DE102020205884A1 - Cell stack with heatable end plate - Google Patents

Cell stack with heatable end plate Download PDF

Info

Publication number
DE102020205884A1
DE102020205884A1 DE102020205884.9A DE102020205884A DE102020205884A1 DE 102020205884 A1 DE102020205884 A1 DE 102020205884A1 DE 102020205884 A DE102020205884 A DE 102020205884A DE 102020205884 A1 DE102020205884 A1 DE 102020205884A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
cell stack
heat
heating
end plate
channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020205884.9A
Other languages
German (de)
Inventor
Jochen Wessner
Ernst Hauk
Eberhard Maier
Andreas Rettich
Harald Bauer
Lars Olems
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102020205884.9A priority Critical patent/DE102020205884A1/en
Priority to PCT/EP2021/060486 priority patent/WO2021228526A1/en
Publication of DE102020205884A1 publication Critical patent/DE102020205884A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04037—Electrical heating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zellenstapel (1), insbesondere einen Brennstoffzellenstapel. Der Zellenstapel (1) umfasst dabei mehrere Einzelzellen (4), welche zwischen zwei Endplatten (2, 3) angeordnet sind. In zumindest einer der Endplatten (2, 3) ist mindestens ein Wärmekanal (15) integriert.The present invention relates to a cell stack (1), in particular a fuel cell stack. The cell stack (1) comprises several individual cells (4) which are arranged between two end plates (2, 3). At least one heat channel (15) is integrated in at least one of the end plates (2, 3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zellenstapel mit einer beheizbaren Endplatte.The present invention relates to a cell stack with a heatable end 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 zwischen zwei Endplatten verspannt sind, wobei eine Heizplatte auf einer der Endplatten angeordnet ist.From the WO19081866 A1 a fuel cell stack is known in which a plurality of individual cells are clamped between two end plates, a heating plate being arranged on one of the end plates.

Die Endplatten sind aufgrund der benötigten Verspannkräfte üblicherweise sehr stabil und damit auch vergleichsweise massiv ausgeführt, so dass sie - verglichen mit den relativ dünnen Einzelzellen - eine sehr große Wärmekapazität aufweisen, insbesondere wenn die Endplatten metallisch ausgeführt sind.Due to the tensioning forces required, the end plates are usually very stable and thus also made comparatively massive, so that they have a very large heat capacity compared to the relatively thin individual cells, in particular if the end plates are made of metal.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es das Wärmemanagement des Zellenstapels insbesondere für einen Kaltstartlastfall zu verbessern.The object of the present invention is to improve the thermal management of the cell stack, in particular for a cold start load case.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Dazu umfasst der Zellenstapel mehrere Einzelzellen, wobei die Einzelzellen zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. In zumindest einer der Endplatten ist mindestens ein Wärmekanal integriert. Bevorzugt ist in beiden Endplatten je mindestens ein Wärmekanal integriert. Vorteilhafterweise ist der Zellenstapel als Brennstoffzellenstapel ausgeführt; der Zellenstapel kann jedoch beispielsweise auch als Batteriezellenstapel oder als Elektrolysezellenstapel ausgeführt sein.For this purpose, the cell stack comprises a plurality of individual cells, the individual cells being arranged between two end plates. At least one heat channel is integrated in at least one of the end plates. At least one heating channel is preferably integrated in each of the two end plates. The cell stack is advantageously designed as a fuel cell stack; however, the cell stack can also be designed, for example, as a battery cell stack or as an electrolysis cell stack.

Dabei soll insbesondere unter einem Wärmekanal ein Kanal verstanden werden der ein Wärmeträgerfluid bzw. ein Heizmedium enthält und der im Wesentlichen innerhalb des Zellenstapels geführt wird, also keinen Anschluss an beispielsweise einen externen Wärmetauscher hat.In this context, a heat channel is to be understood in particular as a channel which contains a heat transfer fluid or a heating medium and which is guided essentially within the cell stack, that is to say has no connection to, for example, an external heat exchanger.

