DE102020202061A1 - Surface structure for separating water in a fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten Brennstoffzellen (103),wobei das Brennstoffzellensystem (100) mindestens einen Strömungskanal (105, 107) umfasst, der eine strukturierte Innenoberfläche (200, 300) umfasst,wobei die strukturierte Innenoberfläche (200, 300) dazu konfiguriert ist, in einem durch den mindestens einen Strömungskanal (105, 107) strömenden Fluid enthaltenes Wasser zu akkumulieren und/oder zu einem Nebel zu zerstäuben. Ferner betrifft die vorgestellte Erfindung ein Verfahren (400) zur Herstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems (100).The presented invention relates to a fuel cell system (100) with a plurality of fuel cells (103) arranged one above the other, wherein the fuel cell system (100) comprises at least one flow channel (105, 107) which comprises a structured inner surface (200, 300), the structured Inner surface (200, 300) is configured to accumulate water contained in a fluid flowing through the at least one flow channel (105, 107) and / or to atomize it into a mist. Furthermore, the presented invention relates to a method (400) for producing a possible configuration of the presented fuel cell system (100).

Description

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mittels Sauerstoff zu elektrischer Energie unter Erzeugung von Abwärme und Wasser um. Dazu umfassen Brennstoffzellensysteme mindestens einen Brennstoffzellenstapel aus einer Anzahl Brennstoffzellen mit einer Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Kathode, die mit Luft versorgt wird und einer zwischen Anode und Kathode angeordneten Polymer-Elektrolytmembran.Fuel cell systems convert hydrogen into electrical energy using oxygen, generating waste heat and water. For this purpose, fuel cell systems comprise at least one fuel cell stack made up of a number of fuel cells with an anode which is supplied with hydrogen, a cathode which is supplied with air and a polymer electrolyte membrane arranged between anode and cathode.

Innerhalb eines Brennstoffzellenstapels befinden sich Strömungskanäle, die die Brennstoffzellen mit Wasserstoff bzw. Luft versorgen und im Betrieb erzeugtes Anodenabgas bzw. feuchte Luft, abtransportieren. Strömungskanäle zur Versorgung der Brennstoffzellen mit Edukten werden als Verteiler und Strömungskanäle zum Abtransport von im Betrieb erzeugten Produkten werden als Sammler bezeichnet. Je nach räumlicher Orientierung eines jeweiligen Brennstoffzellensystems kann ein Verteiler bspw. ein Steigrohr und ein Sammler bspw. ein Fallrohr sein.Within a fuel cell stack there are flow channels that supply the fuel cells with hydrogen or air and transport away anode exhaust gas or moist air generated during operation. Flow channels for supplying the fuel cells with educts are referred to as distributors and flow channels for removing products produced during operation are referred to as collectors. Depending on the spatial orientation of a respective fuel cell system, a distributor can be, for example, a riser pipe and a collector can be, for example, a downpipe.

Kathodenseitig erzeugtes Produktwasser gelangt im Betrieb eines Brennstoffzellensystems durch Diffusionsprozesse auf die Anodenseite jeweiliger Brennstoffzellen. Zur Versorgung der Anodenseite jeweiliger Brennstoffzellen mit Wasserstoff hat es sich etabliert, ein noch wasserstoffreiches Anodenabgas mittels Gasfördereinheiten wieder einem Anodeneintritt zuzuführen. Ein Großteil des erzeugten Produktwassers muss dabei vor Wiedereintritt in den Anodeneintritt von dem Wasserstoff des Anodenabgases separiert, d.h. abgeschieden und schließlich abgeführt werden.Product water generated on the cathode side reaches the anode side of the respective fuel cells during operation of a fuel cell system through diffusion processes. In order to supply the anode side of the respective fuel cells with hydrogen, it has become established that an anode exhaust gas that is still hydrogen-rich is fed back to an anode inlet by means of gas delivery units. A large part of the product water produced must be separated from the hydrogen in the anode off-gas before re-entering the anode inlet, i.e. separated and finally discharged.

Je nach kathodenseitiger Systemtopologie muss auch auf Kathodenseite eine Wasserabscheidung erfolgen, wenn bspw. ein Expander zum Rekuperieren von kinetischer Energie vorgesehen ist. Ein Expander ist je nach Ausführung nur bedingt tauglich für flüssiges Wasser und kann durch Tropfenschlag schnell ausfallen.Depending on the system topology on the cathode side, water must also be separated on the cathode side if, for example, an expander is provided to recuperate kinetic energy. Depending on the version, an expander is only conditionally suitable for liquid water and can quickly fail due to the impact of drops.

Zur Wasserabscheidung sind verschiedene Wirkprinzipien wie Sedimenter oder Drallabscheider bekannt. Ein Sedimenter arbeitet durch Verwendung der Schwerkraft, ein Drallabscheider mittels Zentrifugalkräften. Entsprechend ist eine Leistung eines Drallabscheiders stark betriebspunktabhängig, sodass bei geringen Systemlasten und der damit einhergehenden geringen Mediendurchströmung eine Abscheidungsleistung geringer ist als bei hohen System lasten.Various operating principles such as sediments or swirl separators are known for separating water. A sediment works by using gravity, a swirl separator by means of centrifugal forces. Correspondingly, the performance of a swirl separator is highly dependent on the operating point, so that with low system loads and the associated low media flow, the separation performance is lower than with high system loads.

