DE102020205881A1 - Heatable current collecting plate and cell stack with heatable current collecting plate - Google Patents

Heatable current collecting plate and cell stack with heatable current collecting plate Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromsammelplatte (5, 6), insbesondere für einen als Brennstoffzellenstapel (1). Die Stromsammelplatte (5, 6) umfasst eine obere Platine (31) und eine untere Platine (32), welche mittels zumindest eines Kontaktbereiches (36) elektrisch verbunden sind. Zwischen den beiden Platinen (31, 32) ist ein Heizelement (33) angeordnet. Das Heizelement (33) ist jeweils durch eine Isolierschicht (34, 35) von der oberen Platine (31) und der unteren Platine (32) elektrisch isoliert.The present invention relates to a current collecting plate (5, 6), in particular for a fuel cell stack (1). The current collecting plate (5, 6) comprises an upper circuit board (31) and a lower circuit board (32), which are electrically connected by means of at least one contact area (36). A heating element (33) is arranged between the two plates (31, 32). The heating element (33) is electrically insulated from the upper plate (31) and the lower plate (32) by an insulating layer (34, 35).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine beheizbare Stromsammelplatte und einen Zellenstapel mit einer beheizbaren Stromsammelplatte.The present invention relates to a heatable current collecting plate and a cell stack with a heatable current collecting plate.

Stand der TechnikState of the art

Bei Brennstoffzellensystemen wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle - in den Einzelzellen - mit Wasserstoff zu Wasser zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern.In fuel cell systems, the oxidizing agent oxygen from the ambient air is generally used to react in the fuel cell - in the individual cells - with hydrogen to form water and thus to deliver electrical power through electrochemical conversion.

Aus der US5789091 A ist ein Brennstoffzellenstapel bekannt, bei welchem eine Vielzahl von Einzelzellen zwischen zwei Endplatten mittels Spannbändern verspannt sind.From the US5789091 A a fuel cell stack is known in which a large number of individual cells are clamped between two end plates by means of tensioning straps.

Aus der WO19081866 A1 ist ein Brennstoffzellenstapel bekannt, bei welchem eine Vielzahl von Einzelzellen unter Zwischenlage je einer Stromsammelplatte zwischen zwei Endplatten verspannt sind, wobei eine Heizplatte bzw. Heizfolie auf einer der Endplatten angeordnet ist.From the WO19081866 A1 a fuel cell stack is known in which a plurality of individual cells are braced between two end plates with a current collecting plate in between, a heating plate or heating foil being arranged on one of the end plates.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine beheizbare Stromsammelplatte bereitzustellen, welche den Wärmehaushalt für einen Zellenstapel - insbesondere im Kaltstartfall - verbessert.The object of the present invention is to provide a heatable current collecting plate which improves the heat balance for a cell stack - in particular in the event of a cold start.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Dazu umfasst die Stromsammelplatte, welche insbesondere für einen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel verwendet werden kann, eine obere Platine und eine untere Platine. Die beiden Platinen sind mittels zumindest eines Kontaktbereiches elektrisch verbunden. Zwischen den beiden Platinen ist zumindest ein Heizelement angeordnet. Das Heizelement ist jeweils durch eine Isolierschicht von der oberen Platine und der unteren Platine elektrisch isoliert.For this purpose, the current collecting plate, which can be used in particular for a cell stack designed as a fuel cell stack, comprises an upper plate and a lower plate. The two boards are electrically connected by means of at least one contact area. At least one heating element is arranged between the two boards. The heating element is electrically insulated from the upper circuit board and the lower circuit board by an insulating layer.

Dadurch kann eine Heizfolie für die Stromsammelplatte bzw. für die Endplatte eines Zellenstapels entfallen. Die beiden Funktionen „Strom Sammeln“ und „Heizen“ sind somit in eine Bauteil Stromsammelplatte integriert, die Stromsammelplatte ist beheizbar. Ist die Stromsammelplatte in einem Zellenstapel zwischen den Einzelzellen und einer Endplatte verbaut, können die hohen Wärmekapazitäten sowohl der Stromsammelplatte als auch der Endplatte, welche im Kaltstartfall als eine Art Kältepol auf die Einzelzellen wirken, wirkungsvoll ausgeglichen werden. Auch die benachbart zu der Stromsammelplatte angeordneten Einzelzellen können so schnellstmöglich auf Betriebstemperatur gebracht werden.As a result, a heating foil for the current collecting plate or for the end plate of a cell stack can be omitted. The two functions "collecting electricity" and "heating" are thus integrated into one component, the current collecting plate; the current collecting plate can be heated. If the current collecting plate is installed in a cell stack between the individual cells and an end plate, the high heat capacities of both the current collecting plate and the end plate, which act as a kind of cold pole on the individual cells in the event of a cold start, can be effectively compensated. The individual cells arranged adjacent to the current collecting plate can also be brought to operating temperature as quickly as possible.