Durch den Wärmekanal kann die Endplatte, insbesondere im Kaltstartfall des Zellenstapels, vergleichsweise schnell aufgeheizt werden, die Endplatte ist also beheizbar ausgeführt. Der vergleichsweise großen Wärmekapazität der Endplatte, welche ein Erwärmen der benachbarten Einzelzellen verlangsamt und quasi einen Kältepol für diese darstellt, kann somit entgegengewirkt werden.The end plate can be heated comparatively quickly through the heat channel, in particular in the case of a cold start of the cell stack, so the end plate is designed to be heatable. The comparatively large heat capacity of the end plate, which slows down the heating of the neighboring individual cells and virtually represents a cold pole for them, can thus be counteracted.

Der mindestens eine Wärmekanal kann dabei komplett in die Endplatte integriert sein. Er kann jedoch auch zwischen der Endplatte und einer Stromsammelplatte ausgebildet sein. Die Stromsammelplatte begrenzt dabei den Wärmekanal in Richtung zu den Einzelzellen hin, bevorzugt durch eine ebene Fläche. Die Stromsammelplatte dient weiterhin als Stromabgriff - beispielsweise über einen an der Stromsammelplatte ausgebildeten Stromabnehmer - für den gesamten Zellenstapel. In dieser Ausführung sind demzufolge die Funktionen Stromabnahme und Wärmekanalbegrenzung in der Stromsammelplatte vereinigt. Die Herstellung der Wärmekanäle kann vergleichsweise einfach erfolgen, beispielsweise durch Einfräsen in die Endplatte, wobei dann der gefräste Wärmekanal mit der Stromsammelplatte abgedeckt wird.The at least one heat channel can be completely integrated into the end plate. However, it can also be formed between the end plate and a current collecting plate. The current collecting plate limits the heat channel in the direction of the individual cells, preferably by means of a flat surface. The current collecting plate also serves as a current tap - for example via a current collector formed on the current collecting plate - for the entire cell stack. In this design, the functions of current consumption and heat channel limitation are therefore combined in the current collecting plate. The production of the heat channels can be carried out comparatively easily, for example by milling into the end plate, in which case the milled heat channel is then covered with the current collecting plate.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist in der Endplatte weiterhin eine Heizpatrone integriert. Die Heizpatrone ist thermisch an den mindestens einen Wärmekanal gekoppelt. Dadurch können der Wärmekanal bzw. die Wände des Wärmekanals, welche an der Endplatte ausgebildet sind, mit Wärmeenergie versorgt werden. Die Heizpatrone wandelt dazu elektrische Energie in Wärmeenergie um. Die Heizpatrone ist im Wartungsfall viel leichter austauschbar als beispielsweise eine zwischen den Einzelzellen und der Endplatte eingelegte Heizfolie. Will man eine Heizfolie austauschen, so muss die Verspannung des Zellenstapels gelöst werden, wodurch Komponenten der Einzelzellen - beispielsweise Polymerelektrolytmembranen und Gasdiffusionslagen - nicht mehr wiederverwendbar sind. Die Heizpatrone hingegen kann an einer leicht zugänglichen Stelle eingesetzt werden und unter Beibehaltung der Verspannung des Zellenstapels ausgetauscht werden. Die Wärmekanäle wiederum können auch an schlecht zugängliche Stellen geführt werden.In advantageous developments, a heating cartridge is also integrated in the end plate. The heating cartridge is thermally coupled to the at least one heating channel. As a result, the heat channel or the walls of the heat channel, which are formed on the end plate, can be supplied with heat energy. The heating cartridge converts electrical energy into thermal energy. In the event of maintenance, the heating cartridge is much easier to replace than, for example, a heating foil inserted between the individual cells and the end plate. If a heating foil is to be replaced, the tension in the cell stack must be released, so that components of the individual cells - for example polymer electrolyte membranes and gas diffusion layers - can no longer be reused. The heating cartridge, on the other hand, can be inserted in an easily accessible place and exchanged while maintaining the tension of the cell stack. The heat channels, in turn, can also be routed to places that are difficult to access.

