DE102020206347A1 - Heater for a stack of electrochemical cells, fuel cell stacks and methods of heating - Google Patents

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Ernst Hauk
Eberhard Maier
Andreas Rettich
Harald Bauer
Lars Olems
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung (12) für einen Stapel elektrochemischer Zellen, wobei die Heizvorrichtung (12) eine Heizlage (54) mit einer ersten Seite (56) und einer gegenüberliegenden zweiten Seite (58), eine erste thermische Isolierlage (60) und eine zweite thermische Isolierlage (62) umfasst, die erste thermische Isolierlage (60) an der ersten Seite (56) der Heizlage (54) angeordnet ist und die zweite thermische Isolierlage (62) auf der zweiten Seite (58) der Heizlage (54) angeordnet ist und wobei die Heizlage (54) einen zentralen Bereich (64) und einen Randbereich (66) aufweist und die erste thermische Isolierlage (60) eine erste Aussparung (68) an dem Randbereich (66) der Heizlage (54) aufweist und die zweite thermische Isolierlage (62) eine zweite Aussparung (70) an dem zentralen Bereich (64) der Heizlage (54) aufweist. Die Erfindung betrifft ferner einen Brennstoffzellenstapel (4) umfassend die Heizvorrichtung (12) und ein Verfahren zum Erwärmen von Teilen des Brennstoffzellenstapels (4).

Figure DE102020206347A1_0000
The invention relates to a heating device (12) for a stack of electrochemical cells, the heating device (12) having a heating layer (54) with a first side (56) and an opposite second side (58), a first thermal insulating layer (60) and a second thermal insulating layer (62), the first thermal insulating layer (60) is arranged on the first side (56) of the heating layer (54) and the second thermal insulating layer (62) is arranged on the second side (58) of the heating layer (54) and wherein the heating layer (54) has a central region (64) and an edge region (66) and the first thermal insulating layer (60) has a first recess (68) in the edge region (66) of the heating layer (54) and the second thermal insulation layer (62) has a second recess (70) in the central area (64) of the heating layer (54). The invention also relates to a fuel cell stack (4) comprising the heating device (12) and a method for heating parts of the fuel cell stack (4).
Figure DE102020206347A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung für einen Stapel elektrochemischer Zellen, wobei die Heizvorrichtung eine Heizlage und eine erste thermische Isolierlage umfasst. Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel umfassend die Heizvorrichtung sowie ein Verfahren zum Erwärmen von Teilen des Brennstoffzellenstapels.The invention relates to a heating device for a stack of electrochemical cells, the heating device comprising a heating layer and a first thermal insulating layer. The invention also relates to a fuel cell stack comprising the heating device and a method for heating parts of the fuel cell stack.

Stand der TechnikState of the art

Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.A fuel cell is an electrochemical cell that converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy. A fuel cell is therefore an electrochemical energy converter. In known fuel cells, hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) in particular are converted into water (H 2 O), electrical energy and heat.

Unter anderem sind Protonenaustauschmembran(Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.Among other things, proton exchange membrane (PEM) fuel cells are known. Proton exchange membrane fuel cells have a centrally arranged membrane that is permeable to protons, i.e. hydrogen ions. The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is thereby spatially separated from the fuel, in particular hydrogen.

Ferner sind Festoxidbrennstoffzellen, die auch als solid oxide fuel cells (SOFC) bezeichnet werden, bekannt. SOFC-Brennstoffzellen besitzen eine höhere Betriebstemperatur und Abgastemperatur als PEM-Brennstoffzellen und finden insbesondere im stationären Betrieb Anwendung.Solid oxide fuel cells, which are also referred to as solid oxide fuel cells (SOFC), are also known. SOFC fuel cells have a higher operating temperature and exhaust gas temperature than PEM fuel cells and are used in particular in stationary operation.

Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode.Fuel cells have an anode and a cathode. The fuel is fed to the anode of the fuel cell and is catalytically oxidized by releasing electrons to protons, which reach the cathode. The electrons released are diverted from the fuel cell and flow to the cathode via an external circuit.

Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is fed to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing electrons from the external circuit and protons to form water. The resulting water is drained from the fuel cell. The gross response is: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O

Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.A voltage is applied between the anode and the cathode of the fuel cell. To increase the voltage, several fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack, which is also referred to as a stack, and electrically connected in series.

Ein Brennstoffzellenstapel weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Brennstoffzellen miteinander verpressen und dem Brennstoffzellenstapel Stabilität verleihen. Die Endplatten können auch als Pluspol beziehungsweise Minuspol des Brennstoffzellenstapels zum Ableiten des Stroms verwendet werden, wenn keine separaten Stromsammler zwischen den jeweils äußeren Brennstoffzellen und den Endplatten angeordnet sind.A fuel cell stack usually has end plates which press the individual fuel cells together and give the fuel cell stack stability. The end plates can also be used as a positive pole or negative pole of the fuel cell stack to divert the current if no separate current collectors are arranged between the respective outer fuel cells and the end plates.

Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zu einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zusammengefasst sein, die auch als membrane electrode assembly bezeichnet wird.The electrodes, that is to say the anode and the cathode, and the membrane can be structurally combined to form a membrane electrode assembly (MEA), which is also referred to as a membrane electrode assembly.

Brennstoffzellenstapel weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Bipolarplatten weisen üblicherweise eine Oberflächenstruktur, beispielsweise kanalartige Strukturen, zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen auch zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers.Fuel cell stacks also have bipolar plates, which are also referred to as gas distributor plates. Bipolar plates are used to evenly distribute the fuel to the anode and to distribute the oxidizing agent evenly to the cathode. Bipolar plates usually have a surface structure, for example channel-like structures, for distributing the fuel and the oxidizing agent to the electrodes. The channel-like structures also serve to drain off the water produced during the reaction.

Zusätzlich können die Bipolarplatten Strukturen zur Durchleitung eines Kühlmediums durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.In addition, the bipolar plates can have structures for conducting a cooling medium through the fuel cell in order to dissipate heat.

Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran.In addition to the media supply with regard to oxygen, hydrogen and water, the bipolar plates ensure a flat electrical contact with the membrane.

Die Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel werden häufig über senkrecht zur Membran der Brennstoffzelle angeordnete Zuführkanäle beziehungsweise Abführkanäle mit Medien, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, versorgt. Auch werden Medien über diese Zuführkanäle beziehungsweise Abführkanäle abgeführt. Die Zuführkanäle beziehungsweise Abführkanäle sind durch Ports, die auch als Fluidanschlüsse bezeichnet werden können, mit der Brennstoffzelle, insbesondere mit den Bipolarplatten, verbunden.The fuel cells in the fuel cell stack are often supplied with media, in particular hydrogen and oxygen, via supply channels or discharge channels arranged perpendicular to the membrane of the fuel cell. Media are also discharged via these supply channels or discharge channels. The supply channels or discharge channels are connected to the fuel cell, in particular to the bipolar plates, by ports, which can also be referred to as fluid connections.

