WO2022152542A1 - Fuel-cell assembly - Google Patents

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WO2022152542A1
WO2022152542A1 PCT/EP2021/087481 EP2021087481W WO2022152542A1 WO 2022152542 A1 WO2022152542 A1 WO 2022152542A1 EP 2021087481 W EP2021087481 W EP 2021087481W WO 2022152542 A1 WO2022152542 A1 WO 2022152542A1
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WO
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fuel cell
cooling
path
particle filter
section
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/087481
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Inventor
Tobias FALKENAU
Timo Bosch
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • 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
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
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    • H—ELECTRICITY
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    • 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

Definitions

  • PEM Polymer Electrolyte Membrane
  • the PEM fuel cell consists of an anode that is supplied with hydrogen, a cathode that is supplied with air, cooling sections through which coolant flows, and the polymer electrolyte membrane placed in between.
  • a plurality of such individual metallic fuel cells are stacked in practical use in order to increase the electric voltage generated.
  • this stack known as the fuel cell stack, there are supply channels that supply the individual cells with hydrogen, air and coolant or transport away the depleted moist air, the heated coolant and the depleted anode exhaust gas.
  • DE 10 2013 212 973 A1 describes a fuel cell system in which the air provided for the cathode of the fuel cell is humidified and this humidification of the air is coordinated with efficient functioning of the fuel cell system.
  • the fuel cell arrangement according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage of achieving optimum functioning of the fuel cell arrangement by supplementing or rearranging components in the fuel cell arrangement.
  • the fuel cell arrangement includes a fuel cell and a cooling system for cooling the fuel cell, which cooling system has a cooling inflow path and a cooling outflow path.
  • a coolant flows into the fuel cell via the cooling inflow path for cooling the fuel cell, the coolant being discharged from the fuel cell again via the cooling outflow path.
  • a particle filter is arranged in the cooling inflow path and/or an ion exchanger element is arranged in the cooling outflow path, the particle filter and the ion exchanger element being made of a non-electrically conductive material.
  • a further component is arranged in the cooling inflow path and/or in the cooling outflow path, which further component is made of a non-electrically conductive material.
  • the fuel cell arrangement described is also advantageously suitable in a fuel cell-powered vehicle.
  • the drawing shows exemplary embodiments of a fuel cell arrangement according to the invention. It shows in
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a fuel cell arrangement according to the invention in a simplified schematic view
  • 3b shows an enlarged section of the fuel cell arrangement according to the invention in the area of the additional component or the particle filter or the ion exchanger element in the cooling inflow path or cooling outflow path,
  • Fig. 4 Diagram showing the relationship between the insulation resistance and the porosity for a given conductivity of the coolant and the flow distance.
  • the anode region 4 is fluidically connected to the anode 2 of the fuel cell 8 via an anode inlet path 40 and an anode outlet path 41 .
  • the cooling system 10 has a cooling inflow path 101 and a cooling outflow path 102 via which the cooling system 10 is fluidically connected to the fuel cell 8 .
  • the coolant circulated in the cooling system 10 thus flows via the cooling inflow path 101 into the fuel cell 8 and, after cooling, leaves it again via the cooling outflow path 102.
  • the fuel cell arrangement 1 is shown here in a highly simplified manner. In the fuel cell arrangement, however, there are typically a plurality of fuel cells stacked on top of one another, the so-called fuel cell stack.
  • a particle filter 6 and an ion exchange element 7 are typically arranged in the cooling system 10 for proper functioning.
  • the particulate filter 6 is arranged directly in front of the fuel cell 8 in the cooling inflow path 101 .
  • the ion exchanger element 7 is arranged here in the cooling outflow path 102 directly after the fuel cell 8 .
  • only the particle filter 6 is arranged in the cooling inflow path 101 directly in front of the fuel cell 8 and the ion exchanger element 7 is not in the cooling outflow path 102 directly after the fuel cell 8, but in another area of the cooling system 10.