Ferner sind Werkstoffe bekannt, die unterschiedliche Benetzungswinkel vorweisen.Furthermore, materials are known which have different wetting angles.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zur Herstellung des vorgestellten Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellensystems und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. genommen werden kann.In the context of the presented invention, a fuel cell system and a method for producing the presented fuel cell system with the features of the respective independent claims are presented. Further features and details of the invention emerge from the respective subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the fuel cell system according to the invention naturally also apply in connection with the method according to the invention for producing the fuel cell system and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is always or can be made to each other .

Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, einen robusten Betrieb eines Brennstoffzellensystems zu ermöglichen. Insbesondere dient die vorgestellte Erfindung dazu, einen Wasseranteil in einem rückgeführten Anodenabgas eines Brennstoffzellensystems einzustellen.
Es wird somit in einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten Brennstoffzellen vorgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens einen Strömungskanal, der eine strukturierte Innenoberfläche umfasst,
wobei die strukturierte Innenoberfläche dazu konfiguriert ist, in einem durch den mindestens einen Strömungskanal strömendes Fluid enthaltenes Wasser zu akkumulieren und/oder zu einem Nebel zu zerstäuben.The presented invention serves in particular to enable robust operation of a fuel cell system. In particular, the presented invention serves to set a water content in a recirculated anode exhaust gas of a fuel cell system.
Thus, in a first aspect of the invention presented, a fuel cell system with a plurality of fuel cells arranged one above the other is presented. The fuel cell system comprises at least one flow channel, which comprises a structured inner surface,
wherein the structured inner surface is configured to accumulate water contained in a fluid flowing through the at least one flow channel and / or to atomize it into a mist.

Unter einer strukturierten Innenoberfläche ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Oberfläche im Inneren eines Brennstoffzellenstapels zu verstehen, die eine Struktur aufweist, mittels derer in einem Fluid enthaltenes Wasser entweder zu Wasserstropfen bzw. einem Wasserstrom akkumuliert oder zu einem Nebel zerstäubt werden kann. Dazu kann die Struktur bspw. alternierend angeordnete Strömungsbereiche umfassen, an denen sich Wassertropfen bilden und ablaufen können, um sich zu einem Wasserstrom zu sammeln und abzulaufen. Alternativ oder zusätzlich kann die Struktur Strömungsbereiche aufweisen, die Wassertropfen in einem Fluid zerstäuben, indem die Struktur bspw. feine Poren aufweist, durch die das Fluid geleitet wird.In the context of the presented invention, a structured inner surface is to be understood as a surface in the interior of a fuel cell stack which has a structure by means of which water contained in a fluid can either be accumulated to form water droplets or a water stream or atomized to form a mist. For this purpose, the structure can, for example, comprise alternately arranged flow regions, in which water droplets can form and run off, in order to collect to form a water flow and run off. As an alternative or in addition, the structure can have flow regions which atomize water droplets in a fluid, in that the structure has, for example, fine pores through which the fluid is passed.

Selbstverständlich kann die erfindungsgemäß vorgesehene strukturierte Innenoberfläche erste Bereiche umfassen, die in einem durch den mindestens einen Strömungskanal strömenden Fluid der Brennstoffzelle enthaltenes Wasser zu einem Wasserstrom akkumulieren und zweite Bereiche umfassen, die in einem durch den mindestens einen Strömungskanal strömenden Fluid der Brennstoffzelle enthaltenes Wasser zu einem Nebel zerstäuben.Of course, the structured inner surface provided according to the invention can comprise first regions which are in a fluid flowing through the at least one flow channel Water contained in the fuel cell accumulate to form a water stream and comprise second regions which atomize water contained in a fluid of the fuel cell flowing through the at least one flow channel to form a mist.

Durch die Akkumulierung von Wasser zu einem Wasserstrom kann aus einem jeweiligen Fluid, wie bspw. einem Eduktfluid oder einem Produktfluid, insbesondere einem zu einer Anode rückgeführten Produktfluid, Wasser abgeschieden werden, sodass sich eine Feuchtigkeit des Fluids reduziert und ein robuster Betrieb einer entsprechenden Brennstoffzelle ermöglicht wird. By accumulating water to form a water flow, water can be separated from a respective fluid, such as an educt fluid or a product fluid, in particular a product fluid returned to an anode, so that the moisture of the fluid is reduced and a corresponding fuel cell can be operated robustly will.