Jede Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel ist über die Ports üblicherweise mit den anderen Brennstoffzellen verbunden. Von den Ports werden die Medien durch Port-Durchführungen in das eigentliche sogenannte Flow Field, die aktive Fläche der Bipolarplatte, geführt.Each fuel cell in the fuel cell stack is usually connected to the other fuel cells via the ports. The media are led from the ports through port feedthroughs into the actual so-called flow field, the active surface of the bipolar plate.

Ein Brennstoffzellenstapel besteht typischerweise aus bis zu einigen Hundert einzelnen Brennstoffzellen, die lagenweise als sogenannte Sandwiches aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen eine Membran-Elektroden-Anordnung sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf.A fuel cell stack typically consists of up to a few hundred individual fuel cells that are stacked in layers as so-called sandwiches. The individual fuel cells have a membrane-electrode arrangement as well as a bipolar plate half on the anode side and on the cathode side.

Die Zuführkanäle bzw. Abführkanäle, die auch als Medienkanäle bezeichnet werden können, liegen für die Verteilung der von außerhalb des Brennstoffzellenstapels zugeführten und wieder nach außen abgeführten Medien üblicherweise am Rand des Brennstoffzellenstapels. Die Zuführkanäle bzw. Abführkanäle verlaufen üblicherweise senkrecht durch die einzelnen Bipolarplatten und werden durch deckungsgleich übereinander angeordnete Aussparungen, die die Ports bilden, erzeugt.The supply channels or discharge channels, which can also be referred to as media channels, are usually located at the edge of the fuel cell stack for the distribution of the media supplied from outside the fuel cell stack and discharged again to the outside. The supply channels or discharge channels usually run vertically through the individual bipolar plates and are produced by recesses which are arranged congruently one above the other and which form the ports.

Der Brennstoffzellenstapel wird üblicherweise durch zwei Endplatten abgeschlossen. Benachbart zu den Endplatten ist üblicherweise jeweils ein Stromsammler angeordnet. Die Endplatten weisen in der Regel Portstrukturen auf, in die die Ports von innerhalb des Brennstoffzellenstapels münden.The fuel cell stack is usually terminated by two end plates. A current collector is usually arranged in each case adjacent to the end plates. The end plates usually have port structures into which the ports open from within the fuel cell stack.

Werden Brennstoffzellenstapel bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser in Betrieb genommen, kann gefrorenes Wasser insbesondere an den Portstrukturen auftreten. Dies kann auch auftreten, wenn der Brennstoffzellenstapel mittels einer Heizlage elektrisch beheizbar ist, da die Portstrukturen durch eine isolierende Zwischenlage wärmeisoliert und somit von der Beheizung abgegrenzt sein können.If fuel cell stacks are put into operation at a temperature below the freezing point of water, frozen water can occur in particular at the port structures. This can also occur if the fuel cell stack can be heated electrically by means of a heating layer, since the port structures can be thermally insulated by an insulating intermediate layer and thus separated from the heating.

Bereiche der Endplatten in einem Brennstoffzellenstapel können insbesondere beim Start bei Temperaturen von weniger als 0 °C so kalt sein, dass ein Einfrieren von Wasser im Brennstoffzellenstapel verhindert werden muss. Dies ist unter anderem beschrieben in Maruo et al. „Development of Fuel Cell System Control for Sub-Zero Ambient Conditions“, SAE Technical Paper, 2017 , doi:10.4171/2017-01-1189.Areas of the end plates in a fuel cell stack can be so cold, especially when starting at temperatures below 0 ° C., that water in the fuel cell stack must be prevented from freezing. This is described, among other things, in Maruo et al. "Development of Fuel Cell System Control for Sub-Zero Ambient Conditions", SAE Technical Paper, 2017 , doi: 10.4171 / 2017-01-1189.

Beim Starten eines kalten Brennstoffzellenstapels erwärmen sich die vom Brennstoffzellenstapel umfassten Brennstoffzellen rasch und mit diesen erwärmt sich auch der Bereich der Ports beziehungsweise der Zufuhrkanäle und Abfuhrkanäle in Stapelrichtung durch den Brennstoffzellenstapel. Die Endplatten verhindern jedoch durch ihre Wärmekapazität eine rasche Erwärmung der Randbereiche, insbesondere der äußeren Brennstoffzellen, also der ersten und letzten Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel, sowie der Portstrukturen an den Endplatten.When a cold fuel cell stack is started, the fuel cells comprised by the fuel cell stack heat up rapidly and with these the area of the ports or the supply channels and discharge channels in the stacking direction through the fuel cell stack also heats up. However, due to their heat capacity, the end plates prevent rapid heating of the edge areas, in particular the outer fuel cells, that is to say the first and last fuel cells in the fuel cell stack, and the port structures on the end plates.

Im Bereich der Endplatten können wie in US 9,525,185 beschrieben, Heizelemente wie Heizfolien vorgesehen sein, die zwischen Stromsammler und Endplatte angeordnet sein können. Um zu verhindern, dass die Heizfolie vornehmlich die Endplatte beheizt, ist gemäß US 9,525,185 eine thermische Barriere zwischen der Heizfolie und der Endplatte vorgesehen, so dass ein Wärmefluss von der Heizfolie zum Stromsammler und somit in Richtung einer kalten äußeren Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels erfolgt, während ein Wärmefluss von der Heizfolie in Richtung der Endplatte unterbunden wird. Somit besteht hier weiterhin die Gefahr, dass Wasser beim Kaltstart in den Portstrukturen der Endplatte gefrieren kann, so dass die Versorgung beziehungsweise Entsorgung des Brennstoffzellenstapels mit Medien beeinträchtigt werden kann, wodurch der Wirkungsgrad und/oder die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels sinken.In the area of the end plates, as in U.S. 9,525,185 described, heating elements such as heating foils can be provided, which can be arranged between the current collector and the end plate. In order to prevent the heating foil from primarily heating the end plate, according to U.S. 9,525,185 a thermal barrier is provided between the heating foil and the end plate, so that a heat flow from the heating foil to the current collector and thus in the direction of a cold outer fuel cell of the fuel cell stack occurs, while a heat flow from the heating foil in the direction of the end plate is prevented. Thus, there is still the risk that water can freeze in the port structures of the end plate during a cold start, so that the supply or disposal of the fuel cell stack with media can be impaired, as a result of which the efficiency and / or the service life of the fuel cell stack is reduced.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird eine Heizvorrichtung für einen Stapel elektrochemischer Zellen, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel, vorgeschlagen, wobei die Heizvorrichtung eine Heizlage mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite, eine erste thermische Isolierlage und eine zweite thermische Isolierlage umfasst, die erste thermische Isolierlage an der ersten Seite der Heizlage angeordnet ist und die zweite thermische Isolierlage auf der zweiten Seite der Heizlage angeordnet ist und wobei die Heizlage einen zentralen Bereich und einen Randbereich aufweist und die erste thermische Isolierlage eine erste Aussparung an dem Randbereich der Heizlage aufweist und die zweite thermische Isolierlage eine zweite Aussparung an dem zentralen Bereich der Heizlage aufweist.A heating device for a stack of electrochemical cells, in particular a fuel cell stack, is proposed, the heating device comprising a heating layer with a first side and an opposite second side, a first thermal insulation layer and a second thermal insulation layer, the first thermal insulation layer on the first side the heating layer is arranged and the second thermal insulating layer is arranged on the second side of the heating layer and wherein the heating layer has a central region and an edge region and the first thermal insulating layer has a first recess at the edge region of the heating layer and the second thermal insulating layer has a second recess at the central area of the heating layer.