  • only the ion exchanger element 7 is arranged in the cooling outflow path 102 directly after the fuel cell 8 and the particle filter 6 is not arranged in the cooling inflow path 101 directly in front of the fuel cell 8, but in another area of the cooling system 10.
  • the particle filter 6 and the ion exchange element 7 are made of a non-electrically conductive material.
  • the particle filter 6 or the ion exchange element 7 is used here in the cooling system 10 in order to prevent the fuel cells 8 from short-circuiting via the coolant.
  • the coolant must therefore have low conductivity, ie a low conductivity.
  • a first grounding point in the cooling system 10 may only occur after a certain distance from the fuel cell stack.
  • a criterion for this is the insulation distance generated by the coolant, measured as insulation resistance, which is proportional to the distance and inversely proportional to the area in the flow direction and inversely proportional to the conductivity.
  • the conductivity can be reduced to increase the insulation resistance.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the fuel cell arrangement 1, with the functioning and structure corresponding to the embodiment from FIG.
  • another component 9 is arranged in the cooling inflow path 101 and the cooling outflow path 102 .
  • the other component 9 is made of a non-electrically conductive material.
  • the further component 9 is arranged only in the cooling inflow path 101 or only in the cooling outflow path 102 .
  • the further component 9 supports the particle filter 6 or the ion exchanger element 7 in the same way in preventing a short circuit in the fuel cells 8 caused by the coolant.
  • the distance between the cooling system 10 and the fuel cell arrangement 1 is required as an insulation gap. There must be no ground point in this path and no electrically conductive points should be used.
  • the Components of the particle filter 6 and/or the ion exchange element 7 and/or the further component 9 are arranged here in order to generate the isolation gap.
  • a porous material 93 here denotes a material structure 88 which is provided with recesses 80 and in which, for example, spherical material elements 70 are arranged are.
  • the flow area 95 comprises a first area 96 that becomes narrower in the flow cross section in the direction of flow 91, a second area 97 that is constantly wide in the flow cross section in the direction of flow 91, and a second area 97 in the flow cross section in the direction of flow 91 broadening third area 98. This enables a narrowing of the cross section in the direction of flow 91 within the further components 9.
  • FIG. 4 shows the relationship between the insulation resistance and the porosity for a given conductivity of the fluid and the flow path.
  • the normalized insulation resistance 31 is shown in kOhm over the porosity 30 .

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Abstract

Fuel-cell assembly (1) comprising a fuel cell (8) and a cooling system (10) for cooling the fuel cell (8), which cooling system (10) has a cooling inflow path (101) and a cooling outflow path (102). For cooling the fuel cell (8), a coolant flows into the fuel cell (8) by way of the cooling inflow path (101), while the coolant is discharged again from the fuel cell (8) by way of the cooling outflow path (102). In addition, a particle filter (6) is arranged in the cooling inflow path (101) and/or an ion-exchanger element (7) is arranged in the cooling outflow path (102), the particle filter (6) and the ion-exchanger element (7) being produced from a material that is not electrically conductive.

Description

Beschreibung description
Brennstoffzellenanordnung fuel cell assembly
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb. The invention relates to a fuel cell arrangement, for example for use in vehicles with a fuel cell drive.
Stand der Technik State of the art
Polymer Elektrolyt Membran (PEM) Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mittels Sauerstoff zu elektrischer Energie um, unter der Erzeugung von Abwärme und Wasser. Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cell systems convert hydrogen to electrical energy using oxygen while generating waste heat and water.
