WO2022042991A9 - Brennstoffzellenstapel - Google Patents

Brennstoffzellenstapel Download PDF

Info

Publication number
WO2022042991A9
WO2022042991A9 PCT/EP2021/071261 EP2021071261W WO2022042991A9 WO 2022042991 A9 WO2022042991 A9 WO 2022042991A9 EP 2021071261 W EP2021071261 W EP 2021071261W WO 2022042991 A9 WO2022042991 A9 WO 2022042991A9
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
section
fuel cell
flow
cell stack
sections
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/071261
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2022042991A1 (de
Inventor
Viktoria FRICK
Philipp Hausmann
Simon Hollnaicher
Michael Procter
Original Assignee
Cellcentric Gmbh & Co. Kg
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 Cellcentric Gmbh & Co. Kg filed Critical Cellcentric Gmbh & Co. Kg
Priority to KR1020237009731A priority Critical patent/KR20230056723A/ko
Priority to JP2023512074A priority patent/JP2023545348A/ja
Priority to EP21759252.6A priority patent/EP4205205A1/de
Priority to US18/042,805 priority patent/US20230238553A1/en
Priority to CN202180051291.5A priority patent/CN115968510A/zh
Publication of WO2022042991A1 publication Critical patent/WO2022042991A1/de
Publication of WO2022042991A9 publication Critical patent/WO2022042991A9/de

