DE102019217992A1

DE102019217992A1 - Fuel cell stack

Info

Publication number: DE102019217992A1
Application number: DE102019217992.4A
Authority: DE
Inventors: Jochen Wessner; Ernst Hauk; Eberhard Maier; Andreas Rettich; Harald Bauer; Lars Olems
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
Also published as: WO2021099036A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (10) mit zwei Endplatten (12) und mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen (11), die zwischen den Endplatten (12) angeordnet sind, wobei zumindest eine der Endplatten (12) zumindest einen Fluidkanal (13) zum Durchströmen mit einem Fluid aufweist, wobei der Fluidkanal (13) einen Einlass (14) und einen Auslass (15) für das Fluid aufweist, wobei der Auslass (15) strömungstechnisch mit einem in den Brennstoffzellen (11) ausgebildeten Strömungspfad (16) zum Durchströmen der Brennstoffzellen (11) mit dem Fluid ausgebildet ist, wobei die zumindest eine Endplatte (12) mit dem Fluidkanal (13) zumindest ein als Heizspule (20) ausgebildetes elektrisches Heizelement aufweist, wobei das elektrische Heizelement (20) zum Beheizen des den Fluidkanal (13) durchströmenden Fluides an dem Fluidkanal (13) in der zumindest einen Endplatte (12) angeordnet ist.The invention relates to a fuel cell stack (10) with two end plates (12) and several fuel cells (11) connected in series, which are arranged between the end plates (12), with at least one of the end plates (12) at least one fluid channel (13) for flow through with a fluid, the fluid channel (13) having an inlet (14) and an outlet (15) for the fluid, the outlet (15) having a flow path (16) formed in the fuel cells (11) for flowing through the Fuel cells (11) is formed with the fluid, wherein the at least one end plate (12) with the fluid channel (13) has at least one electrical heating element designed as a heating coil (20), the electrical heating element (20) for heating the fluid channel (13) ) The fluid flowing through is arranged on the fluid channel (13) in the at least one end plate (12).

Description

Stand der TechnikState of the art

EP 2 353 200 B1 offenbart einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Der Brennstoffzellenstapel weist einen Wärmetauscher in einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels auf. In dem Wärmetauscher ist ein elektrischer Heizer zur Inbetriebnahme oder zum Aufheizen des Brennstoffzellenstapels angeordnet. EP 2 353 200 B1 discloses a fuel cell stack according to the preamble of claim 1. The fuel cell stack has a heat exchanger in an end plate of the fuel cell stack. An electrical heater for starting up or heating up the fuel cell stack is arranged in the heat exchanger.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit zwei Endplatten und mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen, die zwischen den Endplatten angeordnet sind, wobei zumindest eine der Endplatten zumindest einen Fluidkanal zum Durchströmen mit einem Fluid aufweist, wobei der Fluidkanal einen Einlass und einen Auslass für das Fluid aufweist, wobei der Auslass strömungstechnisch mit einem in den Brennstoffzellen ausgebildeten Strömungspfad zum Durchströmen der Brennstoffzellen mit dem Fluid ausgebildet ist, wobei die zumindest eine Endplatte mit dem Fluidkanal zumindest ein als Heizspule ausgebildetes elektrisches Heizelement aufweist, wobei die Heizspule zum Beheizen des den Fluidkanal durchströmenden Fluides an dem Fluidkanal in der zumindest einen Endplatte angeordnet ist.The invention relates to a fuel cell stack with two end plates and a plurality of fuel cells connected in series, which are arranged between the end plates, wherein at least one of the end plates has at least one fluid channel for a fluid to flow through, the fluid channel having an inlet and an outlet for the fluid, wherein the outlet is fluidically configured with a flow path formed in the fuel cells for the fluid to flow through the fuel cells, the at least one end plate with the fluid channel having at least one electrical heating element configured as a heating coil, the heating coil for heating the fluid flowing through the fluid channel on the Fluid channel is arranged in the at least one end plate.