In vorteilhaften Ausführungen ist das Heizelement als Leiterbahn ausgeführt. Dadurch kann das Heizelement bauraumsparend sehr flach ausgeführt werden. Weiterhin kann es in der Ebene beliebig platziert und gestaltet sein, beispielsweise auch gezielt nahe an Öffnungen für Medienversorgungen herangeführt werden.In advantageous embodiments, the heating element is designed as a conductor track. As a result, the heating element can be made very flat in a space-saving manner. Furthermore, it can be placed and designed in any way in the plane, for example it can also be brought close to openings for media supplies in a targeted manner.

In vorteilhaften Weiterbildungen sind in der Stromsammelplatte Öffnungen für Medienversorgungen ausgebildet. Dabei ist das Heizelement bevorzugt zumindest teilweise die Öffnungen umgebend angeordnet. Dadurch ist das Heizelement in der Lage, die Medien - insbesondere Brennstoff und Oxidationsmittel -, die den Einzelzellen des Zellenstapels zugeführt werden, zu erwärmen. Insbesondere während einer Kaltstartphase des Zellenstapels ist dies sehr vorteilhaft, da so die Einzelzellen sehr schnell auf Betriebstemperatur gebracht und etwaige Eiskristalle sehr schnell aufgetaut werden können.In advantageous developments, openings for media supplies are formed in the current collecting plate. In this case, the heating element is preferably arranged at least partially surrounding the openings. As a result, the heating element is able to heat the media - in particular fuel and oxidizing agent - which are fed to the individual cells of the cell stack. This is very advantageous in particular during a cold start phase of the cell stack, since the individual cells can be brought to operating temperature very quickly and any ice crystals can be thawed very quickly.

Die Erfindung umfasst weiterhin einen Zellenstapel mit mehreren Einzelzellen. Die Einzelzellen sind zwischen zwei Endplatten angeordnet. Zumindest zwischen einer der Endplatten und den Einzelzellen ist eine Stromsammelplatte nach einer der vorhergehenden Ausführungen angeordnet.The invention further comprises a cell stack with a plurality of individual cells. The individual cells are arranged between two end plates. A current collecting plate according to one of the preceding embodiments is arranged at least between one of the end plates and the individual cells.

Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel. Die Einzelzellen sind demzufolge als Brennstoffzellen ausgeführt. Insbesondere für mobile Anwendungen wie ein Kraftfahrzeug ist ein Kaltstartfall sehr relevant; das schnelle Erreichen der Betriebstemperatur und damit auch die durch den Brennstoffzellenstapel bereitgestellte Leistung für den Antrieb des Kraftfahrzeugs ist eine wichtige Anforderung.The invention additionally comprises a motor vehicle with the cell stack according to the invention designed as a fuel cell stack. The individual cells are therefore designed as fuel cells. A cold start case is particularly relevant for mobile applications such as a motor vehicle; Reaching the operating temperature quickly and thus also the power provided by the fuel cell stack for driving the motor vehicle is an important requirement.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

  • 1 schematisch einen aus dem Stand der Technik bekannten Zellenstapel.
  • 2 schematisch einen weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Zellenstapel.
  • 3 einen Schnitt durch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Zellenstapels, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
  • 4 den Schnitt A-A der 3.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and explained in more detail in the description below. It shows:
  • 1 schematically a cell stack known from the prior art.
  • 2 schematically a further cell stack known from the prior art.
  • 3 a section through a section of a cell stack according to the invention, only the essential areas being shown.
  • 4th the section AA of 3 .