Links

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
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04149—Humidifying by diffusion, e.g. making use of membranes
    • 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
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • 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
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • 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
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04828—Humidity; Water content
    • H01M8/04835—Humidity; Water content of fuel cell reactants
    • 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
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell stack with a large number of individual cells stacked up to form a stack, according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • various peripheral components are necessary for the operation of fuel cell stacks. These include, in particular, components for processing the supply air used as an oxygen supplier and can include intercoolers and humidifiers.
  • the applicant's DE 10 2007 038 880 A1 describes a fuel cell arrangement with a fuel cell stack, a charge air cooler and a humidifier, which are combined to form a structural unit.
  • the object of the present invention is to further optimize a fuel cell stack in order to be able to implement a fuel cell system equipped with it in a compact and cost-effective manner. According to the invention, this object is achieved by a fuel cell stack having the features in claim 1, and here in particular in the characterizing part of claim 1. Advantageous refinements and developments result from the dependent subclaims.
  • the fuel cell stack according to the invention it is comparable to the fuel cell stack in the last-mentioned prior art and comprises a large number of stacked individual cells, and a humidifier is integrated into the stack and is arranged at one end of the individual cells. In principle, two humidifiers at both ends of the individual cells of the stack would also be conceivable.
  • an intercooler is arranged on the side of the at least one humidifier facing away from the individual cells.
  • Flow plates which are present for distributing fluids in the at least three sections of the stack, have the same external geometry in the fuel cell stack according to the invention. The flow plates used are therefore designed identically with regard to their external geometry, so that they can be stacked up to form an overall stack without any problems.
  • the concepts for sealing between the individual flow plates and for connecting the individual cells and the sections of the entire stack can be transferred from the previous electrochemical individual cells to the other sections of the humidifier and the charge air cooler.
  • This design ensures that all incoming airflow is evenly cooled and humidified before entering the individual cells.
  • this structure could also be transferred to the hydrogen stream, which would be preheated according to the relax and then moistened, with a humidification of the terms in general due to its volume flow much larger air flow, to adequately moisten the membranes of the individual cells realized in PEM technology.
  • connection openings of the flow plates of the at least three sections have the same geometry, with distributor plates for the media being attached between the sections.
  • the connection openings which typically form a continuous volume in a stack for distributing the media to the flow fields of the individual cells through which flow occurs in parallel, are therefore preferably identical in all flow plates.
  • each flow plate includes an opening corresponding to the anode-side inflow opening and outflow opening, an opening corresponding to the cathode-side inflow and outflow opening and an opening corresponding to the cooling medium inflow and outflow opening analogously to the flow plates of the individual electrochemical cells.
  • Connection openings ensure channels of the sections to one another or, for example, also ensure corresponding connection openings for the cooling medium if this is merely passed through the area of the intercooler and/or the humidifier.
  • Another very favorable embodiment of the fuel cell stack according to the invention provides that in the section used as a charge air cooler, thermally conductive, temperature-resistant foils are arranged between two flow plates, through which the inflowing gas and the outflowing gas flow alternately.
  • the individual flow plates can be designed for the section of the heat exchanger as well as for the section of the humidifier in such a way that flow channels for one of the gas flows, for example the supplied gas, are formed on their one surface and flow channels for the outflowing gas are formed on their opposite side .
  • the plates are then arranged mutually twisted, so that between the plates in the case of heat-exchanging section, the thermally conductive, temperature-resistant foils and, in the case of the section used as a humidifier, for water vapor-permeable membranes. This allows for a simpler and more efficient construction.
  • the structure can be implemented on one or both sides of the individual cells at the respective ends of the stack. This can also contribute to the fact that the thermal management of the individual cells in the end area of the stack is improved accordingly, because they are now adjacent to the humidifiers and do not cool down more due to their arrangement adjacent to the end plates of the stack, which is the case with structures according to the prior art is sometimes difficult. This further simplifies the structure of the end plates, since electrical heating of the same can be dispensed with in a structure of the stack according to the invention, at least if these are not arranged adjacent to the individual cells, but rather adjacent to the structure of charge air cooler and humidifier.
  • a structure can also be implemented in addition to or as an alternative to the structure described for heat exchange between the inflowing and outflowing gas, which, comparable to the structures of the flow fields in the electrochemical cells, has these in such a way that on one Side have a flow field for one of the media and on their other side for a cooling medium. If two such panels are connected to one another back to back, a structure is created in which, for example, the supply air can flow on one side and the exhaust air can flow on the other side of the sandwich, with a cooling medium flowing in between.
  • the flow is such that the cooling medium first flows through the individual cells and then through a section of the fuel cell stack constructed in this way, which is used as a charge air cooler.
  • This can also be done in a similar way in the area of the humidifier, so that here too the structures can be implemented in accordance with those of the electrochemical individual cells, but without the gas diffusion layers and catalysts.
  • the same membranes could even be used here, with a further advantage being able to be achieved here through more cost-effective membranes.
  • the cooling medium could be used to cool the inflowing gases during humidification.
  • fuel cell stacks of this type can preferably be designed using PEM technology and are used in particular, but not exclusively, in vehicles.
  • vehicles for example in passenger cars or commercial vehicles, such as in particular trucks, they serve to provide electrical drive power from entrained hydrogen and air sucked in from the environment as an oxygen supplier.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first possible embodiment of a fuel cell stack according to the invention
  • FIG. 2 shows an alternative possible configuration of a fuel cell stack according to the invention in a representation analogous to that in FIG. 1;
  • FIG. 3 top view of a flow plate such as can be used, for example, in the area of the section used as an intercooler or humidifier;
  • FIG. 4 shows a schematic sectional illustration through a detail of flow plates in the section used as charge air cooler and/or humidifier with flow plates according to FIG. 3;
  • FIG. 5 shows a flow plate analogous to that in FIG. 3 in an alternative embodiment
  • FIG. 6 shows a structure analogous to that in FIG. 4 with flow plates according to the structure shown in FIG.
  • a possible structure of a fuel cell stack 1 is shown in an embodiment according to the invention.
  • An electrochemical section 3 which is provided with a plurality of individual cells for providing the electrical power.
  • This section 3 consists of stacked individual cells using PEM technology and essentially corresponds to a conventional fuel cell stack or fuel cell stack.
  • a humidifier section 4 followed by a heat exchanger section 5.
  • the humidifier section 4 is used to humidify the incoming air flowing into the electrochemical section 3 in which moisture from the exhaust air of the electrochemical section 3 is used for humidification.
  • the structure is a plate humidifier with membranes 22 permeable to water vapor, which are shown later.
  • the heat exchanger section 5 serves as an intercooler in order to correspondingly cool the supply air, which is typically hot and dry after its compression, for example from temperatures of 200 to 250 °C, which are usual after compression, to a temperature level of approx. 100 °C, for example 80 to 120 °C.
  • the flow path is now shown by the arrows.
  • the supply air flows on one side of the heat exchanger section 5 at the point designated by 6 and flows through it. It is then deflected by a distribution plate, not shown here, after it has flowed through the flow plates of the heat exchanger section 5 in parallel. Now it flows in series through the humidifier section 4, within which it also flows parallel to one another through the individual flow plates.
  • the supply air flow cooled and humidified in this way then arrives in the area of a further distribution plate and at the point designated here as 7 in the electrochemical section 3 and flows through its individual cells in parallel.
  • the moist exhaust air from the electrochemical section 3 then returns to the humidifier section 4 at the point designated 8 and releases the moisture contained in it to the supply air.
  • the exhaust air then flows into the heat exchanger section 5 and absorbs heat from the supply air flow before it flows out of the fuel cell stack 1 again at point 9 .
  • this entire structure is provided at one end of the electrochemical section 3 and is integrated between the end plates 2 of the structure.
  • the structure could also be designed as indicated in FIG.
  • the structure is correspondingly integrated at both ends of the electrochemical section 3, without the flow being explicitly drawn again here, which makes additional connecting lines necessary.
  • the two end plates 2 are arranged in a conventional manner immediately adjacent to the electrochemical section 3, while the humidifier sections 4 and the heat exchanger sections 5 are provided as charge air coolers outside the end plates 2 on both sides.
  • Both structures according to FIGS. 1 and 2 can be combined with one another as desired, so the structure could also be provided on both sides of the electrochemical section 3 inside the end plates 2, for example, or only on one side, analogous to the representation in FIG. 1 but outside of the end plate 2, as indicated in FIG.
  • the individual sections 3, 4, 5 now include flow plates 10, 10'.
  • These flow plates 10, 10' which are often designed as bipolar plates, are fundamentally known to the person skilled in the art from the field of the electrochemical section and here of the individual cells.
  • This type of flow plates can now also be used largely identically in the other sections 4, 5, whereby it is also possible to switch to more cost-effective materials and manufacturing processes for the flow plates, but without changing the geometry of the same, and this relates in particular to the outer one Geometry and the geometry of port openings to change.
  • the entire structure can then be stacked in the manner known from the electrochemical section 3 and sealed via seals between the individual flow plates 10, 10' simply, reliably and in the manner known per se.
  • FIG. 10 A plan view of a possible structure of two such flow plates 10, 10' can be seen in FIG. They include three port openings on each side. These connection openings are denoted by reference numerals 11, 12 and 13 on one side and 14, 15, 16 on the other side.
  • connection openings are denoted by reference numerals 11, 12 and 13 on one side and 14, 15, 16 on the other side.
  • the connections 11 and 16 on the side facing the viewer should now be connected to one another via a flow field 17 be connected, which is indicated by the corresponding areas between the flow field 17 and the respective connection openings 11 and 16, the so-called manifolds 18.
  • a flow channel denoted by 20 is thus formed.
  • the two cooling water connections 12, 15 are then connected to one another on the opposite side of the flow plate 10, which is not visible here.
  • a coolant channel designated 19 is thus formed.
  • the channel for the cooling medium designated 19 here
  • the channel designated 20 for one medium on the opposite side on the surface of the other flow plate 10' a channel for the other medium.
  • a membrane or film 22 is now arranged between the channels 20, 21 for one medium and the other, and this is how it can be seen in the illustration in FIG. In the area of the humidifier section 4, this membrane or foil 22 can be a membrane permeable to water vapor, which thus enables an exchange of water vapor between the media flowing in the channel 20 and 21.
  • the dry supply air and the moist exhaust air are conducted in the respective channels 20, 21 in order to be able to humidify the dry intake air in the humidifier section 4 by the moist exhaust air.
  • such membranes are typically unsuitable because they do not withstand the relatively high temperatures of the compressed, dry and hot supply air, or do not do so in the long term.
  • metal foils, graphite foils as Membrane or foil 22 or the like can be used, which are correspondingly temperature-resistant and enable good heat exchange between the hot supply air and the much cooler exhaust air.
  • temperature control can also be achieved in both cases via the cooling medium flowing in the cooling channel 19, analogously to the structure of the individual cells in the electrochemical region 3.
  • FIGS. 3 and 4 As an alternative to the construction described in FIGS. 3 and 4, however, a variant is also conceivable which is of correspondingly simpler design and dispenses with the additional flow of cooling medium and the cooling channel 19 required for this. Only a single flow plate 10 is then necessary for this, as indicated accordingly in the representation of FIG.
  • This flow plate 10 corresponds in its geometry to the previously shown flow plate 10. On the rear side, which cannot be seen here, it is not the openings 12 and 15 that are connected to one another, but the openings 13 and 14, so that a structure is created which, on the one hand, one side of the flow plate 10 previously described and on the other side having one side of the flow plate 10' previously described.
  • connection openings 11 to 16 can also be used here in order to keep the geometry of the stack the same across all sections 3, 4, 5, particularly in the case of an integrated arrangement between the end plates.
  • the openings 12 and 15 typically provided for the cooling water can then, for example, not be used or can also be combined with other openings.
  • the openings 11 and 12 can be used as a common inflow opening for one medium and accordingly the openings 15 and 16 as common outflow openings. This can, for example, by connecting the individual openings in the head and Foot area take place one below the other or the openings can each be connected to the flow field 17 with their own manifolds 18 .