Ferner wird ein Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, umfassend mindestens folgende Lagen in angegebener Reihenfolge: eine Endplatte mit Portstrukturen, eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung, einen Stromsammler, eine Membran-Elektroden-Anordnung und eine Bipolarplatte, wobei die Heizvorrichtung so zwischen dem Stromsammler und der Endplatte angeordnet ist, dass die erste Seite der Heizlage zu der Endplatte zeigt und die zweite Seite der Heizlage zu dem Stromsammler zeigt.Furthermore, a fuel cell stack is proposed, comprising at least the following layers in the specified order: an end plate with port structures, a heating device according to the invention, a current collector, a membrane-electrode arrangement and a bipolar plate, the heating device being arranged between the current collector and the end plate in such a way that the first side of the heating layer faces the end plate and the second side of the heating layer faces the current collector.

Der Brennstoffzellenstapel umfasst bevorzugt zwei Endplatten, zwei Heizvorrichtungen und zwei Stromsammler, wobei eine der Heizvorrichtungen bevorzugt jeweils zwischen einer Endplatte und einem Stromsammler angeordnet ist.The fuel cell stack preferably comprises two end plates, two heating devices and two current collectors, one of the heating devices preferably being arranged in each case between an end plate and a current collector.

In dem Brennstoffzellenstapel können die erste thermische Isolierlage und/oder die zweite thermische Isolierlage auf der Heizlage angeordnet und mit dieser, beispielsweise mittels eines Adhäsivs, verbunden sein. Die erste thermische Isolierlage kann zusätzlich oder alternativ auf der Endplatte angeordnet und gegebenenfalls mit der Endplatte verbunden sein. Die zweite thermische Isolierlage kann zusätzlich oder alternativ auf dem Stromsammler angeordnet und gegebenenfalls mit dem Stromsammler verbunden sein. Der Stromsammler ist bevorzugt ein flächiges Bauteil.In the fuel cell stack, the first thermal insulation layer and / or the second thermal insulation layer can be arranged on the heating layer and connected to it, for example by means of an adhesive. The first thermal insulation layer can additionally or alternatively be on the end plate arranged and optionally connected to the end plate. The second thermal insulation layer can additionally or alternatively be arranged on the current collector and optionally connected to the current collector. The current collector is preferably a flat component.

Die Heizvorrichtung ist bevorzugt ein einstückiges oder mehrstückiges, flächiges Bauteil. Ferner ist die Heizlage bevorzugt als Folie ausgeführt. Weiter bevorzugt ist die Heizlage aus einem flexiblen Material aufgebaut, das sich insbesondere Unebenheiten einer Oberfläche der Endplatte beziehungsweise des Stromsammlers anpassen und an diese anlegen kann. Die Heizlage kann aus elektrisch leitfähigen Polymeren, insbesondere Polypropylen (PP) enthaltend einen Füllstoff wie Graphit, aufgebaut sein oder diese umfassen, die sich durch elektrischen Widerstand erwärmen.The heating device is preferably a one-piece or multi-piece, flat component. Furthermore, the heating layer is preferably designed as a film. Furthermore, the heating layer is preferably constructed from a flexible material that can in particular adapt to unevenness of a surface of the end plate or of the current collector and can contact them. The heating layer can be constructed from electrically conductive polymers, in particular polypropylene (PP) containing a filler such as graphite, or comprise these, which heat up due to electrical resistance.

Die Heizlage ist insbesondere ein Flächenheizelement. Die Heizlage kann als Widerstandsheizung ausgeführt sein, bevorzugt als separate Drähte oder Leiterplatte. Insbesondere weist die Widerstandsheizung Heizdrähte zwischen zwei elektrisch isolierenden Folien, also der ersten thermischen Isolierlage und der zweiten thermischen Isolierlage, auf, wobei die Folien auf unterschiedlichen Seiten unterschiedliche Dicken aufweisen können um so den Wärmefluss zu steuern.The heating layer is in particular a surface heating element. The heating layer can be designed as a resistance heater, preferably as separate wires or printed circuit board. In particular, the resistance heater has heating wires between two electrically insulating foils, that is to say the first thermal insulating layer and the second thermal insulating layer, it being possible for the foils to have different thicknesses on different sides in order to control the heat flow.

Alternativ kann die Heizlage mittels elektrisch leitfähigen Polymeren, die auch als Heat inducing Thermoplastics bezeichnet werden, ausgeführt sein, die bevorzugt eine Leistung von 2 Watt/cm2 bis 3 Watt/cm2 aufweisen. Die elektrisch leitfähigen Polymere werden bevorzugt mittels Spritzgießen und/oder Folienziehen zu der Heizlage verarbeitet. Bevorzugte Matrixmaterialien der elektrisch leitfähigen Polymere, die auch als Komposite bezeichnet werden, sind zum Beispiel Hart-Polyethylen oder high density polyethylen (HDPE), Polyphenylensulfid (PPS), Polypropylen (PP), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Mischungen daraus. Je geringer die elektrische Leitfähigkeit ist, desto höher ist der Widerstand und desto größer ist die Wärmeerzeugung. Die elektrisch leitfähigen Polymeren enthalten weiter bevorzugt einen elektrisch leitfähigen Füllstoff wie Leitruß, Graphit und/oder Metallpulver, insbesondere in Form von Partikeln.Alternatively, the heating layer can be implemented by means of electrically conductive polymers, which are also referred to as heat-inducing thermoplastics, which preferably have a power of 2 watt / cm 2 to 3 watt / cm 2 . The electrically conductive polymers are preferably processed into the heating layer by means of injection molding and / or film drawing. Preferred matrix materials for the electrically conductive polymers, which are also referred to as composites, are, for example, hard polyethylene or high density polyethylene (HDPE), polyphenylene sulfide (PPS), polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF) and mixtures thereof. The lower the electrical conductivity, the higher the resistance and the greater the heat generation. The electrically conductive polymers furthermore preferably contain an electrically conductive filler such as carbon black, graphite and / or metal powder, in particular in the form of particles.

Der Randbereich und der zentrale Bereich der Heizlage können mit einem, insbesondere gemeinsamen, Heizkreis verbunden sein. Alternativ können der zentrale Bereich und der Randbereich der Heizlage mit verschiedenen Heizkreisen verbunden sein.The edge area and the central area of the heating layer can be connected to one, in particular a common, heating circuit. Alternatively, the central area and the edge area of the heating layer can be connected to different heating circuits.