Die PEM Brennstoffzelle besteht hierbei aus einer Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Kathode, die mit Luft versorgt wird, Kühlstrecken, die mit Kühlmittel durchströmt werden, und der dazwischen platzierten Polymer Elektrolyt Membran. Mehrere solcher einzelner metallischer Brennstoffzellen werden in der praktischen Anwendung gestapelt, um die elektrische erzeugte Spannung zu erhöhen. Innerhalb dieses Stapels, genannt Brennstoffzellenstack, befinden sich Versorgungskanäle, die die einzelnen Zellen mit Wasserstoff, Luft und Kühlmittel versorgen bzw. die abgereicherte feuchte Luft, das erwärmte Kühlmittel sowie das abgereicherte Anodenabgas abtransportieren. The PEM fuel cell consists of an anode that is supplied with hydrogen, a cathode that is supplied with air, cooling sections through which coolant flows, and the polymer electrolyte membrane placed in between. A plurality of such individual metallic fuel cells are stacked in practical use in order to increase the electric voltage generated. Within this stack, known as the fuel cell stack, there are supply channels that supply the individual cells with hydrogen, air and coolant or transport away the depleted moist air, the heated coolant and the depleted anode exhaust gas.
Die DE 10 2013 212 973 Al beschreibt ein Brennstoffzellensystem, in dem die für die Kathode der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellte Luft befeuchtet wird und diese Befeuchtung der Luft auf eine effiziente Funktionsweise des Brennstoffzellensystems abgestimmt wird. DE 10 2013 212 973 A1 describes a fuel cell system in which the air provided for the cathode of the fuel cell is humidified and this humidification of the air is coordinated with efficient functioning of the fuel cell system.
Weiterhin ist für eine optimale Funktionsweise des Brennstoffzellensystems von Vorteil, eine geringe elektrische Leitfähigkeit des Kühlmittels anzustreben, um einen Kurzschluss der einzelnen Brennstoffzellen zu verhindern. Anderenfalls führt dies zu möglichen Schäden an der Brennstoffzelle und damit einer Beeinträchtigung des gesamten Brennstoffzellensystems. Furthermore, for optimal functioning of the fuel cell system, it is advantageous to strive for low electrical conductivity of the coolant in order to prevent a short circuit in the individual fuel cells. otherwise leads This leads to possible damage to the fuel cell and thus an impairment of the entire fuel cell system.
Vorteile der Erfindung Advantages of the Invention
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, durch Ergänzung bzw. Umplatzieren von Komponenten in der Brennstoffzellenanordnung eine optimale Funktionsweise der Brennstoffzellenanordnung zu erzielen. In contrast, the fuel cell arrangement according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage of achieving optimum functioning of the fuel cell arrangement by supplementing or rearranging components in the fuel cell arrangement.
Dazu umfasst die Brennstoffzellenanordnung eine Brennstoffzelle und ein Kühlsystem zur Kühlung der Brennstoffzelle, welches Kühlsystem einen Kühl-Zu- strömpfad und einen Kühl-Abströmpfad aufweist. Über den Kühl-Zuströmpfad zur Kühlung der Brennstoffzelle strömt ein Kühlmittel in die Brennstoffzelle, wobei das Kühlmittel über den Kühl-Abströmpfad wieder aus der Brennstoffzelle abgeführt wird. Darüber hinaus ist in dem Kühl-Zuströmpfad ein Partikelfilter angeordnet und/oder ist in dem Kühl-Abströmpfad ein lonentauscherelement angeordnet, wobei der Partikelfilter und das lonentauscherelement aus einem nicht elektrisch leitenden Werkstoff hergestellt sind. For this purpose, the fuel cell arrangement includes a fuel cell and a cooling system for cooling the fuel cell, which cooling system has a cooling inflow path and a cooling outflow path. A coolant flows into the fuel cell via the cooling inflow path for cooling the fuel cell, the coolant being discharged from the fuel cell again via the cooling outflow path. In addition, a particle filter is arranged in the cooling inflow path and/or an ion exchanger element is arranged in the cooling outflow path, the particle filter and the ion exchanger element being made of a non-electrically conductive material.