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenstapel (1) mit einer Vielzahl von zu einem Stapel aufgestapelten Einzelzellen, mit wenigstens einem in den Stapel integrierten Befeuchterabschnitt (4) welcher an einem Ende der Einzelzellen als elektrochemischen Abschnitt (3) angeordnet ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem elektrochemischen Abschnitt (3) abgewandten Seite des wenigstens einen Befeuchterabschnitts (4) ein Wärmetauscherabschnitt (5) angeordnet ist, wobei Strömungsplatten (10, 10') zum Verteilen von Fluiden in wenigstens drei Abschnitten (3, 4, 5) des Stapels dieselbe äußere Geometrie aufweisen.

Description

Brennstoffzellenstapel
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von zu einem Stapel aufgestapelten Einzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Zum Betrieb von Brennstoffzellenstapel sind neben dem eigentlichen Brennstoffzellenstapel mit seinen elektrochemisch aktiven Einzelzellen verschiedene Peripheriebauteile notwendig. Diese umfassen insbesondere Komponenten zur Aufbereitung der als Sauerstofflieferant genutzten Zuluft und können Ladeluftkühler und Befeuchter umfassen. Die DE 10 2007 038 880 A1 der Anmelderin beschreibt in diesem Zusammenhang eine Brennstoffzellenanordnung mit einem Brennstoffzellenstapel, einem Ladeluftkühler und einem Befeuchter, welche zur einer Baueinheit zusammengefasst sind.
Die DE 10 2007 008214 B4 beschreibt deshalb die Integration eines Befeuchters in jede einzelne elektrochemische Zelle, was jedoch mit erheblichem Aufwand einhergeht.
Eine Vereinfachung bietet dagegen ein Aufbau, bei welchem vergleichbare Strömungsplatten, wie für den Aufbau der elektrochemischen Einzelzellen, auch für den Befeuchter genutzt werden können. Diese lassen sich dann relativ einfach und deutlich effizienter als in der eingangs genannten Schrift, in welche verschiedene Bauteile zusammengefasst werden, in den Stapel der Einzelzellen integrieren. Ein solcher Aufbau ist in der US 5,200,278 A beschrieben.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin einen Brennstoffzellenstapel noch weiter zu optimieren, um ein mit ihm ausgerüstetes Brennstoffzellensystem kompakt und kostengünstig umsetzen zu können. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen im Anspruch 1 , und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel ist es so, dass dieser, vergleichbar wie der Brennstoffzellenstapel im zuletzt genannten Stand der Technik, eine Vielzahl von aufgestapelten Einzelzellen umfasst, und dass in den Stapel ein Befeuchter integriert ist, welcher an einem Ende der Einzelzellen angeordnet ist. Prinzipiell wären auch zwei Befeuchter an beiden Enden der Einzelzellen des Stapels denkbar. Erfindungsgemäß ist es so, dass auf der den Einzelzellen abgewandten Seite des wenigstens einen Befeuchters ein Ladeluftkühler angeordnet ist. Strömungsplatten, welche zum Verteilen von Fluiden in den wenigstens drei Abschnitten des Stapels vorhanden sind, weisen bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel dieselbe äußere Geometrie auf. Die eingesetzten Strömungsplatten sind also bezüglich ihrer äußeren Geometrie identisch gestaltet, sodass sie problemlos zu einem Gesamtstapel aufgestapelt werden können. Die Konzepte zur Abdichtung zwischen den einzelnenn Strömungsplatten sowie zur Verbindung der Einzelzellen und der Abschnitte des gesamten Stapels lassen sich als von den bisherigen elektrochemischen Einzelzellen auf die weiteren Abschnitte des Befeuchters und des Ladeluftkühlers übertragen.
Damit entsteht ein sehr einfacher Aufbau, welcher durch die Integration von Befeuchter und Ladeluftkühler in den Brennstoffzellenstapel und der Nutzung derselben Geometrie für alle Strömungsplatten kompakt und kostengünstig realisiert werden kann.
Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist es dabei vorgesehen, dass die Strömungsplatten jedes Abschnitts parallel und die wenigstens drei Abschnitte in Reihe durchströmt sind, wobei die einströmende Luft zuerst den Ladeluftkühler, dann den Befeuchter und dann die Kathodenseite der Einzelzellen durchströmt. Dieser Aufbau stellt sicher, dass der gesamte eintretende Luftstrom gleichmäßig abgekühlt und befeuchtet wird, bevor er in die Einzelzellen eintritt. Prinzipiell ließe sich dieser Aufbau auch auf den Wasserstoffstrom übertragen, welcher nach dem entspannen entsprechend vorgewärmt und dann befeuchtet würde, wobei im allgemeinen eine Befeuchtung des hinsichtlich seines Volumenstroms sehr viel größeren Luftstroms ausreicht, um die Membranen der in PEM-Technologie realisierten Einzelzellen ausreichend zu befeuchten.
Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist es ferner vorgesehen, dass die Anschlussöffnungen der Strömungsplatten der wenigstens drei Abschnitte dieselbe Geometrie aufweisen, wobei zwischen den Abschnitten Verteilerplatten für die Medien angebracht sind. Die Anschlussöffnungen, welche in einem Stapel typischerweise ein durchgehendes Volumen zur Verteilung der Medien auf die parallel durchströmten Strömungsfelder der Einzelzellen ausbilden, sind also vorzugsweise in allen Strömungsplatten identisch ausgeführt. Dies bedeutet, dass jede Strömungsplatte eine der anodenseitigen Zuströmöffnung und Abströmöffnung entsprechende Öffnung eine der kathodenseitigen Zustrom- und Abströmöffnung entsprechende Öffnung und eine der Kühlmedienzuström und -abströmöffnung entsprechende Öffnung analog zu den Strömungsplatten der elektrochemischen Einzelzellen beinhaltet. Um sicherzustellen, dass die gemäß der oben beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung angedachte Durchströmung der Abschnitte in Reihe erfolgt, sind dann entsprechende Verteilerplatten für die Medien zwischen den Abschnitten angeordnet, welche die hierfür gegebenenfalls notwendige Umlenkung der Strömung und die Abdichtung der durch die fluchtend angeordneten