Bevorzugt ist der zentrale Bereich der Heizlage von dem Randbereich der Heizlage umschlossen. Der zentrale Bereich hat weiter bevorzugt eine rechteckige Form, wenn die aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung rechteckig ist, oder bildet die Geometrie der aktiven Fläche, also des elektrochemisch aktiven Bereichs, der Membran-Elektroden-Anordnung im Wesentlichen nach. Der Randbereich hat insbesondere die Form eines rechteckigen Rahmens.The central area of the heating layer is preferably enclosed by the edge area of the heating layer. The central area further preferably has a rectangular shape if the active area of the membrane-electrode arrangement is rectangular, or essentially simulates the geometry of the active area, that is to say of the electrochemically active area, of the membrane-electrode arrangement. The edge area has in particular the shape of a rectangular frame.

Die erste thermische Isolierlage und/oder die zweite thermische Isolierlage sind bevorzugt als Beschichtung der Heizlage oder der Endplatte beziehungsweise des Stromsammlers ausgeführt. Die erste thermische Isolierlage und/oder die zweite thermische Isolierlage umfassen bevorzugt Keramiken und/oder Polymere wie PVDF, Polytetrafluorethylen (PTFE), PP, Polyethylen (PE), Polyetheretherketon (PEEK), Acrylate und/oder Polystyrole. Weiter bevorzugt bestehen die erste thermische Isolierlage und/oder die zweite thermische Isolierlage aus Keramiken und/oder Polymeren wie PVDF, Polytetrafluorethylen (PTFE), PP, Polyethylen (PE), Polyetheretherketon (PEEK), Acrylaten und/oder Polystyrolen. Die Polymere sind insbesondere bevorzugt. Es können ferner Mylar®-Folien als erste thermische Isolierlage und/oder als zweite thermische Isolierlage eingesetzt werden. Insbesondere bestehen die erste thermische Isolierlage und die zweite thermische Isolierlage aus demselben Material.The first thermal insulation layer and / or the second thermal insulation layer are preferably designed as a coating on the heating layer or the end plate or the current collector. The first thermal insulation layer and / or the second thermal insulation layer preferably comprise ceramics and / or polymers such as PVDF, polytetrafluoroethylene (PTFE), PP, polyethylene (PE), polyetheretherketone (PEEK), acrylates and / or polystyrenes. The first thermal insulation layer and / or the second thermal insulation layer preferably consist of ceramics and / or polymers such as PVDF, polytetrafluoroethylene (PTFE), PP, polyethylene (PE), polyetheretherketone (PEEK), acrylates and / or polystyrenes. The polymers are particularly preferred. Mylar® foils can also be used as a first thermal insulation layer and / or as a second thermal insulation layer. In particular, the first thermal insulation layer and the second thermal insulation layer consist of the same material.

Bevorzugt weist die erste thermische Isolierlage eine erste Dicke auf und die zweite thermische Isolierlage weist eine zweite Dicke auf. Die erste Dicke und/oder die zweite Dicke liegen bevorzugt in einem Bereich von 19 µm bis 500 µm.The first thermal insulation layer preferably has a first thickness and the second thermal insulation layer has a second thickness. The first thickness and / or the second thickness are preferably in a range from 19 μm to 500 μm.

In einer Ausführungsform weicht die zweite Dicke nicht mehr als 30 % von der ersten Dicke ab, bezogen auf die erste Dicke.In one embodiment, the second thickness does not differ by more than 30% from the first thickness, based on the first thickness.

Alternativ können die erste Dicke und die zweite Dicke in Abhängigkeit von einer Position auf der Heizlage angepasst werden. So kann in der ersten Aussparung und in der zweiten Aussparung jeweils Material der ersten thermischen Isolierlage beziehungsweise der zweiten thermischen Isolierlage, jeweils mit einer reduzierten oder kleineren Dicke, vorhanden sein. Bevorzugt ist die erste Dicke der ersten thermischen Isolierlage in dem Randbereich kleiner als in dem zentralen Bereich, weiter bevorzugt um mindestens 30%, insbesondere um mindestens 60%, und bevorzugt nicht mehr als 95%, kleiner bezogen auf die größere erste Dicke in dem zentralen Bereich. Die zweite Dicke der zweiten thermischen Isolierlage ist bevorzugt in dem zentralen Bereich kleiner als in dem Randbereich, weiterbevorzugt um mindestens 30%, insbesondere um mindestens 60%, und bevorzugt nicht mehr als 95%, kleiner bezogen auf die größere zweite Dicke in dem Randbereich. Der Wärmewiderstand der ersten thermischen Isolierlage beziehungsweise der zweiten thermischen Isolierlage hängt bevorzugt linear von der ersten Dicke beziehungsweise von der zweiten Dicke ab. Beispielsweise kann eine kleinere erste Dicke und/oder eine kleinere zweite Dicke 19 µm betragen und eine größere erste Dicke und/oder eine größere zweite Dicke kann 60 µm betragen.Alternatively, the first thickness and the second thickness can be adapted as a function of a position on the heating layer. Thus, in the first recess and in the second recess, material of the first thermal insulating layer and the second thermal insulating layer, respectively, each with a reduced or smaller thickness, can be present. The first thickness of the first thermal insulation layer in the edge area is preferably smaller than in the central area, more preferably by at least 30%, in particular by at least 60%, and preferably not more than 95%, smaller based on the larger first thickness in the central area Area. The second thickness of the second thermal insulating layer is preferably smaller in the central area than in the edge area, more preferably by at least 30%, in particular by at least 60%, and preferably not more than 95%, smaller in relation to the larger second thickness in the edge area. The thermal resistance of the first thermal insulation layer or the second thermal insulation layer depends preferably linearly on the first thickness or on the second thickness. For example, a smaller first thickness and / or a smaller second thickness can be 19 μm and a larger first thickness and / or a larger second thickness can be 60 μm.

Die Heizlage weist beidseitig jeweils eine thermische Isolierlage auf, wobei sich die erste thermische Isolierlage und die zweite thermische Isolierlage bevorzugt um weniger als 30 %, weiter bevorzugt weniger als 10 %, insbesondere bevorzugt weniger als 5 % und besonders bevorzugt nicht, überlappen, bezogen auf eine Gesamtfläche der Heizlage. Insbesondere liegt zwischen der ersten thermischen Isolierlage und der zweiten thermischen Isolierlage beziehungsweise zwischen dem Randbereich und dem zentralen Bereich ein Spalt vor. Unter der Gesamtfläche der Heizlage ist insbesondere die Fläche der ersten Seite beziehungsweise die Fläche der zweiten Seite der Heizlage zu verstehen.The heating layer has a thermal insulating layer on both sides, the first thermal insulating layer and the second thermal insulating layer preferably overlapping by less than 30%, more preferably less than 10%, particularly preferably less than 5% and particularly preferably not, based on a total area of the heating location. In particular, there is a gap between the first thermal insulation layer and the second thermal insulation layer or between the edge area and the central area. The total area of the heating layer is to be understood in particular as the area of the first side or the area of the second side of the heating layer.