So kann in einfacher Weise der Betrieb der Brennstoffzellenanordnung begünstigt werden und es wird weiterhin eine kostensparende Kompaktheit der in dem Brennstoffzellensystem angeordneten Komponenten erzielt. Denn der Partikelfilter und das lonentauscherelement werden im Kühlsystem ohnehin benötigt, so dass eine geschickte Umplatzierung für einen optimalen Betrieb der Brennstoffzelle führt. In this way, the operation of the fuel cell arrangement can be promoted in a simple manner and a cost-saving compactness of the components arranged in the fuel cell system is also achieved. Because the particle filter and the ion exchange element are required in the cooling system anyway, so that a clever repositioning leads to optimal operation of the fuel cell.
Insbesondere ist eine minimale elektrische Leitfähigkeit bzw. ein geringer Leitwert des Kühlmittels notwendig, um zu verhindern, dass die einzelnen Brennstoffzellen nicht durch das Kühlmittel kurzgeschlossen werden. Das heißt, ein erster Erdungspunkt im Kühlsystem sollte somit erst nach gewisser Distanz vom Brennstoffzellenstack erfolgen. Ein Kriterium hierfür ist die vom Kühlmittel gene- rierte Isolationsstrecke, welche als Isolationswiderstand gemessen wird. Der Isolationswiderstand ist dabei proportional zur zurückgelegten Strecke und umgekehrt proportional zur Fläche in Strömungsrichtung und umgekehrt proportional zur Leitfähigkeit. Somit kann zur Vergrößerung des Isolationswiderstands die Leitfähigkeit reduziert werden, beispielsweise mit einem lonentauscherelement. In particular, a minimal electrical conductivity or a low conductance of the coolant is necessary in order to prevent the individual fuel cells from being short-circuited by the coolant. This means that a first grounding point in the cooling system should only be established after a certain distance from the fuel cell stack. One criterion for this is the coolant generated ated insulation distance, which is measured as insulation resistance. The insulation resistance is proportional to the distance covered and inversely proportional to the area in the direction of flow and inversely proportional to the conductivity. Thus, to increase the insulation resistance, the conductivity can be reduced, for example with an ion exchange element.
Darüber hinaus kann zur Vergrößerung des Isolationswiderstands die zurückzulegende Strecke vergrößert werden, beispielsweise durch entsprechenden Aufbau des Partikelfilters und/oder des lonentauscherelements. Denn durch die Partikel im Partikelfilter bzw. im lonentauscherelement wird das Fluidvolumen bei gegebenen Volumen des Partikelfilters bzw. des lonentauscherelements reduziert. Dies ist analog zu einer Reduktion des Strömungsquerschnitts und führt bei gegebener Länge zu einer Vergrößerung des Isolationswiderstands. In addition, to increase the insulation resistance, the distance to be covered can be increased, for example by appropriate construction of the particle filter and/or the ion exchange element. This is because the fluid volume is reduced by the particles in the particle filter or in the ion exchange element for a given volume of the particle filter or the ion exchange element. This is analogous to a reduction in the flow cross-section and, for a given length, leads to an increase in the insulation resistance.
In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in dem Kühl-Zu- strömpfad und/oder in dem Kühl-Abströmpfad eine weitere Komponente angeordnet ist, welche weitere Komponente aus einem nicht elektrisch leitenden Werkstoff hergestellt ist. In a first advantageous development, it is provided that a further component is arranged in the cooling inflow path and/or in the cooling outflow path, which further component is made of a non-electrically conductive material.
