DE102022103985B3 - Bipolar plate, fuel cell device and method for operating the fuel cell device - Google Patents

Bipolar plate, fuel cell device and method for operating the fuel cell device Download PDF

Info

Publication number
DE102022103985B3
DE102022103985B3 DE102022103985.4A DE102022103985A DE102022103985B3 DE 102022103985 B3 DE102022103985 B3 DE 102022103985B3 DE 102022103985 A DE102022103985 A DE 102022103985A DE 102022103985 B3 DE102022103985 B3 DE 102022103985B3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
coolant
flow field
fuel cell
partial
port
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102022103985.4A
Other languages
German (de)
Inventor
Markus RUF
Sebastian Rau
Oliver Keitsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
Priority to DE102022103985.4A priority Critical patent/DE102022103985B3/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102022103985B3 publication Critical patent/DE102022103985B3/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte (8) für einen Brennstoffzellenstapel (3) einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), mit einem ersten Medienport (6) zur Zuleitung eines Anodenbetriebsmediums an ein Anodenflussfeld und einem zweiten Medienport (7) zur Ausleitung eines Anodenabgases aus dem Anodenflussfeld, mit einem dritten Medienport (11) zur Zuleitung eines Kathodenbetriebsmediums an ein Kathodenflussfeld und einem vierten Medienport (15) zur Ausleitung eines Kathodenabgases aus dem Kathodenflussfeld, und mit vier Kühlmittelports (16, 17, 18, 19) für die Zuleitung beziehungsweise Ausleitung eines Kühlmittels, wobei ein erster der Kühlmittelports (16) einenends strömungsmechanisch mit einem ersten Teilkühlmittelflussfeld (20) verbunden ist, wobei ein zweiter der Kühlmittelports (17) anderenends strömungsmechanisch mit dem ersten Teilkühlmittelflussfeld (20) verbunden ist, wobei ein dritter der Kühlmittelports (18) einenends strömungsmechanisch mit einem zweiten Teilkühlmittelflussfeld (21) verbunden ist, und wobei ein vierter der Kühlmittelports (19) anderenends strömungsmechanisch mit dem zweiten Teilkühlmittelflussfeld (21) verbunden ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) und ein Verfahren zu deren Betreiben in einem Forststartbetrieb oder einem Normalbetrieb.

Figure DE102022103985B3_0000
The invention relates to a bipolar plate (8) for a fuel cell stack (3) of a fuel cell device (1), with a first media port (6) for supplying an anode operating medium to an anode flow field and a second media port (7) for discharging an anode exhaust gas from the anode flow field a third media port (11) for supplying a cathode operating medium to a cathode flux field and a fourth media port (15) for discharging a cathode exhaust gas from the cathode flux field, and with four coolant ports (16, 17, 18, 19) for supplying or discharging a coolant, wherein a first of the coolant ports (16) is fluidically connected at one end to a first partial coolant flow field (20), a second of the coolant ports (17) being fluidly mechanically connected to the first partial coolant flow field (20) at the other end, a third of the coolant ports (18) being fluidly mechanically connected at one end to a second partial coolant flow field (21), and wherein a fourth of the coolant ports (19) is fluidically connected at the other end to the second partial coolant flow field (21). The invention also relates to a fuel cell device (1) and a method for operating it in forest start mode or normal mode.
Figure DE102022103985B3_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel einer Brennstoffzellenvorrichtung. Die Bipolarplatte umfasst einen ersten Medienport zur Zuleitung eines Anodenbetriebsmediums an ein Anodenflussfeld und einen zweiten Medienport zur Ausleitung eines Anodenabgases aus dem Anodenflussfeld. Dabei umfasst die Bipolarplatte ferner einen dritten Medienport zur Zuleitung eines Kathodenbetriebsmediums an ein Kathodenflussfeld und einen vierten Medienport zur Ausleitung eines Kathodenabgases aus dem Kathodenflussfeld. Außerdem sind vier Kühlmittelports vorhanden für die Zuleitung bzw. Ausleitung eines Kühlmittels. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl solcher Bipolarplatten umfasst. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung.The invention relates to a bipolar plate for a fuel cell stack of a fuel cell device. The bipolar plate comprises a first media port for supplying an anode operating medium to an anode flow field and a second media port for discharging an anode exhaust gas from the anode flow field. The bipolar plate also includes a third media port for supplying a cathode operating medium to a cathode flux field and a fourth media port for discharging a cathode exhaust gas from the cathode flux field. There are also four coolant ports for supplying and removing a coolant. The invention also relates to a fuel cell device with a fuel cell stack that includes a large number of such bipolar plates. The invention also relates to a method for operating such a fuel cell device.

Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektrodeneinheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode, nämlich einer Anode und einer Kathode, ist. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Die Membran lässt die Protonen H+ hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen e-. An der Anode erfolgt dabei die Wasserstoffdissoziation gemäß folgender Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe).Fuel cell devices are used for the chemical conversion of a fuel with oxygen into water in order to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane-electrode unit as a core component, which is a combination of a proton-conducting membrane and one electrode, namely an anode and a cathode, arranged on both sides of the membrane. During operation of the fuel cell device with a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack, the fuel, in particular hydrogen (H 2 ) or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with the release of electrons. The membrane lets the protons H + through, but is impermeable to the electrons e - . The hydrogen dissociation takes place at the anode according to the following reaction: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation/donation of electrons).

Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels wird den Kathoden Kathodengas, (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme), wobei im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen reagieren unter Bildung von Wasser. Dieses Wasser muss aus der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt werden, bis ein Feuchteniveau erreicht ist, das zum Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlich ist.While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are sent to the cathode via an external circuit. Cathode gas (e.g. oxygen or oxygen-containing air) is supplied to the cathodes via cathode spaces within the fuel cell stack, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e- → 2H 2 O (reduction/electron absorption), with the cathode space the oxygen anions react with the protons transported across the membrane to form water. This water must be removed from the fuel cell and the fuel cell stack until a humidity level that is required for the operation of the fuel cell system is reached.

Die Verteilung der Reaktionsmedien, die an der Brennstoffzellenreaktion beteiligt sind, und auch die Verteilung des Kühlmediums wird mittels Bipolarplatten realisiert, die auf ihren beiden gegenüberliegenden Plattenseiten mit jeweils einem Flussfeld zur Verteilung des Reaktionsmediums auf Anodenseite bzw. auf Kathodenseite versehen sind. Häufig sind die Bipolarplatten aus zwei Bipolarplattenhälften gebildet. Innerhalb der Bipolarplatten liegt ein weiteres Flussfeld für Kühlmittel vor, das durch einen oder durch mehrere Kühlmittelkanäle realisiert ist.The distribution of the reaction media involved in the fuel cell reaction and also the distribution of the cooling medium is realized by means of bipolar plates, which are each provided on their two opposite plate sides with a flow field for distribution of the reaction medium on the anode side and on the cathode side. The bipolar plates are often formed from two bipolar plate halves. Another flow field for coolant is present within the bipolar plates, which is realized by one or more coolant channels.