Bevorzugt ist in der Endplatte zumindest ein Fluidkanal ausgebildet. Der mindestens eine Wärmekanal ist benachbart zu dem Fluidkanal ausgebildet. Dadurch ist der Wärmekanal in der Lage, wenn beispielsweise ein erwärmtes Heizmedium durch ihn fließt, den Fluidkanal - und damit auch das durch den Fluidkanal strömende Fluid - zu erwärmen. Bevorzugt weist die Endplatte sechs Fluidkanäle auf, je einen Zulauf und einen Ablauf für den Brennstoff, für das Oxidationsmittel und für ein Kühlmedium. In bevorzugten Weiterbildungen können Kühlmedium und Heizmedium identisch sein, insbesondere wenn der mindestens eine Wärmekanal fluidisch mit einem Kühlkreislauf des Zellenstapels verbunden ist. Je nach Umgebungstemperatur und Temperatur des Zellenstapels wirkt das Heizmedium/Kühlmedium dann heizend oder kühlend auf den Zellenstapel bzw. die darin strömenden weiteren Fluide.At least one fluid channel is preferably formed in the end plate. The at least one heat channel is formed adjacent to the fluid channel. As a result, when a heated heating medium flows through it, for example, the heat channel is able to heat the fluid channel - and thus also the fluid flowing through the fluid channel. The end plate preferably has six fluid channels, each with an inlet and an outlet for the fuel, for the oxidizing agent and for a cooling medium. In preferred developments, the cooling medium and heating medium can be identical, in particular if the at least one heat channel is fluidically connected to a cooling circuit of the cell stack. Depending on the ambient temperature and temperature of the cell stack, the heating medium / cooling medium then has a heating or cooling effect on the cell stack or the other fluids flowing therein.

In vorteilhaften Ausführungen ist der mindestens eine Wärmekanal mit einem Heizmedium bzw. einem Heizfluid gefüllt. Dadurch kann vorteilhaft ein Wärmetransport über Konvektion, besonders vorteilhaft über erzwungene Konvektion, erreicht werden. Ein Erwärmen der Endplatte erfolgt so noch schneller.In advantageous embodiments, the at least one heating channel is filled with a heating medium or a heating fluid. In this way, heat can advantageously be transported via convection, particularly advantageously via forced convection. The end plate is heated even faster.

In bevorzugten Weiterbildungen durchlaufen zumindest Anteile des Heizmediums während einer Kaltstartphase des Zellenstapels einen Phasenübergang, beispielsweise In einem Temperaturfenster zwischen -40°C und 100°C. Besonders bevorzugt durchläuft das Heizmedium dabei einen Phasengang von dampfförmig zu flüssig, wodurch es eine Latentwärmemenge an die Endplatte abgeben kann. Üblicherweise ist die Latentwärme eines Phasenübergangs sehr groß, so dass auch eine entsprechende Heizwirkung durch Kondensation des Heizmediums an den Wänden des Wärmekanals besonders groß ist.In preferred developments, at least portions of the heating medium undergo a phase transition during a cold start phase of the cell stack, for example in a temperature window between -40 ° C and 100 ° C. Particularly preferably, the heating medium runs through a phase change from vapor to liquid, as a result of which it can give off an amount of latent heat to the end plate. The latent heat of a phase transition is usually very large, so that a corresponding heating effect due to condensation of the heating medium on the walls of the heating channel is particularly large.

In vorteilhaften Ausführungen ist der mindestens eine Wärmekanal mit einem Kühlkreislauf des Zellenstapels fluidisch verbunden. Bevorzugt ist dann zumindest einer der Fluidkanäle in den Kühlkreislauf integriert. Der Kühlkreislauf kann dann sowohl als Kühlkreislauf als auch als Heizkreislauf - insbesondere während einer Kaltstartphase - fungieren.In advantageous embodiments, the at least one heat channel is fluidically connected to a cooling circuit of the cell stack. At least one of the fluid channels is then preferably integrated into the cooling circuit. The cooling circuit can then function both as a cooling circuit and as a heating circuit - in particular during a cold start phase.