1 zeigt schematisch einen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel 1, wie er aus der US5789091A bekannt ist. Der Brennstoffzellenstapel 1 weist eine Mehrzahl von als Brennstoffzellen ausgeführten Einzelzellen 4 auf, welche zwischen zwei Endplatten 2, 3 verspannt sind. Die Verspannung erfolgt mittels zweier als Spannbänder ausgeführter Spannvorrichtungen 10, die sich eng um die Endplatten 2, 3 und die Einzelzellen 4 herum erstrecken, so dass der Brennstoffzellenstapel 1 in seinem zusammengebauten Zustand gehalten und gesichert ist. 1 shows schematically a cell stack designed as a fuel cell stack 1 how he from the US5789091A is known. The fuel cell stack 1 has a plurality of individual cells designed as fuel cells 4th on which between two end plates 2 , 3 are tense. The tensioning takes place by means of two tensioning straps executed clamping devices 10 that fit snugly around the end plates 2 , 3 and the single cells 4th extend around so that the fuel cell stack 1 is held and secured in its assembled condition.

2 zeigt schematisch einen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel 1, wie er aus der WO19081866 A1 bekannt ist. Auch dieser Zellenstapel 1 ist als Brennstoffzellenstapel ausgeführt und weist eine Mehrzahl von Einzelzellen 4 auf, welche zwischen zwei Endplatten 2, 3 verspannt sind. Die Spannvorrichtungen 10 sind dabei als Zuganker bzw. als Schrauben ausgeführt. Zwischen den Endplatten 2, 3 und den Einzelzellen 4 ist jeweils eine Stromsammelplatte 5, 6 angeordnet, welche wiederum je einen Stromabnehmer 6a aufweisen; der Stromabnehmer der oberen Stromsammelplatte 5 ist aufgrund der perspektivischen Ansicht verdeckt und demzufolge nicht dargestellt. 2 shows schematically a cell stack designed as a fuel cell stack 1 how he from the WO19081866 A1 is known. This stack of cells too 1 is designed as a fuel cell stack and has a plurality of individual cells 4th on which between two end plates 2 , 3 are tense. The jigs 10 are designed as tie rods or screws. Between the end plates 2 , 3 and the single cells 4th each is a power collecting plate 5 , 6th arranged, which in turn each have a pantograph 6a exhibit; the pantograph of the upper collector plate 5 is covered due to the perspective view and therefore not shown.

Der Zellenstapel 1 der Ausführung der 2 weist weiterhin eine Heizfolie 20 auf, welche auf der oberen Endplatte 2 angebracht ist.The cell stack 1 the execution of the 2 furthermore has a heating foil 20th on which on the top end plate 2 is appropriate.

Erfindungsgemäß werden nun alternativ zu der Heizfolie 20 beheizbare Stromsammelplatten 5, 6 in dem Zellenstapel 1 verwendet.According to the invention are now an alternative to the heating film 20th heatable current collecting plates 5 , 6th in the cell stack 1 used.

Dazu zeigt 3 einen erfindungsgemäßen Zellenstapel 1 mit einer beheizbaren Stromsammelplatte 5, 6, welche zwischen einer Endplatte 2 und den Einzelzellen 4 angeordnet ist. Die Stromsammelplatte 5, 6 ist im Schnitt dargestellt; sie umfasst eine obere Platine 31 und eine untere Platine 32, die elektrisch leitfähig sind. Zwischen der oberen Platine 31 und der unteren Platine 32 sind ein oder mehrere Heizelemente 33 angeordnet. Zwischen der oberen Platine 31 und den Heizelementen 33 ist eine obere Isolierschicht 34 angeordnet. Zwischen der unteren Platine 32 und den Heizelementen 33 ist eine untere Isolierschicht 35 angeordnet. Die obere Platine 31 ist mit der unteren Platine 32 mittels Kontaktbereichen 36 elektrisch verbunden; die Kontaktbereiche 36 ragen in der Ausführung der 3 dabei abschnittsweise durch die Heizelemente 33 und die beiden Isolierschichten 34, 35. Die Kontaktbereiche 36 können zum Beispiel durch Durchschweißen oder Löten hergestellt werden.To do this shows 3 a cell stack according to the invention 1 with a heatable current collecting plate 5 , 6th , which between an end plate 2 and the single cells 4th is arranged. The power collecting plate 5 , 6th is shown in section; it includes a top board 31 and a lower board 32 that are electrically conductive. Between the upper board 31 and the lower board 32 are one or more heating elements 33 arranged. Between the upper board 31 and the heating elements 33 is an upper insulating layer 34 arranged. Between the lower board 32 and the heating elements 33 is a lower insulating layer 35 arranged. The top board 31 is with the lower board 32 by means of contact areas 36 electrically connected; the contact areas 36 excel in the execution of the 3 in sections through the heating elements 33 and the two insulating layers 34 , 35 . The contact areas 36 can be produced, for example, by welding or soldering.

Die Isolierschichten 34, 35 trennen den Stromkreis für die Heizelemente 33 von dem eigentlichen Stromkreis des Zellenstapels 1, welcher durch die Reihenschaltung der Einzelzellen 4 generiert wird.The insulating layers 34 , 35 disconnect the circuit for the heating elements 33 from the actual circuit of the cell stack 1 , which is achieved by connecting the individual cells in series 4th is generated.

Durch das Heizelement 33 können sowohl die Stromsammelplatte 5, 6 als auch die daran angrenzende Endplatte 2, insbesondere im Kaltstartfall des Zellenstapels 1, vergleichsweise schnell aufgeheizt werden. Der vergleichsweise großen Wärmekapazitäten der Stromsammelplatte 5, 6 und Endplatte 2, welche ein Erwärmen der benachbarten Einzelzellen 4 verlangsamen und quasi einen Kältepol für diese darstellen, kann somit effizient entgegengewirkt werden.Through the heating element 33 can use both the power collecting plate 5 , 6th as well as the adjoining end plate 2 , especially in the event of a cold start of the cell stack 1 , be heated up comparatively quickly. The comparatively large heat capacities of the current collecting plate 5 , 6th and end plate 2 , which a heating of the neighboring single cells 4th slow down and represent a cold pole for them, can thus be counteracted efficiently.

4 zeigt den Schnitt A-A der 3 der Stromsammelplatte 5, 6 durch die Ebene mit dem Heizelement 33. In der Ausführung der 4 weist die Stromsammelplatte 5, 6 Öffnungen 9 für die Medienanschlüsse auf: für die Zu- und Abfuhr von Oxidationsmittel und Brennstoff zu den Einzelzellen 4, optional sind auch noch Zu- und Abfuhr von Kühlmittel möglich. Die drei Kontaktbereiche 36 sind in der Ausführung der 4 zylindrisch gestaltet, können aber eine beliebige Anzahl und beliebige geometrische Ausgestaltungen aufweisen. 4th shows the section AA of 3 the power collecting plate 5 , 6th through the plane with the heating element 33 . In the execution of the 4th has the current collecting plate 5 , 6th openings 9 for the media connections on: for the supply and discharge of oxidizing agent and fuel to the individual cells 4th , coolant can also be added and removed as an option. The three contact areas 36 are in the execution of the 4th designed cylindrically, but can have any number and any geometric configurations.

Die Heizelemente 33 sind bevorzugt als Draht, als Leiterbahn oder als flächiges Element ausgeführt. In der Ausführung der 4 ist das Heizelement 33 als Leiterbahn ausgeführt, wobei das Heizelement 33 zwei elektrische Anschlüsse 33.1, 33.2 aufweist, welche aus der Stromsammelplatte 5, 6 herausragen. Wenn nun eine elektrische Spannung an die beiden Anschlüsse 33.1 und 33.2 angelegt wird, heizt der Strom, der durch das Heizelement 33 fließt, die gesamte Stromsammelplatte 5, 6 auf. Vorteilhafterweise sind die Dicken und Materialien der Stromsammlerplatte 5, 6 so gewählt, das der elektrische Widerstand ausreichend klein ist, um den in den Einzelzellen 4 generierten Strom verlustarm zu leiten.The heating elements 33 are preferably designed as a wire, as a conductor track or as a flat element. In the execution of the 4th is the heating element 33 designed as a conductor track, the heating element 33 two electrical connections 33.1 , 33.2 having which from the current collecting plate 5 , 6th stick out. If now an electrical voltage is applied to the two connections 33.1 and 33.2 is applied, the electricity that passes through the heating element heats 33 flows, the entire current collecting plate 5 , 6th on. The thicknesses and materials of the current collector plate are advantageous 5 , 6th chosen so that the electrical resistance is sufficiently small to that in the individual cells 4th to conduct generated electricity with little loss.

In bevorzugten Ausführungen ist das Heizelement 33 die Öffnungen 9 - insbesondere für die Medienzufuhr - umgebend angeordnet. Dadurch ist das Heizelement 33 in der Lage, die Öffnungen 9 bzw. entsprechenden Fluidkanäle für die Medienversorgung zu den Einzelzellen 4 und damit auch die durch die Öffnungen 9 strömenden Fluide zu erwärmen. Bevorzugt weist die Stromsammelplatte 5, 6 sechs Öffnungen 9 auf, je einen Zulauf und einen Ablauf für den Brennstoff, für das Oxidationsmittel und für das Kühlmittel. Für eine Kaltstartphase des Zellenstapels 1 ist es vorteilhaft, wenn die Zuläufe - also die Öffnungen 9, durch welche Brennstoff und Oxidationsmittel zu den Einzelzellen 4 strömen - erwärmt werden, so dass die optimale Betriebstemperatur in den Einzelzellen 4 schneller erreicht werden kann. Weiterhin können etwaige Eiskristalle bei Umgebungstemperaturen von unter 0°C in den Öffnungen 9 bzw. Fluidkanälen und weiter auch in den Einzelzellen 4 schnell aufgetaut werden.In preferred embodiments, the heating element is 33 the openings 9 - In particular for the media supply - arranged surrounding it. This is the heating element 33 able to make the openings 9 or corresponding fluid channels for the media supply to the individual cells 4th and thus also through the openings 9 to heat flowing fluids. The current collecting plate preferably has 5 , 6th six openings 9 on, one inlet and one outlet each for the fuel, for the oxidizing agent and for the coolant. For a cold start phase of the cell stack 1 it is advantageous if the inlets - i.e. the openings 9 , through which fuel and oxidizing agent to the individual cells 4th flow - to be heated, so that the optimal operating temperature in the individual cells 4th can be reached faster. Furthermore, any ice crystals can get into the openings at ambient temperatures below 0 ° C 9 or fluid channels and further also in the individual cells 4th thawed quickly.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 5789091 A [0003, 0013]US 5789091 A [0003, 0013]
  • WO 19081866 A1 [0004, 0014]WO 19081866 A1 [0004, 0014]

Claims (6)

Stromsammelplatte (5, 6), insbesondere für einen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel (1), umfassend eine obere Platine (31) und eine untere Platine (32), welche mittels zumindest eines Kontaktbereiches (36) elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Platinen (31, 32) ein Heizelement (33) angeordnet ist, wobei das Heizelement (33) jeweils durch eine Isolierschicht (34, 35) von der oberen Platine (31) und der unteren Platine (32) elektrisch isoliert ist.Current collecting plate (5, 6), in particular for a cell stack (1) designed as a fuel cell stack, comprising an upper plate (31) and a lower plate (32), which are electrically connected by means of at least one contact area (36), characterized in that between a heating element (33) is arranged on the circuit boards (31, 32), the heating element (33) being electrically insulated from the upper circuit board (31) and the lower circuit board (32) by an insulating layer (34, 35). Stromsammelplatte (5, 6) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (33) als Leiterbahn ausgeführt ist.Current collecting plate (5, 6) after Claim 1 characterized in that the heating element (33) is designed as a conductor track. Stromsammelplatte (5, 6) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass in der Stromsammelplatte (5, 6) Öffnungen (9) für Medienversorgungen ausgebildet sind.Current collecting plate (5, 6) after Claim 1 or 2 characterized in that openings (9) for media supplies are formed in the current collecting plate (5, 6). Stromsammelplatte (5, 6) nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (33) zumindest teilweise die Öffnungen (9) umgebend angeordnet ist.Current collecting plate (5, 6) after Claim 3 characterized in that the heating element (33) is arranged at least partially surrounding the openings (9). Zellenstapel (1) mit mehreren Einzelzellen (4), wobei die Einzelzellen (4) zwischen zwei Endplatten (2, 3) angeordnet sind, wobei zumindest zwischen einer der Endplatten (2, 3) und den Einzelzellen (4) eine Stromsammelplatte (5, 6) nach einer der vorhergehenden Ausführungen angeordnet ist.Cell stack (1) with several individual cells (4), the individual cells (4) being arranged between two end plates (2, 3), with a current collecting plate (5, at least between one of the end plates (2, 3) and the individual cells (4)) 6) is arranged according to one of the preceding embodiments. Kraftfahrzeug mit einem als Brennstoffzellenstapel ausgeführtem Zellenstapel (1) nach Anspruch 5.Motor vehicle with a cell stack (1) designed as a fuel cell stack Claim 5 .
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