Eine Bipolarplatte der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE 10 2016 102 176 A1 bekannt. Hierbei weist jede Einheitszelle zwei unterschiedliche Bipolarplatten auf, die die Membranelektrodenanordnung zwischen sich beherbergen und die mit insgesamt vier Kühlmittelanschlüssen versehen sind. Aufgrund der in dieser Druckschrift gewählten Strömungsführung werden zwei unterschiedliche Bipolarplattenvarianten benötigt, um die Einheitszelle aufzubauen. Deshalb liegen erhöhte Kosten für die Herstellung von Werkzeugen und für die Herstellung des Brennstoffzellenstapels vor. A bipolar plate of the type mentioned is for example from DE 10 2016 102 176 A1 known. In this case, each unit cell has two different bipolar plates which accommodate the membrane electrode arrangement between them and which are provided with a total of four coolant connections. Because of the flow control chosen in this publication, two different bipolar plate variants are required to construct the unit cell. Therefore, there are increased costs for manufacturing tools and for manufacturing the fuel cell stack.

In der DE 10 2007 034 300 A1 wird ein System zur Speisung eines Brennstoffzellenstapels mit einem Kühlmittel beschrieben, das bei einem Gefrierstart bezüglich einer Menge und einer Strömungsrichtung das Kühlmittel variabel in den Brennstoffzellenstapel einbringt. In der US 2017 / 0 110 755 A1 wird außerdem ein Brennstoffzellenstapel mit einer Plattenanordnung beschrieben, die mehrere randseitige Verteilerbereiche aufweist, welche jeweils mit vier Kühlmittelein- und Auslassöffnungen für zwei individuelle Kühlmittelstromsysteme aufweist.In the DE 10 2007 034 300 A1 describes a system for feeding a fuel cell stack with a coolant, which introduces the coolant into the fuel cell stack in a variable manner in terms of quantity and direction of flow when a freeze starts. In the U.S. 2017/0 110 755 A1 also describes a fuel cell stack with a plate assembly having a plurality of peripheral manifold areas each having four coolant inlet and outlet ports for two individual coolant flow systems.

Die US 2017 / 0 110 755 A1 , die JP 2005-339 872 A , die CN 110 767 919 A und die JP H08 329 916 A beschreiben Bipolarplatten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei diesen liegen zwei separate Flussfelder vor, die durch eine geeignete Verschaltung zu einem Durchlaufen der Kühlmittelflussfelder in Reihe führen können.The U.S. 2017/0 110 755 A1 , the JP 2005-339 872 A , the CN 110 767 919 A and the JP H08 329 916 A describe bipolar plates according to the preamble of claim 1. In these, there are two separate flow fields which, through suitable interconnection, can lead to the coolant flow fields passing through in series.

In der DE 10 2007 034 300 A1 wird ein Brennstoffzellenstapelsystem beschrieben, bei dem ein Primärkühlmittelsystem sowie ein Zusatzkühlmittelsystem vorhanden ist, welches mit dem Primärkühlmittelsystem in Verbindung steht. Das Zusatzkühlmittelsystem ist dabei parallel zu dem Primärkühlmittelsystem geschaltet, mit welchem selektiv eine Temperatursteuerung des Primärkühlmittelsystems bewirkt wird, um Temperaturschwankungen beim Startvorgang auszugleichen.In the DE 10 2007 034 300 A1 a fuel cell stack system is described in which there is a primary coolant system and an additional coolant system which is connected to the primary coolant system. The additional coolant system is connected in parallel to the primary coolant system, with which a temperature control of the primary coolant system is selectively effected in order to compensate for temperature fluctuations during the starting process.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bipolarplatte, eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben, die den aus dem Stand der Technik bekannten Nachteilen Rechnung tragen.It is the object of the present invention to provide a bipolar plate, a fuel cell specify direction and a method for operating the fuel cell device, which take into account the disadvantages known from the prior art.

Diese Aufgabe wird durch eine Bipolarplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a bipolar plate having the features of claim 1, by a fuel cell device having the features of claim 3 and by a method having the features of claim 5. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Bipolarplatte zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein erster der Kühlmittelports einenends strömungsmechanisch mit einem ersten Teilkühlmittelflussfeld verbunden ist, dass ein zweiter der Kühlmittelports anderenends strömungsmechanisch ebenfalls mit dem ersten Teilkühlmittelflussfeld verbunden ist, wobei ein Dritter der Kühlmittelports einenends strömungsmechanisch mit dem zweiten Kühlmittelflussfeld verbunden ist, und wobei ein vierter der Kühlmittelports anderenends strömungsmechanisch mit dem zweiten Teilkühlmittelflussfeld verbunden ist.The bipolar plate according to the invention is characterized in particular by the fact that a first of the coolant ports is fluidically connected at one end to a first part of the coolant flow field, that a second of the coolant ports is also fluidly connected to the first part of the coolant flow field at the other end, with a third of the coolant ports being fluidly mechanically connected at one end to the second coolant flow field and wherein a fourth of the coolant ports is fluidly connected to the second partial coolant flow field at the other end.

Mit einer derartigen Konfiguration der Bipolarplatte ist es möglich, Strömungsführungen für das Kühlmittel zu realisieren, die beim Froststart, also bei Bedingungen unter Null Grad Celsius (Bedingungen, bei denen also Wasser gefriert), hilfreich sind. Denn dadurch, dass das Kühlmittel unmittelbar zweimal hintereinander durch jede der Bipolarplatte geführt wird, lässt sich die Zeitdauer für das Aufheizen des Brennstoffzellenstapels drastisch reduzieren. Somit liegt insbesondere unter Frostbedingungen eine schnellere Leistungsbereitstellung des Brennstoffzellenmoduls vor. Dieser Vorteil entfaltet sich vor allem bei besonders großen Systemen oder Brennstoffzellenvorrichtungen, beispielsweise dann, wenn sie in einem Lastkraftwagen oder auch in einem Schiff Einsatz finden. Durch die gewählte Konfiguration liegt eine verbesserte und effektivere Flächenausnutzung der aktiven Fläche der Bipolarplatte vor. Die Flächenausnutzung ergibt sich aus dem Verhältnis der aktiven Fläche zur Gesamtfläche der Bipolarplatte. Aufgrund dieser verbesserten Flächenausnutzung liegen auch reduzierte Druckverluste vor. Eine erhöhte Systemeffizienz und eine verbesserte Gleichverteilung des Kühlmittels lassen sich durch die gewählte Konfiguration der Bipolarplatte realisieren.With such a configuration of the bipolar plate, it is possible to implement flow guides for the coolant, which are helpful in the event of a frost start, ie under conditions below zero degrees Celsius (conditions under which water freezes). Because the coolant is passed through each of the bipolar plates twice in quick succession, the time it takes to heat up the fuel cell stack can be drastically reduced. Thus, in particular under frost conditions, the fuel cell module is able to provide power more quickly. This advantage unfolds above all in the case of particularly large systems or fuel cell devices, for example when they are used in a truck or in a ship. The selected configuration results in improved and more effective surface utilization of the active surface of the bipolar plate. The area utilization results from the ratio of the active area to the total area of the bipolar plate. Due to this improved use of space, there are also reduced pressure losses. Increased system efficiency and improved uniform distribution of the coolant can be achieved through the selected configuration of the bipolar plate.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Bipolarplatte in einem aktiven Bereich, in welchem in benachbarten Lagen die Brennstoffzellenreaktion erfolgt, das erste Teilkühlmittelflussfeld eine Mehrzahl von ersten Kühlmittelkanälen und das zweite Teilkühlmittelflussfeld eine Mehrzahl von zweiten Kühlmittelkanälen umfasst. Aufgrund dieser Kühlmittelkanäle lässt sich eine Gleichverteilung des Kühlmittels über die Bipolarplatte hinweg realisieren.According to the invention it is provided that the bipolar plate in an active region in which the fuel cell reaction takes place in adjacent layers, the first partial coolant flow field comprises a plurality of first coolant channels and the second partial coolant flow field comprises a plurality of second coolant channels. Because of these coolant channels, the coolant can be distributed evenly across the bipolar plate.