Bevorzugt sind die Einzelzellen zwischen den zwei Endplatten mittels zumindest einer Spannvorrichtung verspannt. Es wirken also Kräfte auf die Endplatten, die eine ungewollte nennenswerte Verformung der Endplatten bewirken würden, wenn die Endplatten nicht entsprechend steif ausgeführt würden. Gerade diese steife Ausführung führt aber dazu, dass die Endplatten im Kaltstartfall wie Kältepole auf die benachbarten Einzelzellen wirken. Demzufolge ist es vorteilhaft, wenn gerade in derartigen Endplatten Wärmekanäle integriert sind, um ein Aufwärmen der Endplatten bzw. der durch sie strömenden Fluide zu beschleunigen.The individual cells are preferably clamped between the two end plates by means of at least one clamping device. Forces therefore act on the end plates which would cause an undesired appreciable deformation of the end plates if the end plates were not made correspondingly stiff. However, it is precisely this rigid design that means that the end plates act like cold poles on the neighboring individual cells in the event of a cold start. Accordingly, it is advantageous if heat channels are integrated into such end plates in order to accelerate the warming up of the end plates or the fluids flowing through them.

Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel. Die Einzelzellen sind demzufolge als Brennstoffzellen ausgeführt. Das Kraftfahrzeug weist dabei die gleichen zu dem Zellenstapel genannten Vorteile auf, insbesondere eine zügige Kaltstartphase, durch welche das Kraftfahrzeug schnell auf seine Nennleistung gebracht werden kann. Weiterhin ist eine einfache Wartung, insbesondere der leicht zugängliche Austausch der Heizpatrone, ein Vorteil für mobile Anwendungen wie ein Kraftfahrzeug.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. The motor vehicle has the same advantages mentioned for the cell stack, in particular a rapid cold start phase, through which the motor vehicle can be quickly brought to its rated output. Furthermore, simple maintenance, in particular the easily accessible replacement of the heating cartridge, is an advantage for mobile applications such as a motor vehicle.

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 erfindungsgemäßen Zellenstapel, 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 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 devices designed as tensioning straps 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 wird nun alternativ zu der Heizfolie 20 zumindest ein Wärmekanal in die Endplatte 2, 3 integriert.According to the invention, there is now an alternative to the heating film 20th at least one heat channel in the end plate 2 , 3 integrated.

Dazu zeigt 3 einen Schnitt durch einen Zellenstapel 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Im Ausschnitt der 3 ist lediglich die obere Endplatte 2 zu sehen, eine analoge Ausgestaltung ist jedoch auch für die untere Endplatte 3 möglich.To do this shows 3 a section through a cell stack 1 , whereby only the essential areas are shown. In the excerpt of the 3 is only the upper end plate 2 can be seen, however, an analogous design is also available for the lower end plate 3 possible.

Zwischen der Endplatte 2 und den in Reihe geschalteten Einzelzellen 4 ist die Stromsammelplatte 5 mit dem Stromabnehmer 5a zum Stromabgriff angeordnet. Bei einer metallischen Endplatte 2 ist zwischen der Stromsammelplatte 5 und der Endplatte 2 noch eine elektrische Isolationsfolie angeordnet. In der Ausführung der 3 besteht die Endplatte 2 jedoch bevorzugt aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, bevorzugt aus einem Polymerverbundbauteil, so dass eine Isolationsfolie nicht erforderlich ist. Das Polymerverbundbauteil kann dabei durchaus metallisch verstärkt sein, so dass es sich unter den Kräften der nicht dargestellten Spannvorrichtung 10 möglichst steif verhält.Between the end plate 2 and the single cells connected in series 4th is the power collecting plate 5 with the pantograph 5a for power tap arranged. With a metallic end plate 2 is between the power collector plate 5 and the end plate 2 still arranged an electrical insulation film. In the execution of the 3 is the end plate 2 but preferably made of an electrically non-conductive material, preferably made of a polymer composite component, so that an insulating film is not required. The polymer composite component can be reinforced with metal, so that it is under the forces of the clamping device, not shown 10 behaves as stiffly as possible.