Die Heizlage steht bevorzugt an der ersten Aussparung in thermischem Kontakt mit der Endplatte und an der zweiten Aussparung in thermischem Kontakt mit dem Stromsammler und gegebenenfalls mit einer dem Stromsammler benachbarten Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels, insbesondere mit der dem Stromsammler benachbarten Membran-Elektroden-Anordnung. Die Membran-Elektroden-Anordnung umfasst bevorzugt eine Polymerelektrolytmembran.The heating layer is preferably in thermal contact with the end plate at the first recess and in thermal contact with the current collector at the second recess and optionally with a fuel cell of the fuel cell stack adjacent to the current collector, in particular with the membrane-electrode arrangement adjacent to the current collector. The membrane-electrode arrangement preferably comprises a polymer electrolyte membrane.

Die erste thermische Isolierlage und/oder die zweite thermische Isolierlage können auch als partielle thermische Barrieren bezeichnet werden.The first thermal insulation layer and / or the second thermal insulation layer can also be referred to as partial thermal barriers.

Bevorzugt nehmen der Randbereich 5 % bis 30 % und der zentrale Bereich 70 % bis 95 % der Heizlage ein, jeweils bezogen auf die Gesamtfläche der Heizlage.The edge area preferably occupies 5% to 30% and the central area 70% to 95% of the heating layer, in each case based on the total area of the heating layer.

Bevorzugt ist die erste Aussparung der ersten thermischen Isolierlage im Wesentlichen deckungsgleich mit dem Randbereich der Heizlage und/oder die zweite Aussparung der zweiten thermischen Isolierlage ist im Wesentlichen deckungsgleich mit dem zentralen Bereich der Heizlage.The first recess of the first thermal insulating layer is preferably essentially congruent with the edge region of the heating layer and / or the second recess of the second thermal insulating layer is essentially congruent with the central region of the heating layer.

Im Wesentlichen deckungsgleich ist dahingehend zu verstehen, dass die erste Aussparung eine Fläche des Randbereichs zu mindestens 90 %, bevorzugt mindestens 95 % und insbesondere 99 % abdeckt und nicht mehr als 10 %, bevorzugt nicht mehr als 5 % und insbesondere bevorzugt nicht mehr als 1 % über die Fläche des Randbereichs hinausragt, jeweils bezogen auf die Gesamtfläche des Randbereichs. Entsprechendes gilt für die zweite thermische Isolierlage und den zentralen Bereich der Heizlage.Essentially congruent is to be understood to the effect that the first recess covers an area of the edge region to at least 90%, preferably at least 95% and in particular 99% and not more than 10%, preferably not more than 5% and particularly preferably not more than 1 % protrudes beyond the area of the edge area, in each case based on the total area of the edge area. The same applies to the second thermal insulation layer and the central area of the heating layer.

Weiter ist der zentrale Bereich der Heizlage bevorzugt deckungsgleich mit einer aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung. Unter der aktiven Fläche wird insbesondere ein Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung verstanden, in dem tatsächlich eine elektrochemische Reaktion auf wenigstens einer Seite der Membran durch die vorliegende Konstruktion beziehungsweise Geometrie und die vorliegenden Prozessparameter ablaufen kann. Diese Größen betreffen insbesondere die Membran, den beidseitigen Katalysator, die Versorgung mit Medien, die elektronische Kontaktierung der Katalysatorschichten, die Temperatur und die Befeuchtung.Furthermore, the central area of the heating layer is preferably congruent with an active surface of the membrane-electrode arrangement. The active surface is understood to mean, in particular, an area of the membrane-electrode arrangement in which an electrochemical reaction can actually take place on at least one side of the membrane due to the present construction or geometry and the present process parameters. These parameters relate in particular to the membrane, the catalytic converter on both sides, the supply of media, the electronic contacting of the catalytic converter layers, the temperature and the humidification.

Bevorzugt umfasst der Randbereich der Heizlage Ports. Weiter bevorzugt umfasst der Randbereich der Heizlage sämtliche Ports des Brennstoffzellenstapels, die insbesondere in die Portstruktur der Endplatte münden.The edge region of the heating layer preferably comprises ports. The edge region of the heating layer further preferably comprises all ports of the fuel cell stack which in particular open into the port structure of the end plate.

Bevorzugt ist der Randbereich der Heizlage im Wesentlichen deckungsgleich mit der Portstruktur der Endplatte oder größer. Weiter bevorzugt ist der Randbereich der Heizlage mindestens 10 %, weiter bevorzugt mindestens 30 % und insbesondere bevorzugt mindestens 50 % größer als eine Fläche der Endplatte, die von der Portstruktur eingenommen wird, bezogen auf die Fläche der Endplatte, die von der Portstruktur eingenommen wird.The edge region of the heating layer is preferably essentially congruent with the port structure of the end plate or larger. More preferably, the edge area of the heating layer is at least 10%, more preferably at least 30% and particularly preferably at least 50% larger than an area of the end plate that is occupied by the port structure, based on the area of the end plate that is occupied by the port structure.

Die Endplatte ist bevorzugt aus einem Polymer-Metall-Verbundmaterial aufgebaut, insbesondere um die Wärmekapazität der Endplatte gering zu halten. Ist die Endplatte aus einem Polymer-Metall-Verbundmaterial aufgebaut, kann ein Teil der Endplatte die erste thermische Isolierlage darstellen.The end plate is preferably constructed from a polymer-metal composite material, in particular in order to keep the heat capacity of the end plate low. If the end plate is constructed from a polymer-metal composite material, part of the end plate can constitute the first thermal insulation layer.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erwärmen von Teilen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels, wobei die Portstrukturen der Endplatte mittels des Randbereichs der Heizlage und die aktive Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung mittels des zentralen Bereichs der Heizlage erwärmt werden. Dies ist dahingehend zu verstehen, dass ein Wärmefluss zwischen den Portstrukturen und dem Randbereich vorliegt, der größer ist als ein Wärmefluss zwischen den Portstrukturen und dem zentralen Bereich und vice versa. Insbesondere werden die Portstrukturen und die aktive Fläche mit derselben Heizlage erwärmt. Die Membran-Elektroden-Anordnung ist insbesondere eine dem Stromsammler benachbart angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung.The invention also relates to a method for heating parts of the fuel cell stack according to the invention, the port structures of the end plate being heated by means of the edge region of the heating layer and the active surface of the membrane-electrode arrangement being heated by means of the central region of the heating layer. This is to be understood to the effect that there is a heat flow between the port structures and the edge area which is greater than a heat flow between the port structures and the central area and vice versa. In particular, the port structures and the active surface are heated with the same heating layer. The membrane electrode arrangement is in particular a membrane electrode arrangement arranged adjacent to the current collector.