So wird mit einer weiteren Komponenten unterstützt, dass die einzelnen Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstack nicht kurzgeschlossen werden und so eine Beschädigung des Brennstoffzellenstacks herbeiführen, was wiederum zu einer Beeinträchtigung der gesamten Brennstoffzellenanordnung führen kann. A further component helps ensure that the individual fuel cells in the fuel cell stack are not short-circuited and thus cause damage to the fuel cell stack, which in turn can lead to impairment of the entire fuel cell arrangement.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Aufbau des Partikelfilters und/oder der Aufbau des lonentauscherelements und/oder der Aufbau der weiteren Komponenten eine Volumenverengung aufweist. So kann in einfacher Weise der Isolationswiderstand des Partikelfilters bzw. des lonentauscherelements minimiert werden. In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the structure of the particle filter and/or the structure of the ion exchanger element and/or the structure of the further components has a volume constriction. In this way, the insulation resistance of the particle filter or the ion exchange element can be minimized in a simple manner.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in der weiteren Komponente ein Strömungsquerschnitt vorhanden ist, welcher Strömungsquerschnitt mittels einer monolithischen Struktur veränderbar ist. Vorteilhafterweise ist in dem Partikelfilter und/oder dem lonentauscherelement und/oder in der weiteren Komponente ein Strömungsquerschnitt vorhanden, welcher Strömungsquerschnitt mittels eines porösen Materials veränderbar ist. In an advantageous development, it is provided that a flow cross section is present in the further component, which flow cross section can be changed by means of a monolithic structure. A flow cross section is advantageously present in the particle filter and/or the ion exchanger element and/or in the further component, which flow cross section can be changed by means of a porous material.
Vorteilhafterweise ist in der weiteren Komponente ein Strömungsquerschnitt vorhanden, welcher Strömungsquerschnitt mittels eines Strömungsbereichs veränderbar ist. In vorteilhafter Weise umfasst der Strömungsbereich einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen dritten Bereich. A flow cross section is advantageously present in the further component, which flow cross section can be changed by means of a flow area. The flow area advantageously comprises a first area, a second area and a third area.
So kann in einfacher Weise der Isolationswiderstand des Partikelfilters bzw. des lonentauscherelements minimiert werden. In this way, the insulation resistance of the particle filter or the ion exchange element can be minimized in a simple manner.
Die beschriebene Brennstoffzellenanordnung eignet sich weiterhin vorteilhaft in einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug. The fuel cell arrangement described is also advantageously suitable in a fuel cell-powered vehicle.
Zeichnungen drawings
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung dargestellt. Es zeigt in The drawing shows exemplary embodiments of a fuel cell arrangement according to the invention. It shows in
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung in vereinfachter schematischer Ansicht, 1 shows an exemplary embodiment of a fuel cell arrangement according to the invention in a simplified schematic view,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung in vereinfachter schematischer Ansicht, 2 shows a further exemplary embodiment of a fuel cell arrangement according to the invention in a simplified schematic view,
Fig. 3a ein vergrößerter Ausschnitt der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung im Bereich der weiteren Komponente im Kühl-Zuströmpfad bzw. Kühl-Abströmpfad, 3a shows an enlarged section of the fuel cell arrangement according to the invention in the area of the further component in the cooling inflow path or cooling outflow path,
Fig. 3b ein vergrößerter Ausschnitt der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung im Bereich der weiteren Komponente bzw. des Partikelfilters bzw. des lonentauscherelements im Kühl-Zuströmpfad bzw. Kühl-Ab- strömpfad, 3b shows an enlarged section of the fuel cell arrangement according to the invention in the area of the additional component or the particle filter or the ion exchanger element in the cooling inflow path or cooling outflow path,
Fig. 3c ein vergrößerter Ausschnitt der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung im Bereich der weiteren Komponente im Kühl-Zuströmpfad bzw. Kühl-Abströmpfad, 3c shows an enlarged detail of the fuel cell arrangement according to the invention in the area of the further component in the cooling inflow path or cooling outflow path,
Fig. 4 Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Isolationswiderstand und der Porosität bei gegebener Leitfähigkeit des Kühlmittels und der Strömungs-Strecke zeigt. Fig. 4 Diagram showing the relationship between the insulation resistance and the porosity for a given conductivity of the coolant and the flow distance.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of the exemplary embodiments
Fig.l zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1 in vereinfachter schematischer Ansicht. Die Brennstoffzellenanordnung 1 weist einen Anodenbereich 4 und einen Kathodenbereich 5 auf. Weiterhin weist die Brennstoffzellenanordnung 1 eine Brennstoffzelle 8 mit einer Anode 2 und einer Kathode 3 auf. Fig.l shows an embodiment of a fuel cell assembly 1 according to the invention in a simplified schematic view. The fuel cell arrangement 1 has an anode area 4 and a cathode area 5 . Furthermore, the fuel cell arrangement 1 has a fuel cell 8 with an anode 2 and a cathode 3 .