Im Schnitt der 3 sind zwei Fluidkanäle 7 dargestellt. Oft weist der Zellenstapel 1 jedoch sechs Fluidkanäle 7 auf, jeweils zur Zu- und Abfuhr des Brennstoffs - beispielsweise Wasserstoff - und des Oxidationsmittels - beispielsweise Sauerstoff -, sowie optional zur Zu- und Abfuhr eines Kühlmediums in die Einzelzellen 4, die in der Ansicht der 3 senkrecht zur Schnittebene in der Tiefe der Skizze liegen und daher nicht sichtbar sind. In der Endplatte 2 sind Wärmekanäle 15 integriert, die bevorzugt unter anderem auch die Fluidkanäle 7 umgebend - bzw. benachbart zu diesen - angeordnet sind. Dadurch können für eine Kaltstartphase des Zellenstapels 1 gezielt ein oder mehrere durch die Fluidkanäle 7 in die Einzelzellen 4 einströmende Fluide erwärmt werden. Die Einzelzellen 4 können dementsprechend schnell auf einer optimalen Betriebstemperatur betrieben werden.In the cut of the 3 are two fluid channels 7th shown. Often times the stack of cells 1 but six fluid channels 7th on, each for supplying and removing the fuel - for example hydrogen - and the oxidizing agent - for example oxygen - and optionally for supplying and removing a cooling medium into the individual cells 4th who are in the view of 3 are perpendicular to the cutting plane in the depth of the sketch and are therefore not visible. In the end plate 2 are heat channels 15th integrated, which preferably includes the fluid channels, among other things 7th surrounding - or adjacent to these - are arranged. This allows for a cold start phase of the cell stack 1 targeted one or more through the fluid channels 7th in the single cells 4th Inflowing fluids are heated. The single cells 4th can accordingly be operated quickly at an optimal operating temperature.

Weiterhin können etwaige Eiskristalle bei Umgebungstemperaturen von unter 0°C in den Fluidkanälen 7 und weiter auch in den Einzelzellen 4 schnell aufgetaut werden. Auch kann durch das Beheizen über die Wärmekanäle 15 die Wandtemperatur wenigstens einiger Fluidkanäle 7 derart erhöht werden, dass sich bei einem Kaltstart keine Eiskristalle an den Wänden bilden können.Furthermore, any ice crystals can enter the fluid channels at ambient temperatures below 0 ° C 7th and also in the single cells 4th thawed quickly. You can also use the heating ducts for heating 15th the wall temperature of at least some fluid channels 7th can be increased in such a way that no ice crystals can form on the walls during a cold start.

In der Ausführung der 3 ist weiterhin eine Heizpatrone 16 in die Endplatte 2 integriert. Die Heizpatrone 16 ist thermisch an die Wärmekanäle 15 gekoppelt, so dass Wärmeenergie von der Heizpatrone 16 an die Wärmekanäle 15 und weiter durch die Wände 15a der Wärmekanäle 15 an die Endplatte 2 und die Fluidkanäle 7 abgegeben werden kann. Die Heizpatrone 16 wandelt dazu bevorzugt elektrische Energie in Wärmeenergie um, beispielsweise durch elektrische Widerstände.In the execution of the 3 is still a heating cartridge 16 in the end plate 2 integrated. The heating cartridge 16 is thermal to the heat channels 15th coupled so that thermal energy from the heating cartridge 16 to the heat channels 15th and on through the walls 15a the heat channels 15th to the end plate 2 and the fluid channels 7th can be delivered. The heating cartridge 16 preferably converts electrical energy into thermal energy, for example through electrical resistors.

Die Wärmekanäle 15 sind von den zugehörigen Wänden 15a der Endplatte 2 umrandet. Die Wärmekanäle 15 sind vorteilhafterweise mit einem Heizmedium gefüllt, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Besonders bevorzugt ist das Heizmedium so ausgeführt, dass ein Energietransport im Wesentlichen jedoch nur in einem bestimmten Temperatur-Arbeitsfenster stattfindet, das heißt der Wärme-bzw. der Energietransport kann optional auf ein bestimmtes Temperatur-Arbeitsfenster begrenzt werden, indem ein Phasenübergang des Heizmediums stattfindet. Beispielsweise kann durch Verdampfen des Heizmediums eine große Wärmemenge von der Heizpatrone 16 in deren Nähe über die benachbarten Wände 15a der Wärmekanäle 15 aufgenommen und an anderer Stelle, bevorzugt in der Nähe der Fluidkanäle 7 an die Endplatte 2 durch Kondensation abgegeben werden. Außerhalb des Phasenübergangs erfolgt der Wärmetransport dann lediglich über die Wärmeleitung.The heat channels 15th are from the associated walls 15a the end plate 2 outlined. The heat channels 15th are advantageously filled with a heating medium which has a high thermal conductivity. Particularly preferably, the heating medium is designed in such a way that an energy transport essentially only takes place in a specific temperature working window, that is to say the heat or temperature range. the energy transport can optionally be limited to a certain temperature working window by a phase transition of the heating medium. For example, a large amount of heat can be removed from the heating cartridge by evaporation of the heating medium 16 near them over the neighboring walls 15a the heat channels 15th recorded and elsewhere, preferably in the vicinity of the fluid channels 7th to the end plate 2 given off by condensation. Outside of the phase transition, the heat is then only transported via heat conduction.