Die Heizvorrichtung kann auch in Wärmetauschern und/oder Plattenfiltern eingesetzt werden.The heating device can also be used in heat exchangers and / or plate filters.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch die erfindungsgemäße Heizvorrichtung beziehungsweise durch den erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel und das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Wärmefluss einer Beheizung, insbesondere einer Hilfsbeheizung für Kaltstarts, des Brennstoffzellenstapels optimiert. Die Portstrukturen der Endplatten und der aktive Bereich, insbesondere der äußeren Brennstoffzellen, können mit nur einer Heizlage optimal entfrostet beziehungsweise erwärmt werden. Es wird entsprechend nur ein Bauelement zur Beheizung benötigt.The heating device according to the invention or the fuel cell stack according to the invention and the method according to the invention optimize a heat flow of a heater, in particular an auxiliary heater for cold starts, of the fuel cell stack. The port structures of the end plates and the active area, in particular the outer fuel cells, can be optimally defrosted or heated with just one heating layer. Accordingly, only one component is required for heating.

Der Energiebedarf bis zu einem Zeitpunkt, an dem sowohl die aktive Fläche einer äußeren Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel, als auch die Portstruktur der Endplatte ausreichend erwärmt ist, wird minimiert, da eine überflüssige Beheizung des Kerns der Endplatte und des Randbereichs der Brennstoffzelle durch die Heizlage vermieden werden.The energy requirement up to a point in time at which both the active surface of an outer fuel cell in the fuel cell stack and the port structure of the end plate are sufficiently heated is minimized, since the heating layer avoids unnecessary heating of the core of the end plate and the edge area of the fuel cell .

Ein Einfrieren von Wasser in den Brennstoffzellen und den Endplatten des Brennstoffzellenstapels und somit eine beeinträchtigte Versorgung oder Entsorgung des Brennstoffzellenstapels mit Medien wird vermindert oder verhindert. Dies führt zu einem höheren Wirkungsgrad und einer erhöhten Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels.Freezing of water in the fuel cells and the end plates of the fuel cell stack and thus an impaired supply or disposal of the fuel cell stack with media is reduced or prevented. This leads to a higher degree of efficiency and an increased service life of the fuel cell stack.

Im Falle einer Endplatte aus Polymer-Metall-Verbundmaterial, das zur Gewichtsreduktion eingesetzt werden kann, ist die erfindungsgemäße Heizvorrichtung besonders vorteilhaft, da der Wärmeabfluss von den beheizten Ports beziehungsweise der beheizten Portstruktur reduziert ist.In the case of an end plate made of polymer-metal composite material that can be used for weight reduction, the heating device according to the invention is particularly advantageous since the heat flow from the heated ports or the heated port structure is reduced.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels,
  • 2 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels,
  • 3 eine Draufsicht auf eine erste Endplatte des Brennstoffzellenstapels gemäß 2,
  • 4 eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Anordnung des Brennstoffzellenstapels gemäß 2,
  • 5 eine Draufsicht auf eine erste Seite einer ersten Heizvorrichtung des Brennstoffzellenstapels gemäß 2,
  • 6 eine Draufsicht auf eine zweite Seite der ersten Heizvorrichtung,
  • 7 eine Draufsicht auf eine zweite Endplatte des Brennstoffzellenstapels gemäß 2,
  • 8 eine Draufsicht auf eine erste Seite einer zweiten Heizvorrichtung des Brennstoffzellenstapels gemäß 2 und
  • 9 eine Draufsicht auf eine zweite Seite der zweiten Heizvorrichtung.
Show it:
  • 1 a schematic view of a fuel cell stack,
  • 2 a side view of a fuel cell stack according to the invention,
  • 3 a plan view of a first end plate of the fuel cell stack according to FIG 2 ,
  • 4th a plan view of a membrane-electrode arrangement of the fuel cell stack according to FIG 2 ,
  • 5 a plan view of a first side of a first heating device of the fuel cell stack according to FIG 2 ,
  • 6th a plan view of a second side of the first heating device,
  • 7th a plan view of a second end plate of the fuel cell stack according to FIG 2 ,
  • 8th a plan view of a first side of a second heating device of the fuel cell stack according to FIG 2 and
  • 9 a plan view of a second side of the second heating device.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 4 mit mehreren Brennstoffzellen 3. Jede Brennstoffzelle 3 weist eine Membran 23, zwei Gasdiffusionslagen 1, eine Anodenseite 31 und eine Kathodenseite 32 auf. Die einzelnen Brennstoffzellen 3 sind durch Bipolarplatten 50, die eine Kühlplatte 45 umfassen können, voneinander abgegrenzt. 1 shows a schematic representation of a fuel cell stack 4th with several fuel cells 3 . Every fuel cell 3 has a membrane 23 , two gas diffusion layers 1 , one anode side 31 and a cathode side 32 on. The individual fuel cells 3 are by bipolar plates 50 who have favourited a cold plate 45 may include, delimited from one another.

Der Brennstoffzellenstapel 4, dem Wasserstoff 40 und Sauerstoff 42 sowie ein Kühlmittel 44 zugeführt werden, wird durch zwei Endplatten 48 abgeschlossen und weist Stromsammler 52 auf. Die verschiedenen Zuführungen sind durch Dichtungen 46 voneinander getrennt. Zwischen jeweils einer Endplatte 48 und einem Stromsammler 52 ist eine Heizvorrichtung 12 angeordnet.The fuel cell stack 4th , the hydrogen 40 and oxygen 42 as well as a coolant 44 is fed through two end plates 48 completed and instructs current collectors 52 on. The various feeds are through seals 46 separated from each other. Between each end plate 48 and a current collector 52 is a heating device 12th arranged.

2 zeigt eine Seitenansicht eines Brennstoffzellenstapels 4, der eine erste Endplatte 47 und eine zweite Endplatte 49 aufweist. 2 Figure 12 shows a side view of a fuel cell stack 4th having a first end plate 47 and a second end plate 49 having.

Ferner besitzt der Brennstoffzellenstapel 4 zwei Heizvorrichtungen 12. Eine erste Heizvorrichtung 11 ist zwischen der ersten Endplatte 47 und einem Stromsammler 52 angeordnet. Eine zweite Heizvorrichtung 13 ist zwischen der zweiten Endplatte 49 und einem weiteren Stromsammler 52 angeordnet. Die Heizvorrichtungen 12 besitzen jeweils eine Heizlage 54 mit einer ersten Seite 56 und einer zweiten Seite 58, die der ersten Seite 56 gegenüberliegt.The fuel cell stack also has 4th two heaters 12th . A first heater 11 is between the first end plate 47 and a current collector 52 arranged. A second heater 13th is between the second end plate 49 and another current collector 52 arranged. The heating devices 12th each have a heating position 54 with a first page 56 and a second page 58 that the first page 56 opposite.