Anschlussöffnungen ausgebildeten Kanäle der Abschnitte zueinander sicherstellen oder, beispielsweise bei den Anschlussöffnungen für das Kühlmedium auch entsprechend gewährleisten, wenn dies durch den Bereich des Ladeluftkühlers und/oder des Befeuchters lediglich durchgeleitet wird.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels sieht es vor, dass in dem als Ladeluftkühler genutzten Abschnitt wärmeleitfähige, temperaturbeständige Folien zwischen jeweils zwei Strömungsplatten angeordnet sind, welche wechselseitig vom zuströmenden Gas und vom abströmenden Gas durchströmt werden. Die einzelnen Strömungsplatten können für den Abschnitt des Wärmetauschers ebenso wie für den Abschnitt des Befeuchters also so ausgebildet sein, dass auf ihrer einen Oberfläche Strömungskanäle für den einen der Gasströme, beispielsweise das zugeführte Gas, ausgebildet sind und auf ihrer gegenüberliegenden Seite Strömungskanäle für das abströmende Gas. Die Platten werden dann wechselseitig jeweils verdreht angeordnet, sodass zwischen den Platten im Falle des wärmetauschenden Abschnitts die wärmeleitfähigen, temperaturbeständigen Folien und im Falle des als Befeuchter genutzten Abschnitts für Wasserdampf durchlässige Membranen positioniert werden. Hierdurch wird ein einfacher und effizienter Aufbau möglich.
Der Aufbau lässt sich dabei auf einer oder auf beiden Seiten der Einzelzellen an den jeweiligen Stapelenden realisieren. Dies kann außerdem dazu beitragen, dass das Thermomanagement der im Endbereich des Stapels liegenden Einzelzellen entsprechend verbessert wird, weil diese nun benachbart zu den Befeuchtern liegen und nicht aufgrund ihrer Anordnung benachbart zu den Endplatten des Stapels stärker abkühlen, was bei Aufbauten gemäß dem Stand der Technik zum Teil schwierig ist. Damit lässt sich der Aufbau der Endplatten nochmals vereinfachen, da auf eine elektrische Beheizung derselben in einem Aufbau des Stapels gemäß der Erfindung zumindest dann verzichtet werden kann, wenn diese nicht benachbart zu den Einzelzellen, sondern benachbart zu dem Aufbau aus Ladeluftkühler und Befeuchter angeordnet sind.
In dem als Ladeluftkühler genutzten Abschnitt des Brennstoffzellenstapels lässt sich ergänzend oder alternativ zu dem beschriebenen Aufbau zum Wärmeaustausch zwischen dem zuströmenden und abströmenden Gas auch ein Aufbau realisieren, welcher vergleichbar wie die Aufbauten der Strömungsfelder bei den elektrochemischen Zellen diese so aufweist, dass sie auf ihrer einen Seite ein Strömungsfeld für eines der Medien aufweisen und auf ihrer anderen Seite eines für ein Kühlmedium. Werden zwei derartige Platten Rücken an Rücken miteinander verbunden, entsteht ein Aufbau bei welchem auf der einen Seite beispielsweise die Zuluft, auf der anderen Seite des Sandwichs die Abluft und dazwischen ein Kühlmedium strömen kann. Werden diese wiederrum wechselseitig mit der dazwischen angeordneten Folien beispielsweise aus Metall oder Grafit angeordnet, findet einerseits ein Wärmetausch zwischen den Medien durch diese Folien hindurch statt und andererseits erfolgt eine zusätzliche Temperierung, insbesondere eine zusätzliche Abkühlung durch das Kühlmedium, welches bereits zur Kühlung der Einzelzellen genutzt worden ist. Dabei ist die Durchströmung im Idealfall so, dass zuerst die Einzelzellen von dem Kühlmedium durchströmt werden und dann ein so aufgebauter Abschnitt des Brennstoffzellenstapels, welcher als Ladeluftkühler genutzt wird. Vergleichbar lässt sich dies auch im Bereich des Befeuchters realisieren, sodass auch hier die Aufbauten entsprechend denen der elektrochemischen Einzelzellen, jedoch ohne die Gasdiffusionslagen und Katalysatoren, realisiert werden können. Prinzipiell ließen sich hier sogar dieselben Membranen einsetzten, wobei durch kostengünstigere Membranen hier ein weiterer Vorteil zu erzielen ist. Auch hier könnte das Kühlmedium mitgenutzt werden, um eine Abkühlung der zuströmenden Gase während der Befeuchtung zu realisieren.
Dabei ist es so, dass derartige Brennstoffzellenstapel, vorzugsweise in PEM-Technologie ausgebildet sein können und insbesondere, nicht jedoch ausschließlich, in Fahrzeugen zum Einsatz kommen. In solchen Fahrzeugen, beispielsweise bei Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeugen, wie insbesondere Lastkraftwagen, dienen sie zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung aus mitgeführtem Wasserstoff und aus aus der Umgebung angesaugter Luft als Sauerstofflieferant.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten möglichen Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine alternative mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in einer Darstellung analog zu der in Figur 1 ;
Fig. 3 Draufsicht auf eine Strömungsplatte wie sie beispielsweise im Bereich des als Ladeluftkühler oder Befeuchter genutzten Abschnitts eingesetzt werden kann;
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Ausschnitt von Strömungsplatten in dem als Ladeluftkühler und/oder Befeuchter genutzten Abschnitt mit Strömungsplatten gemäß Figur 3;
Fig. 5 eine Strömungsplatte analog zu der in Figur 3 in einer alternativen Ausgestaltung; und