Die Wärmekanäle 15 können beispielsweise als Wärmerohre ausgestaltet sein. Die Wärmerohre bzw. die zugehörigen Wände 15a können dabei gewinkelt, gerade, flach, rund, als separates Teil oder integriert ausgeführt sein.The heat channels 15th can for example be designed as heat pipes. The heat pipes or the associated walls 15a can be angled, straight, flat, round, designed as a separate part or integrated.

4 zeigt den Schnitt A-A der 3. Die Endplatte 2 weist sechs Fluidkanäle 7 auf, je einen Zu- und Ablauf für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmedium. Die Wärmekanäle 15 sind benachbart zu den Fluidkanälen 7 ausgebildet, um die Fluide - also Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmedium - aufheizen zu können. Somit wird nicht nur die Endplatte 2 aufgeheizt, sondern eben auch - wenigstens anteilig - die durch die Fluidkanäle 7 strömenden Fluide. 4th shows the section AA of 3 . The end plate 2 has six fluid channels 7th on, one inlet and one outlet each for the fuel, the oxidizing agent and the cooling medium. The heat channels 15th are adjacent to the fluid channels 7th designed to be able to heat the fluids - i.e. fuel, oxidizing agent and cooling medium. Thus, not just the end plate 2 heated, but also - at least partially - through the fluid channels 7th flowing fluids.

Die hohe Wärmekapazität der Endplatten 2, 3 führt dazu, dass im Startfall, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen, die Endplatten 2, 3 vor allem auf die nahe bei ihnen angeordneten Einzelzellen 4 wie Kältepole wirken. Die äußeren Einzelzellen 4 des Zellenstapels 1 kommen somit langsamer auf Betriebstemperatur als die inneren Einzelzellen 4. Das Erwärmen der Endplatten 2, 3 und auch das Erwärmen der durch die Fluidkanäle 7 strömenden Fluide wirkt diesem Effekt entgegen. Im Idealfall führt die Erwärmung der Endplatten 2, 3 mittels der Heizpatronen 16 und den Wärmekanälen 15 zu einem schnellen, gleichmäßigen, über den gesamten Zellenstapel 1 homogenen Aufwärmen der Einzelzellen 4.The high heat capacity of the end plates 2 , 3 leads to the fact that in the case of a start, especially at low ambient temperatures, the end plates 2 , 3 especially on the individual cells arranged close to them 4th act like cold poles. The outer single cells 4th of the cell stack 1 thus reach operating temperature more slowly than the individual inner cells 4th . The heating of the end plates 2 , 3 and also the heating of the through the fluid channels 7th flowing fluids counteract this effect. Ideally, the end plates will heat up 2 , 3 by means of the heating cartridges 16 and the heat channels 15th to a fast, even, over the entire cell stack 1 homogeneous warming up of the individual cells 4th .

Werden hingegen Endplatten 2, 3 aus Kunststoff verwendet, dann sind diese Endplatten 2, 3 wiederum thermisch gut isoliert, so dass bei einem Kaltstart die Endplatte 2, 3 inklusiv ihrer Fluidkanäle 7 schlecht aufgeheizt werden kann. Auch hier sind Endplatten 2, 3 mit entsprechenden Wärmekanälen 15 vorteilhaft, insbesondere wenn diese benachbart zu den Fluidkanälen 7 angeordnet sind, so dass die in die Einzelzellen 4 einströmenden Fluide vorgewärmt werden können.However, end plates 2 , 3 If plastic is used then these are end plates 2 , 3 again, thermally well insulated, so that the end plate 2 , 3 including their fluid channels 7th can be heated up poorly. Again, there are end plates 2 , 3 with corresponding heat channels 15th advantageous, especially if these are adjacent to the fluid channels 7th are arranged so that the into the single cells 4th Inflowing fluids can be preheated.

