DE102019217989A1

DE102019217989A1 - Fuel cell stack with heating element and fuel cell system

Info

Publication number: DE102019217989A1
Application number: DE102019217989.4A
Authority: DE
Inventors: Isabel Jesswein; Harald Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2021-05-27

Abstract

Die Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt einen Brennstoffzellenstapel (10) mit mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen (11), wobei innerhalb der Reihe der Brennstoffzellen (11) zumindest ein Fluidkanal (23) zum Durchströmen der Brennstoffzellen (11) mit einem Prozessfluid ausgebildet ist, wobei der Fluidkanal (23) durch ein Heizelement 20) mit einer Außenseite (22), einer mittels Stroms beheizbaren Innenseite (21) und zumindest einer Fluidöffnung (24) gebildet ist, wobei die beheizbare Innenseite (21) zumindest ein elektrisches Kontaktelement (25) zur Versorgung der beheizbaren Innenseite (21) mit Strom aufweist und die zumindest eine Fluidöffnung (24) den Fluidkanal (23) strömungstechnisch mit zumindest einer der Brennstoffzellen (11) verbindet. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einem solchen Brennstoffzellenstapel (10), wobei das Brennstoffzellensystem eine Stromversorgungseinheit aufweist, die mit dem zumindest einen elektrischen Kontaktelement (25) elektrisch verbunden ist.

According to a first aspect, the invention relates to a fuel cell stack (10) with several fuel cells (11) connected in series, at least one fluid channel (23) for a process fluid to flow through the fuel cells (11) being formed within the series of fuel cells (11), wherein the fluid channel (23) is formed by a heating element 20) with an outside (22), an inside (21) that can be heated by means of electricity and at least one fluid opening (24), the heatable inside (21) having at least one electrical contact element (25) for supplying the heatable inside (21) with current and the at least one fluid opening (24) connects the fluid channel (23) in terms of flow to at least one of the fuel cells (11). According to a second aspect, the invention relates to a fuel cell system with at least one such fuel cell stack (10), the fuel cell system having a power supply unit which is electrically connected to the at least one electrical contact element (25).

Description

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellenstapel mit in Reihe geschalteten Brennstoffzellen erzeugen durch eine katalytische Reaktion von Prozessfluiden, wie bspw. Wasserstoff und Sauerstoff, Strom. Dazu weisen die Brennstoffzellen Durchbrüche auf, die bei der in Reihe geschalteten Brennstoffzellen Fluidkanäle ausbilden, mittels derer die Brennstoffzellen mit den Prozessfluiden versorgt werden und mittels derer die Prozessfluide aus den Brennstoffzellen herausgeführt werden.Fuel cell stacks with fuel cells connected in series generate electricity through a catalytic reaction of process fluids such as hydrogen and oxygen. For this purpose, the fuel cells have openings which form fluid channels in the series-connected fuel cells, by means of which the fuel cells are supplied with the process fluids and by means of which the process fluids are led out of the fuel cells.

Bei der Stromerzeugung aus Wasserstoff und Sauerstoff fällt zwangsläufig auch Wasser an. Das erzeugte Wasser kann beim Kaltstart unterhalb einer Betriebstemperatur der Brennstoffzelle, die üblicherweise oberhalb des Gefrierpunktes von Wasser liegt, gefrieren und so können die Fluidkanäle zufrieren. Dies wird begünstigt durch die zahlreichen Oberflächen in dem Brennstoffzellenstapel, die eine Kondensation von Wasser und ein Gefrieren des kondensierten Wassers ermöglichen.When generating electricity from hydrogen and oxygen, water is inevitably also produced. During a cold start, the water generated can freeze below an operating temperature of the fuel cell, which is usually above the freezing point of water, and so the fluid channels can freeze over. This is facilitated by the numerous surfaces in the fuel cell stack that allow water to condense and the condensed water to freeze.