Fig. 6 ein Aufbau analog zu dem in Figur 4 mit Strömungsplatten gemäß dem in Figur 5 gezeigten Aufbau. In der Darstellung der Figur 1 ist ein möglicher Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 1 in einer Ausgestaltung gemäß der Erfindung gezeigt. Zwischen zwei mit 2 bezeichneten Endplatten befinden sich dabei drei Abschnitte. Ein elektrochemischer Abschnitt 3, welcher mit einer Vielzahl von Einzelzellen zur Bereitstellung der elektrischen Leistung vorgesehen ist. Dieser Abschnitt 3 besteht aus aufgestapelten Einzelzellen in PEM- Technologie und entspricht im Wesentlichen einem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel beziehungsweise Brennstoffzellenstack. Im Anschluss befindet sich ein Befeuchterabschnitt 4, gefolgt von einem Wärmetauscherabschnitt 5. Der Befeuchterabschnitt 4 dient zur Befeuchtung der in den elektrochemischen Abschnitt 3 einströmenden Zuluft in dem Feuchte aus der Abluft der elektrochemischen Abschnitts 3 zur Befeuchtung genutzt wird. Der Aufbau ist dabei ein Plattenbefeuchter mit für Wasserdampf durchlässige Membranen 22, welche später noch gezeigt sind.
Der Wärmetauscherabschnitt 5 dient als Ladeluftkühler, um die nach ihrer Kompression typischerweise und heiße und trockene Zuluft entsprechend abzukühlen, beispielsweise von nach der Verdichtung üblichen Temperaturen von 200 bis 250 °C auf ein Temperaturniveau von ca. 100 °C beispielsweise 80 bis 120 °C. der Strömungsweg ist nun anhand der Pfeile gezeigt. Die Zuluft strömt auf der einen Seite des Wärmetauscherabschnitts 5 an dem mit 6 bezeichneten Punkt in diesen ein und durchströmt diesen. Sie wird dann von einer hier nicht dargestellten Verteilplatte umgelenkt, nachdem sie die Strömungsplatten des Wärmetauscherabschnitts 5 parallel durchströmt hat. Nun strömt sie in Reihe dazu durch den Befeuchterabschnitt 4, innerhalb dessen sie die einzelnen Strömungsplatten ebenfalls parallel zueinander durchströmt. Der so abgekühlte und befeuchtete Zuluftstrom gelangt dann im Bereich einer weiteren Verteilplatte und zu dem hier mit 7 bezeichneten Punkt in den elektrochemischen Abschnitt 3 und durchströmt dessen Einzelzellen parallel. Die feuchte Abluft aus dem elektrochemischen Abschnitt 3 gelangt dann an dem mit 8 bezeichneten Punkt wiederrum in den Befeuchterabschnitt 4 und gibt die in ihr enthaltene Feuchte an die Zuluft ab. Die Abluft strömt dann in den Wärmetauscherabschnitt 5 und nimmt Wärme von dem Zuluftstrom auf, bevor sie am Punkt 9 aus dem Brennstoffzellenstapel 1 wieder abströmt. Dieser gesamte Aufbau ist dabei in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an einem Ende des elektrochemischen Abschnitts 3 vorgesehen und zwischen die Endplatten 2 des Aufbaus integriert. Alternativ dazu könnte der Aufbau auch wie in Figur 2 angedeutet gestaltet sein. In diesem Fall ist der Aufbau, ohne dass hier die Strömung nochmals explizit eingezeichnet ist, an beiden Enden des elektrochemischen Abschnitts 3 entsprechend integriert, was zusätzliche Verbindungsleitungen erforderlich macht. Außerdem sind die beiden Endplatten 2 in herkömmlicher Art unmittelbar benachbart zu dem elektrochemischen Abschnitt 3 angeordnet, während auf beiden Seiten die Befeuchterabschnitte 4 und die Wärmetauscherabschnitte 5 als Ladeluftkühler außerhalb der Endplatten 2 vorgesehen sind. Beide Aufbauten gemäß den Figuren 1 und 2 ließen sich dabei beliebig miteinander kombinieren, so könnte also der Aufbau beispielsweise auch auf beiden Seiten des elektrochemischen Abschnitts 3 innerhalb der Endplatten 2 vorgesehen sein, oder nur auf einer Seite, analog zur Darstellung in Figur 1 aber außerhalb der Endplatte 2, wie es in Figur 2 angedeutet ist.
Die einzelnen Abschnitte 3, 4, 5 umfassen nun Strömungsplatten 10, 10‘. Diese Strömungsplatten 10, 10‘ welche häufig als Bipolarplatten ausgebildet sind, sind prinzipiell für den Fachmann aus dem Bereich des elektrochemischen Abschnitts und hier der Einzelzellen grundlegend bekannt. Diese Art von Strömungsplatten lässt sich nun weitgehend identisch auch in den anderen Abschnitten 4, 5 entsprechend einsetzten, wobei hier insbesondere auch auf kostengünstigere Materialien und Herstellungsverfahren für die Strömungsplatten gewechselt werden kann, ohne jedoch die Geometrie derselben, und dies bezieht sich insbesondere auf die äußere Geometrie und die Geometrie von Anschlussöffnungen, zu verändern. Der gesamte Aufbau kann dann in der vom elektrochemischen Abschnitt 3 bekannten Art und Weise gestapelt und über Dichtungen zwischen den einzelnen Strömungsplatten 10, 10‘ einfach, zuverlässig und in der an sich bekannten Art und Weise abgedichtet werden.
In der Darstellung der Figur 3 ist eine Draufsicht auf einen möglichen Aufbau zweier solchen Strömungsplatten 10, 10‘ zu erkennen. Sie umfassen auf jeder Seite drei Anschlussöffnungen. Diese Anschlussöffnungen sind mit dem Bezugszeichen 11 , 12 und 13 auf der einen Seite und 14, 15, 16 auf der anderen Seite bezeichnet. Bei der hier links dargestellten Strömungsplatte 10 sollen nun über ein Strömungsfeld 17 die Anschlüsse 11 und 16 auf der dem Betrachter zugewandten Seite miteinander verbunden sein, was durch die entsprechenden Bereiche zwischen dem Strömungsfeld 17 und den jeweiligen Anschlussöffnungen 11 und 16, den sogenannten Manifolds 18, entsprechend angedeutet ist. Es bildet sich so ein mit 20 bezeichneter Strömungskanal aus. Auf der gegenüberliegenden hier nicht sichtbaren Seite der Strömungsplatte 10 sind dann die beiden Kühlwasseranschlüsse 12, 15 