Mittels der zumindest einen Heizspule in der Endplatte kann der Fluidkanal auf einfache und kostengünstige Weise erwärmt werden, um das durchströmende Fluid oder auch Prozessfluid, insbesondere ein Prozessgas, lokal zu erwärmen. Dadurch wird vermieden, dass der Fluidkanal einfriert. Ferner kann erreicht werden, dass das Fluid schnell optimale Arbeitsbedingungen erreicht, bevor es die Brennstoffzellen erreicht, sodass auch der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle insgesamt erhöht wird. Das Vorwärmen des Fluides erfolgt dabei durch die Induktion von Wirbelströmen mittels der zumindest einen Heizspule. Die Ausbildung und Integration des zumindest einen elektrischen Heizelementes als Heizspule ist dabei besonders kostengünstig und einfach.By means of the at least one heating coil in the end plate, the fluid channel can be heated in a simple and inexpensive manner in order to locally heat the fluid flowing through or also process fluid, in particular a process gas. This prevents the fluid channel from freezing. Furthermore, it can be achieved that the fluid quickly reaches optimal working conditions before it reaches the fuel cells, so that the overall efficiency of the fuel cell is also increased. The fluid is preheated by induction of eddy currents by means of the at least one heating coil. The design and integration of the at least one electrical heating element as a heating coil is particularly inexpensive and simple.

Insbesondere können beide Endplatten des Brennstoffzellenstapels jeweils zumindest einen Fluidkanal aufweisen, und beide Endplatten können jeweils zumindest ein als Heizspule ausgebildetes elektrisches Heizelement aufweisen, wobei das elektrische Heizelement zum Beheizen des die Fluidkanäle durchströmenden Fluides an den Fluidkanälen in den Endplatten angeordnet ist.In particular, both end plates of the fuel cell stack can each have at least one fluid channel, and both end plates can each have at least one electrical heating element designed as a heating coil, the electrical heating element for heating the fluid flowing through the fluid channels being arranged on the fluid channels in the end plates.

Ferner insbesondere kann die zumindest eine Endplatte mehrere Fluidkanäle aufweisen, wobei die zumindest eine Endplatte mehrere als Heizspule ausgebildete elektrische Heizelemente aufweist, wobei die mehreren Heizspule zum Beheizen der die Fluidkanäle durchströmenden Fluide an den Fluidkanälen in den Endplatten angeordnet sind.Furthermore, in particular, the at least one end plate can have multiple fluid channels, the at least one end plate having multiple electrical heating elements designed as heating coils, the multiple heating coils for heating the fluids flowing through the fluid channels being arranged on the fluid channels in the end plates.

Bevorzugt ist, dass ein elektrisches Isolationsmaterial um die zumindest eine Heizspule angeordnet ist. Das elektrische Isolationsmaterial verhindert einen Kurzschluss an der Heizspule infolge einer Bildung von Kondensat aus dem Fluid.It is preferred that an electrical insulation material is arranged around the at least one heating coil. The electrical insulation material prevents a short circuit on the heating coil as a result of the formation of condensate from the fluid.

Dabei ist bevorzugt, dass das elektrische Isolationsmaterial zumindest teilweise aus einem Kunststoff ausgebildet ist. Insbesondere kann das elektrische Isolationsmaterial vollständig aus einem Kunststoff ausgebildet sein. Alternativ kann das Isolationsmaterial als ein Lack auf der Heizspule bereitgestellt werden.It is preferred that the electrical insulation material is at least partially formed from a plastic. In particular, the electrical insulation material can be made entirely from a plastic. Alternatively, the insulation material can be provided as a lacquer on the heating coil.

Weiterhin ist dabei bevorzugt, dass das elektrische Isolationsmaterial als eine Isolationshülse geformt ist. Die Isolationshülse kann eine zylindrische Form aufweisen. Die Isolationshülse kann einfach um den Fluidkanal herum angeordnet werden, was die Fertigung vereinfacht. Ferner kann eine gleichmäßigere Erwärmung des Fluidkanales erfolgen, wenn die zumindest eine Heizspule in einer Isolationshülse angeordnet ist. Darüber hinaus ermöglicht die Isolationshülse eine besonders formgetreue und stabile Ausbildung des Fluidkanales in der Endplatte.It is also preferred that the electrical insulation material is shaped as an insulation sleeve. The insulation sleeve can have a cylindrical shape. The insulation sleeve can easily be arranged around the fluid channel, which simplifies manufacture. Furthermore, the fluid channel can be heated more evenly if the at least one heating coil is arranged in an insulating sleeve. In addition, the insulating sleeve enables a particularly dimensionally accurate and stable design of the fluid channel in the end plate.

Außerdem ist bevorzugt, dass zwei Heizspulen um den Umfang des Fluidkanales herum angeordnet sind, sodass sich der Fluidkanal zwischen den beiden Heizspulen befindet. Dadurch kann eine besonders gleichmäßige Erwärmung um den Fluidkanal herum erfolgen.It is also preferred that two heating coils are arranged around the circumference of the fluid channel, so that the fluid channel is located between the two heating coils. As a result, particularly uniform heating can take place around the fluid channel.

Auch ist bevorzugt, dass zwei Heizspulen entlang einer Länge des Fluidkanales nebeneinander angeordnet sind. Dadurch kann eine besonders gleichmäßige Erwärmung entlang des Fluidkanales erfolgen.It is also preferred that two heating coils are arranged next to one another along a length of the fluid channel. As a result, particularly uniform heating can take place along the fluid channel.

Darüber hinaus ist bevorzugt, dass eine Wärmeleithülse, die zumindest teilweise aus zumindest einem Metall ausgebildet ist, zwischen dem Fluidkanal und der zumindest einen Heizspule angeordnet ist. Insbesondere kann die Wärmeleithülse vollständig aus Metall ausgebildet sein. Das Metall kann beispielsweise ein besonders wärmeleitfähiges Metall, wie beispielsweise Kupfer, sein. Die Wärmeleithülse weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Isolationsmaterial auf und ermöglicht eine gleichmäßige Erwärmung des Fluidkanales.In addition, it is preferred that a heat conducting sleeve, which is at least partially formed from at least one metal, is arranged between the fluid channel and the at least one heating coil. In particular, the thermal sleeve can be made entirely of metal. The metal can, for example, be a particularly thermally conductive metal, such as copper. The thermal sleeve has a higher thermal conductivity than the insulation material and enables the fluid channel to be heated evenly.

Ferner ist bevorzugt, dass die zumindest eine Heizspule einen elektrischen Anschluss aufweist, der zur Stromversorgung mit einer Batterie und/oder einer stromführenden Leitung des Brennstoffzellenstapels verbunden ist. Insbesondere kann die zumindest eine Heizspule mittels des elektrischen Anschlusses mit der Batterie und/oder der stromführenden Leitung des Brennstoffzellenstapels verbunden sein. Die Heizspule kann in der ersten Variante zuverlässig mit Strom versorgt werden, selbst wenn der Brennstoffzellenstapel keinen Strom erzeugt, um den Fluidkanal für einen Startbetrieb des Brennstoffzellenstapels aufzuheizen. Bei der zweiten Variante kann die zumindest eine Heizspule mit dem Strom des Brennstoffzellenstapels versorgt werden und damit besonders kompakt aufgebaut werden. Die Batterie kann dann entfallen. Bei Kombination der ersten mit der zweiten Variante kann die Batterie als Puffer dienen. Die Batterie kann insbesondere ein Akkumulator sein.It is further preferred that the at least one heating coil has an electrical connection which is connected to a battery and / or a current-carrying line of the fuel cell stack for power supply. In particular, the at least a heating coil can be connected to the battery and / or the current-carrying line of the fuel cell stack by means of the electrical connection. In the first variant, the heating coil can be reliably supplied with current, even if the fuel cell stack does not generate any current in order to heat the fluid channel for starting operation of the fuel cell stack. In the second variant, the at least one heating coil can be supplied with the current from the fuel cell stack and can thus be constructed in a particularly compact manner. The battery can then be omitted. When combining the first with the second variant, the battery can serve as a buffer. The battery can in particular be an accumulator.

Im Weiteren ist bevorzugt, dass ein Temperatursensor in der zumindest einen Endplatte mit dem Fluidkanal angeordnet ist. Mittels des Temperatursensors kann die Temperatur des Fluides in dem Fluidkanal erfasst werden.Furthermore, it is preferred that a temperature sensor is arranged in the at least one end plate with the fluid channel. The temperature of the fluid in the fluid channel can be detected by means of the temperature sensor.

Dabei ist bevorzugt, dass der Temperatursensor und die zumindest eine Heizspule mit einem Steuergerät verbunden sind, wobei das Steuergerät dazu eingerichtet ist, eine Heizleistung der zumindest einen Heizspule in Abhängigkeit von einer von dem Temperatursensor erfassten Temperatur zu steuern. Insbesondere kann das Steuergerät dabei als ein Regler ausgebildet sein. Demgemäß kann der Fluidkanal bzw. der Fluid in dem Fluidkanal energieeffizient betrieben und mit hoher Genauigkeit auf eine vordefinierte, vorteilhafte Temperatur erwärmt werden.It is preferred that the temperature sensor and the at least one heating coil are connected to a control device, the control device being set up to control a heating power of the at least one heating coil as a function of a temperature detected by the temperature sensor. In particular, the control device can be designed as a regulator. Accordingly, the fluid channel or the fluid in the fluid channel can be operated in an energy-efficient manner and heated to a predefined, advantageous temperature with high accuracy.

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 Seitenansicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels,
2 eine Vorderansicht auf das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels aus 1, und
3 eine Schnittansicht durch eine Endplatte des Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels aus 1 und 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 side view of an embodiment of a fuel cell stack according to the invention,
2 a front view of the embodiment of the fuel cell stack according to the invention 1 , and
3rd a sectional view through an end plate of the embodiment of the fuel cell stack according to the invention 1 and 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 Seitenansicht auf ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 10. Dabei ist nur ein linker Ausschnitt des Brennstoffzellenstapels 10 mit einer Endplatte 12 und mehreren in Reihe geschalteten Brennstoffzellen 11, wovon nur die Brennstoffzellen 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 bezeichnet sind, gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 10 verfügt auch auf der der gezeigten Endplatte 12 gegenüberliegenden Seite über eine nicht gezeigte Endplatte, sodass der Brennstoffzellenstapel 10 durch diese abgeschlossen wird. 1 shows a side view of an embodiment of a fuel cell stack according to the invention 10 . There is only a left section of the fuel cell stack 10 with an end plate 12th and several fuel cells connected in series 11 of which only the fuel cells 11.1 , 11.2 , 11.3 , 11.4 are shown. The fuel cell stack 10 also features on the end plate shown 12th opposite side via an end plate, not shown, so that the fuel cell stack 10 is completed by this.

In dieser Ansicht ist zu erkennen, dass in der Endplatte 12 zwei Fluidkanäle 13.1, 13.2 ausgebildet sind, die jeweils mit Strömungspfaden 16.1, 16.2 durch die Reihe von Brennstoffzellen 11 strömungstechnisch verbunden sind. Die Fluidkanäle 13.1, 13.2 und Strömungspfade 16.1, 16.2 werden im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 mit einem Fluid oder einem Prozessfluid, insbesondere einem Prozessgas, durchströmt. Um die Fluidkanäle 13.1, 13.2 herum sind Isolationshülsen 23.1, 23.2 aus einem elektrischen Isolationsmaterial aus Kunststoff ausgebildet. In den Isolationshülsen 23.1, 23.2 sind Heizspulen 20 angeordnet, die über elektrische Anschlüsse 21 zur Stromversorgung verfügen. Die Heizspulen 20 sind in 3 gezeigt und werden mit Bezug auf diese näher erläutert.In this view it can be seen that in the end plate 12th two fluid channels 13.1 , 13.2 are formed, each with flow paths 16.1 , 16.2 through the range of fuel cells 11 Are fluidically connected. The fluid channels 13.1 , 13.2 and flow paths 16.1 , 16.2 are in operation of the fuel cell stack 10 with a fluid or a process fluid, in particular a process gas, flows through. To the fluid channels 13.1 , 13.2 around are insulation sleeves 23.1 , 23.2 formed from an electrical insulation material made of plastic. In the insulation sleeves 23.1 , 23.2 are heating coils 20th arranged via electrical connections 21 for power supply. The heating coils 20th are in 3rd and are explained in more detail with reference to this.

2 zeigt eine Vorderansicht auf das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 10 aus 1. In dieser Ansicht ist zu erkennen, dass die Endplatte 12 mit insgesamt sechs Fluidkanälen 13.1, 13.2, 13.3, 13.4, 13.5, 13.6 ausgebildet ist, die jeweils von Isolationshülsen 23.1, 23.2, 23.3, 23.4, 23.5, 23.6 umschlossen werden. 2 shows a front view of the embodiment of the fuel cell stack according to the invention 10 out 1 . In this view it can be seen that the end plate 12th with a total of six fluid channels 13.1 , 13.2 , 13.3 , 13.4 , 13.5 , 13.6 is formed, each of insulation sleeves 23.1 , 23.2 , 23.3 , 23.4 , 23.5 , 23.6 be enclosed.

3 zeigt eine Schnittansicht durch die Endplatte 12 des Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 10 aus 1 und 2. Zu erkennen ist in 3, dass der Fluidkanal 13 einen Einlass 14 und einen Auslass 15 aufweist. Das Prozessgas strömt durch den Einlass 14 in den Fluidkanal 13 ein und entlang des gezeigten Pfeiles zu dem Auslass 15, der mit dem Strömungspfad 16 durch die Brennstoffzellen 10 verbunden ist. 3rd shows a sectional view through the end plate 12th of the embodiment of the fuel cell stack according to the invention 10 out 1 and 2 . You can see in 3rd that the fluid channel 13th an inlet 14th and an outlet 15th having. The process gas flows through the inlet 14th into the fluid channel 13th in and along the arrow shown to the outlet 15th , the one with the flow path 16 through the fuel cells 10 connected is.

Umgeben wird der Fluidkanal 13 von der Isolationshülse 23, wobei hier die zwei Wandungen 23.1, 23.2 der Isolationshülse 23 zu sehen sind. Zwei Heizspulen 20.1, 20.2 sind in der Isolationshülse 23 um den Umfang des Fluidkanales 13 herum angeordnet, sodass sich der Fluidkanal 13 zwischen den beiden Heizspulen 20.1, 20.2 befindet. Die Heizspulen 20.1, 20.2 weisen ihrerseits elektrische Anschlüsse 21.1, 21.2 auf, die mit einer Batterie und/oder einer stromführenden Leitung der Brennstoffzelle 10 verbunden sind, was aber nicht gezeigt ist.The fluid channel is surrounded 13th from the insulation sleeve 23 , with the two walls here 23.1 , 23.2 the insulation sleeve 23 you can see. Two heating coils 20.1 , 20.2 are in the insulation sleeve 23 around the circumference of the fluid channel 13th arranged around so that the fluid channel 13th between the two heating coils 20.1 , 20.2 is located. The heating coils 20.1 , 20.2 in turn have electrical connections 21.1 , 21.2 on that with a battery and / or a live line of the fuel cell 10 are connected, but this is not shown.

Ferner ist zwischen dem Fluidkanal 13 und der Isolationshülse 23 eine Wärmleithülse 24 aus Metall angeordnet. Die Wärmeleithülse 24 wird mittels der mit Strom versorgten Heizspulen 20.1, 20.2 erwärmt und erwärmt so das durch den Fluidkanal 13 strömende Prozessgas. Dadurch kann ein Einfrieren des Fluidkanales 13 vermieden werden und das Fluid auf optimale Arbeitstemperatur gebracht werden, bevor es zu den Brennstoffzellen 10 strömt. Dies erhöht den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 10.Furthermore, is between the fluid channel 13th and the insulation sleeve 23 a thermal sleeve 24 arranged from metal. The thermal sleeve 24 is by means of of the powered heating coils 20.1 , 20.2 heats and heats so that through the fluid channel 13th flowing process gas. This can cause the fluid channel to freeze 13th can be avoided and the fluid can be brought to the optimum working temperature before it is sent to the fuel cells 10 flows. This increases the efficiency of the fuel cell 10 .

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

EP 2353200 B1 [0001]

Claims

Fuel cell stack (10) with two end plates (12) and several fuel cells (11) connected in series, which are arranged between the end plates (12), at least one of the end plates (12) having at least one fluid channel (13) for a fluid to flow through , the fluid channel (13) having an inlet (14) and an outlet (15) for the fluid, the outlet (15) having a flow path (16) formed in the fuel cells (11) for flowing through the fuel cells (11). is formed with the fluid, characterized in that the at least one end plate (12) with the fluid channel (13) has at least one electrical heating element designed as a heating coil (20), the heating coil (20) for heating the fluid channel (13) flowing through it Fluid is arranged on the fluid channel (13) in the at least one end plate (12).

Fuel cell stack (10) after Claim 1 , characterized in that an electrical insulation material (23) is arranged around the at least one heating coil (20).

Fuel cell stack (10) after Claim 2 , characterized in that the electrical insulation material (23) is at least partially formed from a plastic.

Fuel cell stack (10) after Claim 2 or 3rd , characterized in that the electrical insulation material (23) is shaped as an insulation sleeve (24).

Fuel cell stack (10) according to one of the preceding claims, characterized in that two heating coils (20) are arranged around the circumference of the fluid channel (13) so that the fluid channel (13) is located between the two heating coils (20).

Fuel cell stack (10) according to one of the preceding claims, characterized in that two heating coils (20) are arranged next to one another along a length of the fluid channel (13).

Fuel cell stack (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a heat conducting sleeve (24), which is at least partially made of at least one metal, is arranged between the fluid channel (13) and the at least one heating coil (20).

Fuel cell stack (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one heating coil (20) has an electrical connection (21) which is connected to a battery and / or a current-carrying line of the fuel cell stack (10) for power supply.

Fuel cell stack (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a temperature sensor (22) is arranged in the at least one end plate (12) with the fluid channel (13).

Fuel cell stack (10) after Claim 9 , characterized in that the temperature sensor (22) and the at least one heating coil (20) are connected to a control device, the control device being configured to generate a heating output of the at least one heating coil (20) as a function of one of the temperature sensors (22) to control the recorded temperature.