Es ist die - von der Erfindung nicht erfasste - Möglichkeit vorhanden, dass das erste Teilkühlmittelflussfeld mit seinen ersten Kühlmittelkanälen nur in einer ersten Hälfte des aktiven Bereichs vorliegt, und dass das zweite Teilkühlmittelflussfeld mit seinen zweiten Kühlmittelkanälen nur in einer zweiten Hälfte des aktiven Bereichs vorliegt. Auf diese Weise sind also die beiden Teilkühlmittelflussfelder streng voneinander getrennt und vorzugsweise halbieren sie die Bipolarplatte in ihrem aktiven Bereich.There is the possibility - not covered by the invention - that the first partial coolant flow field with its first coolant channels is only present in a first half of the active area, and that the second partial coolant flow field with its second coolant channels is only present in a second half of the active area. In this way, the two partial coolant flow fields are strictly separated from one another and preferably bisect the bipolar plate in its active area.

Die Gleichverteilung wird aber erfindungsgemäß dadurch begünstigt, wenn die ersten Kühlmittelkanäle und die zweiten Kühlmittelkanäle über den aktiven Bereich hinweg alternierend vorliegen, sodass das erste Teilkühlmittelflussfeld mit dem zweiten Teilkühlmittelflussfeld verschränkt ist.According to the invention, however, equal distribution is promoted if the first coolant channels and the second coolant channels alternate across the active area, so that the first partial coolant flow field is interlaced with the second partial coolant flow field.

Die Flächenausnutzung der Bipolarplatte lässt sich auch dadurch erhöhen, dass zwischen je zwei der Kühlmittelports mindestens einer der Medienports angeordnet ist. Vorzugsweise sind beide Medienports zwischen je zwei der Kühlmittelports angeordnet.The area utilization of the bipolar plate can also be increased by arranging at least one of the media ports between each two of the coolant ports. Both media ports are preferably arranged between each two of the coolant ports.

Die mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte verbundenen Vorteile, vorteilhaften Ausgestaltungen und Wirkungen, gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung.The advantages, advantageous configurations and effects associated with the bipolar plate according to the invention apply in the same way to the fuel cell device according to the invention.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung umfasst insbesondere einen Brennstoffzellenstapel, der mit einer Vielzahl von vorstehend erwähnten Bipolarplatten gebildet ist. Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst eine Kühlmittelleitung, in die eine Kühlmittelpumpe eingebunden ist, wobei stromauf der Kühlmittelpumpe ein Ventil in die Kühlmittelleitung eingebunden ist. Vorzugsweise ist in die Kühlmittelleitung außerdem ein Wärmetauscher, insbesondere ein Kühler eingebunden, um das durch die Brennstoffzellen erwärmte Kühlmittel wieder herunter zu kühlen. Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst außerdem mindestens vier Abzweige, die strömungsmechanisch mit der Kühlmittelleitung verbunden sind, wovon jeweils einer der Abzweige an einen der Kühlmittelports angeschlossen ist. Außerdem ist eine Bypassleitung vorhanden, die von der Kühlmittelleitung stromauf der Kühlmittelpumpe abzweigt, in die ein Bypassventil eingebunden ist, und die strömungsmechanisch mit einem der Abzweige an einer Mündung verbunden ist.The fuel cell device according to the invention comprises in particular a fuel cell stack which is formed with a multiplicity of bipolar plates mentioned above. The fuel cell device comprises a coolant line in which a coolant pump is integrated, with a valve being integrated in the coolant line upstream of the coolant pump. A heat exchanger, in particular a cooler, is preferably also integrated into the coolant line in order to cool down the coolant heated by the fuel cells again. The fuel cell device also includes at least four branches that are fluidically connected to the coolant line, one of the branches being connected to one of the coolant ports. There is also a bypass line which branches off from the coolant line upstream of the coolant pump, in which a bypass valve is incorporated and which is fluidically connected to one of the branches at an orifice.

Mit der gewählten Konfiguration der Brennstoffzellenvorrichtung ist es möglich, den Kühlmittelfluss durch die Bipolarplatten gezielt einzustellen. Entweder erfolgt der Kühlmittelfluss simultan durch beide Teilkühlmittelflussfelder in gleicher Richtung oder es erfolgt ein Kühlmittelfluss in zwei entgegengesetzten Richtungen, wobei nach dem Austreten des Kühlmittels aus der Bipolarplatte diese zunächst noch einmal vom Kühlmittel durchlaufen wird, bevor das Kühlmittel wieder bei der Kühlmittelpumpe angelangt.With the selected configuration of the fuel cell device, it is possible to adjust the coolant flow through the bipolar plates in a targeted manner. Either the coolant flow occurs simultaneously through both partial coolant flow fields in the same direction or there is a coolant flow in two opposite directions, whereby after the coolant has exited the bipolar plate, the coolant first passes through it again before the coolant arrives at the coolant pump again.

Um die Strömungsrichtung definiert einstellen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in den Abzweig mit der Mündung ein zweites Ventil eingebunden ist, welches auf einer dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite der Mündung vorliegt. Dieses zweite Ventil kann nicht nur genutzt werden, um im Froststartbetrieb die Strömung gezielt zu richten, es dient im Normalbetrieb auch als Drossel, um eine präzise Einstellung der Gleichverteilung des Kühlmittels über die Bipolarplatte hinweg zu realisieren.In order to be able to adjust the direction of flow in a defined manner, it has proven to be advantageous if a second valve is integrated into the branch with the orifice, which is on a side of the orifice facing away from the fuel cell stack. This second valve can not only be used to direct the flow in a targeted manner during frost start operation, it also serves as a throttle during normal operation in order to achieve precise adjustment of the even distribution of the coolant across the bipolar plate.

Die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Bipolarplatte und der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung erwähnten Vorteile, vorteilhaften Ausgestaltungen und Wirkungen gelten in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.The advantages, advantageous configurations and effects mentioned in connection with the bipolar plate according to the invention and the fuel cell device according to the invention apply in the same way to the method according to the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung erfolgt insbesondere

  • entweder A) in einem Froststartbetrieb, bei welchem das Ventil geschlossen ist oder geschlossen wird, und bei welchem das Bypassventil geöffnet ist oder geöffnet wird, wobei das Kühlmittel ausgehend von der Kühlmittelpumpe von dieser durch die Kühlmittelleitung an den ersten Kühlmittelport und damit durch das erste Teilkühlmittelflussfeld gefördert wird, wobei es am zweiten Kühlmittelport wieder aus dem ersten Teilkühlmittelflussfeld austritt, wobei es anschließend am vierten Kühlmittelport angelangt und damit durch das zweite Teilkühlmittelflussfeld gefördert wird, wobei es am dritten Kühlmittelport wieder aus dem zweiten Teilkühlmittelflussfeld austritt, und wobei es ausgehend von dem dritten Kühlmittelport durch die Bypassleitung zurück zur Kühlmittelpumpe geleitet wird,
  • oder B) in einem Normalbetrieb, bei welchem das Ventil geöffnet ist oder geöffnet wird, und bei welchem das Bypassventil geschlossen ist oder geschlossen wird, wobei das Kühlmittel ausgehend von der Kühlmittelpumpe von dieser durch die Kühlmittelleitung sowohl an den ersten Kühlmittelport als auch an den dritten Kühlmittelport und damit simultan in gleicher Richtung durch das erste Teilkühlmittelflussfeld und durch das zweite Teilkühlmittelflussfeld gefördert wird, wobei es am zweiten Kühlmittelport und am vierten Kühlmittelport wieder aus den beiden Teilkühlmittelflussfeldern austritt und über die Abzweige zurück in die Kühlmittelleitung geführt wird, durch die es anschließend zurück zur Kühlmittelpumpe geleitet wird.
The method according to the invention for operating the fuel cell device takes place in particular
  • either A) in a freeze start operation, in which the valve is closed or is closed, and in which the bypass valve is opened or is opened, the coolant starting from the coolant pump from this through the coolant line to the first coolant port and thus through the first partial coolant flow field is conveyed, exiting again from the first partial coolant flow field at the second coolant port, wherein it then arrives at the fourth coolant port and is thus conveyed through the second partial coolant flow field, wherein it exits again from the second partial coolant flow field at the third coolant port, and starting from the third coolant port is routed back to the coolant pump through the bypass line,
  • or B) in a normal operation, in which the valve is opened or is opened, and in which the bypass valve is closed or is closed, the coolant starting from the coolant pump from this through the coolant line to both the first coolant port and the third Coolant port and thus simultaneously in the same direction through the first part of the coolant flow field and through the second part of the coolant flow field, whereby it emerges at the second coolant port and at the fourth coolant port from the two part of the coolant flow field and is guided via the branches back into the coolant line, through which it is then returned is routed to the coolant pump.

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass im Froststartbetrieb auch das zweite Ventil geschlossen ist oder geschlossen wird, da dann eine gezielte Richtung der Strömung des Kühlmittels über die Bipolarplatte bewirkt wird.It is provided according to the invention that the second valve is also closed or will be closed during frost start operation, since a targeted direction of the flow of the coolant over the bipolar plate is then brought about.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn im Normalbetrieb das zweite Ventil teilgeschlossen ist oder teilgeschlossen wird, wodurch das zweite Ventil den Zufluss an Kühlmittel zu einem der beiden Teilkühlmittelflussfelder drosselt und damit eine gezielte Einstellbarkeit der Gleichverteilung im Normalbetrieb bewirkt.It has proven to be advantageous if the second valve is partially closed during normal operation, as a result of which the second valve throttles the inflow of coolant to one of the two partial coolant flow fields and thus brings about a targeted adjustability of the equal distribution in normal operation.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without going beyond the scope of the leave invention. Embodiments are therefore also to be regarded as included and disclosed by the invention which are not explicitly shown or explained in the figures, but which result from the explained embodiments and can be generated by means of separate combinations of features.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung,
  • 2 eine schematische und perspektivischer Ansicht auf den Brennstoffzellenstapel mit der zugehörigen Verschaltung der Kühlmittelführung,
  • 3 eine schematische Ansicht auf eine Bipolarplatte, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung in einem Froststartbetrieb betrieben wird, in welchem das Kühlmittel die Bipolarplatte zweimal durchläuft (siehe Strömungspfeile), und,
  • 4 eine der 3 entsprechende Darstellung der Bipolarplatte, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung in einem Normalbetrieb betrieben wird, in welchem das Kühlmittel aufgeteilt ist, aber die Bipolarplatte lediglich einmal durchläuft.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device,
  • 2 a schematic and perspective view of the fuel cell stack with the associated interconnection of the coolant supply,
  • 3 a schematic view of a bipolar plate, the fuel cell device being operated in a frost start mode in which the coolant passes through the bipolar plate twice (see flow arrows), and,
  • 4 one of the 3 corresponding representation of the bipolar plate, wherein the fuel cell device is operated in a normal mode in which the coolant is divided, but the bipolar plate passes through only once.

In der 1 ist schematisch eine beispielsweise in einem Kraftfahrzeug oder in einem Schiff nutzbare Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 2 umfasst, denen über Medienports die zum Betrieb erforderlichen Medien einschließlich des Kühlmittels zugeführt und abgeführt werden.In the 1 a fuel cell device 1 that can be used, for example, in a motor vehicle or in a ship is shown schematically, this comprising a plurality of fuel cells 2 combined in a fuel cell stack 3, to which the media required for operation, including the coolant, are supplied and discharged via media ports.

Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.Each of the fuel cells 2 comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated polytetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can also be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 2 dienen.A catalyst can also be added to the anodes and/or the cathodes, the membranes preferably being coated on their first side and/or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like , which serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell 2.

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) aus einem Brennstofftank 13 zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2→ 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.The anode can be supplied with fuel (for example hydrogen) from a fuel tank 13 via an anode space. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The PEM lets the protons through but is impermeable to the electrons. At the anode, for example, the reaction takes place: 2H2→ 4H + + 4e - (oxidation/donation of electrons). While the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or an energy storage device via an external circuit.

Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).The cathode gas (for example oxygen or oxygen-containing air) can be fed to the cathode via a cathode chamber, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction/electron acceptance).

Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen 2 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 32 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 3 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 32 nachgelagerten Ladeluftkühler 5 und einem diesem nachgelagerten Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen 2 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.Since several fuel cells 2 are combined in the fuel cell stack 3, a sufficiently large quantity of cathode gas must be made available so that a large cathode gas mass flow or fresh gas flow is made available by a compressor 32, with the temperature of the cathode gas increasing sharply as a result of the compression of the cathode gas. The conditioning of the cathode gas or the fresh air gas flow, i.e. its adjustment with regard to the temperature and humidity desired in the fuel cell stack 3, takes place in a charge air cooler 5 downstream of the compressor 32 and a humidifier 4 downstream of this, which saturates the membranes of the fuel cells 2 with moisture in order to increase their efficiency causes, since this favors the proton transport.

Die Versorgung der Brennstoffzellen 2 mit den Betriebsmedien und mit dem Kühlmittel wird über sogenannte Bipolarplatten 8 sichergestellt, die auf ihren beiden gegenüberliegenden Seiten mit Flussfeldern für die beiden Reaktanten versehen sind.The supply of the fuel cells 2 with the operating media and with the coolant is ensured via so-called bipolar plates 8, which are provided with flow fields for the two reactants on their two opposite sides.

In 2 ist die Kühlmittelversorgung der Brennstoffzellenvorrichtung 1 schematisch dargestellt, wobei die Bipolarplatte 8 ebenfalls näher zu erkennen ist. Sie umfasst einen ersten Medienport 6 zur Zuleitung eines Anodenbetriebsmediums an ein Anodenflussfeld und einen zweiten Medienport 7 zur Ausleitung eines Anodenabgases aus dem Anodenflussfeld. Außerdem ist ein dritter Medienport 11 zur Zuleitung eines Kathodenbetriebsmediums an ein Kathodenflussfeld und ein vierter Medienport 15 zur Ausleitung eines Kathodenabgases aus dem Kathodenflussfeld zu erkennen. Die vorliegende Bipolarplatte 8 umfasst außerdem insgesamt vier Kühlmittelports 16, 17, 18, 19 für die Zuleitung bzw. Ausleitung eines Kühlmittels.In 2 the coolant supply of the fuel cell device 1 is shown schematically, wherein the bipolar plate 8 can also be seen in more detail. It comprises a first media port 6 for supplying an anode operating medium to an anode flow field and a second media port 7 for discharging an anode waste gas from the anode flow field. A third media port 11 for supplying a cathode operating medium to a cathode flux field and a fourth media port 15 for discharging a cathode exhaust gas from the cathode flux field can also be seen. The present bipolar plate 8 also includes a total of four coolant ports 16, 17, 18, 19 for supplying or discharging a coolant.

Die Kühlmittelversorgung des Brennstoffzellenstapels 3 umfasst dabei eine Kühlmittelleitung 24, in die eine Kühlmittelpumpe 25 eingebunden ist, wobei stromauf der Kühlmittelpumpe 25 ein Ventil 26 in die Kühlmittelleitung 24 eingebunden ist. Außerdem sind insgesamt vier Abzweige 27 vorhanden, die strömungsmechanisch mit der Kühlmittelleitung 24 verbunden sind, wovon jeweils einer der Abzweige 27 an einen der Kühlmittelports 16, 17, 18, 19 angeschlossen ist. Die Kühlmittelversorgung umfasst außerdem eine Bypassleitung 28, die von der Kühlmittelleitung 24 stromauf der Kühlmittelpumpe 25 abzweigt, in die ein Bypassventil 29 eingebunden ist, und die strömungsmechanisch mit einem der Abzweige 27 an einer Mündung 30 verbunden ist. Derjenige Abzweig 27, an welchem sich die Mündung 30 befindet, weist außerdem ein zweites Ventil 31 auf, welches auf einer dem Brennstoffzellenstapel 3 abgewandten Seite der Mündung 30 in den Abzweig 27 eingebunden ist. Nicht näher gezeigt ist ein Kühler oder ein Wärmetauscher, der einen Wärmeaustausch mit dem in der Kühlmittelleitung 24 strömenden Kühlmittel bewirkt. Es ist die Möglichkeit vorhanden, dass auch weitere Komponenten in die Kühlmittelleitung 24 eingebunden sind, wie beispielsweise Filter, Kühlmittelausgleichsbehälter etc..The coolant supply of the fuel cell stack 3 includes a coolant line 24 in which a coolant pump 25 is integrated, with a valve 26 being integrated in the coolant line 24 upstream of the coolant pump 25 . In addition, there are a total of four branches 27 which are fluidically connected to the coolant line 24 , one of the branches 27 being connected to one of the coolant ports 16 , 17 , 18 , 19 . The coolant supply also includes a bypass line 28 which branches off from the coolant line 24 upstream of the coolant pump 25, in which a bypass valve 29 is integrated and which is fluidically connected to one of the branches 27 at an orifice 30. The branch 27 on which the opening 30 is located also has a second valve 31 which is integrated into the branch 27 on a side of the opening 30 facing away from the fuel cell stack 3 . A cooler or a heat exchanger that effects heat exchange with the coolant flowing in the coolant line 24 is not shown in detail. There is the possibility that other components are also integrated into the coolant line 24, such as filters, coolant expansion tanks, etc.

Durch eine geeignete Ventilstellung der Ventile 26, 29, 31 lässt sich die Strömung des Kühlmittels über die Bipolarplatte 8 verändern. Auf diese Weise ist es möglich, zwischen einem Normalbetrieb und einem Froststartbetrieb umzuschalten, wobei im Froststartbetrieb die Wärme besser im System gehalten und damit die Erwärmung beschleunigt wird.through a suitable Valve position of valves 26, 29, 31 the flow of the coolant over the bipolar plate 8 can be changed. In this way it is possible to switch between normal operation and frost start operation, with the heat being better retained in the system in frost start operation and thus heating is accelerated.

In 3 ist die Strömung des Kühlmittels im Froststartbetrieb in einer der Bipolarplatten 8 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass ein erster der Kühlmittelports 16 einenends strömungsmechanisch mit einem ersten Teilkühlmittelflussfeld 20 verbunden ist, wobei ein zweiter der Kühlmittelports anderenends strömungsmechanisch ebenfalls mit dem ersten Teilkühlmittelflussfeld 20 verbunden ist. Außerdem ist ein dritter der Kühlmittelports 18 einenends strömungsmechanisch mit einem zweiten Teilkühlmittelflussfeld 21 verbunden, wobei ein vierter der Kühlmittelports 19 anderenends strömungsmechanisch ebenfalls mit dem zweiten Teilkühlmittelflussfeld 21 verbunden ist. Außerdem ist zu erkennen, dass in einem aktiven Bereich, in welchem in benachbarten Lagen die Brennstoffzellenreaktion erfolgt, das erste Teilkühlmittelflussfeld 20 eine Mehrzahl von ersten Kühlmittelkanälen 22 und das zweite Teilkühlmittelflussfeld 21 eine Mehrzahl von zweiten Kühlmittelkanälen 23 umfasst. Außerdem liegt - von der Erfindung nicht erfasst - das erste Teilkühlmittelflussfeld 20 mit seinen ersten Kühlmittelkanälen 22 nur in einer ersten (oberen) Hälfte des aktiven Bereichs vor, wobei das zweite Teilkühlmittelflussfeld 21 mit seinen zweiten Kühlmittelkanälen 23 nur in einer zweiten (unteren) Hälfte des aktiven Bereichs vorliegt. Es ist jedoch erfindungsgemäß vorgesehen, dass die ersten Kühlmittelkanäle 22 und die zweiten Kühlmittelkanäle 23 über den aktiven Bereich alternierend vorliegen, sodass das erste Teilkühlmittelflussfeld 20 mit dem zweiten Teilkühlmittelflussfeld 21 verschränkt ist. Vorliegend liegt zwischen je zwei der Kühlmittelports 16, 17, 18, 19 mindestens einer der Medienports 6, 7, 11, 15. Es ist die Möglichkeit vorhanden, dass auch mehr als ein Medienport 6, 7, 11, 15 zwischen je zwei der Kühlmittelports 16, 17, 18, 19 angeordnet ist.In 3 the flow of the coolant is shown in one of the bipolar plates 8 in frost start operation. It can be seen that a first of the coolant ports 16 is fluidly connected to a first partial coolant flow field 20 at one end, while a second of the coolant ports is also fluidly connected to the first partial coolant flow field 20 at the other end. In addition, a third of the coolant ports 18 is fluidically connected to a second partial coolant flow field 21 at one end, with a fourth of the coolant ports 19 also being fluidically connected to the second partial coolant flow field 21 at the other end. It can also be seen that in an active region, in which the fuel cell reaction takes place in adjacent layers, the first partial coolant flow field 20 comprises a plurality of first coolant channels 22 and the second partial coolant flow field 21 comprises a plurality of second coolant channels 23 . In addition - not covered by the invention - the first part of the coolant flow field 20 with its first coolant channels 22 is present only in a first (upper) half of the active area, with the second part of the coolant flow field 21 with its second coolant channels 23 only in a second (lower) half of the active area is present. However, it is provided according to the invention that the first coolant channels 22 and the second coolant channels 23 are present in alternation over the active area, so that the first partial coolant flow field 20 is interlaced with the second partial coolant flow field 21 . In the present case, at least one of the media ports 6, 7, 11, 15 is located between each two of the coolant ports 16, 17, 18, 19. There is the possibility that more than one media port 6, 7, 11, 15 is also located between each two of the coolant ports 16, 17, 18, 19 is arranged.

3 zeigt die Situation in einem Froststartbetrieb. In diesem Froststartbetrieb ist oder wird das Ventil 26 geschlossen, wobei das Bypassventil 29 geöffnet ist oder geöffnet wird. Das Kühlmittel wird hierbei ausgehend von der Kühlmittelpumpe 25 durch die Kühlmittelleitung 24 an den ersten Kühlmittelport 16 und damit durch das erste Teilkühlmittelflussfeld 20 gefördert, bis es am zweiten Kühlmittelport 17 wieder aus dem ersten Teilkühlmittelflussfeld 20 austritt. 3 shows the situation in a frost start mode. In this frost start mode, valve 26 is or will be closed, with bypass valve 29 being or being opened. Starting from the coolant pump 25, the coolant is conveyed through the coolant line 24 to the first coolant port 16 and thus through the first partial coolant flow field 20 until it emerges again from the first partial coolant flow field 20 at the second coolant port 17.

Im Froststartbetrieb gelangt es anschließend am vierten Kühlmittelport 19 an und wird durch das zweite Teilkühlmittelflussfeld 21 gefördert, wobei es am dritten Kühlmittelport 18 wieder aus dem zweiten Teilkühlmittelflussfeld 21 austritt. Ausgehend von dem dritten Kühlmittelport wird das Kühlmittel dann durch die Bypassleitung 28 zurück zur Kühlmittelpumpe 25 geleitet.In frost start mode, it then arrives at the fourth coolant port 19 and is conveyed through the second partial coolant flow field 21 , exiting the second partial coolant flow field 21 again at the third coolant port 18 . Starting from the third coolant port, the coolant is then routed back to the coolant pump 25 through the bypass line 28 .

Somit durchläuft das Kühlmittel die Bipolarplatte 8 also zweimal, bevor es wieder am Kühler vorbeigeführt und wieder heruntergekühlt wird. Die Strömung des Kühlmittels verläuft - wie sich anhand der Pfeile in 3 entnehmen lässt - durch das erste Teilkühlmittelflussfeld 20 und das zweite Teilkühlmittelflussfeld 21 entgegengesetzt. Im Froststartbetrieb wird oder ist vorzugsweise das zweite Ventil 31 ebenfalls geschlossen.The coolant thus runs through the bipolar plate 8 twice before it is guided past the cooler again and cooled down again. The flow of the coolant is - as can be seen from the arrows in 3 can be seen - opposed by the first partial coolant flow field 20 and the second partial coolant flow field 21. In the frost start mode, the second valve 31 is or is preferably also closed.

In 4 ist die Situation illustriert, bei welchem sich die Brennstoffzellenvorrichtung 1 in einem Normalbetrieb befindet. Im Normalbetrieb ist oder wird das Ventil 26 geöffnet, wobei das Bypassventil 29 geschlossen ist oder geschlossen wird.In 4 the situation is illustrated in which the fuel cell device 1 is in normal operation. In normal operation, the valve 26 is or will be opened, with the bypass valve 29 being closed or being closed.

Im Normalbetrieb wird das Kühlmittel ausgehend von der Kühlmittelpumpe 25 von dieser durch die Kühlmittelleitung 24 sowohl an den ersten Kühlmittelport 16 als auch an den dritten Kühlmittelport 18 und damit simultan in gleicher Richtung durch das erste Teilkühlmittelflussfeld 20 und durch das zweite Teilkühlmittelflussfeld 21 gefördert, wobei es am zweiten Kühlmittelport 17 und am vierten Kühlmittelport 19 wieder aus den beiden Teilkühlmittelflussfeldern 20, 21 austritt. Über die Abzweige 27 wird das Kühlmittel dann zurück in die Kühlmittelleitung 24 geführt, die es anschließend zurück zur Kühlmittelpumpe 25 leitet, gegebenenfalls nachdem es einen Kühler durchlaufen hat.In normal operation, the coolant is conveyed from the coolant pump 25 through the coolant line 24 both to the first coolant port 16 and to the third coolant port 18 and thus simultaneously in the same direction through the first partial coolant flow field 20 and through the second partial coolant flow field 21, whereby it exits again from the two partial coolant flow fields 20, 21 at the second coolant port 17 and at the fourth coolant port 19. The coolant is then routed back via the branches 27 to the coolant line 24, which then routes it back to the coolant pump 25, optionally after it has passed through a cooler.

Im Normalbetrieb wird oder ist das zweite Ventil 31 teilgeschlossen, wodurch das zweite Ventil 31 den Zufluss an Kühlmittel zu einem der beiden Teilkühlmittelflussfelder 20, 31 drosselt und somit eine Gleichverteilung des Kühlmittels realisiert.In normal operation, the second valve 31 is or is partially closed, as a result of which the second valve 31 throttles the inflow of coolant to one of the two partial coolant flow fields 20, 31 and thus implements an equal distribution of the coolant.

Insgesamt zeichnet sich die vorliegende Erfindung durch ein verbessertes Aufheizverhalten des Brennstoffzellenstapels 3, insbesondere unter Froststartbedingungen aus. Die entsprechenden Vorteile realisieren sich insbesondere bei sehr großen Systemen, wie beispielsweise beim Einsatz der Brennstoffzellenvorrichtung in einem Lastkraftwagen oder auch in einem Schiff. Aufgrund der gewählten Anordnung der Zuleitungen und Ableitungen an der Bipolarplatte 8 weist diese eine verbesserte und effektivere Flächenausnutzung auf; diese führt auch zu reduzierten Druckverlusten. Insgesamt liegt eine erhöhte Systemeffizienz und eine verbesserte Gleichverteilung aller Medien über die Bipolarplatten 8 des Brennstoffzellenstapels 3 vor.Overall, the present invention is distinguished by an improved heating behavior of the fuel cell stack 3, in particular under frost start conditions. The corresponding advantages are realized in particular in very large systems, such as when using the fuel cell device in a truck or in a ship. Due to the chosen arrangement of the supply lines and discharge lines on the bipolar plate 8, this has an improved and more effective use of space; this also leads to reduced pressure losses. Overall, there is an increased system efficiency and an improved equal distribution of all media over the bipolar plates 8 of the fuel cell stack 3 .

BezugszeichenlisteReference List

11
Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device
22
Brennstoffzellefuel cell
33
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
44
Befeuchterhumidifier
55
Ladeluftkühlerintercooler
66
erster Medienport (Einlass)first media port (entrance)
77
zweiter Medienport (Auslass)second media port (outlet)
88th
Bipolarplattebipolar plate
99
Frischluftleitungfresh air line
1010
Kathodenabgasleitungcathode exhaust line
1111
dritter Medienport (Einlass)third media port (entrance)
1212
Brennstoffleitungfuel line
1313
Brennstofftankfuel tank
1414
Rezirkulationsleitungrecirculation line
1515
vierter Medienport (Auslass)fourth media port (outlet)
1616
erster Kühlmittelportfirst coolant port
1717
zweiter Kühlmittelportsecond coolant port
1818
dritter Kühlmittelportthird coolant port
1919
vierter Kühlmittelportfourth coolant port
2020
erstes Teilkühlmittelflussfeldfirst partial coolant flow field
2121
zweites Teilkühlmittelflussfeldsecond partial coolant flow field
2222
erster Kühlmittelkanalfirst coolant channel
2323
zweiter Kühlmittelkanalsecond coolant channel
2424
Kühlmittelleitungcoolant line
2525
Kühlmittelpumpecoolant pump
2626
VentilValve
2727
Abzweigbranch
2828
Bypassleitungbypass line
2929
Bypassventilbypass valve
3030
Mündungmouth
3131
zweites Ventilsecond valve
3232
Verdichtercompressor

Claims (6)

Bipolarplatte (8) für einen Brennstoffzellenstapel (3) einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), mit einem ersten Medienport (6) zur Zuleitung eines Anodenbetriebsmediums an ein Anodenflussfeld und einem zweiten Medienport (7) zur Ausleitung eines Anodenabgases aus dem Anodenflussfeld, mit einem dritten Medienport (11) zur Zuleitung eines Kathodenbetriebsmediums an ein Kathodenflussfeld und einem vierten Medienport (15) zur Ausleitung eines Kathodenabgases aus dem Kathodenflussfeld, und mit vier Kühlmittelports (16, 17, 18, 19) für die Zuleitung beziehungsweise Ausleitung eines Kühlmittels, wobei ein erster der Kühlmittelports (16) einenends strömungsmechanisch mit einem ersten Teilkühlmittelflussfeld (20) verbunden ist, dass ein zweiter der Kühlmittelports (17) anderenends strömungsmechanisch mit dem ersten Teilkühlmittelflussfeld (20) verbunden ist, dass ein dritter der Kühlmittelports (18) einenends strömungsmechanisch mit einem zweiten Teilkühlmittelflussfeld (21) verbunden ist, und dass ein vierter der Kühlmittelports (19) anderenends strömungsmechanisch mit dem zweiten Teilkühlmittelflussfeld (21) verbunden ist, wobei in einem aktiven Bereich, in welchem in benachbarten Lagen die Brennstoffzellenreaktion erfolgt, das erste Teilkühlmittelflussfeld (20) eine Mehrzahl von ersten Kühlmittelkanälen (22) und das zweite Teilkühlmittelflussfeld (21) eine Mehrzahl von zweiten Kühlmittelkanälen (23) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kühlmittelkanäle (22) und die zweiten Kühlmittelkanäle (23) über den aktiven Bereich alternierend vorliegen, so dass das erste Teilkühlmittelflussfeld (20) mit dem zweiten Teilkühlmittelflussfeld (21) verschränkt ist.Bipolar plate (8) for a fuel cell stack (3) of a fuel cell device (1), with a first media port (6) for supplying an anode operating medium to an anode flow field and a second media port (7) for discharging an anode waste gas from the anode flow field, with a third media port ( 11) for supplying a cathode operating medium to a cathode flow field and a fourth media port (15) for discharging a cathode exhaust gas from the cathode flow field, and having four coolant ports (16, 17, 18, 19) for supplying or discharging a coolant, with a first of the coolant ports (16) is fluidically connected at one end to a first partial coolant flow field (20), that a second of the coolant ports (17) is fluidly mechanically connected to the first partial coolant flow field (20) at the other end, that a third of the coolant ports (18) is fluidly mechanically connected at one end to a second partial coolant flow field ( 21) is connected, and that a fourth of the coolant ports (19) is fluidically connected at the other end to the second partial coolant flow field (21), wherein in an active area, in which the fuel cell reaction takes place in adjacent layers, the first partial coolant flow field (20) has a plurality of first coolant channels (22) and the second partial coolant flow field (21) comprises a plurality of second coolant channels (23), characterized in that the first coolant channels (22) and the second coolant channels (23) alternate over the active region, so that the first Partial coolant flow field (20) is intertwined with the second partial coolant flow field (21). Bipolarplatte (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen je zwei der Kühlmittelports (16, 17, 18, 19) mindestens einer der Medienports (6, 7, 11, 15) angeordnet ist.bipolar plate (8) after claim 1 , characterized in that between each two of the coolant ports (16, 17, 18, 19) at least one of the media ports (6, 7, 11, 15) is arranged. Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (3) umfassend eine Vielzahl von Bipolarplatten (8) nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Kühlmittelleitung (24), in die eine Kühlmittelpumpe (25) eingebunden ist, wobei stromauf der Kühlmittelpumpe (25) ein Ventil (26) in die Kühlmittelleitung (24) eingebunden ist, mit mindestens vier Abzweigen (27), die strömungsmechanisch mit der Kühlmittelleitung (24) verbunden sind, wovon jeweils einer der Abzweige (27) an einen der Kühlmittelports (16, 17, 18, 19) angeschlossen ist, und mit einer Bypassleitung (28), die von der Kühlmittelleitung (24) stromauf der Kühlmittelpumpe (25) abzweigt, in die ein Bypassventil (29) eingebunden ist, und die strömungsmechanisch mit einem der Abzweige (27) an einer Mündung (30) verbunden ist.Fuel cell device (1) with a fuel cell stack (3) comprising a plurality of bipolar plates (8). claim 1 or 2 , with a coolant line (24) into which a coolant pump (25) is integrated, with a valve (26) being integrated into the coolant line (24) upstream of the coolant pump (25), with at least four branches (27) which flow mechanically with of the coolant line (24), of which one of the branches (27) is connected to one of the coolant ports (16, 17, 18, 19), and with a bypass line (28) which is connected from the coolant line (24) upstream of the coolant pump (25) branches off, in which a bypass valve (29) is integrated, and which is fluidically connected to one of the branches (27) at an orifice (30). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Abzweig (27) mit der Mündung (30) ein zweites Ventil (31) eingebunden ist, welches auf einer dem Brennstoffzellenstapel (3) abgewandten Seite der Mündung (30) vorliegt.Fuel cell device (1) after claim 3 , characterized in that in the branch (27) with the mouth (30), a second valve (31) is involved, which on one of the Fuel cell stack (3) facing away from the mouth (30) is present. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, entweder A) in einem Froststartbetrieb, bei welchem das Ventil (26) geschlossen ist oder geschlossen wird, und bei welchem das Bypassventil (29) geöffnet ist oder geöffnet wird, wobei das Kühlmittel ausgehend von der Kühlmittelpumpe (25) von dieser durch die Kühlmittelleitung (24) an den ersten Kühlmittelport (16) und damit durch das erste Teilkühlmittelflussfeld (20) gefördert wird, wobei es am zweiten Kühlmittelport (17) wieder aus dem ersten Teilkühlmittelflussfeld (20) austritt, wobei es anschließend am vierten Kühlmittelport (19) angelangt und damit durch das zweite Teilkühlmittelflussfeld (21) gefördert wird, wobei es am dritten Kühlmittelport (18) wieder aus dem zweiten Teilkühlmittelflussfeld (21) austritt, und wobei es ausgehend von dem dritten Kühlmittelport (18) durch die Bypassleitung (28) zurück zur Kühlmittelpumpe (25) geleitet wird, oder B) in einem Normalbetrieb, bei welchem das Ventil (26) geöffnet ist oder geöffnet wird, und bei welchem das Bypassventil (29) geschlossen ist oder geschlossen wird, wobei das Kühlmittel ausgehend von der Kühlmittelpumpe (24) von dieser durch die Kühlmittelleitung (24) sowohl an den ersten Kühlmittelport (16) als auch an den dritten Kühlmittelport (18) und damit simultan in gleicher Richtung durch das erste Teilkühlmittelflussfeld (20) und durch das zweite Teilkühlmittelflussfeld (21) gefördert wird, wobei es am zweiten Kühlmittelport (17) und am vierten Kühlmittelport (19) wieder aus den beiden Teilkühlmittelflussfeldern (20, 21) austritt und über die Abzweige (27) zurück in die Kühlmittelleitung (24) geführt wird, durch die es anschließend zurück zur Kühlmittelpumpe (25) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Froststartbetrieb auch das zweite Ventil (31) geschlossen ist oder geschlossen wird.Method for operating a fuel cell device (1). claim 3 or 4 , either A) in a frost start operation, in which the valve (26) is closed or is closed, and in which the bypass valve (29) is opened or is opened, the coolant starting from the coolant pump (25) from this through the coolant line (24) to the first coolant port (16) and thus through the first part of the coolant flow field (20), where it exits again at the second coolant port (17) from the first part of the coolant flow field (20) and then arrives at the fourth coolant port (19). and is thus conveyed through the second partial coolant flow field (21), wherein it emerges again from the second partial coolant flow field (21) at the third coolant port (18), and starting from the third coolant port (18) through the bypass line (28) back to the coolant pump (25) is passed, or B) in normal operation, in which the valve (26) is opened or is opened, and in which the bypass valve (29) is closed or is closed, the coolant starting from the coolant pump (24) from this through the coolant line (24) both to the first coolant port (16) and to the third coolant port (18) and thus simultaneously in the same direction through the first partial coolant flow field (20) and through the second partial coolant flow field (21), wherein it emerges again from the two partial coolant flow fields (20, 21) at the second coolant port (17) and at the fourth coolant port (19) and is guided via the branches (27) back into the coolant line (24), through which it is then returned to the coolant pump ( 25), characterized in that the second valve (31) is also closed or will be closed in frost start operation. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Normalbetrieb das zweite Ventil (31) teilgeschlossen ist oder teilgeschlossen wird, wodurch das zweite Ventil (31) den Zufluss an Kühlmittel zu einem der beiden Teilkühlmittelflussfelder (20, 21) drosselt.procedure after claim 5 , characterized in that in normal operation the second valve (31) is partially closed or is partially closed, whereby the second valve (31) throttles the inflow of coolant to one of the two partial coolant flow fields (20, 21).
DE102022103985.4A 2022-02-21 2022-02-21 Bipolar plate, fuel cell device and method for operating the fuel cell device Active DE102022103985B3 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022103985.4A DE102022103985B3 (en) 2022-02-21 2022-02-21 Bipolar plate, fuel cell device and method for operating the fuel cell device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022103985.4A DE102022103985B3 (en) 2022-02-21 2022-02-21 Bipolar plate, fuel cell device and method for operating the fuel cell device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022103985B3 true DE102022103985B3 (en) 2023-06-15

Family

ID=86498156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022103985.4A Active DE102022103985B3 (en) 2022-02-21 2022-02-21 Bipolar plate, fuel cell device and method for operating the fuel cell device

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102022103985B3 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08329916A (en) 1995-06-05 1996-12-13 Suzuki Motor Corp Battery apparatus for small size vehicle
JP2005339872A (en) 2004-05-25 2005-12-08 Toyota Motor Corp Fuel cell system
DE102007034300A1 (en) 2006-07-27 2008-02-14 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Flow switching of coolant at freeze start to support stack life and quick start
DE102016102176A1 (en) 2015-02-11 2016-08-11 Ford Global Technologies, Llc Fuel cell assembly with cooling system
US20170110755A1 (en) 2015-10-15 2017-04-20 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell stack
CN110767919A (en) 2019-12-26 2020-02-07 武汉中极氢能产业创新中心有限公司 Bipolar plate of fuel cell and fuel cell

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08329916A (en) 1995-06-05 1996-12-13 Suzuki Motor Corp Battery apparatus for small size vehicle
JP2005339872A (en) 2004-05-25 2005-12-08 Toyota Motor Corp Fuel cell system
DE102007034300A1 (en) 2006-07-27 2008-02-14 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Flow switching of coolant at freeze start to support stack life and quick start
DE102016102176A1 (en) 2015-02-11 2016-08-11 Ford Global Technologies, Llc Fuel cell assembly with cooling system
US20170110755A1 (en) 2015-10-15 2017-04-20 Honda Motor Co., Ltd. Fuel cell stack
CN110767919A (en) 2019-12-26 2020-02-07 武汉中极氢能产业创新中心有限公司 Bipolar plate of fuel cell and fuel cell

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ventilstellung der Ventile 26, 29, 31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102006019114B4 (en) Fuel cell system for improved hydrogen and oxygen use
DE102015203077B4 (en) fuel cell vehicle
DE102008013439B4 (en) Fuel cell stack and bipolar plate for a fuel cell
DE102006046104B4 (en) Fuel cell system and method for discharging nitrogen
DE102006051433A1 (en) Cascade-like stack with gas flow recirculation in the first stage
DE102011007378A1 (en) Fuel cell stack with a water drainage arrangement
DE10225215A1 (en) Fuel cell and method for operating the same
DE102016204474A1 (en) Heat exchanger and fuel cell system
DE102019200449A1 (en) Humidifier with coolant tubes and fuel cell device
DE102020101292A1 (en) Fuel cell system, method for operating a fuel cell system and motor vehicle
DE102022103985B3 (en) Bipolar plate, fuel cell device and method for operating the fuel cell device
WO2001009969A1 (en) Cooling system for fuel cells
DE102008009130B4 (en) A method for reducing liquid water droplets in an anode inlet to a fuel cell stack and a correspondingly designed fuel cell system
EP4008035B1 (en) Humidifier, fuel cell device comprising a humidifier, and motor vehicle
WO2003090301A2 (en) Electrode plate comprising a humidification region
DE102020128127A1 (en) Method for operating a fuel cell system and fuel cell system
WO2002097908A2 (en) Interconnector for a fuel cell
DE102019126306A1 (en) Fuel cell system
DE102019211583A1 (en) Process for manufacturing a humidifier and humidifier
DE102022101359B4 (en) Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device
DE102005026909B4 (en) Fuel cell stack and separator plate for uniform Reaktandendurchflussmengenverteilung
DE102018205995A1 (en) Apparatus for conditioning the cathode gas and fuel cell system with such a device
EP4037812B1 (en) Humidifier, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device
DE102022108522B3 (en) Fuel cell device and method for treating and using the exhaust gas on the cathode side
DE102020101528A1 (en) Fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final