Generell können die Wärmekanäle 15 komplett in der Endplatte 2, 3 ausgebildet sein, wie beispielsweise in 3 dargestellt, oder auch nur teilweise von der Endplatte 2, 3 begrenzt sein und teilweise von einer weiteren Komponente wie der Stromsammelplatte 5.Generally speaking, the heat channels 15th completely in the end plate 2 , 3 be designed, for example in 3 shown, or only partially from the end plate 2 , 3 be limited and partly from another component such as the power collector plate 5 .

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 5789091 A [0003, 0019]US 5789091 A [0003, 0019]
  • WO 19081866 A1 [0004, 0020]WO 19081866 A1 [0004, 0020]

Claims (9)

Zellenstapel (1) mit mehreren Einzelzellen (4), wobei die Einzelzellen (4) zwischen zwei Endplatten (2, 3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer der Endplatten (2, 3) mindestens ein Wärmekanal (15) integriert ist.Cell stack (1) with several individual cells (4), the individual cells (4) being arranged between two end plates (2, 3), characterized in that at least one heat channel (15) is integrated in at least one of the end plates (2, 3) . Zellenstapel (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in der Endplatte (2, 3) weiterhin eine Heizpatrone (16) integriert ist, wobei die Heizpatrone (16) thermisch an den mindestens einen Wärmekanal (15) gekoppelt ist.Cell stack (1) Claim 1 characterized in that a heating cartridge (16) is also integrated in the end plate (2, 3), the heating cartridge (16) being thermally coupled to the at least one heating channel (15). Zellenstapel (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass in der Endplatte (2, 3) zumindest ein Fluidkanal (7) ausgebildet ist, wobei der mindestens eine Wärmekanal (15) benachbart zu dem Fluidkanal (7) ausgebildet ist.Cell stack (1) Claim 1 or 2 characterized in that at least one fluid channel (7) is formed in the end plate (2, 3), the at least one heat channel (15) being formed adjacent to the fluid channel (7). Zellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmekanal (15) mit einem Heizmedium gefüllt ist.Cell stack (1) after one of the Claims 1 until 3 characterized in that the at least one heating channel (15) is filled with a heating medium. Zellenstapel (1) nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Anteile des Heizmediums während einer Kaltstartphase des Zellenstapels (1) einen Phasenübergang durchlaufen.Cell stack (1) Claim 4 characterized in that at least portions of the heating medium undergo a phase transition during a cold start phase of the cell stack (1). Zellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmekanal (15) mit einem Kühlkreislauf des Zellenstapels (1) fluidisch verbunden ist.Cell stack (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one heat channel (15) is fluidically connected to a cooling circuit of the cell stack (1). Zellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (4) zwischen den zwei Endplatten (2, 3) mittels zumindest einer Spannvorrichtung (10) verspannt sind.Cell stack (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the individual cells (4) are clamped between the two end plates (2, 3) by means of at least one clamping device (10). Zellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmekanal (15) zwischen der Endplatte (2, 3) und einer Stromsammelplatte (5) ausgebildet ist.Cell stack (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one heat channel (15) is formed between the end plate (2, 3) and a current collecting plate (5). Kraftfahrzeug mit einem als Brennstoffzellenstapel ausgeführtem Zellenstapel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche.Motor vehicle with a cell stack (1) designed as a fuel cell stack according to one of the preceding claims.
DE102020205884.9A 2020-05-11 2020-05-11 Cell stack with heatable end plate Pending DE102020205884A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020205884.9A DE102020205884A1 (en) 2020-05-11 2020-05-11 Cell stack with heatable end plate
PCT/EP2021/060486 WO2021228526A1 (en) 2020-05-11 2021-04-22 Cell stack with heatable end plate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020205884.9A DE102020205884A1 (en) 2020-05-11 2020-05-11 Cell stack with heatable end plate

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102020205884A1 true DE102020205884A1 (en) 2021-11-11

Family

ID=75674822

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020205884.9A Pending DE102020205884A1 (en) 2020-05-11 2020-05-11 Cell stack with heatable end plate

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102020205884A1 (en)
WO (1) WO2021228526A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114171754A (en) * 2021-12-15 2022-03-11 张家口市氢能科技有限公司 Hydrogen fuel cell low-temperature operation supporting device

