DE102020208706A1 - Heating and insulating layer for a fuel cell stack and fuel cell stack - Google Patents

Heating and insulating layer for a fuel cell stack and fuel cell stack Download PDF

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Ernst Hauk
Harald Bauer
Lars Olems
Eberhard Maier
Andreas Rettich
Jochen Wessner
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heiz- und Isolierlage (1) für einen Brennstoffzellenstapel (5), wobei die, insbesondere einlagig ausgeführte, Heiz-und Isolierlage (1) eine erste Seite (7), eine zweite Seite (9), ein Heizelement (11) und mindestens ein Lagenmaterial (13) umfasst und das Heizelement (11) in dem mindestens einen Lagenmaterial (13) angeordnet ist und wobei die Heiz-und Isolierlage (1) bezüglich der ersten Seite (7) und der zweiten Seite (9) asymmetrisch ausgeführt ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel (5).The invention relates to a heating and insulating layer (1) for a fuel cell stack (5), wherein the heating and insulating layer (1), which is in particular designed as a single layer, has a first side (7), a second side (9), a heating element (11 ) and at least one sheet material (13) and the heating element (11) is arranged in the at least one sheet material (13) and wherein the heating and insulating layer (1) is asymmetrical with respect to the first side (7) and the second side (9). is executed. The invention also relates to a fuel cell stack (5).

Description

Die Erfindung betrifft eine Heiz- und Isolierlage für einen Brennstoffzellenstapel mit einer ersten Seite, einer zweiten Seite, einem Heizelement und mindestens einem Lagenmaterial. Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel umfassend die Heiz- und Isolierlage.The invention relates to a heating and insulating layer for a fuel cell stack, having a first side, a second side, a heating element and at least one layer material. Furthermore, the invention relates to a fuel cell stack comprising the heating and insulating layer.

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 oxidant into electrical energy. A fuel cell is therefore an electrochemical energy converter. In known fuel cells, in particular hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) 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 others, proton exchange membranes (PEM) fuel cells are known. Proton exchange membrane fuel cells have a centrally located membrane that is permeable to protons, i.e. hydrogen ions. The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is thus 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.Furthermore, solid oxide fuel cells, which are also referred to as solid oxide fuel cells (SOFC), are known. SOFC fuel cells have a higher operating temperature and exhaust gas temperature than PEM fuel cells and are used in stationary operation in particular.

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 catalytically oxidized to protons, releasing electrons, which then reach the cathode. The electrons emitted are derived 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 supplied to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing the electrons from the external circuit and protons to form water. The resulting water is drained from the fuel cell. The gross reaction 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.There is a voltage between the anode and the cathode of the fuel cell. To increase the voltage, several fuel cells can be mechanically arranged 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.A fuel cell stack usually has end plates that press the individual fuel cells together and give the fuel cell stack stability.

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, ie 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 fuel to the anode and evenly distribute oxidant 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 to dissipate heat.

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

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 on top of one another in what are known as sandwiches. The individual fuel cells have a membrane-electrode assembly and a bipolar plate half on the anode side and on the cathode side.

Der Brennstoffzellenstapel wird üblicherweise durch zwei Endplatten abgeschlossen. Benachbart zu den Endplatten ist in der Regel jeweils ein Stromsammler angeordnet, der auch als Stromsammlerplatte bezeichnet werden kann. Die Stromsammler leiten den Strom, den die Brennstoffzellen erzeugen, von der letzten beziehungsweise äußeren Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels zu einem Anschluss des Brennstoffzellenstapels weiter. Der Anschluss befindet sich üblicherweise an der Endplatte.The fuel cell stack is usually closed off by two end plates. A current collector, which can also be referred to as a current collector plate, is usually arranged adjacent to the end plates. The current collectors forward the current generated by the fuel cells from the last or outer fuel cell of the fuel cell stack to a connection of the fuel cell stack. The connection is usually located on the end plate.

Auf der der äußeren Brennstoffzelle gegenüberliegenden Seite des Stromsammlers ist häufig, elektrisch isoliert, eine Heizplatte oder Heizfolie angeordnet, die den Stromsammler sowie Brennstoffzellen in der Nähe des Stromsammlers bei Bedarf, zum Beispiel beim Kaltstart, heizt. Um den Heizvorgang zu optimieren ist die Heizplatte auf ihrer dem Stromsammler abgewandten Seite häufig mit einer Isolationsplatte thermisch zu angrenzenden Bauteilen wie den Endplatten isoliert. Entsprechend sind die Funktionen Heizen und thermisch Isolieren auf verschiedene, also mehrere Bauteile aufgeteilt.On the opposite side of the outer fuel cell of the current collector is often electrically insulated, arranged a heating plate or heating foil, the current collector and fuel fabric cells near the current collector if necessary, for example during a cold start, heats. In order to optimize the heating process, the side of the heating plate facing away from the current collector is often thermally insulated with an insulating plate from adjacent components such as the end plates. Accordingly, the functions of heating and thermal insulation are divided between different, i.e. several, components.

US 2015/0180056 A1 beschreibt, dass im Bereich der Endplatten Heizelemente, wie zum Beispiel Heizfolien, vorgesehen sein können, die zwischen Stromsammler und Endplatte angeordnet sind. Um zu verhindern, dass die Heizfolie vornehmlich die Endplatte beheizt, ist eine thermische Barriere zwischen der Heizfolie und der Endplatte eingefügt, 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. U.S. 2015/0180056 A1 describes that heating elements, such as heating foils, can be provided in the area of the end plates, which are arranged between the current collector and the end plate. In order to prevent the heating foil from primarily heating the end plate, a thermal barrier is inserted between the heating foil and the end plate, so that heat flows from the heating foil to the current collector and thus in the direction of a cold outer fuel cell of the fuel cell stack, while heat flows from the Heating foil is prevented in the direction of the end plate.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Es wird eine Heiz- und Isolierlage für einen Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, wobei die, insbesondere einlagig ausgeführte, Heiz- und Isolierlage eine erste Seite, eine zweite Seite, ein Heizelement und mindestens ein Lagenmaterial umfasst und das Heizelement in dem mindestens einen Lagenmaterial angeordnet ist und wobei die Heiz- und Isolierlage, insbesondere in ihrem Querschnitt, bezüglich der ersten Seite und der zweiten Seite asymmetrisch ausgeführt ist.A heating and insulating layer for a fuel cell stack is proposed, wherein the heating and insulating layer, which is in particular designed as a single layer, comprises a first side, a second side, a heating element and at least one layer material, and the heating element is arranged in the at least one layer material and wherein the heating and insulating layer, in particular in its cross section, is asymmetrical with respect to the first side and the second side.

Ferner wird ein Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen umfassend mindestens folgende Lagen in angegebener Reihenfolge: eine Endplatte, eine erfindungsgemäße Heiz- und Isolierlage, einen Stromsammler und eine Brennstoffzelle, wobei die Heiz-und Isolierlage so zwischen dem Stromsammler und der Endplatte angeordnet ist, dass die erste Seite der Heiz- und Isolierlage zu der Endplatte zeigt und die zweite Seite der Heiz- und Isolierlage zu dem Stromsammler zeigt.Furthermore, a fuel cell stack is proposed comprising at least the following layers in the specified order: an end plate, a heating and insulating layer according to the invention, a current collector and a fuel cell, the heating and insulating layer being arranged between the current collector and the end plate in such a way that the first side of the The heating and insulating layer faces the end plate and the second side of the heating and insulating layer faces the current collector.

Der Querschnitt der Heiz- und Isolierlage ist insbesondere senkrecht zu der ersten Seite und der zweiten Seite und insbesondere parallel zu einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet.The cross section of the heating and insulating layer is in particular aligned perpendicular to the first side and the second side and in particular parallel to a stacking direction of the fuel cell stack.

Der Brennstoffzellenstapel umfasst bevorzugt zwei Endplatten, zwei Heiz- und Isolierlagen und zwei Stromsammler, wobei eine der Heiz- und Isolierlagen bevorzugt jeweils zwischen einer Endplatte und einem Stromsammler angeordnet ist. Der Stromsammler ist insbesondere ein flächiges Bauteil.The fuel cell stack preferably comprises two end plates, two heating and insulating layers and two current collectors, one of the heating and insulating layers preferably being arranged between an end plate and a current collector. The current collector is in particular a flat component.

Die Heiz- und Isolierlage ist bevorzugt einstückig ausgeführt, wobei die Funktionen Heizen und thermisch Isolieren gleichzeitig in dem einen Bauteil der Heiz- und Isolierlage integriert sind. Insbesondere weist der Brennstoffzellenstapel keine separate Isolationsplatte oder Isolationsfolie auf.The heating and insulating layer is preferably designed in one piece, with the functions of heating and thermal insulation being integrated simultaneously in one component of the heating and insulating layer. In particular, the fuel cell stack does not have a separate insulating plate or insulating film.

Das Lagenmaterial kann auch als Trägermaterial bezeichnet werden, das bevorzugt Wärme, die von dem Heizelement abgegeben wird, asymmetrisch verteilt.The sheet material can also be referred to as a backing material that preferentially asymmetrically distributes heat emitted by the heating element.

Durch die Heiz- und Isolierlage werden der zu dieser benachbart angeordnete Stromsammler sowie zum Stromsammler benachbarte Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels geheizt, während eine dem Stromsammler an der Heiz-und Isolierlage gegenüberliegende Anschlusskomponente, insbesondere die Endplatte, thermisch isoliert wird.The current collector arranged adjacent to it and fuel cells of the fuel cell stack adjacent to the current collector are heated by the heating and insulating layer, while a connection component opposite the current collector on the heating and insulating layer, in particular the end plate, is thermally insulated.

Das Lagenmaterial umfasst bevorzugt einen Kunststoff, mehr bevorzugt Polyamidimid und/oder einen Polyamid-Compound wie PA66 GF, der insbesondere einen Füllstoff wie Glasfasern enthält.The sheet material preferably comprises a plastic, more preferably polyamideimide and/or a polyamide compound such as PA66 GF, which in particular contains a filler such as glass fibers.

Das Heizelement kann elektrisch, hydraulisch und/oder induktiv ausgeführt sein. Bevorzugt ist das Heizelement als Widerstandheizer, insbesondere als Draht oder Netz, das auch als Mesh bezeichnet wird, ausgeführt. Eine Materialstärke des Drahtes beziehungsweise des Netzes beträgt bevorzugt 1 mm bis 5 mm. Mehr bevorzugt umfasst das Heizelement mindestens ein elektrisch leitendes Metall wie Kupfer und/oder Aluminium.The heating element can be electric, hydraulic and/or inductive. The heating element is preferably designed as a resistance heater, in particular as a wire or net, which is also referred to as a mesh. A material thickness of the wire or the mesh is preferably 1 mm to 5 mm. More preferably, the heating element comprises at least one electrically conductive metal such as copper and/or aluminum.

Die Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden und/oder sich ergänzen.The features of the embodiments described below can be combined with one another and/or complement one another.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist das Heizelement asymmetrisch in der Heiz- und Isolierlage angeordnet, wobei das Heizelement einen ersten Abstand von der ersten Seite und einen zweiten Abstand von der zweiten Seite aufweist und der erste Abstand verschieden von dem zweiten Abstand ist. Weiter bevorzugt ist der erste Abstand größer als der zweite Abstand.In a first preferred embodiment, the heating element is arranged asymmetrically in the heating and insulating layer, the heating element having a first distance from the first side and a second distance from the second side, the first distance being different from the second distance. More preferably, the first distance is greater than the second distance.

Bevorzugt beträgt ein Verhältnis zwischen dem ersten Abstand und dem zweiten Abstand mindestens 1,5, weiter bevorzugt von 1,5 bis 7,5. Der erste Abstand wird insbesondere zwischen einem Punkt auf einer Oberfläche des Heizelements, der der ersten Seite der Heiz- und Isolierlage am nächsten liegt, und der ersten Seite bestimmt. Der zweite Abstand wird insbesondere zwischen dem Punkt auf der Oberfläche des Heizelements, der der ersten Seite der Heiz-und Isolierlage am nächsten liegt, und der zweiten Seite bestimmt.A ratio between the first distance and the second distance is preferably at least 1.5, more preferably from 1.5 to 7.5. In particular, the first distance is determined between a point on a surface of the heating element that is closest to the first side of the heating and insulating layer and the first side. The second distance is determined in particular between the point on the surface of the heating element which is closest to the first side of the heating and insulating layer and the second side.

Der erste Abstand und damit eine erste Dicke eines Isolierbereichs der Heiz- und Isolierlage beträgt bevorzugt von 5 mm bis 15 mm. Der zweite Abstand und damit eine zweite Dicke eines Heizbereichs der Heiz- und Isolierlage beträgt bevorzugt von 2 mm bis 10 mm.The first distance and thus a first thickness of an insulating area of the heating and insulating layer is preferably from 5 mm to 15 mm. The second distance and thus a second thickness of a heating area of the heating and insulating layer is preferably from 2 mm to 10 mm.

Durch diese Position des Heizelements nah an der zweiten Seite liegt eine asymmetrische Heiz- und Isolierlage vor. Das Heizelement ist derart in der Heiz-und Isolierlage, insbesondere in dem mindestens einen Lagenmaterial positioniert, dass die Heiz- und Isolierlage in Richtung der Endplatte isolierend und in Richtung des Stromsammlers heizend wirkt.By positioning the heating element close to the second side, there is an asymmetric heating and insulating layer. The heating element is positioned in the heating and insulating layer, in particular in the at least one layer material, in such a way that the heating and insulating layer has an insulating effect in the direction of the end plate and a heating effect in the direction of the current collector.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist die erste Seite der Heiz- und Isolierlage asymmetrisch zu der zweiten Seite ausgeführt, wobei die erste Seite eine strukturierte Oberfläche und die zweite Seite eine glatte Oberfläche aufweist. Dies ist dahingehend zu verstehen, dass die glatte Oberfläche zumindest weniger strukturiert ist bzw. eine weniger ausgeprägte Struktur aufweist als die strukturierte Oberfläche. Entsprechend weist die Heiz- und Isolierlage bevorzugt einseitig eine strukturierte Oberfläche auf. Insbesondere ist die Heiz- und Isolierlage ausschließlich an der ersten Seite strukturiert und weist ausschließlich an der ersten Seite die strukturierte Oberfläche auf. Das mindestens eine Lagenmaterial um das Heizelement ist also bevorzugt einseitig mit der strukturierten Oberfläche versehen, um den Wärmefluss in Richtung der strukturierten Oberfläche zu reduzieren. Die strukturierte Oberfläche kann zum Beispiel Stege mit dazwischenliegenden Zwischenräumen umfassen, wobei die Zwischenräume bevorzugt eine Tiefe in einem Bereich von 1 mm bis 8 mm aufweisen. Die Zwischenräume können Luft und/oder einen Füllschaum enthalten. Die glatte Oberfläche weist insbesondere eine Strukturtiefe von weniger als 1 mm auf.In a second preferred embodiment, the first side of the heating and insulating layer is asymmetrical to the second side, with the first side having a structured surface and the second side having a smooth surface. This is to be understood as meaning that the smooth surface is at least less structured or has a less pronounced structure than the structured surface. Accordingly, the heating and insulating layer preferably has a structured surface on one side. In particular, the heating and insulating layer is structured exclusively on the first side and has the structured surface exclusively on the first side. The at least one layer material around the heating element is therefore preferably provided with the structured surface on one side in order to reduce the heat flow in the direction of the structured surface. The structured surface can, for example, comprise ridges with interstices in between, the interstices preferably having a depth in a range from 1 mm to 8 mm. The interstices can contain air and/or a filling foam. In particular, the smooth surface has a structure depth of less than 1 mm.

In einer dritten bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Lagenmaterial asymmetrisch ausgeführt, wobei die Heiz- und Isolierlage ein erstes Lagenmaterial und ein zweites Lagenmaterial umfasst, das erste Lagenmaterial an der ersten Seite der Heiz- und Isolierlage und das zweite Lagenmaterial an der zweiten Seite der Heiz- und Isolierlage angeordnet ist und das erste Lagenmaterial verschieden von dem zweiten Lagenmaterial ist. Weiter bevorzugt unterscheiden sich das erste Lagenmaterial und das zweite Lagenmaterial hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit und/oder ihrer Wärmekapazität. Insbesondere weist das zweite Lagenmaterial eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als das erste Lagenmaterial.In a third preferred embodiment, the at least one layer material is designed asymmetrically, with the heating and insulating layer comprising a first layer material and a second layer material, the first layer material on the first side of the heating and insulating layer and the second layer material on the second side of the heating - and insulating layer is arranged and the first layer material is different from the second layer material. More preferably, the first layer material and the second layer material differ in terms of their thermal conductivity and/or their heat capacity. In particular, the second layer material has a higher thermal conductivity than the first layer material.

Mindestens ein Lagenmaterial kann als Schaum ausgeführt sein. Bevorzugt ist das erste Lagenmaterial als Schaum ausgeführt. Entsprechend ist bevorzugt die isolierende Seite der Heiz- und Isolierlage als Schaum ausgeführt. Insbesondere kann das erste Lagenmaterial als der Füllschaum auf oder in der strukturierten Oberfläche vorliegen.At least one layer material can be designed as a foam. The first layer material is preferably designed as a foam. Correspondingly, the insulating side of the heating and insulating layer is preferably designed as foam. In particular, the first layer material can be present as the filling foam on or in the structured surface.

Bevorzugt ist das Heizelement also in mindestens zwei unterschiedliche Materialien eingebettet. Weiter bevorzugt ist das Heizelement zwischen dem ersten Lagenmaterial und dem zweiten Lagenmaterial angeordnet. Mehr bevorzugt ist das Heizelement mit dem ersten Lagenmaterial und mit dem zweiten Lagenmaterial in Kontakt. Insbesondere besteht die Heiz- und Isolierlage aus dem ersten Lagenmaterial, dem zweiten Lagenmaterial und dem Heizelement. Ein Massenverhältnis von dem zweiten Lagenmaterial zum ersten Lagenmaterial in der Heiz- und Isolierlage liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,5% bis 30%, mehr bevorzugt von 0,5% bis 10% und weiter bevorzugt von 1% bis 10%. Ferner beträgt ein Flächenverhältnis von dem Heizbereich, umfassend das Heizelement, zu dem Isolierbereich bevorzugt mindestens 30%, die Flächen jeweils betrachtet im Querschnitt der Heiz- und Isolierlage.The heating element is therefore preferably embedded in at least two different materials. More preferably, the heating element is arranged between the first layer material and the second layer material. More preferably, the heating element is in contact with the first sheet material and with the second sheet material. In particular, the heating and insulating layer consists of the first layer material, the second layer material and the heating element. A mass ratio of the second sheet material to the first sheet material in the heating and insulating layer is preferably in a range from 0.5% to 30%, more preferably from 0.5% to 10% and further preferably from 1% to 10%. Furthermore, an area ratio of the heating area, including the heating element, to the insulating area is preferably at least 30%, the areas viewed in each case in the cross section of the heating and insulating layer.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention

Durch die erfindungsgemäße Heiz- und Isolierlage beziehungsweise durch einen Brennstoffzellenstapel umfassend die Heiz- und Isolierlage können ein Stromsammler und angrenzende Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel im Bedarfsfall global oder lokal erwärmt werden, so dass der Brennstoffzellenstapel optimale Arbeitsbedingungen erreicht.A current collector and adjacent fuel cells in a fuel cell stack can be heated globally or locally if necessary by the heating and insulating layer according to the invention or by a fuel cell stack comprising the heating and insulating layer, so that the fuel cell stack achieves optimal working conditions.

Es kann auf zusätzliche Bauteile verzichtet werden, da die Funktionen Heizen und thermisch Isolieren in der Heiz- und Isolierlage integriert sind.There is no need for additional components since the heating and thermal insulation functions are integrated in the heating and insulation layer.

Durch den asymmetrischen Aufbau der Heiz- und Isolierlage liegt ein asymmetrischer Wärmefluss in der Heiz- und Isolierlage vor, so dass dem benachbarten Stromsammler Wärme zugeführt wird, während die gegenüberliegend benachbarte Endplatte thermisch isoliert wird.Due to the asymmetrical structure of the heating and insulating layer, there is an asymmetrical flow of heat in the heating and insulating layer, so that heat is supplied to the adjacent current collector, while the opposite end plate is thermally insulated.

Figurenlistecharacter 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 Querschnittsansicht einer Heiz- und Isolierlage gemäß einer ersten Ausführungsform,
  • 3 eine Querschnittsansicht einer Heiz- und Isolierlage gemäß einer zweiten Ausführungsform und
  • 4 eine Querschnittsansicht einer Heiz- und Isolierlage gemäß einer dritten Ausführungsform.
Show it:
  • 1 a schematic view of a fuel cell stack,
  • 2 a cross-sectional view of a heating and insulating layer according to a first embodiment,
  • 3 a cross-sectional view of a heating and insulating layer according to a second embodiment and
  • 4 a cross-sectional view of a heating and insulating layer according to a third embodiment.

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 symbols, with 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 5 mit mehreren Brennstoffzellen 3. Jede Brennstoffzelle 3 weist eine Membran 22, zwei Gasdiffusionslagen 2, 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 5 with a plurality of fuel cells 3. Each fuel cell 3 has a membrane 22, two gas diffusion layers 2, an anode side 31 and a cathode side 32. FIG. The individual fuel cells 3 are separated from one another by bipolar plates 50 which can include a cooling plate 45 .

Der Brennstoffzellenstapel 5, 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 Heiz- und Isolierlage 1 angeordnet.The fuel cell stack 5, to which hydrogen 40 and oxygen 42 and a coolant 44 are supplied, is closed off by two end plates 48 and has current collectors 52. The various feeds are separated from one another by seals 46 . A heating and insulating layer 1 is arranged between an end plate 48 and a current collector 52 in each case.

2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Heiz- und Isolierlage 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Ein Heizelement 11 ist in einem Lagenmaterial 13 der Heiz-und Isolierlage 1 asymmetrisch angeordnet. 2 shows a cross-sectional view of a heating and insulating layer 1 according to a first embodiment. A heating element 11 is arranged asymmetrically in a layer material 13 of the heating and insulating layer 1 .

Die Heiz- und Isolierlage 1 weist eine erste Seite 7 und eine zweite Seite 9 auf. Das Heizelement 11 ist näher an der zweiten Seite 9 als an der ersten Seite 7 angeordnet, so dass ein erster Abstand 15 des Heizelements 11 von der ersten Seite 7 größer ist als ein zweiter Abstand 17 des Heizelements 11 von der zweiten Seite 9 der Heiz- und Isolierlage 1. Die Heiz- und Isolierlage 1 integriert die Funktionen Heizen und thermisch Isolieren, so dass die Heiz- und Isolierlage 1 als in einen Isolierbereich 27 und einen Heizbereich 29 unterteilt betrachtet werden kann. An den Heizbereich 29, also die zweite Seite 9, schließt sich in einem Brennstoffzellenstapel 5 ein Stromsammler 52 an und an den Isolierbereich 27, also die erste Seite 7, eine Endplatte 48.The heating and insulating layer 1 has a first side 7 and a second side 9 . The heating element 11 is arranged closer to the second side 9 than to the first side 7, so that a first distance 15 of the heating element 11 from the first side 7 is greater than a second distance 17 of the heating element 11 from the second side 9 of the heating and insulating sheet 1. The heating and insulating sheet 1 integrates the functions of heating and thermal insulation, so that the heating and insulating sheet 1 can be considered divided into an insulating portion 27 and a heating portion 29. In a fuel cell stack 5, a current collector 52 adjoins the heating area 29, i.e. the second side 9, and an end plate 48 adjoins the insulating area 27, i.e. the first side 7.

3 zeigt eine Heiz- und Isolierlage 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Hier weist die erste Seite 7 der Heiz- und Isolierlage 1 eine strukturierte Oberfläche 19 auf, die zur Isolierung dient. Hingegen weist die zweite Seite 9 der Heiz- und Isolierlage 1 eine glatte Oberfläche 21 auf. Es liegt eine einseitig strukturierte Heiz- und Isolierlage 1 vor. 3 shows a heating and insulating layer 1 according to a second embodiment. Here, the first side 7 of the heating and insulating layer 1 has a structured surface 19 that is used for insulation. In contrast, the second side 9 of the heating and insulating layer 1 has a smooth surface 21 . There is a heating and insulating layer 1 structured on one side.

4 zeigt eine Heiz- und Isolierlage 1 gemäß einer dritten Ausführungsform. Die Heiz- und Isolierlage 1 umfasst ein erstes Lagenmaterial 23 und ein zweites Lagenmaterial 25, wobei das erste Lagenmaterial 23 an der ersten Seite 7 und das zweite Lagenmaterial 25 an der zweiten Seite 9 angeordnet ist. Das zweite Lagenmaterial 25 weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Lagenmaterial 23 auf, so dass durch das zweite Lagenmaterial 25 Wärme dem Stromsammler 52 zugeführt werden kann, während das erste Lagenmaterial 23 isolierend gegenüber der Endplatte 48 wirkt. 4 shows a heating and insulating layer 1 according to a third embodiment. The heating and insulating layer 1 comprises a first layer material 23 and a second layer material 25 , the first layer material 23 being arranged on the first side 7 and the second layer material 25 being arranged on the second side 9 . The second layer material 25 has a higher thermal conductivity than the first layer material 23, so that heat can be supplied to the current collector 52 through the second layer material 25, while the first layer material 23 has an insulating effect with respect to the end plate 48.

Das Heizelement 11 ist zwischen dem ersten Lagenmaterial 23 und dem zweiten Lagenmaterial 25 angeordnet und von diesen umschlossen, so dass das Heizelement 11 mit dem ersten Lagenmaterial 23 und dem zweiten Lagenmaterial 25 in Kontakt ist.The heating element 11 is sandwiched between and surrounded by the first sheet material 23 and the second sheet material 25 such that the heating element 11 is in contact with the first sheet material 23 and the second sheet material 25 .

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 limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 2015/0180056 A1 [0016]US 2015/0180056 A1 [0016]

Claims (10)

Heiz- und Isolierlage (1) für einen Brennstoffzellenstapel (5), wobei die, insbesondere einlagig ausgeführte, Heiz- und Isolierlage (1) eine erste Seite (7), eine zweite Seite (9), ein Heizelement (11) und mindestens ein Lagenmaterial (13) umfasst und das Heizelement (11) in dem mindestens einen Lagenmaterial (13) angeordnet ist und wobei die Heiz-und Isolierlage (1) bezüglich der ersten Seite (7) und der zweiten Seite (9) asymmetrisch ausgeführt ist.Heating and insulating layer (1) for a fuel cell stack (5), wherein the heating and insulating layer (1), in particular a single layer, has a first side (7), a second side (9), a heating element (11) and at least one layer material (13) and the heating element (11) is arranged in the at least one layer material (13) and wherein the heating and insulating layer (1) is designed asymmetrically with respect to the first side (7) and the second side (9). Heiz-und Isolierlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (11) asymmetrisch in der Heiz- und Isolierlage (1) angeordnet ist, wobei das Heizelement (11) einen ersten Abstand (15) von der ersten Seite (7) und einen zweiten Abstand (17) von der zweiten Seite (9) aufweist und der erste Abstand (15) verschieden von dem zweiten Abstand (17) ist.Heating and insulating layer (1) after claim 1 , characterized in that the heating element (11) is arranged asymmetrically in the heating and insulating layer (1), the heating element (11) being a first distance (15) from the first side (7) and a second distance (17) from the second side (9) and the first distance (15) is different from the second distance (17). Heiz- und Isolierlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Seite (7) asymmetrisch zu der zweiten Seite (9) ausgeführt ist, wobei die erste Seite (7) eine strukturierte Oberfläche (19) aufweist und die zweite Seite (9) eine glatte Oberfläche (21) aufweist.Heating and insulating layer (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the first side (7) is designed asymmetrically to the second side (9), the first side (7) having a structured surface (19) and the second side (9) has a smooth surface (21). Heiz- und Isolierlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Lagenmaterial (13) asymmetrisch ausgeführt ist, wobei die Heiz- und Isolierlage (1) ein erstes Lagenmaterial (23) und ein zweites Lagenmaterial (25) umfasst, das erste Lagenmaterial (23) an der ersten Seite (7) der Heiz- und Isolierlage (1) und das zweite Lagenmaterial (25) an der zweiten Seite (9) der Heiz- und Isolierlage (1) angeordnet und das erste Lagenmaterial (23) verschieden von dem zweiten Lagenmaterial (25) ist.Heating and insulating layer (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one layer material (13) is designed asymmetrically, the heating and insulating layer (1) comprising a first layer material (23) and a second layer material (25) comprises, the first layer material (23) on the first side (7) of the heating and insulating layer (1) and the second layer material (25) on the second side (9) of the heating and insulating layer (1) arranged and the first layer material (23) is different from the second sheet material (25). Heiz- und Isolierlage (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich das erste Lagenmaterial (23) und das zweite Lagenmaterial (25) hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit und/oder ihrer Wärmekapazität unterscheiden.Heating and insulating layer (1) after claim 4 , characterized in that the first layer material (23) and the second layer material (25) differ in terms of their thermal conductivity and / or their heat capacity. Heiz- und Isolierlage (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Lagenmaterial (23) als Schaum ausgeführt ist.Heating and insulating layer (1) after claim 4 or 5 , characterized in that the first layer material (23) is designed as a foam. Heiz- und Isolierlage (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (11) zwischen dem ersten Lagenmaterial (23) und dem zweiten Lagenmaterial (25) angeordnet ist.Heating and insulating layer (1) according to one of Claims 4 until 6 , characterized in that the heating element (11) is arranged between the first sheet material (23) and the second sheet material (25). Brennstoffzellenstapel (5) umfassend mindestens folgende Lagen in angegebener Reihenfolge: eine Endplatte (48), eine Heiz- und Isolierlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, einen Stromsammler (52) und eine Brennstoffzelle (3), wobei die Heiz- und Isolierlage (1) so zwischen dem Stromsammler (52) und der Endplatte (48) angeordnet ist, dass die erste Seite (7) der Heiz- und Isolierlage (1) zu der Endplatte (48) zeigt und die zweite Seite (9) der Heiz- und Isolierlage (1) zu dem Stromsammler (52) zeigt.Fuel cell stack (5) comprising at least the following layers in the order given: an end plate (48), a heating and insulating layer (1) according to one of Claims 1 until 7 , a current collector (52) and a fuel cell (3), wherein the heating and insulating layer (1) is arranged between the current collector (52) and the end plate (48) that the first side (7) of the heating and insulating layer (1) faces the end plate (48) and the second side (9) of the heating and insulating layer (1) faces the current collector (52). Brennstoffzellenstapel (5) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heiz- und Isolierlage (1) das erste Lagenmaterial (23) und das zweite Lagenmaterial (25) umfasst, wobei das erste Lagenmaterial (23) an der ersten Seite (7) der Heiz- und Isolierlage (1) und das zweite Lagenmaterial (25) an der zweiten Seite (9) der Heiz- und Isolierlage (1) angeordnet ist und das zweite Lagenmaterial (25) eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Lagenmaterial (23) aufweist.Fuel cell stack (5) after claim 8 , characterized in that the heating and insulating layer (1) comprises the first layer material (23) and the second layer material (25), the first layer material (23) on the first side (7) of the heating and insulating layer (1) and the second layer material (25) is arranged on the second side (9) of the heating and insulating layer (1) and the second layer material (25) has a higher thermal conductivity than the first layer material (23). Brennstoffzellenstapel (5) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (11) den ersten Abstand (15) von der ersten Seite (7) und den zweiten Abstand (17) von der zweiten Seite (9) aufweist und der erste Abstand (15) größer ist als der zweite Abstand (17).Fuel cell stack (5) after claim 8 or 9 , characterized in that the heating element (11) has the first distance (15) from the first side (7) and the second distance (17) from the second side (9) and the first distance (15) is greater than the second distance (17).
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