Der Anodenbereich 4 ist über einen Anoden-Zulaufpfad 40 und einem Anoden- Ablaufpfad 41 mit der Anode 2 der Brennstoffzelle 8 fluidisch verbunden. Das heißt, der Anodenbereich 4 versorgt die Brennstoffzelle 8 über den Anoden-Zulaufpfad 40 mit Wasserstoff und das Anodenabgas, eine Mischung aus Wasserstoff, Stickstoff, Wasser und Wasserdampf, wird über den Anoden-Ablaufpfad 41 aus der Brennstoffzelle 8 wieder in den Anodenbereich 4 abgeführt. The anode region 4 is fluidically connected to the anode 2 of the fuel cell 8 via an anode inlet path 40 and an anode outlet path 41 . This means that the anode area 4 supplies the fuel cell 8 with hydrogen via the anode feed path 40 and the anode exhaust gas, a mixture of hydrogen, nitrogen, water and water vapor, is discharged from the fuel cell 8 back into the anode area 4 via the anode outflow path 41 .
Der Kathodenbereich 5 ist über einen Kathoden-Zuluftpfad 50 und einem Katho- den-Abluftpfad 51 mit der Kathode 3 der Brennstoffzelle 8 fluidisch verbunden. Das heißt, der Kathodenbereich 5 versorgt die Brennstoffzelle 8 über den Katho- den-Zulaufpfad 50 mit Luft und die abgereicherte feuchte Luft wird über den Ka- thoden-Ablaufpfad 51 aus der Brennstoffzelle 8 wieder in den Kathodenbereich 5 abgeführt. Weiterhin weist die Brennstoffzellenanordnung 1 ein Kühlsystem 10 auf, welches mittels eines Kühlmittels die Brennstoffzelle 8 insbesondere während des Betriebs kühlt, um eine Überhitzung und damit eine Beeinträchtigung der Funktionsweise der Brennstoffzelle 8 zu verhindern. Dabei weist das Kühlsystem 10 einen Kühl-Zuströmpfad 101 und einen Kühl-Abströmpfad 102 auf, über welche das Kühlsystem 10 mit der Brennstoffzelle 8 fluidisch verbunden ist. Das in dem Kühlsystem 10 zirkulierte Kühlmittel strömt so über den Kühl-Zuströmpfad 101 in die Brennstoffzelle 8 und verlässt diese nach Kühlung wieder über den Kühl-Ab- strömpfad 102. The cathode region 5 is fluidically connected to the cathode 3 of the fuel cell 8 via a cathode air supply path 50 and a cathode exhaust air path 51 . This means that the cathode region 5 supplies the fuel cell 8 with air via the cathode inlet path 50 and the depleted moist air is discharged from the fuel cell 8 back into the cathode region 5 via the cathode outlet path 51 . Furthermore, the fuel cell arrangement 1 has a cooling system 10 which cools the fuel cell 8 by means of a coolant, in particular during operation, in order to prevent overheating and thus an impairment of the functioning of the fuel cell 8 . The cooling system 10 has a cooling inflow path 101 and a cooling outflow path 102 via which the cooling system 10 is fluidically connected to the fuel cell 8 . The coolant circulated in the cooling system 10 thus flows via the cooling inflow path 101 into the fuel cell 8 and, after cooling, leaves it again via the cooling outflow path 102.
Die Brennstoffzellenanordnung 1 ist hier stark vereinfacht dargestellt. In der Brennstoffzellenanordnung sind jedoch typischerweise mehrere aneinander gestapelte Brennstoffzellen, dem sogenannten Brennstoffzellenstack, vorhanden. The fuel cell arrangement 1 is shown here in a highly simplified manner. In the fuel cell arrangement, however, there are typically a plurality of fuel cells stacked on top of one another, the so-called fuel cell stack.