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5789091A (en) 1996-11-19 1998-08-04 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical fuel cell stack with compression bands
US20120100450A1 (en) 2010-10-25 2012-04-26 Hyundai Motor Company Heating device for end plate of fuel cell stack
JP2015111545A (en) 2013-11-06 2015-06-18 本田技研工業株式会社 Fuel cell stack
DE102016218140A1 (en) 2015-09-23 2017-03-23 Hyundai Motor Company FUEL CELL STACK
WO2019081866A1 (en) 2017-10-26 2019-05-02 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Assembly comprising a soec/sofc-type solid oxide stack and a clamping system with an integrated gas superheating system

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6686080B2 (en) * 2000-04-18 2004-02-03 Plug Power Inc. Fuel cell systems
DE102007033428A1 (en) * 2007-07-18 2009-01-22 Robert Bosch Gmbh Fuel cell system comprising a tempering agent comprising a phase change material

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5789091A (en) 1996-11-19 1998-08-04 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical fuel cell stack with compression bands
US5789091C1 (en) 1996-11-19 2001-02-27 Ballard Power Systems Electrochemical fuel cell stack with compression bands
US20120100450A1 (en) 2010-10-25 2012-04-26 Hyundai Motor Company Heating device for end plate of fuel cell stack
JP2015111545A (en) 2013-11-06 2015-06-18 本田技研工業株式会社 Fuel cell stack
DE102016218140A1 (en) 2015-09-23 2017-03-23 Hyundai Motor Company FUEL CELL STACK
WO2019081866A1 (en) 2017-10-26 2019-05-02 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Assembly comprising a soec/sofc-type solid oxide stack and a clamping system with an integrated gas superheating system

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021228526A1 (en) 2021-11-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112004000247B4 (en) METHOD FOR STARTING UP A FUEL CELL SYSTEM, LIKE A FUEL CELL SYSTEM
DE10296852T5 (en) Frost-tolerant fuel cell power plant
EP2780958B1 (en) Battery system with a temperature-control element containing a temperature-control channel and a bypass and motor vehicle containing the battery system
DE102013002847B4 (en) Battery assembly for a vehicle and method for operating a battery assembly
DE102007055227A1 (en) Fuel cell warming
EP2356714A2 (en) Fuel cell without bipolar plates
WO2014048525A1 (en) Fuel cell system
DE202020106248U1 (en) Humidity exchangers, in particular humidifiers for a fuel cell, and fuel cell systems
EP2718634A2 (en) Device and method for heating a medium
DE102011080975A1 (en) Battery module with air cooling and motor vehicle
DE102020205884A1 (en) Cell stack with heatable end plate
DE102007044634B4 (en) High Temperature Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (HT-PEMFC) including devices for cooling same
DE102008048002A1 (en) Energy converting assembly for use in vehicle, has heat transfer medium moving from one aggregation condition into another aggregation condition to independently interact with heat transfer surface of heat sink
DE19511817C2 (en) Plate-type heat exchanger with reformer
DE102012018107A1 (en) Heating device for heating hydrogen flowing to fuel cell in fuel cell system that is utilized for provision of electric power to vehicle, has cooling medium line whose portion is connected with portion of hydrogen line over guide element
DE102008060533A1 (en) Liquid separator for a fuel cell system
DE102019217989A1 (en) Fuel cell stack with heating element and fuel cell system
DE102015218769A1 (en) Moisture transmitter and fuel cell system and vehicle with such
DE102011109645A1 (en) The fuel cell system
DE102021131243B3 (en) Fuel cell device and motor vehicle with such a fuel cell device
DE102014212495A1 (en) A fuel cell apparatus having a fuel cell stack having a thermal insulation tank and method of operating a fuel cell apparatus
DE102008035897A1 (en) Fuel cell system and method for operating such
DE102019101884A1 (en) Fuel cell arrangement with swirl tube, fuel cell system and vehicle with a fuel cell arrangement
DE102013207430A1 (en) A fuel cell system for heating a fuel cell and method of operating the fuel cell system
DE102007029430B4 (en) Fuel cell systems with rule methodology for heaters of stack end cells and a method for controlling the temperature of end cells in a fuel cell stack

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified