DE102018010056A1

DE102018010056A1 - Fuel cell stack from a multitude of individual cells

Info

Publication number: DE102018010056A1
Application number: DE102018010056.2A
Authority: DE
Inventors: Armin Mütschele
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2018-12-20
Filing date: 2018-12-20
Publication date: 2020-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (3) aus einer Vielzahl von Einzelzellen (2) mit Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) und Bipolarplatten (1), wobei die Bipolarplatten (1) über elektrische Widerstandsheizelemente (13, 14) verfügen. Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Widerstandsheizelemente (13) an Durchbrüchen (8) zwischen einer Medienzu- und/oder -ableitung (5, 7) und einem Strömungsfeld (4) auf der der Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zugewandten Seite der Bipolarplatte (1) angeordnet sind; oder die Bipolarplatten (1) Kühlmittelkanäle (12, 12.1, 12.2) aufweisen, wobei die elektrischen Widerstandsheizelemente (14) in den Kühlmittelkanälen (12, 12.1, 12.2) angeordnet sind.The invention relates to a fuel cell stack (3) comprising a plurality of individual cells (2) with membrane electrode arrangements (MEA) and bipolar plates (1), the bipolar plates (1) having electrical resistance heating elements (13, 14). The fuel cell stack according to the invention is characterized in that the electrical resistance heating elements (13) have openings (8) between a media inlet and / or outlet (5, 7) and a flow field (4) on the membrane electrode assembly (MEA). facing side of the bipolar plate (1) are arranged; or the bipolar plates (1) have coolant channels (12, 12.1, 12.2), the electrical resistance heating elements (14) being arranged in the coolant channels (12, 12.1, 12.2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel aus einer Vielzahl von Einzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a fuel cell stack consisting of a plurality of individual cells according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.

Der Aufbau von Brennstoffzellenstapeln aus einer Vielzahl von Einzelzellen ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Typischerweise umfassen die Einzelzellen dabei eine sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung, welcher auch entsprechend seiner Abkürzung als MEA bezeichnet wird. Außerdem umfassen die Einzelzellen Bipolarplatten, welche typischerweise eine anodenseitige und eine kathodenseitige Teilplatte und in dieser Teilplatte entsprechende Kanäle zur Verteilung der Medien auf die Kathodenseite und die Anodenseite der benachbarten Zellen umfassen. Zwischen den Teilplatten der Bipolarplatte sind typischerweise Kühlmittelkanäle angeordnet.The construction of fuel cell stacks from a large number of individual cells is so far known from the prior art. Typically, the individual cells comprise a so-called membrane-electrode arrangement, which is also abbreviated as MEA referred to as. In addition, the individual cells comprise bipolar plates, which typically comprise an anode-side and a cathode-side partial plate and corresponding channels in this partial plate for distributing the media to the cathode side and the anode side of the adjacent cells. Coolant channels are typically arranged between the partial plates of the bipolar plate.

Bei Brennstoffzellenstapeln ist es nun so, dass die gasführenden Kanäle in den Bipolarplatten bei widrigen Umgebungsbedingungen durch gefrorenes Wasser blockiert sein können. Diese Blockaden, welche die Gasverteilung behindern, können dabei sowohl auf der Kathoden- als auch auf der Anodenseite auftreten. Die Ursache ist Kondenswasser, welches sich beim Abkühlen des Brennstoffzellenstapels in den Gaskanälen der Bipolarplatten absetzt und dort festfrieren kann, sobald die Umgebungstemperatur tief genug sinkt und sich durch entsprechend lange Standzeiten bis ins Innere des Brennstoffzellenstapels auswirkt. Man versucht dem entgegenzuwirken, indem man beim Abstellen des Brennstoffzellenstapels diesen entsprechend spült bzw. durchbläst, um das Kondenswasser möglichst vollständig aus dem Stapel zu entfernen. Dies gelingt jedoch nicht immer. Kommt es zu einer Blockade durch Eis, dann kann es zu einer Unterversorgung mit Wasserstoff auf der Anodenseite oder mit Luft als Oxidationsmittel auf der Kathodenseite kommen. Solche partiellen Unterversorgungen verursachen für Einbrüche in den Spannungen der Einzelzellen, welche zu einer massiven Schädigung am Brennstoffzellenstapel führen können. Aus diesem Grund schlägt der Stand der Technik ergänzend zum Durchblasen eine elektrische Beheizung des Brennstoffzellenstapels vor.With fuel cell stacks it is now the case that the gas-carrying channels in the bipolar plates can be blocked by frozen water in adverse environmental conditions. These blockages, which hinder the gas distribution, can occur both on the cathode and on the anode side. The cause is condensed water, which settles in the gas channels of the bipolar plates when the fuel cell stack cools down and can freeze there as soon as the ambient temperature drops low enough and has an impact on the interior of the fuel cell stack due to the corresponding long idle times. One tries to counteract this by rinsing or blowing through the fuel cell stack when the fuel cell stack is switched off in order to remove the condensed water as completely as possible from the stack. However, this does not always succeed. If there is a blockage due to ice, an undersupply with hydrogen on the anode side or with air as an oxidizing agent on the cathode side can occur. Such partial undersupply causes drops in the voltages of the individual cells, which can lead to massive damage to the fuel cell stack. For this reason, the prior art proposes an electrical heating of the fuel cell stack in addition to blowing through.

Den nächstliegenden Stand in der Sache bildet die KR 20110032661 A . In dieser Schrift ist ein Brennstoffzellenstapel aus einer Vielzahl von Einzelzellen mit Membran-Elektrodeneinheiten und Bipolarplatten beschrieben. Die Bipolarplatten sind dabei über elektrische Widerstandselemente beheizbar, sodass die Brennstoffzelle sehr schnell gestartet und bei Bedarf durch eine externe Beheizung aufgetaut werden kann. Der Aufbau erlaubt dabei lediglich eine Beheizung der einzelnen gasführenden Kanäle und eine indirekte Beheizung der Kühlmittelkanäle, sodass relativ viel Energie eingetragen werden muss, und gegebenenfalls auch an Stellen anlangt, an denen diese eben nicht benötigt wird. In diesem Fall ist die Beheizung gegebenenfalls sogar kritisch für die Brennstoffzelle, da ein hoher punktuell auftretender thermischer Energieeintrag Materialien in der Brennstoffzelle hinsichtlich ihrer Lebensdauer negativ beeinflussen kann.The closest stand in the matter is the KR 20110032661 A . This document describes a fuel cell stack consisting of a large number of individual cells with membrane electrode units and bipolar plates. The bipolar plates can be heated using electrical resistance elements, so that the fuel cell can be started very quickly and, if necessary, thawed by external heating. The structure only allows heating of the individual gas-carrying channels and indirect heating of the coolant channels, so that a relatively large amount of energy has to be input, and possibly also reaches places where this is not needed. In this case, the heating may even be critical for the fuel cell, since a high point thermal energy input can negatively influence the life of materials in the fuel cell.

Eine weitere Alternative zu einer elektrischen Beheizung ist aus der GB 2 470 371 A bekannt. In dieser Schrift ist es so, dass die MEA direkt beheizt wird, und zwar typischerweise im Außenbereich stärker als in ihrem Zentrum, um so energieeffizient eine Beheizung und ein Auftauen des Brennstoffzellenstapels zu erreichen.Another alternative to electric heating is from the GB 2 470 371 A known. In this document it is the case that MEA is heated directly, typically more strongly in the outdoor area than in its center, in order to achieve heating and thawing of the fuel cell stack in an energy-efficient manner.

Im Zusammenhang mit der elektrischen Beheizung von Brennstoffzellenstapeln kann außerdem auf die US 2005/0058865 A1 hingewiesen werden. In dieser Schrift wird eine Beheizung der Endplatten des Brennstoffzellenstapels durch elektrische Widerstandsheizelemente beschrieben. Dies hat den Nachteil, dass die Wärme zuerst durch den ganzen Stapel und die unterschiedlichen inhomogenen Schichten des Stapels weitergeleitet werden muss, was in der Praxis typischerweise zu relativ großen benötigten Energiemengen und einer relativ langen Aufheiz- bzw. Auftauzeit führt.In connection with the electrical heating of fuel cell stacks can also on the US 2005/0058865 A1 be pointed out. This document describes heating the end plates of the fuel cell stack by means of electrical resistance heating elements. This has the disadvantage that the heat must first be passed on through the entire stack and the different inhomogeneous layers of the stack, which in practice typically leads to relatively large amounts of energy required and a relatively long heating or thawing time.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3 dahingehend weiterzubilden, dass die Aufheizung möglichst energieeffizient und für den Aufbau der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels schonend erfolgen kann.The object of the present invention is therefore to develop a fuel cell stack in accordance with the preamble of claims 1 and 3 in such a way that the heating can be carried out as energy-efficiently as possible and with care for the construction of the individual cells of the fuel cell stack.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung ergibt sich aus dem hiervon abhängigen Unteranspruch. Eine alternative Lösung ist außerdem im Anspruch 3 angegeben. Auch hier ergeben sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention, this object is achieved by a fuel cell stack with the features in claim 1. An advantageous embodiment and further development results from the dependent claim dependent thereon. An alternative solution is also specified in claim 3. Here too, advantageous refinements and developments result from the dependent claims dependent thereon.

Die erste Lösungsvariante gemäß der Erfindung sieht es vor, dass die elektrischen Widerstandsheizelemente, welche gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee als, insbesondere elektrisch isolierte, Heizdrähte ausgebildet sein können, an Durchbrüchen zwischen einer Medienzu- und/oder -ableitung durch die Bipolarplatte hindurch und einem Strömungsfeld auf der der MEA zugewandten Seite der Bipolarplatte angeordnet sind. Solche Durchbrüche, welche auch als Via bezeichnet werden, verbinden typischerweise eine Medienzu- und/oder -ableitung, welche quer zur flächigen Ausrichtung der Bipolarplatte verläuft und typischerweise durch Durchgangsöffnungen in den einzelnen Bipolarplatten als Sammelkanal nach dem Aufstapeln komplettiert wird, mit dem Strömungsfeld, welches die Medien auf die möglichst gesamte Fläche der MEA gleichmäßig verteilt. In diesen Übergangsbereichen ist die Gefahr eines Einfrierens von auskondensiertem Wasser, welches als Produktwasser in der Brennstoffzelle beim Betrieb entsteht, besonders hoch. Aus diesem Grund kann durch eine Anordnung der elektrischen Widerstandsheizelemente im Bereich dieser Durchbrüche sehr effizient und durch eine geringe Menge an eingesetzter elektrischer Energie ein Auftauen der besonders kritischen Durchbrüche erzielt werden. Mit minimaler beheizter Fläche und minimalem Energieeinsatz kann der Brennstoffzellenstapel so auch im eingefrorenen Zustand sehr schnell gestartet werden.The first variant of the solution according to the invention provides that the electrical resistance heating elements, which according to an advantageous development of the idea can be in the form of, in particular electrically insulated, heating wires, have openings between a media feed and / or drain through the bipolar plate and one Flow field on the the MEA facing side of the bipolar plate are arranged. Such breakthroughs, which are also referred to as vias, typically connect a media feed and / or drain, which is transverse to the flat orientation of the The bipolar plate runs and is typically completed by through openings in the individual bipolar plates as a collecting channel after stacking, with the flow field which spreads the media onto the entire surface of the MEA equally distributed. In these transition areas, the risk of freezing out of condensed water, which is produced as product water in the fuel cell during operation, is particularly high. For this reason, by arranging the electrical resistance heating elements in the area of these openings, the thawing of the particularly critical openings can be achieved very efficiently and by using a small amount of electrical energy. With a minimal heated area and minimal energy consumption, the fuel cell stack can be started very quickly, even when frozen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee ist es dabei vorgesehen, dass die elektrischen Widerstandsheizelemente auf der der MEA zugewandten Seite der Bipolarplatte angeordnet sind. Hierdurch wird eine besonders effiziente Beheizung erzielt, da die Wärme direkt im kritischen Bereich abgegeben wird und nicht zuerst das Material der Bipolarplatte durchdringen muss.According to an advantageous development of this idea, it is provided that the electrical resistance heating elements on the MEA facing side of the bipolar plate are arranged. In this way, particularly efficient heating is achieved, since the heat is emitted directly in the critical area and does not first have to penetrate the material of the bipolar plate.

Eine alternative Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird, wie oben bereits erwähnt, durch die Merkmale im Anspruch 3 realisiert. Diese Ausführungsvariante sieht es vor, dass die Bipolarplatten Kühlmittelkanäle aufweisen, wobei die elektrischen Widerstandsheizelemente in den Kühlmittelkanälen angeordnet sind. Hierdurch wird nicht nur die elektrische Bipolarplatte beheizt, sondern insbesondere das durch die elektrische Bipolarplatte strömende Kühlmittel. Das Kühlmittel verteilt die Wärme dabei gleichmäßig und sorgt auch bei einer großflächigen Erwärmung mit relativ großem Energieeintrag dafür, dass einzelne Elemente der Bipolarplatte nicht überhitzt werden, was eine sehr gleichmäßige Beheizung ermöglicht und damit hinsichtlich der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels ein sehr schonendes und dennoch effizientes Auftauen ermöglicht.An alternative solution to the problem mentioned at the outset is, as already mentioned above, realized by the features in claim 3. This embodiment variant provides that the bipolar plates have coolant channels, the electrical resistance heating elements being arranged in the coolant channels. This not only heats the electrical bipolar plate, but in particular the coolant flowing through the electrical bipolar plate. The coolant distributes the heat evenly and, even when heated over a large area with a relatively large amount of energy, ensures that individual elements of the bipolar plate are not overheated, which enables very uniform heating and thus allows for a very gentle yet efficient thawing with regard to the service life of the fuel cell stack .

Die elektrischen Widerstandsheizelemente sind erfindungsgemäß in den das Kühlmittel führenden Kanälen angeordnet, und können so das Kühlmittel direkt erwärmen und für einen Weitertransport der Wärme durch das Kühlmittel sorgen. Sie können gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung an den Wänden der kühlmittelführenden Kanäle angebracht, insbesondere angeklebt sein, und sind gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee in sich selbst elektrisch isoliert, um also keinen Strom in die typischerweise metallischen Bipolarplatten einzuleiten.According to the invention, the electrical resistance heating elements are arranged in the channels carrying the coolant, and can thus heat the coolant directly and ensure that the heat is transported further through the coolant. According to an advantageous development, they can be attached, in particular glued, to the walls of the coolant-carrying channels and, according to an advantageous development of the idea, are electrically insulated in themselves, so that no current is introduced into the typically metallic bipolar plates.

Eine solche Anordnung kann eine sehr effiziente Beheizung des Kühlmittels sicherstellen, welches dann für eine homogene Verteilung der erzeugten Wärme im gesamten Brennstoffzellenstapel sorgt.Such an arrangement can ensure a very efficient heating of the coolant, which then ensures a homogeneous distribution of the heat generated in the entire fuel cell stack.

Alternativ zu der Anordnung in den kühlmittelführenden Kanälen können die Bipolarplatten auch aus einer anoden- und einer kathodenseitigen Teilplatte aufgebaut sein, wobei die Kühlmittelkanäle zwischen den Teilplatten angeordnet sind, wie dies soweit noch aus dem Stand der Technik grundlegend bekannt ist, und wobei nun zwischen den Teilplatten eine Folie mit den elektrischen Widerstandsheizelementen angeordnet ist. Die Teilplatten sind also nicht mehr direkt miteinander sondern mittelbar über die Folie miteinander verbunden. Diese Folie weist dann die elektrischen Widerstandsheizelemente auf, um so die Kühlmittelkanäle quasi in eine anodenseitige und eine kathodenseitige Hälfte aufzuteilen und dabei gleichzeitig das Kühlmittel und den Bereich, welcher die gasführenden Kanäle auf der Anodenseite und der Kathodenseite der Bipolarplatte aufweist, gleichzeitig zu beheizen.As an alternative to the arrangement in the coolant-carrying channels, the bipolar plates can also be constructed from an anode- and a cathode-side partial plate, the coolant channels being arranged between the partial plates, as is still fundamentally known from the prior art, and now between the Sub-plates a film with the electrical resistance heating elements is arranged. The sub-panels are therefore no longer directly connected to each other but indirectly via the film. This film then has the electrical resistance heating elements so that the coolant channels are quasi divided into an anode-side and a cathode-side half and at the same time heat the coolant and the area which has the gas-carrying channels on the anode side and the cathode side of the bipolar plate at the same time.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass die Folie aus einem elektrisch leitenden Material besteht, um die Kontaktierung der beiden Teilplatten nicht zu gefährden. In die Folie eingebettet finden sich dann ihrerseits elektrisch isolierte Widerstandsheizelemente, um, wie oben bereits beschrieben, einen direkten elektrischen Stromeintrag über die Folie in die Bipolarplatte zu verhindern. Dies sorgt für eine effiziente Beheizung, ohne die Funktionalität der Bipolarplatten und damit des Brennstoffzellenstapels nachteilig zu beeinflussen.According to a very advantageous development of the idea, it can be provided that the film consists of an electrically conductive material in order not to endanger the contacting of the two partial plates. Electrically insulated resistance heating elements are then in turn embedded in the film, in order, as already described above, to prevent direct electrical current input via the film into the bipolar plate. This ensures efficient heating without adversely affecting the functionality of the bipolar plates and thus the fuel cell stack.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen eines Brennstoffzellenstapels bzw. von Teilen eines Brennstoffzellenstapels gemäß der Erfindung ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.Further advantageous configurations of a fuel cell stack or parts of a fuel cell stack according to the invention also result from the exemplary embodiments, which are described in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:

1 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte gemäß dem Stand der Technik;
2 einen Ausschnitt aus der Bipolarplatte gemäß 1 mit einer erfindungsgemäßen Modifikation;
3 einen Ausschnitt aus einem Teil eines Brennstoffzellenstapels in einem möglichen Aufbau gemäß der Erfindung;
4 eine Ausschnittsvergrößerung gemäß IV in 3;
5 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellenstapel in einer alternativen Ausführungsform; und
6 eine Ausschnittsvergrößerung gemäß VI in 5.

Show:

1 a plan view of a bipolar plate according to the prior art;
2nd a section of the bipolar plate according 1 with a modification according to the invention;
3rd a section of part of a fuel cell stack in a possible structure according to the invention;
4th an enlarged section according to IV in 3rd ;
5 a section of a fuel cell stack in an alternative embodiment; and
6 an enlarged section according to VI in 5 .

In der Darstellung der 1 ist die Draufsicht auf eine mit 1 bezeichnete Bipolarplatte zum Einbau in eine Einzelzelle 2 eines Brennstoffzellenstapels 3 zu erkennen. Der typische Aufbau der Bipolarplatte, dies kann beispielsweise die anodenseitige Ansicht der Bipolarplatte 1 sein, umfasst ein Strömungsfeld 4 zur Verteilung, hier also beispielsweise des Wasserstoffs, auf die gesamte Fläche einer benachbart zu der Bipolarplatte 1 und dem Strömungsfeld 4 angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung MEA. Die Bipolarplatte 1 weist an ihren Seiten mehrere Durchgangsöffnungen 5, 6, 7 auf. Diese Durchgangsöffnungen 5, 6, 7 bilden bei aufeinander gestapelten Einzelzellen 2 und Bipolarplatten 1 einen durchgehenden Sammelkanal, über welchen Medien zu dem gesamten Brennstoffzellenstapel 3 zu- und abgeführt werden können. In dem hier dargestellten Beispiel soll beispielsweise durch die Durchgangsöffnung 5, welche in der Darstellung der 1 rechts oben gezeigt ist, Wasserstoff zuströmen. Er strömt dann über Durchbrüche 8, welche auch als Via bezeichnet werden, in einen Verteilbereich 9 ein, welcher beispielsweise Noppen oder, wie hier dargestellt, Leitrippen aufweisen kann. Über diesen Verteilbereich 9 wird sichergestellt, dass der Wasserstoff sich über das gesamte Strömungsfeld 4 gleichmäßig verteilt. Auf der anderen Seite des Strömungsfelds 4 strömt der Wasserstoff dann über ein weiteres Verteilfeld 9, welches hier als Sammler dient, und über weitere Durchbrüche 8 wiederum in die Durchgangsöffnung 5, welche hier die Wasserstoffableitung, also die Sammelleitung zum Ableiten von Restwasserstoff und inerten Gasen sowie in der Einzelzelle 2 anodenseitig entstandenem Produktwasser ist. Ferner sind Durchgangsöffnungen 7 zu erkennen, welche auf der gegenüberliegenden Seite der Bipolarplatte 1 dieselbe Funktion für den Sauerstoff haben. Die mittig angeordneten Durchgangsöffnungen 6 können beispielsweise zentral zwischen zwei Teilplatten 10, 11 der Bipolarplatte 1 liegende Kühlmittelkanäle 12, welche in den folgenden Figuren noch zu erkennen sind, mit Kühlmedium versorgen.In the representation of the 1 is the top view of a designated 1 bipolar plate for installation in a single cell 2nd a fuel cell stack 3rd to recognize. The typical structure of the bipolar plate, for example the anode-side view of the bipolar plate 1 be a flow field 4th for the distribution, here for example of the hydrogen, over the entire surface of a region adjacent to the bipolar plate 1 and the flow field 4th arranged membrane electrode arrangement MEA . The bipolar plate 1 has several through openings on its sides 5 , 6 , 7 on. These through holes 5 , 6 , 7 form when single cells are stacked on top of each other 2nd and bipolar plates 1 a continuous collecting channel, via which media to the entire fuel cell stack 3rd can be fed in and out. In the example shown here, for example, through the through opening 5 which in the representation of the 1 shown at the top right is the inflow of hydrogen. It then flows over breakthroughs 8th , which are also referred to as via, in a distribution area 9 one, which can have knobs or, as shown here, guide ribs. About this distribution area 9 it ensures that the hydrogen spreads across the entire flow field 4th equally distributed. On the other side of the flow field 4th The hydrogen then flows over another distribution field 9 , which serves as a collector here, and about further breakthroughs 8th again in the through opening 5 , which here the hydrogen discharge, i.e. the manifold for discharging residual hydrogen and inert gases as well as in the single cell 2nd product water formed on the anode side. There are also through openings 7 recognize which one on the opposite side of the bipolar plate 1 have the same function for oxygen. The central openings 6 can, for example, centrally between two sub-plates 10 , 11 the bipolar plate 1 horizontal coolant channels 12th , which can still be seen in the following figures, supply with cooling medium.

In der Praxis ist es nun so, dass insbesondere im Bereich der Durchbrüche 8 die Gefahr eines Einfrierens von Produktwasser bei einem Abkühlen des abgestellten Brennstoffzellenstapels 3 auf Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser kritisch ist. Aus diesem Grund wird in den Bereich der Durchbrüche 8, wie es in der Darstellung der 2 schematisch angedeutet ist, ein elektrisches Widerstandsheizelement 13 in Form eines Heizdrahts, welcher entsprechend elektrisch isoliert ist, eingefügt. Damit lässt sich mit sehr wenig Energie und minimalem notwendigem Wärmeeintrag die besonders kritische Stelle der Durchbrüche 8, und hier insbesondere der Durchbrüche 8 im Bereich der Medienableitung, sehr einfach, schnell und effizient auftauen, um den Brennstoffzellenstapel 3 auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts effizient und zuverlässig starten zu können.In practice, it is now the case that in particular in the area of breakthroughs 8th the risk of freezing product water when the stored fuel cell stack cools down 3rd is critical to temperatures below the freezing point of water. For this reason, breakthroughs in the field 8th as it is in the representation of the 2nd is indicated schematically, an electrical resistance heating element 13 in the form of a heating wire, which is electrically insulated accordingly. This allows the particularly critical point of the breakthrough to be achieved with very little energy and minimal heat input 8th , and here in particular the breakthroughs 8th in the field of media drainage, thawing the fuel cell stack very easily, quickly and efficiently 3rd to be able to start efficiently and reliably even at temperatures below freezing.

Eine alternative Ausführungsvariante ist in der Darstellung der 3 angedeutet. Die Darstellung der 3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Brennstoffzellenstapel 3 quer zur Stapelrichtung. Dabei ist eine der Einzelzellen 2 mittig dargestellt. Sie umfasst die Membran-Elektroden-Anordnung MEA sowie zwei Teilplatten 10, 11 zweier Bipolarplatte 1 jeweils benachbart zu der MEA. Ergänzt werden diese Teilplatten 10, 11 dann jeweils durch weitere Teilplatten 11, 10 zu der gesamten Bipolarplatte 1, wobei die jeweils anderen Teilplatten 11, 10 jeweils Teil der benachbarten Einzelzelle 2 sind. Von diesen ist dann lediglich die MEA nochmals dargestellt. Entscheidend sind nun die beiden in ihrer Gesamtheit dargestellten Bipolarplatten 1. Darin sind die Kühlmittelkanäle 12 zwischen den Teilplatten 10, 11 der Bipolarplatte 1 zu erkennen. Die Kühlmittelkanäle 12 weisen in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel elektrische Widerstandsheizungen 14 auf, welche beispielsweise durch Heizdrähte gebildet werden können, aber auch durch andersartige Heizelemente. In der Darstellung sind die elektrischen Widerstandsheizelemente 14 beispielhaft an den Wänden der Kühlmittelkanäle 12 zwischen den jeweiligen Teilplatten 10, 11 der Bipolarplatte 1 angebracht, insbesondere angeklebt.An alternative embodiment variant is shown in the 3rd indicated. The representation of the 3rd shows a section of the fuel cell stack 3rd across the stack direction. One of the individual cells 2nd shown in the middle. It comprises the membrane electrode arrangement MEA as well as two partial plates 10 , 11 two bipolar plates 1 each adjacent to the MEA . These partial panels are supplemented 10 , 11 then each time with additional sub-panels 11 , 10 to the entire bipolar plate 1 , with the other partial plates 11 , 10 each part of the neighboring single cell 2nd are. Of these, only that is MEA shown again. The two bipolar plates shown in their entirety are now decisive 1 . Inside are the coolant channels 12th between the partial plates 10 , 11 the bipolar plate 1 to recognize. The coolant channels 12th have electrical resistance heaters in the embodiment shown here 14 on, which can be formed for example by heating wires, but also by different types of heating elements. The electrical resistance heating elements are shown 14 exemplary on the walls of the coolant channels 12th between the respective partial plates 10 , 11 the bipolar plate 1 attached, especially glued.

In der Darstellung der 4 ist ein vergrößerter Ausschnitt zu erkennen. Auf das Material der Bipolarplatte 1 ist das elektrische Heizelement 14 aufgebracht und von einer elektrischen Isolierung 15 umgeben, sodass kein Strom direkt in das Material der Bipolarplatte 1 eingeleitet wird. Dieser Aufbau ist entsprechend einfach und effizient. Er kann insbesondere durch Einkleben von elektrischen Widerstandsheizelementen in die bereits bestehenden Teilplatten 10, 11 einer herkömmlichen Bipolarplatte 1 integriert werden, bevor die Teilplatten 10, 11 miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt werden.In the representation of the 4th an enlarged section can be seen. On the material of the bipolar plate 1 is the electric heating element 14 applied and by electrical insulation 15 surrounded so that no current flows directly into the material of the bipolar plate 1 is initiated. This structure is accordingly simple and efficient. He can in particular by gluing electrical resistance heating elements in the existing sub-panels 10 , 11 a conventional bipolar plate 1 be integrated before the sub-panels 10 , 11 connected to each other, for example welded.

Die Beheizung erfolgt dann so, dass primär das Kühlmittel beheizt wird und durch die Durchströmung der Kühlmittelkanäle 12 mit dem Kühlmittel punktuelle Hotspots vermieden werden, sodass die Beheizung sehr effizient und schonend für den Brennstoffzellenstapel 3 erfolgen kann, auch wenn eine relativ große Wärmemenge eingetragen wird, um beispielsweise einen eingefrorenen Brennstoffzellenstapel 3 möglichst schnell aufzutauen.The heating then takes place in such a way that the coolant is primarily heated and by the flow through the coolant channels 12th Hot spots can be avoided with the coolant, so that the heating is very efficient and gentle on the fuel cell stack 3rd can take place, even if a relatively large amount of heat is introduced, for example, a frozen fuel cell stack 3rd thaw as quickly as possible.

Eine alternative Ausführungsvariante, in der Ansicht des Ausschnitts des Brennstoffzellenstapels 3 jedoch vergleichbar zur Darstellung in 3, zeigt die 5. Der dortige Aufbau unterscheidet sich von dem bisher beschriebenen Aufbau dadurch, dass zwischen den beiden Teilplatten 10, 11 jeder der Bipolarplatten 1 eine Folie 16 angeordnet ist, welche die elektrischen Widerstandsheizelemente 14 in Form von eingebetteten Heizdrähten aufweist. Diese Variante ermöglicht ebenfalls einen relativ einfachen und effizienten Aufbau, welcher nachträglich durch eine Integration zwischen die beiden Teilplatten 10, 11 folgen kann. Er unterteilt die Kühlmittelkanäle 12 quasi in einen Bereich 12.1 und einen Bereich 12.2, was für die Kühlung der Brennstoffzelle aber unbedeutend ist. Dadurch, dass die Folie 16 direkt von dem Kühlmittel auf einer sehr großflächigen Fläche und auf beiden Ebenen der Folie 16 umströmt wird, wird hierdurch vielmehr der Wärmeeintrag von der Folie 16 in das Kühlmittel entsprechend verbessert. An alternative embodiment variant, in the view of the detail of the fuel cell stack 3rd however comparable to the representation in 3rd , show the 5 . The structure there differs from the structure described so far in that between the two partial plates 10 , 11 each of the bipolar plates 1 a slide 16 is arranged, which are the electrical resistance heating elements 14 in the form of embedded heating wires. This variant also enables a relatively simple and efficient construction, which is subsequently carried out by an integration between the two partial plates 10 , 11 can follow. It divides the coolant channels 12th quasi in one area 12.1 and an area 12.2 , which is insignificant for the cooling of the fuel cell. In that the slide 16 directly from the coolant on a very large area and on both levels of the film 16 is flowed around, rather the heat input from the film 16 in the coolant improved accordingly.