Ferner umfassen die Heizvorrichtungen 12 jeweils eine erste thermische Isolierlage 60 und eine zweite thermische Isolierlage 62. Die erste thermische Isolierlage 60 ist jeweils an der ersten Seite 56 der Heizlage 54 angeordnet und die zweite thermische Isolierlage 62 ist jeweils auf der zweiten Seite 58 der Heizlage 54 angeordnet.The heating devices also include 12th a first thermal insulation layer in each case 60 and a second thermal insulation layer 62 . The first thermal insulation layer 60 is on the first page 56 the heating position 54 arranged and the second thermal insulation layer 62 is always on the second page 58 the heating position 54 arranged.

Die Heizlagen 54 besitzen jeweils einen zentralen Bereich 64 und einen Randbereich 66. An dem Randbereich 66 der jeweiligen Heizlage 54 weist die erste thermische Isolierlage 60 eine erste Aussparung 68 auf und an dem zentralen Bereich 64 der jeweiligen Heizlage 54 weist die zweite thermische Isolierlage 62 eine zweite Aussparung 70 auf. Die erste Aussparung 68 ist jeweils deckungsgleich mit dem Randbereich 66 und die zweite Aussparung 70 ist jeweils deckungsgleich mit dem zentralen Bereich 64.The heating layers 54 each have a central area 64 and an edge area 66 . At the edge 66 the respective heating position 54 has the first thermal insulation layer 60 a first recess 68 on and on the central area 64 the respective heating position 54 has the second thermal insulation layer 62 a second recess 70 on. The first recess 68 is congruent with the edge area 66 and the second recess 70 is congruent with the central area 64 .

Die ersten thermischen Isolierlagen 60 besitzt jeweils eine erste Dicke 74 und die zweiten thermischen Isolierlagen 62 besitzen jeweils eine zweite Dicke 76, wobei die erste Dicke 74 gleich der zweiten Dicke 76 ist in der dargestellten Ausführungsform.The first thermal insulation layers 60 each has a first thickness 74 and the second thermal insulation layers 62 each have a second thickness 76 , being the first thickness 74 equal to the second thickness 76 is in the illustrated embodiment.

In dem Brennstoffzellenstapel 4 sind zwischen den Stromsammlern 52 Bipolarplatten 50 und Membran-Elektroden-Anordnungen 80 gestapelt. Die Bipolarplatten 50, die Membran-Elektroden-Anordnungen 80 sowie eine der Heizlagen 54 weisen Ports 72 auf, die durch den Brennstoffzellenstapel 4 hindurchführen und in Portstrukturen 78 der ersten Endplatte 47 münden.In the fuel cell stack 4th are between the current collectors 52 Bipolar plates 50 and membrane electrode assemblies 80 stacked. The bipolar plates 50 who have favourited Membrane Electrode Assemblies 80 as well as one of the heating layers 54 assign ports 72 on by the fuel cell stack 4th pass through and in port structures 78 the first end plate 47 flow out.

Die Heizvorrichtungen 12 sind jeweils so zwischen dem Stromsammler 52 und der jeweiligen Endplatte 48 angeordnet, dass jeweils die erste Seite 56 zu der Endplatte 48 und die zweite Seite 58 zu dem Stromsammler 52 zeigt.The heating devices 12th are each so between the current collector 52 and the respective end plate 48 arranged that each the first page 56 to the end plate 48 and the second side 58 to the current collector 52 shows.

Die Membran-Elektroden-Anordnungen 80 besitzen ferner jeweils eine aktive Fläche 82, wobei die zentralen Bereiche 64 der Heizlagen 54 jeweils deckungsgleich mit den aktiven Flächen 82 der Membran-Elektroden-Anordnungen 80 sind.The membrane-electrode assemblies 80 also each have an active surface 82 , with the central areas 64 the heating layers 54 each congruent with the active areas 82 of the membrane-electrode assemblies 80 are.

Die Portstrukturen 78 der ersten Endplatte 47 können mittels des Randbereichs 66 der Heizlage 54 der ersten Heizvorrichtung 11 und die aktive Fläche 82 einer benachbarten Membran-Elektroden-Anordnung 80 kann mittels des zentralen Bereichs 64 der Heizlage 54 der ersten Heizvorrichtung 11 erwärmt werden. Die erste Aussparung 68 der ersten thermischen Isolierlage 60 befindet sich an dem Randbereich 66 der Heizlage 54 und die zweite Aussparung 70 der zweiten thermischen Isolierlage 62 befindet sich an dem zentralen Bereich 64 der Heizlage 54.The port structures 78 the first end plate 47 can by means of the edge area 66 the heating position 54 the first heater 11 and the active area 82 an adjacent membrane-electrode arrangement 80 can by means of the central area 64 the heating position 54 the first heater 11 be heated. The first recess 68 the first thermal insulation layer 60 is located on the edge area 66 the heating position 54 and the second recess 70 the second thermal insulation layer 62 is located in the central area 64 the heating position 54 .

3 zeigt eine Draufsicht auf die erste Endplatte 47 gemäß 2, die die Portstrukturen 78 aufweist. 3 shows a top view of the first end plate 47 according to 2 who have favourited the port structures 78 having.

4 zeigt eine Draufsicht auf eine Membran-Elektroden-Anordnung 80 des Brennstoffzellenstapels 4 gemäß 2, die Ports 72 und eine aktive Fläche 82 umfasst. 4th shows a plan view of a membrane-electrode arrangement 80 of the fuel cell stack 4th according to 2 who have favourited ports 72 and an active surface 82 includes.

5 zeigt eine Draufsicht auf die erste Seite 56 der ersten Heizvorrichtung 11 gemäß 2. Der zentrale Bereich 64 ist mit der ersten thermischen Isolierlage 60 bedeckt, während der Randbereich 66 der Heizlage 54 frei ist und einen Wärmestrom abgeben kann, womit die Portstrukturen 78 der ersten Endplatte 47 erwärmt werden können. 5 shows a top view of the first page 56 the first heater 11 according to 2 . The central area 64 is with the first thermal insulation layer 60 covered while the marginal area 66 the heating position 54 is free and can give off a heat flow, with which the port structures 78 the first end plate 47 can be heated.

6 zeigt eine Draufsicht auf die zweite Seite 58 der ersten Heizvorrichtung 11 des Brennstoffzellenstapels 4 gemäß 2. Ports 72 befinden sich in dem Randbereich 66 der Heizlage 54, der mit der zweiten thermischen Isolierlage 62 bedeckt ist. 6th shows a plan view of the second side 58 the first heater 11 of the fuel cell stack 4th according to 2 . Ports 72 are in the edge area 66 the heating position 54 , the one with the second thermal insulation layer 62 is covered.

An dem zentralen Bereich 64 der Heizlage 54 befindet sich die zweite Aussparung 70, so dass die Heizlage 54 in dem zentralen Bereich 64 einen Wärmestrom abgeben kann, womit die aktive Fläche 82 einer benachbart angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung 80 erwärmt werden kann.At the central area 64 the heating position 54 is the second recess 70 so that the heating position 54 in the central area 64 can give off a heat flow, with which the active surface 82 an adjacently arranged membrane-electrode arrangement 80 can be heated.