Alternativ oder zusätzlich zu jeweiligen Strömungsbereichen kann die erfindungsgemäß vorgesehene strukturierte Innenoberfläche mindestens einen Kondensationskeim umfassen, der eine Kondensierung von in einem Fluid gespeichertem Wasser und, dadurch bedingt, ein Abscheiden von Wasser aus dem Fluid bewirkt. Dazu kann die strukturierte Innenoberfläche bspw. eine Anzahl Partikel, wie bspw. Staub-, Salz- oder Rußpartikel umfassen, die als Kondensationskeim wirken. Insbesondere kann die strukturierte Innenoberfläche aus einer Vielzahl verschiedener Materialien, wie bspw. einer Keramik und einem Metall bestehen, sodass lokale Dichtefluktuationen eines an der strukturierten Innenoberfläche entlang strömenden Fluids entstehen und die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Kondensationskeimbildung maximiert wird.As an alternative or in addition to the respective flow regions, the structured inner surface provided according to the invention can comprise at least one condensation nucleus which causes water stored in a fluid to condense and, as a result, to separate water from the fluid. For this purpose, the structured inner surface can, for example, comprise a number of particles, such as, for example, dust, salt or soot particles, which act as condensation nuclei. In particular, the structured inner surface can consist of a large number of different materials, such as, for example, a ceramic and a metal, so that local density fluctuations occur in a fluid flowing along the structured inner surface and the probability of spontaneous condensation nucleation is maximized.

Alternativ oder zusätzlich zu verschiedenen Materialien kann die strukturierte Innenoberfläche verschiedene Bereiche mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften, wie bspw. verschiedenen Benetzungswinkeln umfassen.As an alternative or in addition to different materials, the structured inner surface can comprise different areas with different physical properties, such as different wetting angles.

Es kann vorgesehen sein, dass der Strömungskanal ein Steigkanal, d.h. ein Verteiler oder ein Fallkanal, d.h. ein Sammler ist, wobei die strukturierte Innenoberfläche für den Fall, dass der Strömungskanal ein Verteiler ist, dazu konfiguriert ist, in dem durch den Strömungskanal strömenden Fluid enthaltenes Wasser zu einem Nebel zu zerstäuben und einer Anodenseite der Brennstoffzelle zuzuführen und die strukturierte Innenoberfläche für den Fall, dass der Strömungskanal ein Sammler ist, dazu konfiguriert ist, in dem durch den Strömungskanal strömenden Fluid enthaltenes Wasser zu akkumulieren und/oder zu einem Nebel zu zerstäuben.It can be provided that the flow channel is an ascending channel, ie a distributor or a downward channel, ie a collector, the structured inner surface being configured to contain the fluid flowing through the flow channel in the event that the flow channel is a distributor Atomizing water into a mist and supplying it to an anode side of the fuel cell and the structured inner surface, in the event that the flow channel is a collector, is configured to accumulate water contained in the fluid flowing through the flow channel and / or to atomize it into a mist .

Mittels eines Verteilers, der die erfindungsgemäß vorgesehene strukturierte Innenoberfläche umfasst, kann ein Eindringen von Wassertropfen in eine Anodeneinleitung minimiert und eine Verteilung einer Feuchtigkeit zur Befeuchtung der Anode maximiert werden. Dazu kann die strukturierte Innenoberfläche bspw. eine Anzahl Poren mit einer vorgegebenen Maximalgröße aufweisen, sodass sämtliche Wassertropfen in einem durch die Poren geleiteten Fluid zu einem feinen Nebel zerstäubt werden bzw. in die Gasphase übertreten. By means of a distributor which comprises the structured inner surface provided according to the invention, penetration of water droplets into an anode inlet can be minimized and the distribution of moisture for moistening the anode can be maximized. For this purpose, the structured inner surface can, for example, have a number of pores with a predetermined maximum size, so that all water droplets in a fluid passed through the pores are atomized to form a fine mist or pass into the gas phase.

Mittels eines Sammlers, der die erfindungsgemäß vorgesehene strukturierte Innenoberfläche umfasst, kann zum einen Wasser aus einem an der strukturierten Innenoberfläche entlang strömenden Fluid abgeschieden und, dadurch bedingt, eine relative Luftfeuchtigkeit des Fluids eingestellt werden. Zum anderen kann durch eine Kombination von ersten Bereichen, in denen Wasser akkumuliert wird und zweiten Bereichen, in denen akkumuliertes Wasser zerstäubt wird, ein effizienter und robuster Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem kathodenseitig angeordneten Expander erreicht werden. Dabei kann bspw. durch eine strukturierte Oberfläche in einem Verteiler eine Beaufschlagung einer Anodenseite jeweiliger Brennstoffzellen mit einer schädlichen relativen Luftfeuchte vermieden und durch eine strukturierte Oberfläche in einem Sammler eine Beschädigung des Expanders durch einen entsprechend akkumulierten Wasserstrom vermieden werden. Entsprechend kann durch eine strukturierte Oberfläche in einem Sammler bzw. eine einem Expander vorgelagerte strukturierte Oberfläche, auf einen Kondensatabscheider auf der Kathodenseite vor dem Expander verzichtet werden.By means of a collector which comprises the structured inner surface provided according to the invention, on the one hand, water can be separated from a fluid flowing along the structured inner surface and, as a result, a relative humidity of the fluid can be set. On the other hand, through a combination of first areas in which water is accumulated and second areas in which accumulated water is atomized, efficient and robust operation of a fuel cell system with an expander arranged on the cathode side can be achieved. A structured surface in a manifold can prevent damaging relative humidity on an anode side of the respective fuel cells, and a structured surface in a collector prevents damage to the expander from a correspondingly accumulated water flow. Correspondingly, a structured surface in a collector or a structured surface upstream of an expander means that a condensate separator on the cathode side in front of the expander can be dispensed with.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die strukturierte Innenoberfläche einen ersten Bereich mit einem ersten Benetzungswinkel und einen zweiten Bereich mit einem zweiten Benetzungswinkel umfasst, wobei der erste Benetzungswinkel kleiner ist als der zweite Benetzungswinkel.It can further be provided that the structured inner surface comprises a first region with a first wetting angle and a second region with a second wetting angle, the first wetting angle being smaller than the second wetting angle.

Durch Bereiche mit verschiedenen Benetzungswinkeln, insbesondere kleiner werdenden, bspw. stetig abnehmenden Benetzungswinkeln, kann ein gezieltes Wachsen von auf der erfindungsgemäß vorgesehenen Innenoberfläche gebildeten Wassertropfen erreicht werden, sodass in einem jeweiligen Fluid gespeichertes Wasser fortlaufend an der Innenoberfläche akkumuliert, bis es bspw. in einem Wasserstrom abfließt, und entsprechend aus dem Fluid abgeschieden wird.Areas with different wetting angles, in particular decreasing, for example steadily decreasing, wetting angles, a targeted growth of water droplets formed on the inner surface provided according to the invention can be achieved so that water stored in a respective fluid continuously accumulates on the inner surface until it is, for example, in a Flow of water flows off, and is separated from the fluid accordingly.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Strömungskanal durch Öffnungen in einer Anzahl Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems gebildet ist.It can furthermore be provided that the flow channel is formed by openings in a number of fuel cells of the fuel cell system.

Ein Strömungskanal mit einer strukturierten Innenoberfläche, der durch Öffnungen in einer Anzahl Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems bzw. eines Brennstoffzellenstapels gebildet ist, besteht aus Brennstoffzellen mit Öffnungen, deren Wandungen bearbeitet wurden, sodass die Wandungen die Struktur der strukturierten Innenoberfläche aufweisen. Dazu können die Wandungen bspw. geätzt, geschliffen, geschnitten, gehobelt, geraspelt, gelasert, gedruckt oder mit jedem weiteren technisch geeigneten Verfahren bearbeitet bzw. hergestellt werden, um die Struktur bereitzustellen. Entsprechend können mehrere Brennstoffzellen mit mehreren Wandungen zu einem Strömungskanal kombiniert werden. Dabei können die Wandungen verschiedener Brennstoffzellen unterschiedlich strukturiere Innenoberflächen aufweisen und zu einer Gesamtstruktur der Innenoberfläche des Strömungskanals kombiniert werden.A flow channel with a structured inner surface, which is formed by openings in a number of fuel cells of the fuel cell system or a fuel cell stack, consists of fuel cells with openings whose walls have been machined so that the walls have the structure of the structured Have inner surface. For this purpose, the walls can, for example, be etched, ground, cut, planed, rasped, lasered, printed or processed or manufactured using any other technically suitable method in order to provide the structure. Correspondingly, several fuel cells with several walls can be combined to form a flow channel. The walls of different fuel cells can have differently structured inner surfaces and can be combined to form an overall structure of the inner surface of the flow channel.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die strukturierte Innenoberfläche durch ein in Öffnungen der Brennstoffzellen eingebrachtes Strömungselement und/oder durch ein in Strömungsrichtung von durch den Strömungskanal strömendem Fluid den Brennstoffzellen nachfolgend angeordnetes Strömungselement gebildet ist.It can further be provided that the structured inner surface is formed by a flow element introduced into openings in the fuel cells and / or by a flow element arranged downstream of the fuel cells in the direction of flow of fluid flowing through the flow channel.

Mittels eines Strömungselements, das die erfindungsgemäß vorgesehene strukturierte Innenoberfläche aufweist, kann ein Strömungskanal eines Brennstoffzellensystems mit der strukturierten Innenoberfläche ausgerüstet bzw. veredelt werden. Dazu kann das Strömungselement in den Strömungskanal eingebracht werden. Um ein Fließen von Fluiden beim Betrieb des Brennstoffzellensystems durch den Strömungskanal nicht negativ zu beeinflussen, kann das Strömungselement eine Ausnehmung im Bereich eines Fluideintritts bzw. Fluidaustritts des Strömungskanals aufweisen. Insbesondere kann das Strömungselement als Halbschale, bspw. als ein entlang seiner Längsachse hälftig geschnittenes Rohr, ausgestaltet sein.By means of a flow element which has the structured inner surface provided according to the invention, a flow channel of a fuel cell system can be equipped or refined with the structured inner surface. For this purpose, the flow element can be introduced into the flow channel. In order not to negatively influence the flow of fluids through the flow channel during operation of the fuel cell system, the flow element can have a recess in the area of a fluid inlet or fluid outlet of the flow channel. In particular, the flow element can be designed as a half-shell, for example as a tube cut in half along its longitudinal axis.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem kathodenseitig einen Expander mit einer Turbine umfasst, wobei die Turbine dazu konfiguriert ist mit einem Fluidstrom zu arbeiten, der Wassertropfen umfasst, deren Volumen kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert, und wobei das Strömungselement dazu konfiguriert ist, Wasser in einem Fluidstrom zum Versorgen der Turbine derart zu zerstäuben, dass ein Volumen von Wassertropfen in dem Fluidstrom kleiner ist als der vorgegebene Schwellenwert.It can further be provided that the fuel cell system comprises an expander with a turbine on the cathode side, wherein the turbine is configured to work with a fluid flow which comprises water droplets whose volume is smaller than a predetermined threshold value, and wherein the flow element is configured to To atomize water in a fluid flow for supplying the turbine in such a way that a volume of water droplets in the fluid flow is smaller than the predetermined threshold value.

In Kombination mit einem Expander ermöglicht das vorgestellte Brennstoffzellensystem einen besonders effizienten und robusten Betrieb, da durch jeweilige strukturierte Innenoberflächen eine optimale Luftfeuchtigkeit in einem anodenseitig zugeführten Fluid eingestellt oder eine Beschädigung eines kathodenseitig angeordneten Expanders durch Wassertropfen vermieden werden kann. Das erfindungsgemäß vorgesehene Strömungselement eignet sich insbesondere zum Bereitstellen eines Betriebsfluids Zum Betreiben einer Turbine eines Expanders, da durch eine entsprechende Ausgestaltung der strukturierten Innenoberfläche große Wassertropfen, die zu einer Beschädigung der Turbine führen könnten, vermieden bzw. minimiert werden können. Dazu kann eine entsprechend gestaltete strukturierte Innenoberfläche bspw. direkt vor der Turbine angeordnet sein.In combination with an expander, the fuel cell system presented enables particularly efficient and robust operation, since optimal air humidity can be set in a fluid supplied on the anode side or damage to an expander arranged on the cathode side by water droplets can be avoided through respective structured inner surfaces. The flow element provided according to the invention is particularly suitable for providing an operating fluid for operating a turbine of an expander, since large water droplets that could damage the turbine can be avoided or minimized by a corresponding design of the structured inner surface. For this purpose, an appropriately designed structured inner surface can be arranged, for example, directly in front of the turbine.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Strömungselement und der Expander direkt verbunden sind.It can also be provided that the flow element and the expander are directly connected.

Durch einen direkt mit einem Expander verbundenes Strömungselement kann auf einen zusätzlichen bzw. aktiven Wasserabscheider verzichtet werden.A flow element connected directly to an expander means that there is no need for an additional or active water separator.

In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems, bei dem die strukturierte Innenoberfläche durch Bearbeiten jeweiliger Oberflächen jeweiliger Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems oder durch Anordnen eines die strukturierte Oberfläche aufweisenden Strömungselements an dem Brennstoffzellensystem gebildet wird.In a second aspect, the presented invention relates to a method for producing a possible configuration of the presented fuel cell system, in which the structured inner surface is formed by machining respective surfaces of respective fuel cells of the fuel cell system or by arranging a flow element having the structured surface on the fuel cell system.

Das vorgestellte Herstellungsverfahren ermöglicht ein kosteneffizientes Herstellen eines robusten Brennstoffzellensystems.The manufacturing method presented enables a robust fuel cell system to be manufactured cost-effectively.

Das vorgestellte Verfahren dient insbesondere zur Herstellung des vorgestellten Brennstoffzellensystems. Entsprechend wird bzgl. der Vorteile des Verfahrens auf die bzgl. des Brennstoffzellensystems beschriebenen Vorteile Bezug genommen und umgekehrt.The method presented is used in particular to produce the fuel cell system presented. Correspondingly, with regard to the advantages of the method, reference is made to the advantages described with regard to the fuel cell system, and vice versa.

Es zeigen:

  • 1 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bren nstoffzellensystems,
  • 2 eine erste mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgesehenen strukturierten Innenoberfläche,
  • 3 eine zweite mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgesehenen strukturierten Innenoberfläche,
  • 4 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Show it:
  • 1 a possible embodiment of the fuel cell system according to the invention,
  • 2 a first possible configuration of the structured inner surface provided according to the invention,
  • 3 a second possible embodiment of the structured inner surface provided according to the invention,
  • 4th a possible embodiment of the method according to the invention.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 101 mit einer Anzahl Brennstoffzellen 103. Die Brennstoffzellen 103 werden durch einen Verteiler 105 mit Betriebsfluid bzw. Edukten versorgt. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 erzeugte Produkte werden durch einen Sammler 107 abgeführt.In 1 is a fuel cell system 100 shown. The fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 101 with a number of fuel cells 103 . The fuel cells 103 are through a distributor 105 supplied with operating fluid or educts. In the operation of the fuel cell system 100 Products produced are by a collector 107 discharged.

Um einen durch eine zirkulierende Zufuhr von Produktfluid aus dem Sammler 107 in den Verteiler 105 bedingten Eintrag von Wasser zu minimieren bzw. auf eine vorgegebene relative Luftfeuchtigkeit einzustellen, umfasst der Sammler 107 eine strukturierte Innenoberfläche, an der in dem Produktfluid enthaltenes Wasser zumindest teilweise akkumuliert. Entsprechend bilden sich an der strukturierten Oberfläche Wassertropfen aus, die sich zu einem Wasserstrom sammeln und von dem verbleibenden Produktfluid, insbesondere einem Wasserstoffgas, abgeschieden werden.To one by a circulating supply of product fluid from the collector 107 in the distributor 105 The collector includes minimizing the conditional entry of water or adjusting it to a predetermined relative humidity 107 a structured inner surface on which water contained in the product fluid at least partially accumulates. Correspondingly, water droplets are formed on the structured surface, which collect to form a water flow and are separated from the remaining product fluid, in particular a hydrogen gas.

Um einen dem Sammler 107 nachgeschalteten Expander durch das abgeschiedene Produktwasser nicht zu beschädigen, kann dem Sammler 107 in Strömungsrichtung des Produktfluids nachgelagert eine weitere strukturierte Innenoberfläche vorgesehen sein, die aus dem Sammler 107 austretendes Restwasser, also Wasser, das nicht mit einem Wasserstrom ausgeschieden wurde, zu einem Nebel zerstäubt und, dadurch bedingt, eine Beschädigung des Expanders durch Wassertropfen verhindert. Alternativ kann das Produktwasser selbstverständlich direkt bzw. komplett durch die strukturierte Oberfläche in einen Nebel überführt werden.To one the collector 107 The collector can not damage the downstream expander by the separated product water 107 A further structured inner surface can be provided downstream in the flow direction of the product fluid, coming from the collector 107 Exiting residual water, i.e. water that was not eliminated with a stream of water, is atomized into a mist and, as a result, prevents damage to the expander by water droplets. Alternatively, the product water can of course be converted directly or completely into a mist through the structured surface.

In 2 ist eine Detailansicht einer strukturierten Innenoberfläche 200 dargestellt. Die strukturierte Innenoberfläche 200 umfasst erste geometrische Anordnungen 201 und zweite geometrische Anordnungen 203, die bspw. als Vertiefungen in eine Wandung eines Strömungskanals eingearbeitet oder als Erhöhungen auf eine Wandung eines Strömungskanals aufgesetzt sein können. Insbesondere können die ersten geometrischen Anordnungen auf einer Oberfläche eines Materials, wie bspw. einem Rohr oder einer eine Öffnung umgebenden Brennstoffzelle, ausgearbeitet sein. Entsprechend können die zweiten geometrischen Bereiche durch das Material selbst gebildet sein.In 2 Figure 3 is a detailed view of a textured interior surface 200 shown. The structured inner surface 200 includes first geometrical arrangements 201 and second geometrical arrangements 203 which, for example, can be incorporated as depressions in a wall of a flow channel or placed as elevations on a wall of a flow channel. In particular, the first geometric arrangements can be worked out on a surface of a material, such as, for example, a pipe or a fuel cell surrounding an opening. Correspondingly, the second geometric areas can be formed by the material itself.

Die ersten geometrischen Anordnungen 201 weisen hier einen Benetzungswinkel auf, der größer ist als der Benetzungswinkel der zweiten geometrischen Anordnungen 203. Entsprechend perlen Wassertropfen auf den ersten geometrischen Anordnung 201 besonders gut ab.The first geometrical arrangements 201 here have a wetting angle which is greater than the wetting angle of the second geometric arrangements 203 . Accordingly, water droplets pearl on the first geometric arrangement 201 particularly good.

Die zweiten geometrischen Anordnungen 203 weisen hier einen Benetzungswinkel auf, der kleiner ist als der Benetzungswinkel der ersten geometrischen Anordnungen 201. Entsprechend wirken die zweiten geometrischen Anordnungen 203 als Barrieren für jeweilige entlang der ersten geometrischen Anordnungen 201 strömende Wassertropfen, sodass von den ersten geometrischen Anordnungen 201 anströmende Wassertropfen an den zweiten geometrischen Anordnungen 203 akkumuliert werden und ein Wasserstrom gebildet wird, der bspw. durch einen Winkel der geometrischen Anordnungen gerichtet ablaufen kann.The second geometrical arrangements 203 have a wetting angle here which is smaller than the wetting angle of the first geometric arrangements 201 . The second geometric arrangements have a corresponding effect 203 as barriers for each along the first geometric arrangements 201 pouring water droplets, so from the first geometric arrangements 201 incoming water droplets on the second geometric arrangements 203 are accumulated and a water flow is formed, which can run off in a directed manner, for example, through an angle of the geometric arrangements.