Für eine ordentliche Funktionsweise ist typischerweise in dem Kühlsystem 10 ein Partikelfilter 6 und ein lonentauscherelement 7 angeordnet. Hier ist der Partikelfilter 6 in dem Kühl-Zuströmpfad 101 direkt vor der Brennstoffzelle 8 angeordnet. A particle filter 6 and an ion exchange element 7 are typically arranged in the cooling system 10 for proper functioning. Here, the particulate filter 6 is arranged directly in front of the fuel cell 8 in the cooling inflow path 101 .
Das lonentauscherelement 7 ist hier in dem Kühl-Abströmpfad 102 direkt nach der Brennstoffzelle 8 angeordnet. The ion exchanger element 7 is arranged here in the cooling outflow path 102 directly after the fuel cell 8 .
In einer weiteren Ausführung ist lediglich der Partikelfilter 6 in dem Kühl-Zu- strömpfad 101 direkt vor der Brennstoffzelle 8 angeordnet und das lonentauscherelement 7 nicht in dem Kühl-Abströmpfad 102 direkt nach der Brennstoffzelle 8, sondern in einem anderen Bereich des Kühlsystems 10. In a further embodiment, only the particle filter 6 is arranged in the cooling inflow path 101 directly in front of the fuel cell 8 and the ion exchanger element 7 is not in the cooling outflow path 102 directly after the fuel cell 8, but in another area of the cooling system 10.
In einer weiteren Ausführung ist lediglich das lonentauscherelement 7 in dem Kühl-Abströmpfad 102 direkt nach der Brennstoffzelle 8 angeordnet und der Partikelfilter 6 nicht in dem Kühl-Zuströmpfad 101 direkt vor der Brennstoffzelle 8 angeordnet, sondern in einem anderen Bereich des Kühlsystems 10. In a further embodiment, only the ion exchanger element 7 is arranged in the cooling outflow path 102 directly after the fuel cell 8 and the particle filter 6 is not arranged in the cooling inflow path 101 directly in front of the fuel cell 8, but in another area of the cooling system 10.
Der Partikelfilter 6 und das lonentauscherelement 7 sind aus einem nicht elektrisch leitenden Werkstoff hergestellt. Der Partikelfilter 6 bzw. das lonentauscherelement 7 wird hier im Kühlsystem 10 verwendet, um einen Kurschluss der Brennstoffzellen 8 über das Kühlmittel zu verhindern. Daher muss das Kühlmittel eine geringe Leitfähigkeit, d. h. einen geringen Leitwert, aufweisen. Darüber hinaus darf ein erster Erdungspunkt im Kühlsystem 10 erst nach gewisser Distanz vom Brennstoffzellenstack erfolgen. Ein Kriterium hierfür ist die vom Kühlmittel generierte Isolationstrecke, gemessen als Isolationswiderstand, welche proportional zur Strecke und umgekehrt proportional zur Fläche in Strömungsrichtung und umgekehrt proportional zur Leitfähigkeit ist. Zur Vergrößerung des Isolationswiderstands kann die Leitfähigkeit reduziert werden. The particle filter 6 and the ion exchange element 7 are made of a non-electrically conductive material. The particle filter 6 or the ion exchange element 7 is used here in the cooling system 10 in order to prevent the fuel cells 8 from short-circuiting via the coolant. The coolant must therefore have low conductivity, ie a low conductivity. In addition, a first grounding point in the cooling system 10 may only occur after a certain distance from the fuel cell stack. A criterion for this is the insulation distance generated by the coolant, measured as insulation resistance, which is proportional to the distance and inversely proportional to the area in the flow direction and inversely proportional to the conductivity. The conductivity can be reduced to increase the insulation resistance.