Daher werden die Brennstoffzellen beim Kaltstart mit reduzierter Leistung betrieben, bis sich die Brennstoffzellen und ihre Umgebung infolge der von den Brennstoffzellen erzeugten Abwärme selbst erwärmt hat. Dies hat den Nachteil, dass die Brennstoffzelle mit reduzierter Leistung betrieben werden muss.For this reason, the fuel cells are operated with reduced power during a cold start until the fuel cells and their surroundings have warmed up themselves as a result of the waste heat generated by the fuel cells. This has the disadvantage that the fuel cell has to be operated with reduced power.

Auch ist es bekannt, die zugeführten Prozessfluide, bspw. Sauerstoff, zu erwärmen, bevor diese in die Fluidkanäle geleitet werden, damit sich die Oberflächen in dem Brennstoffzellenstapel aufwärmen, sodass eine Kondensation und ein Gefrieren von Wasser an den warmen Oberflächen vermieden wird. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig und nicht sonderlich effizient.It is also known to heat the supplied process fluids, for example oxygen, before they are passed into the fluid channels so that the surfaces in the fuel cell stack are warmed up so that condensation and freezing of water on the warm surfaces are avoided. However, this method is very complex and not particularly efficient.

Ebenso ist es aufwändig und ineffizient, wenn die Endplatten, mittels derer die einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels verpresst sind, erwärmt werden, da so unmittelbar nur die Endplatte erwärmt werden kann und indirekt über das Durchströmen mit den Prozessgasen eine Erwärmung der Fluidkanäle erfolgt. Die Gefahr des Zufrierens besteht jedoch insbesondere in einem Luft-Produktgaskanal mittels dem das gebildete Wasser der Reaktion abgeführt werden soll.It is also time-consuming and inefficient if the end plates, by means of which the individual fuel cells of the fuel cell stack are pressed, are heated, since only the end plate can be heated directly and the fluid channels are heated indirectly by flowing through the process gases. The risk of freezing exists, however, in particular in an air / product gas channel by means of which the water formed in the reaction is to be discharged.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen, wobei innerhalb der Reihe der Brennstoffzellen zumindest ein Fluidkanal zum Durchströmen der Brennstoffzellen mit einem Prozessfluid ausgebildet ist, wobei der Fluidkanal durch ein Heizelement mit einer Außenseite, einer mittels Stroms beheizbaren Innenseite und zumindest einer Fluidöffnung gebildet ist, wobei die beheizbare Innenseite zumindest ein elektrisches Kontaktelement zur Versorgung der beheizbaren Innenseite mit Strom aufweist und die zumindest eine Fluidöffnung den Fluidkanal strömungstechnisch mit zumindest einer der Brennstoffzellen verbindet.According to a first aspect, the invention relates to a fuel cell stack with several fuel cells connected in series, with at least one fluid channel being formed within the row of fuel cells for a process fluid to flow through the fuel cells, the fluid channel being formed by a heating element with an outside and an inside that can be heated by means of a current and at least one fluid opening is formed, the heatable inside having at least one electrical contact element for supplying the heatable inside with current and the at least one fluid opening fluidically connecting the fluid channel to at least one of the fuel cells.

Mittels der Heizelementes bzw. der beheizbaren Innenseite kann das Prozessfluid innerhalb des Fluidkanales auf effiziente und einfache Weise beheizt werden, sodass nicht nur ein Gefrieren von Wasser an der Innenseite der Heizhülse effektiv vermieden wird, sondern es auch insgesamt zu keiner Kondensation und keinem Gefrieren von Wasser in dem Brennstoffzellenstapel kommt.By means of the heating element or the heatable inside, the process fluid within the fluid channel can be heated in an efficient and simple manner, so that not only is water effectively prevented from freezing on the inside of the heating sleeve, but there is also no condensation or freezing of water overall comes in the fuel cell stack.