7 zeigt eine Draufsicht auf die zweite Endplatte 49. 7th Figure 10 shows a top view of the second end plate 49 .

8 zeigt eine Draufsicht auf die erste Seite 56 der zweiten Heizvorrichtung 13 gemäß 2, die an der zweiten Endplatte 49 angeordnet ist und 9 zeigt eine Draufsicht auf die zweite Seite 58 der zweiten Heizvorrichtung 13 gemäß 2. 8 entspricht im Wesentlichen 5 und 9 entspricht im Wesentlichen 6, mit dem Unterschied, dass die zweite Heizvorrichtung 13 im Gegensatz zu der ersten Heizvorrichtung 11 keine Ports 72 aufweist. 8th shows a top view of the first page 56 the second heater 13th according to 2 attached to the second end plate 49 is arranged and 9 shows a plan view of the second side 58 the second heater 13th according to 2 . 8th essentially corresponds to 5 and 9 essentially corresponds to 6th , with the difference that the second heating device 13th in contrast to the first heater 11 no ports 72 having.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the range specified by the claims, which are within the scope of expert action.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 9525185 [0021]US 9525185 [0021]

Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited

  • Maruo et al. „Development of Fuel Cell System Control for Sub-Zero Ambient Conditions“, SAE Technical Paper, 2017 [0019]Maruo et al. "Development of Fuel Cell System Control for Sub-Zero Ambient Conditions", SAE Technical Paper, 2017 [0019]

Claims (10)

Heizvorrichtung (12) für einen Stapel elektrochemischer Zellen, wobei die Heizvorrichtung (12) eine Heizlage (54) mit einer ersten Seite (56) und einer gegenüberliegenden zweiten Seite (58), eine erste thermische Isolierlage (60) und eine zweite thermische Isolierlage (62) umfasst, die erste thermische Isolierlage (60) an der ersten Seite (56) der Heizlage (54) angeordnet ist und die zweite thermische Isolierlage (62) auf der zweiten Seite (58) der Heizlage (54) angeordnet ist und wobei die Heizlage (54) einen zentralen Bereich (64) und einen Randbereich (66) aufweist und die erste thermische Isolierlage (60) eine erste Aussparung (68) an dem Randbereich (66) der Heizlage (54) aufweist und die zweite thermische Isolierlage (62) eine zweite Aussparung (70) an dem zentralen Bereich (64) der Heizlage (54) aufweist.Heating device (12) for a stack of electrochemical cells, the heating device (12) having a heating layer (54) with a first side (56) and an opposite second side (58), a first thermal insulating layer (60) and a second thermal insulating layer ( 62) comprises, the first thermal insulating layer (60) is arranged on the first side (56) of the heating layer (54) and the second thermal insulating layer (62) is arranged on the second side (58) of the heating layer (54) and wherein the Heating layer (54) has a central area (64) and an edge area (66) and the first thermal insulating layer (60) has a first recess (68) in the edge area (66) of the heating layer (54) and the second thermal insulating layer (62) ) has a second recess (70) in the central region (64) of the heating layer (54). Heizvorrichtung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aussparung (68) der ersten thermischen Isolierlage (60) im Wesentlichen deckungsgleich mit dem Randbereich (66) der Heizlage (54) ist und/oder die zweite Aussparung (70) der zweiten thermischen Isolierlage (62) im Wesentlichen deckungsgleich mit dem zentralen Bereich (64) der Heizlage (54) ist.Heating device (12) after Claim 1 , characterized in that the first recess (68) of the first thermal insulating layer (60) is essentially congruent with the edge region (66) of the heating layer (54) and / or the second recess (70) of the second thermal insulating layer (62) in the Is essentially congruent with the central area (64) of the heating layer (54). Heizvorrichtung (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (66) der Heizlage (54) Ports (72) umfasst.Heating device (12) after Claim 1 or 2 , characterized in that the edge region (66) of the heating layer (54) comprises ports (72). Heizvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (66) der Heizlage (54) 10% bis 30% und der zentrale Bereiche (64) der Heizlage (54) 70% bis 90% einnehmen, jeweils bezogen auf eine Gesamtfläche der Heizlage (54).Heating device (12) according to one of the preceding claims, characterized in that the edge area (66) of the heating layer (54) occupy 10% to 30% and the central area (64) of the heating layer (54) occupy 70% to 90%, each related on a total area of the heating layer (54). Heizvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizlage (54) aus einem flexiblen Material aufgebaut ist.Heating device (12) according to one of the preceding claims, characterized in that the heating layer (54) is constructed from a flexible material. Heizvorrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizlage (54) elektrisch leitfähige Polymere umfasst.Heating device (12) according to one of the preceding claims, characterized in that the heating layer (54) comprises electrically conductive polymers. Brennstoffzellenstapel (4) umfassend mindestens folgende Lagen in angegebener Reihenfolge: eine Endplatte (48) mit Portstrukturen (78), eine Heizvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, einen Stromsammler (52), eine Membran-Elektroden-Anordnung (80) und eine Bipolarplatte (50), wobei die Heizvorrichtung (12) so zwischen dem Stromsammler (52) und der Endplatte (48) angeordnet ist, dass die erste Seite (56) der Heizlage (54) zu der Endplatte (48) zeigt und die zweite Seite (58) der Heizlage (54) zu dem Stromsammler (52) zeigt.Fuel cell stack (4) comprising at least the following layers in the specified order: an end plate (48) with port structures (78), a heating device (12) according to one of the Claims 1 until 6th , a current collector (52), a membrane-electrode arrangement (80) and a bipolar plate (50), wherein the heating device (12) is arranged between the current collector (52) and the end plate (48) that the first side ( 56) of the heating layer (54) points to the end plate (48) and the second side (58) of the heating layer (54) points to the current collector (52). Brennstoffzellenstapel (4) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Bereich (64) der Heizlage (54) im Wesentlichen deckungsgleich mit einer aktiven Fläche (82) der Membran-Elektroden-Anordnung (80) ist.Fuel cell stack (4) after Claim 7 , characterized in that the central area (64) of the heating layer (54) is essentially congruent with an active surface (82) of the membrane-electrode arrangement (80). Brennstoffzellenstapel (4) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatte (48) aus einem Polymer-Metall-Verbundmaterial aufgebaut ist.Fuel cell stack (4) after Claim 7 or 8th , characterized in that the end plate (48) is constructed from a polymer-metal composite material. Verfahren zum Erwärmen von Teilen eines Brennstoffzellenstapels (4) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Portstrukturen (78) der Endplatte (48) mittels des Randbereichs (66) der Heizlage (54) und die aktive Fläche (82) der Membran-Elektroden-Anordnung (80) mittels des zentralen Bereichs (64) der Heizlage (54) erwärmt werden.Method for heating parts of a fuel cell stack (4) according to one of the Claims 7 until 9 , wherein the port structures (78) of the end plate (48) by means of the edge region (66) of the heating layer (54) and the active surface (82) of the membrane-electrode arrangement (80) by means of the central region (64) of the heating layer (54 ) are heated.
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