlmittels das Einsteckelement angeordnet werden. Hierdurch kann beispielsweise gezielt ein Durchfluss eines Kühlmittels des Brennstoffzellenstapels derart optimiert werden, dass der Brennstoffzellenstapel auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen zeitlich schneller eine Betriebstemperatur erreichen kann. Das Einsteckelement kann hier beispielsweise in den Header passgenau ohne zusätzliche Befestigungsmittel eingelegt oder in mindestens einen Header formschlüssig eingesteckt werden. Alternativ kann das Einsteckelement in dem Header durch Kleben, Schweißen, Löten oder Verschrauben angeordnet und befestigt werden. Vorzugsweise kann hierbei das Einsteckelement einen Querschnitt aufweisen, welcher geringfügig kleiner ist als ein Querschnitt des mindestens einen Headers. Das Einsteckelement kann alternativ eine gleiche Länge wie der mindestens eine Header aufweisen und in dem mindestens einen Header durch eine Frontplatte und eine Endplatte in seiner Position innerhalb des mindestens einen Headers fixiert sein.According to a further embodiment of the invention, the male member is positively inserted in at least one header or secured in at least one header. Depending on the requirements of the fuel cell stack, for example, the male element can be arranged only in an input header or only in an output header for guiding a coolant. In this way, for example, a targeted flow of a coolant of the fuel cell stack can be optimized so that the fuel cell stack can reach an operating temperature temporally faster even at low ambient temperatures. The male member can be inserted here, for example, in the header fit without additional fasteners or positively inserted in at least one header. Alternatively, the male member may be disposed and fixed in the header by gluing, welding, soldering or screwing. In this case, the male element may preferably have a cross section which is slightly smaller than a cross section of the at least one header. Alternatively, the male member may be the same length as the at least one header and may be fixed in the at least one header by a faceplate and an endplate in position within the at least one header.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Einsteckelement in seinem Inneren hohl oder aus einem Vollmaterial ausgebildet. Hierdurch kann das Einsteckelement mithilfe unterschiedlicher Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann das Einsteckelement durch Gießen oder Spritzgießen oder durch ein Umformverfahren geformt und hergestellt werden. Das Einsteckelement kann besonders leicht ausgeführt werden, wenn es in seinem Inneren hohl ist.According to a further preferred embodiment of the invention, the male member is hollow in its interior or formed of a solid material. As a result, the male element can be produced by means of different methods. For example, the male member may be molded and manufactured by casting or injection molding or by a forming process. The male element can be made particularly easy if it is hollow in its interior.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Einsteckelement aus einem Kunststoff, einem Metall oder einer Keramik ausgeführt. Je nach Anforderung und der Ausführungsform des Brennstoffzellenstapels kann das Einsteckelement beispielsweise aus einem elektrisch nicht-leitenden Material bestehen. Insbesondere bei Hochtemperatur-Brennstoffzellen muss das Einsteckelement ebenfalls die Betriebstemperaturen der Brennstoffzellen standhalten können, so dass ein aus einer Keramik hergestelltes Einsteckelement vorteilhaft sein kann. According to a further advantageous embodiment of the invention, the male element is made of a plastic, a metal or a ceramic. Depending on the requirements and the embodiment of the fuel cell stack, the male element may for example consist of an electrically non-conductive material. Especially at High-temperature fuel cells, the male member must also be able to withstand the operating temperatures of the fuel cells, so that a male made of a ceramic insert can be advantageous.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Einsteckelement eine Beschichtung auf. Beispielsweise kann das Einsteckelement aus einem Metall bestehen und durch eine elektrisch nichtleitende Beschichtung gegenüber unerwünschten Wechselwirkungen mit Elektroden des Brennstoffzellenstapels geschützt sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Einsteckelement eine Gleitbeschichtung oder eine Hitzeschutzbeschichtung aufweisen.According to a further embodiment of the invention, the male element has a coating. For example, the male member may be made of a metal and protected by an electrically non-conductive coating against undesirable interactions with electrodes of the fuel cell stack. Alternatively or additionally, the male member may have a slip coating or a heat protection coating.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das Einsteckelement aus mindestens einem elektrisch nicht-leitenden Werkstoff. Insbesondere kann das Einsteckelement aus einem Kunststoff oder aus einer Kombination mit einem Kunststoff bestehen. Hierdurch kann das Einsteckelement zumindest teilweise eine elektrische Isolierung aufweisen, welche beispielsweise mittels eines Spritzgussverfahrens appliziert werden kann. Hierdurch kann auch ein aus mehreren Materialien bestehendes Einsteckelement technisch einfach herstellbar sein.According to a further embodiment of the invention, the male element consists of at least one electrically non-conductive material. In particular, the male member may consist of a plastic or of a combination with a plastic. As a result, the male element can at least partially have an electrical insulation, which can be applied, for example, by means of an injection molding process. As a result, it is also possible to produce a plug-in element consisting of a plurality of materials in a technically simple manner.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
-
1 in einem Querschnitt einen Brennstoffzellenstapel; -
2 in einer perspektivischen Darstellung den Brennstoffzellenstapel aus der1 ; -
3 in einer perspektivischen Darstellungden Brennstoffzellenstapel aus 1 und2 mit einem eingelegten Einsteckelement gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
4 in einer perspektivischen Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Einsteckelements im Header
-
1 in a cross section a fuel cell stack; -
2 in a perspective view of the fuel cell stack from the1 ; -
3 in a perspective view of thefuel cell stack 1 and2 with an inserted male member according to an embodiment of the invention; -
4 in a perspective view of an embodiment of the male element according to the invention in the header
In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.In the figures, the same constructive elements each have the same reference numerals.
In der
Die
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
- 22
- Eingangsheader / EingangsseiteInput header / input side
- 44
- Ausgangsheader /AusgangsseiteOutput header / output side
- 66
- Eingangsheader für LuftEntrance header for air
- 88th
- Eingangsheader für WasserstoffgasInput header for hydrogen gas
- 1010
- Eingangsheader für KühlmittelInput header for coolant
- 1212
- Brennstoffzellenfuel cells
- 1616
- Ausgangsheader für LuftExit header for air
- 1818
- Ausgangsheader für WasserstoffgasOutput header for hydrogen gas
- 2020
- Ausgangsheader für KühlmittelOutput header for coolant
- 2222
- Einsteckelementmale
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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