Es ist möglich, nur einen Fluidkanal in dem Brennstoffzellenstapel mittels Heizelementes oder aber mehrere oder alle Fluidkanäle in dem Brennstoffzellenstapel mittels des Heizelementes auszubilden. So kann es bspw. sinnvoll sein nur diejenigen Fluidkanäle mittels des Heizelementes auszubilden, die mit einem Prozessfluid durchströmt werden, bei dem es möglich oder besonders wahrscheinlich ist, dass es zu einem Gefrieren von Wasser kommen kann. Das Heizelement kann insbesondere als ein längliches Heizelement ausgebildet sein.It is possible to form only one fluid channel in the fuel cell stack by means of the heating element or else several or all of the fluid channels in the fuel cell stack by means of the heating element. For example, it can make sense to use the heating element to design only those fluid channels through which a process fluid flows through which it is possible or particularly likely that water may freeze. The heating element can in particular be designed as an elongated heating element.

Bevorzugt ist, dass das Heizelement als eine Heizhülse ausgebildet ist. Das Heizelement kann, insbesondere als Heizhülse ausgebildet, muss aber nicht, eine geschlossene, insbesondere zylindrische, Mantelfläche aufweisen. Vielmehr kann das Heizelement nur einen Teil der Mantelfläche aufweisen und zu einer Seite hin entlang seiner Länge geöffnet sein. Eine derartige Ausführungsform kann bereits ausreichend sein, um das Heizelement gegenüber den Brennstoffzellen elektrisch zu isolieren. Die Fluidöffnung kann entsprechend durch eine seiner Länge nach vollständig offene Seite des Heizelementes ausgebildet sein. Die Heizhülse kann bspw. durch einen gerollten Folienverbund hergestellt sein und flexibel sein. Die Heizhülse kann alternativ aber auch starr ausgebildet sein.It is preferred that the heating element is designed as a heating sleeve. The heating element can, in particular designed as a heating sleeve, but does not have to have a closed, in particular cylindrical, jacket surface. Rather, the heating element can have only part of the jacket surface and be open to one side along its length. Such an embodiment can already be sufficient to electrically isolate the heating element from the fuel cells. The fluid opening can correspondingly be formed by a side of the heating element that is completely open along its length. The heating sleeve can, for example, be produced by a rolled film composite and be flexible. Alternatively, however, the heating sleeve can also be designed to be rigid.

Bevorzugt ist, dass das Heizelement innerhalb von Durchbrüchen in den Brennstoffzellen der Reihe der Brennstoffzellen angeordnet ist. Das Heizelement kann somit einfach durch die Durchbrüche geführt bzw. eingeschoben werden. Dadurch lassen sich Brennstoffzellenstapel auf einfache Art und Weise mit dem Heizelement ausstatten oder nachrüsten. Die Durchbrüche, durch die das Heizelement geführt ist, sind dabei insbesondere fluchtend angeordnet, sodass sie einen Kanal ausbilden. Durch diesen Kanal erstreckt sich dann das Heizelement.It is preferred that the heating element is arranged within openings in the fuel cells of the row of fuel cells. The heating element can thus be easily guided or pushed through the openings. As a result, fuel cell stacks can be equipped or retrofitted with the heating element in a simple manner. The openings through which the heating element is guided are in particular arranged in alignment so that they form a channel. The heating element then extends through this channel.

Ferner ist bevorzugt, dass die beheizbare Innenseite aus einem elektrisch leitfähigen Polymerverbundmaterial ausgebildet ist. Ein elektrisch leitfähiges Polymerverbundmaterial kann Strom leiten, weist aber einen hohen elektrischen Widerstand auf. Wegen dem hohen elektrischen Widerstand wird das Polymerverbundmaterial bei Beaufschlagung mit Strom erwärmt. Geeignete Polymere für das Polymerverbundmaterial sind bspw. Polyethylen (PE), insbesondere Hart-Polyethylen (HDPE), Polypropylen (PP, PPs), Polyphenylensulfid (PPS) und Polyvinylidenfluorid (PVDF).It is also preferred that the heatable inside is formed from an electrically conductive polymer composite material. An electrically conductive polymer composite material can conduct electricity, but has a high electrical resistance. Because of the high electrical resistance, the polymer composite material is heated when it is exposed to electricity. Suitable polymers for the polymer composite material are, for example, polyethylene (PE), in particular hard polyethylene (HDPE), polypropylene (PP, PPs), polyphenylene sulfide (PPS) and polyvinylidene fluoride (PVDF).

Dabei ist bevorzugt, dass das Polymerverbundmaterial Wärmeleitpartikel aufweist. Die Wärmeleitpartikel können dem Polymer des Polymerverbundmaterials einfach zugemischt werden, um die schwach elektrisch leitfähigen Eigenschaften in dem Polymer, das ansonsten elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist, bereitzustellen. Als Wärmeleitpartikel können bspw. Graphitpartikel, Ruße und/oder metallische Partikel eingesetzt werden. Der Anteil der Wärmeleitpartikel wird dabei bevorzugt so gewählt, dass zwar eine elektrische Leitfähigkeit in dem Polymerverbundmaterial ausgebildet wird, der elektrische Widerstand aber sehr hoch ist. Ein solches beheizbares Polymerverbundmaterial kann eine Flächenleistungsdichte von ca. 2 bis 3 Watt/cm² bereitstellen. Erzielbare Temperaturen des Polymerverbundmaterials betragen bis zu 200 °C, wobei dies abhängig von dem eingesetzten Polymer als Grundmaterial ist. Temperaturen um 200 °C bilden eine Grenze für die erzielbare Temperatur, da die elektrische Leitfähigkeit in dem Polymerverbundmaterial mit Zunahme der Temperatur abnimmt, sodass ein selbstregulierender Effekt gegeben ist.It is preferred here that the polymer composite material has heat-conducting particles. The heat-conducting particles can simply be mixed with the polymer of the polymer composite material in order to provide the weakly electrically conductive properties in the polymer, which otherwise has electrically insulating properties. Graphite particles, carbon black and / or metallic particles, for example, can be used as heat-conducting particles. The proportion of heat-conducting particles is preferably selected such that, although electrical conductivity is formed in the polymer composite material, the electrical resistance is very high. Such a heatable polymer composite material can provide a surface power density of approx. 2 to 3 watt / cm ² . Achievable temperatures of the polymer composite material are up to 200 ° C, this being dependent on the polymer used as the base material. Temperatures around 200 ° C form a limit for the temperature that can be achieved, since the electrical conductivity in the polymer composite material decreases as the temperature increases, so that there is a self-regulating effect.

Auch ist bevorzugt, dass die Außenseite elektrisch isolierend, insbesondere aus einem Kunststoff, ausgebildet ist. Als Kunststoff kann hier bspw. Polypropylen oder ein anderer Kunststoff mit elektrisch isolierenden Eigenschaften gewählt werden. Die elektrisch isolierende Außenseite kann bspw. als eine Folie oder ein Folienverbund ausgebildet sein. Die beheizbare Innenseite kann bspw. als eine Folie oder ein Folienverbund ausgebildet sein, der auf der elektrisch isolierenden Außenseite angeordnet ist. Die elektrisch isolierende Außenseite und die beheizbare Innenseite können insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Der Folienverbund kann durch Herstellen der einzelnen Lagen und anschließendes Laminieren, Zuschneiden und/oder Stanzen sowie Anbringen der elektrischen Kontaktelemente mit bekannten Fertigungstechniken der Folienindustrie Rolle zu Rolle gefertigt werden. Auch kann die elektrisch isolierende Außenseite oder die beheizbare Innenseite an die jeweils andere mittels Spritzgießens angespritzt oder mittels eines Klebstoffes angeklebt sein. Sowohl die elektrisch isolierende Außenseite als auch die beheizbare Innenseite können, insbesondere gemeinsam, kostengünstig im Spritzgussverfahren hergestellt werden.It is also preferred that the outside is designed to be electrically insulating, in particular made of a plastic. Here, for example, polypropylene or another plastic with electrically insulating properties can be selected as the plastic. The electrically insulating outer side can, for example, be designed as a film or a film composite. The heatable inside can be designed, for example, as a film or a film composite which is arranged on the electrically insulating outside. The electrically insulating outside and the heatable inside can in particular be connected to one another in a materially bonded manner. The film composite can be manufactured roll-to-roll by producing the individual layers and then laminating, cutting and / or punching as well as attaching the electrical contact elements using known manufacturing techniques of the film industry. The electrically insulating outer side or the heatable inner side can also be injection-molded onto the other by means of injection molding or glued by means of an adhesive. Both the electrically insulating outer side and the heatable inner side can, in particular together, be manufactured inexpensively by injection molding.

Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt, dass die Außenseite Abstandshalter aufweist, die die beheizbare Innenseite von den Brennstoffzellen beabstandet. Die Abstandshalter können bspw. als Pins oder Füße ausgebildet sein, die sich quer oder senkrecht zu der Erstreckung des Heizelementes erstrecken. Mittels der Abstandshalter kann die elektrisch isolierende Wirkung der Außenseite erreicht werden oder verstärkt werden.As an alternative or in addition, it is preferred that the outside has spacers which separate the heatable inside from the fuel cells. The spacers can be designed as pins or feet, for example, which extend transversely or perpendicularly to the extension of the heating element. The electrically insulating effect of the outside can be achieved or reinforced by means of the spacers.

Darüber hinaus ist bevorzugt, dass das zumindest eine elektrische Kontaktelement als eine Stromfahne oder eine Stromschiene ausgebildet ist. Eine Stromfahne kann bspw. ein schmales, dünnes und längliches Metallelement sein. Eine Stromschiene kann demgegenüber ein schmales, starkes bzw. dickes und längliches Metallelement sein. Das elektrische Kontaktelement kann sich entlang einer Länge, insbesondere zumindest 20% und ferner insbesondere zumindest 40% einer Gesamtlänge, der beheizbaren Innenseite bzw. des Heizelementes erstrecken, insbesondere an der beheizbaren Innenseite angeordnet sein. Möglich ist es auch, mehrere elektrische Kontaktelemente parallel zueinander entlang der Länge der beheizbaren Innenseite anzuordnen. Dadurch wird eine gleichmäßige Stromverteilung entlang der beheizbaren Innenseite erreicht, um möglichst die gesamte beheizbare Innenseite aufzuheizen. Dies ermöglicht es, dass die beheizbare Innenseite trotz des hohen elektrischen Widerstandes gleichmäßig aufgeheizt wird.In addition, it is preferred that the at least one electrical contact element is designed as a power lug or a power rail. A current lug can, for example, be a narrow, thin and elongated metal element. In contrast, a busbar can be a narrow, strong or thick and elongated metal element. The electrical contact element can extend along a length, in particular at least 20% and further in particular at least 40% of a total length, of the heatable inside or the heating element, in particular it can be arranged on the heatable inside. It is also possible to arrange several electrical contact elements parallel to one another along the length of the heatable inside. As a result, a uniform current distribution along the heatable inside is achieved in order to heat up the entire heatable inside as far as possible. This enables the heatable inside to be heated evenly despite the high electrical resistance.

Das elektrische Kontaktelement kann an einem Längsende des Heizelementes angeordnet sein. Dadurch kann das elektrisch Kontaktelement auf einfache Art und Weise außerhalb des Brennstoffzellenstapels elektrisch mit einer Stromversorgungseinheit elektrisch verbunden werden.The electrical contact element can be arranged at a longitudinal end of the heating element. As a result, the electrical contact element can be electrically connected to a power supply unit in a simple manner outside the fuel cell stack.

Weiterhin ist bevorzugt, dass die zumindest eine Fluidöffnung als ein Schlitz in dem Heizelement ausgebildet ist. Insbesondere können mehrere Fluidöffnungen als Schlitze ausgebildet sein. So kann bspw. je ein Schlitz je einer Brennstoffzelle zugeordnet werden.It is also preferred that the at least one fluid opening is designed as a slot in the heating element. In particular, several fluid openings can be designed as slots. For example, one slot can be assigned to each fuel cell.

Die Erfindung betrifft gemäß einem zweiten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einem Brennstoffzellenstapel gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei das Brennstoffzellensystem eine Stromversorgungseinheit aufweist, die mit dem zumindest einen elektrischen Kontaktelement elektrisch verbunden ist.According to a second aspect, the invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell stack according to the first aspect of the invention, the fuel cell system having a power supply unit which is electrically connected to the at least one electrical contact element.

Die Stromversorgungseinheit versorgt das elektrische Kontaktelement und dadurch die mittels Stroms beheizbare Innenseite des Heizelementes mit Strom, wodurch die beheizbare Innenseite aufgeheizt wird. Die Stromversorgungseinheit kann bspw. eine Batterie oder der Brennstoffzellenstapel selbst sein, indem der Brennstoffzellenstapel mittels einer stromführenden Leitung des Brennstoffzellenstapels mit dem Heizelement elektrisch verbunden wird.The power supply unit supplies the electrical contact element and thereby the inside of the heating element, which can be heated by means of electricity with electricity, whereby the heated inside is heated. The power supply unit can, for example, be a battery or the fuel cell stack itself, in that the fuel cell stack is electrically connected to the heating element by means of a current-carrying line of the fuel cell stack.

Dabei ist bevorzugt, dass das Brennstoffzellensystem ein Steuergerät zum Steuern der Stromversorgungseinheit aufweist, wobei das Steuergerät dazu ausgebildet ist, die beheizbare Innenseite mit Strom von der Stromversorgungseinheit zu versorgen, wenn der zumindest eine Brennstoffzellenstapel bei Betriebstemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes betrieben wird.It is preferred that the fuel cell system has a control device for controlling the power supply unit, the control device being designed to supply the heatable inside with power from the power supply unit when the at least one fuel cell stack is operated at operating temperatures below freezing point.

Dadurch wird eine Steuerfunktion implementiert, die dafür sorgt, dass die beheizbare Innenseite aufgeheizt wird, wenn die Gefahr besteht, dass der Fluidkanal anderenfalls zufriert.This implements a control function which ensures that the heatable inside is heated up if there is a risk that the fluid channel will otherwise freeze over.

Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Figur hervorgehenden Merkmale, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, können sowohl für sich als auch in den beliebigen verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen jeweils schematisch:

1 eine perspektivische Seitenansicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels,
2 eine perspektivische Seitenansicht auf ein Heizelement in dem Brennstoffzellenstapel aus 1,
3 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform des Heizelementes aus 2.

The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawing. All of the features emerging from the claims, the description or the figure, including structural details, can be essential to the invention both individually and in any various combinations. They each show schematically:

1 a perspective side view of an embodiment of a fuel cell stack according to the invention,
2 a perspective side view of a heating element in the fuel cell stack 1 ,
3rd a plan view of an alternative embodiment of the heating element 2 .

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.Elements with the same function and mode of operation are in the 1 to 3rd each provided with the same reference numerals.

1 zeigt eine perspektivische Seitenansicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 10. Der Brennstoffzellenstapel 10 weist mehrere Brennstoffzellen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5 auf, die aufeinandergestapelt sind. Die mehreren Brennstoffzellen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5 sind in Reihe geschaltet. Ferner werden die mehreren aufeinandergestapelten Brennstoffzellen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5 jeweils von Endplatten 13.1, 13.2 abgeschlossen bzw. sind zwischen den Endplatten 13.1, 13.2 verspannt. 1 shows a perspective side view of an embodiment of a fuel cell stack according to the invention 10 . The fuel cell stack 10 has multiple fuel cells 11.1 , 11.2 , 11.3 , 11.4 , 11.5 that are stacked on top of each other. The multiple fuel cells 11.1 , 11.2 , 11.3 , 11.4 , 11.5 are connected in series. Furthermore, the plurality of fuel cells stacked one on top of the other 11.1 , 11.2 , 11.3 , 11.4 , 11.5 each of end plates 13.1 , 13.2 completed or are between the end plates 13.1 , 13.2 tense.

In dieser perspektivischen Seitenansicht ist die Endplatte 13.1 gegenüber der Brennstoffzelle 11.1 angehoben gezeigt, um einen Blick auf das Heizelement 20, das vorliegend als eine Heizhülse 20 ausgebildet ist, zu ermöglichen. Selbstverständlich handelt es sich dabei lediglich um eine Darstellung zur besseren Verständlichkeit. Normalerweise ist die Endplatte 13.1 an der Brennstoffzelle 11.1 angeordnet.In this perspective side view is the end plate 13.1 compared to the fuel cell 11.1 Shown raised to take a look at the heating element 20th , in the present case as a heating sleeve 20th is designed to enable. Of course, this is only a representation for better understanding. Usually the end plate 13.1 on the fuel cell 11.1 arranged.

Anhand der Brennstoffzelle 11.1 ist zu erkennen, dass die Brennstoffzellen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5 jeweils mehrere Durchbrüche 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 aufweisen. Der Durchbruch 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 je einer der Brennstoffzellen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5 ist fluchtend mit den Durchbrüchen 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 der anderen Brennstoffzellen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5, sodass durch die Durchbrüche 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 hindurch jeweils Kanäle für das Durchströmen mit Prozessfluid ausgebildet sind.Using the fuel cell 11.1 can be seen that the fuel cells 11.1 , 11.2 , 11.3 , 11.4 , 11.5 several breakthroughs each 12.1 , 12.2 , 12.3 , 12.4 exhibit. The breakthrough 12.1 , 12.2 , 12.3 , 12.4 one of the fuel cells 11.1 , 11.2 , 11.3 , 11.4 , 11.5 is aligned with the breakthroughs 12.1 , 12.2 , 12.3 , 12.4 the other fuel cells 11.1 , 11.2 , 11.3 , 11.4 , 11.5 so that through the breakthroughs 12.1 , 12.2 , 12.3 , 12.4 through each channel are formed for the flow through with process fluid.

Vorliegend sind durch die mittels der Durchbrüche 12.1, 12.3 gebildeten Kanäle in den Brennstoffzellen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5 Heizhülsen 20.1, 20.2 geführt. Die Heizhülse 20.1 in dem sichtbaren Durchbruch 12.1 der Brennstoffzelle 11.1 ist dabei von ihrer elektrisch isolierenden Außenseite 22 her sichtbar. Die Heizhülse 20.2 in dem sichtbaren Durchbruch 12.3 der Brennstoffzelle 11.1 ist nur partiell mit ihrer mittels Stroms beheizbaren Innenseite 21 gezeigt bzw. ist ihre Außenseite 22 hier weggelassen. Die Heizhülsen 20.1, 20.2 weisen jeweils elektrische Kontaktelemente 25.1, 25.2 auf, die elektrisch mit den beheizbaren Innenseiten 21 dieser verbunden sind und außerhalb der Endplatte 13.1 liegen.The present are through the means of the breakthroughs 12.1 , 12.3 channels formed in the fuel cells 11.1 , 11.2 , 11.3 , 11.4 , 11.5 Heating sleeves 20.1 , 20.2 guided. The heating sleeve 20.1 in the visible breakthrough 12.1 the fuel cell 11.1 is from its electrically insulating outside 22nd visible. The heating sleeve 20.2 in the visible breakthrough 12.3 the fuel cell 11.1 is only partially with its inside that can be heated by electricity 21 shown or is their outside 22nd omitted here. The heating sleeves 20.1 , 20.2 each have electrical contact elements 25.1 , 25.2 on that electrically with the heated insides 21 these are connected and outside the end plate 13.1 lie.

2 zeigt eine perspektivische Seitenansicht auf eine der beiden Heizhülsen 20 in dem Brennstoffzellenstapel 10 aus 1. Die Außenseite 22 der Heizhülse 20 wird vorliegend durch einen elektrisch isolierenden Kunststoff gebildet. Diese ist als Folie stoffschlüssig mit der beheizbaren Innenseite 21 verbunden. Die beheizbare Innenseite 21 wird vorliegend durch ein elektrisch leitfähiges Polymerverbundmaterial gebildet. An der beheizbaren Innenseite 21 sind zwei längs der Innenseite 21 bzw. der Aufheizhülse 20 verlaufende elektrische Kontaktelemente 25.1, 25.2 in Form von Stromschienen angeordnet. Ferner ist die Fluidöffnung 24 zur strömungstechnischen Verbindung mit den Brennstoffzellen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4, 11.5 als ein Schlitz in der Innenseite 21 und der Außenseite 22 der Heizhülse 20 ausgebildet. 2 shows a perspective side view of one of the two heating sleeves 20th in the fuel cell stack 10 out 1 . The outside 22nd the heating sleeve 20th is formed in the present case by an electrically insulating plastic. As a film, this is firmly bonded to the heated inside 21 connected. The heated inside 21 is formed in the present case by an electrically conductive polymer composite material. On the heated inside 21 are two along the inside 21 or the heating sleeve 20th running electrical contact elements 25.1 , 25.2 arranged in the form of busbars. Further is the fluid opening 24 for fluidic connection with the fuel cells 11.1 , 11.2 , 11.3 , 11.4 , 11.5 as a slit in the inside 21 and the outside 22nd the heating sleeve 20th educated.

3 zeigt eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform der Heizhülse 20 aus 2. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der aus 2 darin, dass die Fluidöffnung 24 nicht als ein Schlitz in einer vollen Mantelfläche der Heizhülse 20 ausgebildet ist, sondern als eine Öffnung zu einer Seite der Heizhülse 20 entlang seiner gesamten Länge. 3rd Figure 12 shows a top view of an alternative embodiment of the heating sleeve 20th out 2 . This embodiment differs from that of 2 in that the fluid port 24 not as a slot in a full jacket surface of the heating sleeve 20th is formed, but as an opening to one side of the heating sleeve 20th along its entire length.

Claims

Fuel cell stack (10) with a plurality of fuel cells (11) connected in series, at least one fluid channel (23) for a process fluid to flow through the fuel cells (11) being formed within the row of fuel cells (11), characterized in that the fluid channel (23 ) is formed by a heating element (20) with an outside (22), an inside (21) heatable by means of electricity and at least one fluid opening (24), the heatable inside (21) having at least one electrical contact element (25) for supplying the heatable Has inside (21) with flow and the at least one fluid opening (24) connects the fluid channel (23) fluidically with at least one of the fuel cells (11).

Fuel cell stack (10) after Claim 1 , characterized in that the heating element (20) is designed as a heating sleeve (20).

Fuel cell stack (10) after Claim 1 or 2 , characterized in that the heating element (20) is arranged within openings (12) in the fuel cells (11) of the row of fuel cells (11).

Fuel cell stack (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the heatable inside (21) is formed from an electrically conductive polymer composite material.

Fuel cell stack (10) after Claim 4 , characterized in that the polymer composite material has heat-conducting particles, in particular graphite particles, carbon black and / or metallic particles.

Fuel cell stack (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the outside (22) is designed to be electrically insulating, in particular made of a plastic.

Fuel cell stack (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the outer side (22) has spacers which separate the heatable inner side (21) from the fuel cells (11).

Fuel cell stack (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one electrical contact element (25) is designed as a current lug or a busbar.

Fuel cell stack (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one fluid opening (24) is designed as a slot in the heating sleeve (20).

Fuel cell system with at least one fuel cell stack (10) according to one of the preceding claims, wherein the fuel cell system has a power supply unit which is electrically connected to the at least one electrical contact element (25), the control device being designed in particular to have the heatable inside (21) To supply power from the power supply unit when the at least one fuel cell stack (10) is operated at operating temperatures below freezing point.