miteinander verbunden. Es bildet sich somit ein mit 19 bezeichneter Kühlmedienkanal aus. Auf der nächsten Strömungsplatte 10‘, welche hier rechts dargestellt ist, sind wiederrum auf der einen Seite die Kühlwasseranschlüsse 12 und 15 miteinander verbunden während auf der sichtbaren Seite die Anschlüsse 13 und 14 miteinander verbunden sind. Es bildet sich somit ein mit 21 bezeichneter Strömungskanal aus. Wie aus dem Bereich der Strömungsplatten 10, 10‘ im elektrochemischen Abschnitt 3 bekannt, werden diese Strömungsplatten 10, 10‘ nun mit ihren Rückseiten aneinander positioniert, sodass zwischen den Strömungsplatten 10, 10‘ der Kanal 19 für das Kühlmedium entsteht. Werden diese Aufbauten 100 aus miteinander verbundenen Strömungsplatten 10, 10‘ nun jeweils gespiegelt zueinander aufgestapelt, liegen sich zwischen den einzelnen Aufbauten 100 aus Strömungsplatten 10, 10‘ immer die von dem einen Medium durchströmten Kanäle 20 und die von dem anderen Medium durchströmten Kanäle 21 gegenüber. Dies ist in der schematischen Schnittdarstellung der Figur 4 durch einen kleinen Ausschnitt des jeweiligen Abschnitts 4, 5 zu erkennen. Zwischen den Einzelplatten 10, 10‘ des Aufbaus 100 ergibt sich dann der hier mit 19 bezeichneter Kanal für das Kühlmedium auf der einen Seite des Aufbaus, beispielsweise auf der Oberfläche der Strömungsplatte 10, ergibt sich der mit 20 bezeichneter Kanal für das eine Medium dem gegenüber auf der Oberfläche der anderen Strömungsplatte 10‘ ein Kanal für das andere Medium. Dieser ist mit 21 bezeichnet. Zwischen den Kanälen 20, 21 für das eine und das andere Medium ist, und so ist es in der Darstellung der Figur 4 erkennbar, nun eine Membran oder Folie 22 angeordnet. Im Bereich des Befeuchterabschnitts 4 kann diese Membran oder Folie 22 eine für Wasserdampf durchlässige Membran sein, welche so ein Austausch von Wasserdampf zwischen den in dem Kanal 20 und 21 strömenden Medien ermöglicht. Deshalb werden hier die trockene Zuluft und die feuchte Abluft in den jeweiligen Kanälen 20, 21 geleitet, um so durch die feuchte Abluft die trockene Zuluft in dem Befeuchterabschnitt 4 befeuchten zu können. Im Bereich des Wärmetauscherabschnitts 5 sind solche Membranen typischerweise ungeeignet, weil sie die relativ hohen Temperaturen der verdichteten, trockenen und heißen Zuluft nicht oder nicht dauerhaft aushalten. Aus diesem Grund können hier Metallfolien, Grafitfolien als Membran oder Folie 22 oder dergleichen eingesetzt werden, welche entsprechend temperaturbeständig sind und einen guten Wärmeaustausch zwischen der heißen Zuluft und der deutlich kühleren Abluft ermöglichen. Zusätzlich kann in beiden Fällen über das in dem Kühlkanal 19, analog zum Aufbau der Einzelzellen im elektrochemischen Bereich 3 strömende Kühlmedium eine Temperierung mit erreicht werden.
Alternativ zu diesem in den Figuren 3 und 4 beschriebenen Aufbau ist jedoch auch eine Variante denkbar, welche entsprechend einfacher gestaltet ist, und auf die zusätzliche Durchströmung mit Kühlmedium und den hierfür notwendigen Kühlkanal 19 verzichtet. Dafür ist dann lediglich eine einzige Strömungsplatte 10 notwendig, wie sie in der Darstellung der Figur 5 entsprechend angedeutet ist. Diese Strömungsplatte 10 entspricht in ihrer Geometrie der zuvor gezeigten Strömungsplatte 10. Auf der hier nicht erkennbaren Rückseite sind dann nicht die Öffnungen 12 und 15 miteinander verbunden, sondern die Öffnungen 13 und 14, sodass quasi ein Aufbau geschaffen wird, welcher auf der einen Seite die eine Seite der zuvor beschriebenen Strömungsplatte 10 und auf der anderen Seite die eine Seite der zuvor beschriebenen Strömungsplatte 10‘ aufweist. Diese Strömungsplatten 10 können nun abwechselnd gespiegelt zueinander mit den Membranen oder Folien 22 direkt aufgestapelt werden, wie es in der Darstellung der Figur 6 analog zur Darstellung in Figur 4 angedeutet ist. Dieser Aufbau lässt sich noch einfacher und kompakter realisieren und kann insbesondere ohne eine aktive Kühlung der Abschnitte 4 und 5 auskommen. Dabei wäre es selbstverständlich auch denkbar, nur einen der Abschnitte aktiv zu kühlen, den Aufbau also gemäß Figur 3 und 4 zu gestalten und den anderen der Abschnitte nicht, und dort den Aufbau gemäß den Figuren 5 und 6 vorzunehmen.
Dabei ist es so, dass die übliche Geometrie der Anschlussöffnungen 11 bis 16 auch hier Verwendung finden kann, um insbesondere bei einer integrierten Anordnung zwischen den Endplatten die Geometrie des Stapels über alle Abschnitte 3, 4, 5 hinweg gleich zu halten. Die typischerweise für das Kühlwasser vorgesehenen Öffnungen 12 und 15 können dann beispielsweise nicht verwendet werden oder können auch mit anderen Öffnungen zusammengelegt werden. So können beispielsweise die Öffnungen 11 und 12 als gemeinsame Einströmöffnung für das eine Medium genutzt werden und dementsprechend die Öffnungen 15 und 16 als gemeinsame Abströmöffnungen. Dies kann beispielsweise durch eine Verbindung der einzelnen Öffnungen im Kopf- und Fußbereich untereinander erfolgen oder die Öffnungen können jeweils mit eigenen Manifolds 18 mit dem Strömungsfeld 17 verbunden werden. Prinzipiell ist es auch denkbar innerhalb des Strömungsfeldes 17 getrennte Abschnitte für die eine und die andere Strömung vorzusehen. Hier sind alle Varianten denkbar und möglich, insbesondere entsprechend der Auslegung des Befeuchterabschnitts 4 oder Wärmetauscherabschnitts 5 und der gemäß dieser Auslegung in den jeweiligen Abschnitten 4, 5 benötigten Volumenströme und Strömungsquerschnitte.

Claims

Patentansprüche Brennstoffzellenstapel (1) mit einer Vielzahl von zu einem Stapel aufgestapelten Einzelzellen, mit wenigstens einem in den Stapel integrierten Befeuchterabschnitt (4) welcher an einem Ende der Einzelzellen als elektrochemischen Abschnitt (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem elektrochemischen Abschnitt (3) abgewandten Seite des wenigstens einen Befeuchterabschnitts (4) ein Wärmetauscherabschnitt (5) angeordnet ist, wobei Strömungsplatten (10, 10‘) zum Verteilen von Fluiden in wenigstens drei Abschnitten (3, 4, 5) des Stapels dieselbe äußere Geometrie aufweisen. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsplatten (10, 10‘) jedes Abschnitts (3, 4, 5) parallel und die wenigstens drei Abschnitte (3, 4, 5) in Reihe zueinander durchströmt sind, wobei einströmende, verdichtete Luft zuerst den Wärmetauscherabschnitt (5), dann den Befeuchterabschnitt (4) und dann eine Kathodenseite des elektrochemischen Abschnitts (3) durchströmt. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussöffnungen (11 , 12, 13, 14, 15, 16) der Strömungsplatten (10, 10‘) der wenigstens drei Abschnitte (3, 4, 5) dieselbe Geometrie aufweisen, wobei zwischen den Abschnitten (3, 4, 5) Verteilerplatten für die Medien angeordnet sind. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass
In dem Wärmetauscherabschnitt (4) wärmeleitfähige, temperaturbeständige Folien (22) zwischen jeweils zwei Strömungsplatten (10, 10‘) angeordnet sind, welche wechselseitig vom zuströmenden Gas und abströmenden Gas durchströmt werden. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Befeuchterabschnitt (4) für Wasserdampf durchlässige Membranen (22) zwischen jeweils zwei Strömungsplatten (10, 10‘) angeordnet sind, welche wechselseitig vom zuströmenden Gas und abströmenden Gas durchströmt werden. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei der Strömungsplatten (10, 10‘) welche auf ihrer Rückseite jeweils Kühlmedienkanäle (19) aufweisen zu einem Aufbau (100) zusammengefasst sind, auf dessen einer Seite das zuströmende Gas und auf dessen anderer Seite das abströmende Gas strömt. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsplatten (10, 10‘) des Wärmetauscherabschnitts (5) und/oder des Befeuchterabschnitts (4) Strömungsfelder (17), insbesondere analog zu den Strömungsfeldern im elektrochemischen Abschnitt (3) aufweisen, wobei die Strömungsfelder (17) auf jeder der Oberflächen mit verschiedenen Anschlussöffnungen verbunden sind und wechselseitig mit dazwischen angeordneten Membranen und/oder Folien (22) aufgestapelt sind. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchterabschnitte (4) und Wärmetauscherabschnitte (5) an einem Ende des elektrochemischen Abschnitts (3) angeordnet sind. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchterabschnitte (4) und Wärmetauscherabschnitte (5) an beiden Enden des elektrochemischen Abschnitts (3) angeordnet sind. Verwendung eines Brennstoffzellenstapels (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Bereitstellung von elektrischer Leistung in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug.
PCT/EP2021/071261 2020-08-27 2021-07-29 Brennstoffzellenstapel WO2022042991A1 (de)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020237009731A KR20230056723A (ko) 2020-08-27 2021-07-29 연료 전지 스택
JP2023512074A JP2023545348A (ja) 2020-08-27 2021-07-29 燃料電池積層体
EP21759252.6A EP4205205A1 (de) 2020-08-27 2021-07-29 Brennstoffzellenstapel
US18/042,805 US20230238553A1 (en) 2020-08-27 2021-07-29 Fuel cell stack
CN202180051291.5A CN115968510A (zh) 2020-08-27 2021-07-29 燃料电池堆

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020005246.0 2020-08-27
DE102020005246.0A DE102020005246A1 (de) 2020-08-27 2020-08-27 Brennstoffzellenstapel

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2022042991A1 WO2022042991A1 (de) 2022-03-03
WO2022042991A9 true WO2022042991A9 (de) 2023-04-06

Family

ID=77499803

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/071261 WO2022042991A1 (de) 2020-08-27 2021-07-29 Brennstoffzellenstapel

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20230238553A1 (de)
EP (1) EP4205205A1 (de)
JP (1) JP2023545348A (de)
KR (1) KR20230056723A (de)
CN (1) CN115968510A (de)
DE (1) DE102020005246A1 (de)
WO (1) WO2022042991A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022206673A1 (de) 2022-06-30 2024-01-04 Mahle International Gmbh Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5200278A (en) 1991-03-15 1993-04-06 Ballard Power Systems, Inc. Integrated fuel cell power generation system
CA2242176C (en) * 1997-06-30 2009-01-27 Ballard Power Systems Inc. Solid polymer fuel cell system and method for humidifying and adjusting the temperature of a reactant stream
US6066408A (en) * 1997-08-07 2000-05-23 Plug Power Inc. Fuel cell cooler-humidifier plate
US8101320B2 (en) 2006-02-21 2012-01-24 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell integrated humidification
DE102007038880A1 (de) 2007-08-17 2009-02-19 Daimler Ag Brennstoffzellenanordnung
DE202013009357U1 (de) * 2013-06-27 2015-01-16 Dana Canada Corporation Integrierte Gasmanagementvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem
DE102018218317A1 (de) * 2018-10-26 2020-04-30 Audi Ag Befeuchter sowie Kraftfahrzeug

Also Published As

Publication number Publication date
DE102020005246A1 (de) 2022-03-03
US20230238553A1 (en) 2023-07-27
KR20230056723A (ko) 2023-04-27
CN115968510A (zh) 2023-04-14
WO2022042991A1 (de) 2022-03-03
JP2023545348A (ja) 2023-10-30
EP4205205A1 (de) 2023-07-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102015203077B4 (de) Brennstoffzellenfahrzeug
DE102007029596B4 (de) Membranbefeuchter für eine Brennstoffzelle
DE112004001832B4 (de) Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellen-Kraftfahrzeug
EP0876686B1 (de) Flüssigkeitsgekühlte brennstoffzelle mit verteilungskanälen
DE102007008214B4 (de) Brennstoffzellenanordnung mit integrierter Befeuchtung
DE102006017943B4 (de) Brennstoffzellenanordnung mit einer Strömungsverteilungsanordnung
DE102019113605A1 (de) Gas- und Wasserabgabeeinheit für ein Brennstoffzellensystem
DE102007046056B4 (de) Brennstoffzellensystem mit einem verbesserten Wasserübertragungswirkungsgrad in einem Membranbefeuchter durch Reduzierung einer Trockenlufteinlasstemperatur
DE102006019114B4 (de) Brennstoffzellensystem zur verbesserten Wasserstoff- und Sauerstoffverwendung
DE202013009357U1 (de) Integrierte Gasmanagementvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem
EP2356714B1 (de) Brennstoffzelle ohne bipolarplatten
DE102007009897B4 (de) Gefrierfähiges kompaktes Brennstoffzellensystem mit verbesserter Befeuchtung und Entfernung von überschüssigem Wasser und eingeschlossenem Stickstoff, sowie Brennstoffzellensystemkonstruktion
DE102021205421A1 (de) Bipolarplatte mit verbesserter temperaturverteilung
WO2022042991A9 (de) Brennstoffzellenstapel
WO2015110236A1 (de) Feuchtetauscher und brennstoffzellenanordnung mit einem solchen
DE102017218029A1 (de) Brennstoffzelle
DE10217712A1 (de) Elektrodenplatte mit Befeuchtungsbereich
DE102019205814A1 (de) Konditionierungsvorrichtung sowie Brennstoffzellenvorrichtung mit einer solchen
DE102019211583A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Befeuchters sowie Befeuchter
DE102019211589A1 (de) Befeuchter, Brennstoffzellenvorrichtung mit Befeuchter sowie Kraftfahrzeug
DE102018205995A1 (de) Vorrichtung zur Konditionierung des Kathodengases und Brennstoffzellensystem mit einer solchen Vorrichtung
DE10323647B4 (de) Anordnung und Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels
DE102019203474A1 (de) Bipolarplatte, Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem
DE102018219206A1 (de) Brennstoffzellensystem
WO1998044582A1 (de) Brennstoffzellenanordnung mit internen und externen gasverteilungsvorrichtungen

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21759252

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2023512074

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20237009731

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021759252

Country of ref document: EP

Effective date: 20230327