Zum gerichteten Ablaufen eines Wasserstroms sind die ersten geometrischen Anordnungen 201 und die zweiten geometrischen Anordnungen in einem Winkel, also pfeilartig angeordnet bzw. ausgebildet, sodass auf den geometrischen Anordnungen gebildete Wassertropfen in Richtung einer jeweiligen Senke 205 ablaufen und ein Wasserstrom in einer vorgegebenen Richtung entsteht, wie durch Pfeil 207 angedeutet.The first geometrical arrangements are for the directed drainage of a water flow 201 and the second geometric arrangements are arranged or formed at an angle, that is to say in the manner of an arrow, so that water droplets formed on the geometric arrangements in the direction of a respective depression 205 run off and a water flow is created in a given direction, as indicated by the arrow 207 indicated.

In 3 ist eine Detailansicht einer strukturierten Innenoberfläche 300 dargestellt. Die strukturierte Innenoberfläche 300 umfasst erste geometrische Anordnungen 301 und zweite geometrische Anordnungen 303, die bspw. als Vertiefungen in eine Wandung eines Strömungskanals eingearbeitet oder als Erhöhungen auf eine Wandung eines Strömungskanals aufgesetzt sein können.In 3 Figure 3 is a detailed view of a textured interior surface 300 shown. The structured inner surface 300 includes first geometrical arrangements 301 and second geometrical arrangements 303 which, for example, can be incorporated as depressions in a wall of a flow channel or placed as elevations on a wall of a flow channel.

Die ersten geometrischen Anordnungen 301 weisen hier einen ersten Benetzungswinkel auf, der größer ist als ein Benetzungswinkel der zweiten geometrischen Anordnungen 303. Dies bedeutet, dass Wassertropfen, die sich auf einer ersten geometrischen Anordnung 301 bilden, schnell ablaufen und auf eine unterhalb der ersten geometrischen Anordnung 301 angeordnete zweite geometrische Anordnung 303 übertreten. Auf der zweiten geometrischen Anordnung 303 werden die Wassertropfen aufgrund des kleineren Benetzungswinkels abgebremst, sodass von der ersten geometrischen Anordnung 301 ablaufende Wassertropfen sich auf der zweiten geometrischen Anordnungen 303 sammeln.The first geometrical arrangements 301 here have a first wetting angle which is greater than a wetting angle of the second geometric arrangements 303 . This means that water droplets are on an initial geometric arrangement 301 form, run off quickly and on one below the first geometric arrangement 301 arranged second geometric arrangement 303 trespass. On the second geometric arrangement 303 the water droplets are slowed down due to the smaller wetting angle, so from the first geometric arrangement 301 draining water droplets are on the second geometric arrangements 303 collect.

Weiterhin bewirkt der kleinere Benetzungswinkel der zweiten geometrischen Anordnungen, dass sich dort größere Wassertropfen ausbilden als auf den ersten geometrischen Anordnungen, sodass die akkumulierten Wassertropfen sich zu einem Wasserstrom akkumulieren, der sich entlang der strukturierten Innenoberfläche 300 bewegt.Furthermore, the smaller wetting angle of the second geometric arrangements has the effect that larger water droplets form there than on the first geometric arrangements, so that the accumulated water droplets accumulate to form a water flow that runs along the structured inner surface 300 emotional.

In 4 ist ein Verfahren 400 zur Herstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems dargestellt. Bei dem Verfahren 400 wird in einem Bearbeitungsschritt 401 eine strukturierte Innenoberfläche durch Bearbeiten jeweiliger Oberflächen jeweiliger Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems oder in einem Anordnungsschritt 403 durch Anordnen eines die strukturierte Oberfläche aufweisenden Strömungselements an dem Brennstoffzellensystem gebildet.In 4th is a procedure 400 for the production of a possible configuration of the fuel cell system presented. In the process 400 is in one processing step 401 a structured inner surface by machining respective surfaces of respective fuel cells of the fuel cell system or in an arranging step 403 formed by arranging a flow element having the structured surface on the fuel cell system.

Claims (13)

Brennstoffzellensystem (100) mit einer Vielzahl von übereinander angeordneten Brennstoffzellen (103), wobei das Brennstoffzellensystem (100) mindestens einen Strömungskanal umfasst, der eine strukturierte Innenoberfläche (200, 300) umfasst, wobei die strukturierte Innenoberfläche (200, 300) dazu konfiguriert ist, in einem durch den mindestens einen Strömungskanal strömendes Fluid enthaltenes Wasser zu akkumulieren und/oder zu einem Nebel zu zerstäuben.Fuel cell system (100) with a multiplicity of one above the other Fuel cells (103), wherein the fuel cell system (100) comprises at least one flow channel which comprises a structured inner surface (200, 300), wherein the structured inner surface (200, 300) is configured to contain a fluid flowing through the at least one flow channel Accumulate water and / or atomize into a mist. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal ein Verteiler oder ein Sammler ist, wobei die strukturierte Innenoberfläche (200, 300) für den Fall, dass der Strömungskanal ein Verteiler ist, dazu konfiguriert ist, in dem durch den Strömungskanal strömenden Fluid enthaltenes Wasser zu einem Nebel zu zerstäuben und einer Anodenseite einer jeweiligen Brennstoffzelle (103) des Brennstoffzellensystems (100) zuzuführen und die strukturierte Innenoberfläche (200, 300) für den Fall, dass der Strömungskanal ein Sammler ist, dazu konfiguriert ist, in dem durch den Strömungskanal strömenden Fluid enthaltenes Wasser zu akkumulieren und/oder zu einem Nebel zu zerstäuben.Fuel cell system (100) according to Claim 1 characterized in that the flow channel is a distributor or a collector, the structured inner surface (200, 300) being configured, in the event that the flow channel is a distributor, to supply water contained in the fluid flowing through the flow channel to a mist atomize and to an anode side of a respective fuel cell (103) of the fuel cell system (100) and the structured inner surface (200, 300), in the event that the flow channel is a collector, is configured to supply water contained in the fluid flowing through the flow channel accumulate and / or atomize into a mist. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Innenoberfläche (200, 300) einen ersten Bereich (201, 301) mit einem ersten Benetzungswinkel und einen zweiten Bereich (203, 303) mit einem zweiten Benetzungswinkel umfasst, wobei der erste Benetzungswinkel größer ist als der zweite Benetzungswinkel.Fuel cell system (100) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the structured inner surface (200, 300) comprises a first region (201, 301) with a first wetting angle and a second region (203, 303) with a second wetting angle, the first wetting angle being greater than the second wetting angle . Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Innenoberfläche (200, 300) mindestens einen Kondensationskeim zur Kondensation von in dem Fluid enthaltenem gasförmigem Wasser umfasst.Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the structured inner surface (200, 300) comprises at least one condensation nucleus for condensation of gaseous water contained in the fluid. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement einen ersten Bereich zum Akkumulieren von in dem Fluid enthaltenem Wasser und einen zweiten Bereich zum Zerstäuben des akkumulierten Wassers umfasst.Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the flow element comprises a first area for accumulating water contained in the fluid and a second area for atomizing the accumulated water. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal durch Öffnungen in einer Anzahl Brennstoffzellen (103) des Brennstoffzellensystems (100) gebildet ist.Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the flow channel is formed by openings in a number of fuel cells (103) of the fuel cell system (100). Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Innenoberfläche (200, 300) durch die Öffnungen umgebende Wandungen der Brennstoffzellen (103) gebildet ist.Fuel cell system (100) according to Claim 6 , characterized in that the structured inner surface (200, 300) is formed by walls of the fuel cells (103) surrounding the openings. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Innenoberfläche (200, 300) durch ein in Öffnungen der Brennstoffzellen (103) eingebrachtes Strömungselement und/oder durch ein in Strömungsrichtung von durch den Strömungskanal strömendem Fluid den Brennstoffzellen nachfolgend angeordnetes Strömungselement gebildet ist.Fuel cell system (100) according to Claim 1 until 5 , characterized in that the structured inner surface (200, 300) is formed by a flow element introduced into openings in the fuel cells (103) and / or by a flow element arranged downstream of the fuel cells in the direction of flow of fluid flowing through the flow channel. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement eine Halbschale ist.Fuel cell system (100) according to Claim 8 , characterized in that the flow element is a half-shell. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) einen Expander mit einer Turbine umfasst, wobei die Turbine dazu konfiguriert ist mit einem Fluidstrom zu arbeiten, der Wassertropfen umfasst, deren Volumen kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert, und wobei das Strömungselement dazu konfiguriert ist, Wasser in einem Fluidstrom zum Versorgen der Turbine derart zu zerstäuben, das ein Volumen von Wassertropfen in dem Fluidstrom kleiner ist als der vorgegebene Schwellenwert.The fuel cell system (100) according to any one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell system (100) comprises an expander with a turbine, the turbine being configured to work with a fluid flow comprising water droplets whose volume is smaller than a predetermined threshold value and wherein the flow element is configured to atomize water in a fluid stream for supplying the turbine in such a way that a volume of water droplets in the fluid stream is less than the predetermined threshold value. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement und der Expander direkt verbunden sind.Fuel cell system (100) according to Claim 10 , characterized in that the flow element and the expander are directly connected. Verfahren (400) zur Herstellung eines Brennstoffzellensystems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die strukturierte Innenoberfläche (200, 300) durch Bearbeiten jeweiliger Oberflächen jeweiliger Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems (100) oder durch Anordnen eines die strukturierte Oberfläche (200, 300) aufweisenden Strömungselements an dem Brennstoffzellensystem (100) gebildet wird.Method (400) for producing a fuel cell system (100) according to one of the Claims 1 until 11 , in which the structured inner surface (200, 300) is formed by machining respective surfaces of respective fuel cells of the fuel cell system (100) or by arranging a flow element having the structured surface (200, 300) on the fuel cell system (100). Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement in den Strömungskanal bildende Öffnungen jeweiliger Brennstoffzellen (103) des Brennstoffzellensystems (100) eingebracht oder in Strömungsrichtung von den Strömungskanal durchströmendem Fluid den Brennstoffzellen (103) nachfolgend angeordnet wird.Procedure according to Claim 12 , characterized in that the flow element is introduced into the flow channel forming openings of the respective fuel cells (103) of the fuel cell system (100) or is arranged downstream of the fuel cells (103) in the flow direction of the fluid flowing through the flow channel.
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