Außerdem liegt die Folie 16 auch in den Bereichen, in denen die Kanäle der Strömungsfelder 4 angeordnet sind, direkt am Material der typischerweise metallischen Bipolarplatte 1 und kann so durch das Material der jeweiligen Teilplatte 10, 11 hindurch auch diese Bereiche effizient beheizen, ohne den „Umweg“ über das Kühlmittel gehen zu müssen.In addition, the film lies 16 also in the areas where the channels of the flow fields 4th are arranged directly on the material of the typically metallic bipolar plate 1 and can be so through the material of the respective sub-panel 10 , 11 heat these areas efficiently without having to go through the coolant.

Die Ausschnittsvergrößerung in 6 zeigt den Aufbau der Folie 16 mit den elektrischen Widerstandsheizelementen 14, hier in Form von Heizdrähten nochmals im Detail. Die Folie 16 selbst ist elektrisch leitend, um die elektrischen Eigenschaften der Bipolarplatte 1 nicht nachteilig zu beeinflussen. Um den Eintrag von Strom in die Bipolarplatte 1 zu verhindern, sind die Heizdrähte 14 wiederum mit einer elektrischen Isolierung 15 versehen, wie es in der vergrößerten Darstellung der 6 entsprechend angedeutet ist.The enlargement in 6 shows the structure of the film 16 with the electrical resistance heating elements 14 , here in the form of heating wires again in detail. The foil 16 itself is electrically conductive to the electrical properties of the bipolar plate 1 not adversely affect. To prevent the entry of electricity into the bipolar plate 1 prevent the heating wires 14 again with electrical insulation 15 provided, as in the enlarged view of the 6 is indicated accordingly.

Alles in allem erlaubt eine solche Beheizung in den beschriebenen Ausführungsvarianten einen effizienten und schnellen Start eines Brennstoffzellenstapels 3, auch bei widrigen Umgebungsbedingungen und dementsprechend gegebenenfalls eingefrorenem Wasser in einzelnen Kanälen des Strömungsfeldes 4 oder insbesondere in den Durchbrüchen 8.All in all, such a heating in the described embodiment variants allows an efficient and quick start of a fuel cell stack 3rd , even under adverse environmental conditions and accordingly possibly frozen water in individual channels of the flow field 4th or especially in the breakthroughs 8th .

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant has been generated automatically and is only included for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

KR 20110032661 A [0004]
GB 2470371 A [0005]
US 2005/0058865 A1 [0006]

Claims

Fuel cell stack (3) from a multiplicity of individual cells (2) with membrane electrode arrangements (MEA) and bipolar plates (1), the bipolar plates (1) having electrical resistance heating elements (13, 14), characterized in that the electrical resistance heating elements (13) are arranged on openings (8) between a media feed and / or drain (5, 7) and a flow field (4) on the side of the bipolar plate (1) facing the membrane electrode assembly (MEA).

Fuel cell stack (3) after Claim 1 , characterized in that the electrical resistance heating elements (13) are arranged on the side of the bipolar plate (1) facing the membrane electrode arrangement (MEA).

Fuel cell stack (3) comprising a plurality of individual cells (2) with membrane electrode arrangements (MEA) and bipolar plates (1), the bipolar plates (1) having electrical resistance heating elements (13, 14), characterized in that the bipolar plates ( 1) have coolant channels (12, 12.1, 12.2), the electrical resistance heating elements (14) being arranged in the coolant channels (12, 12.1, 12.2).

Fuel cell stack (3) after Claim 3 , characterized in that the electrical resistance heating elements (14) are arranged, in particular glued, on the walls of the coolant channels (12).

Fuel cell stack (3) after Claim 3 , characterized in that the bipolar plates (1) are constructed from a partial plate (10, 11) on the anode and cathode sides, the coolant channels (12, 12.1, 12.2) being arranged between the partial plates (10, 11), and between the partial plates (10, 11) a film (16) with the electrical resistance heating elements (14) is arranged.

Fuel cell stack (3) after Claim 5 , characterized in that the film (16) consists of an electrically conductive material in which the electrical resistance heating elements (14) are embedded, the electrical resistance heating elements (14) themselves having electrical insulation (15).

Fuel cell stack (3) according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the electrical resistance heating elements (13, 14) have electrical insulation (15).

Fuel cell stack (3) according to one of the Claims 1 to 7 , characterized in that the electrical resistance heating elements (13, 14) are designed in the form of heating wires.