So kann nun durch den Partikelfilter 6 bzw. das lonentauscherelement 7 verhindert werden, dass durch das Kühlmittel, welche über den Kühl-Zuströmpfad 101 in die Brennstoffzelle 8 eingeleitet wird, durch zu hohe elektrische Leitfähigkeit ein elektrischer Kurzschluss in den einzelnen Brennstoffzellen 8 erzeugt wird. The particle filter 6 or the ion exchanger element 7 can now prevent the coolant introduced into the fuel cell 8 via the cooling inflow path 101 from causing an electrical short circuit in the individual fuel cells 8 due to excessive electrical conductivity.
Fig.2 zeigt eine weitere Ausführung der Brennstoffzellenanordnung 1, wobei Funktionsweise und Aufbau der Ausführung aus der Fig.l entspricht. Hier ist eine weitere Komponente 9 in dem Kühl-Zuströmpfad 101 und dem Kühl-Ab- strömpfad 102 angeordnet. Die weitere Komponente 9 ist aus einem nicht elektrisch leitenden Werkstoff hergestellt. FIG. 2 shows a further embodiment of the fuel cell arrangement 1, with the functioning and structure corresponding to the embodiment from FIG. Here another component 9 is arranged in the cooling inflow path 101 and the cooling outflow path 102 . The other component 9 is made of a non-electrically conductive material.
In weiteren Ausführungen ist es auch möglich, dass die weitere Komponente 9 nur im Kühl-Zuströmpfad 101 oder nur im Kühl-Abströmpfad 102 angeordnet ist. In further embodiments it is also possible that the further component 9 is arranged only in the cooling inflow path 101 or only in the cooling outflow path 102 .
Die weitere Komponente 9 unterstützt den Partikelfilter 6 bzw. das lonentauscherelement 7 in gleicher Weise darin, einen Kurzschluss in den Brennstoffzellen 8 durch das Kühlmittel zu verhindern. The further component 9 supports the particle filter 6 or the ion exchanger element 7 in the same way in preventing a short circuit in the fuel cells 8 caused by the coolant.
Die Wegstrecke zwischen dem Kühlsystem 10 und der Brennsoffzellenanord- nung 1 wird als Isolationsstecke benötigt. In diesem Pfad darf kein Erdungspunkt liegen und sollten keine elektrisch leitfähigen Punkte verwendet werden. Die Komponenten Partikelfilter 6 und/oder das lonentauscherelement 7 und/ oder die weitere Komponente 9 sind hier angeordnet, um die Isolationsstrecke zu generieren. The distance between the cooling system 10 and the fuel cell arrangement 1 is required as an insulation gap. There must be no ground point in this path and no electrically conductive points should be used. the Components of the particle filter 6 and/or the ion exchange element 7 and/or the further component 9 are arranged here in order to generate the isolation gap.
Fig.3a zeigt einen Strömungsquerschnitt der weiteren Komponenten 9 mittels einer monolithischen Struktur 92. Eine monolithische Struktur ist hier als eine einteilige Bauweise der weiteren Komponenten 9 mit mehreren einzelnen Abschnitten 87 gezeigt. 3a shows a flow cross section of the further components 9 by means of a monolithic structure 92. A monolithic structure is shown here as a one-piece design of the further components 9 with a plurality of individual sections 87.
Fig.3b zeigt einen Strömungsquerschnitt des Partikelfilters 6 bzw. des lonentau- scherelements 7 bzw. der weiteren Komponenten 9 mittels eines porösen Materials 93. Ein poröses Material 93 bezeichnet hier eine mit Ausnehmungen 80 versehene begrenzte Materialstruktur 88, in der beispielsweise kugelförmige Materialelemente 70 angeordnet sind. 3b shows a flow cross-section of the particle filter 6 or the ion exchanger element 7 or the other components 9 by means of a porous material 93. A porous material 93 here denotes a material structure 88 which is provided with recesses 80 and in which, for example, spherical material elements 70 are arranged are.
Fig.3c zeigt einen Strömungsquerschnitt der weiteren Komponenten 9 mittels eines Strömungsbereichs 95. Der Strömungsbereich 95 umfasst einen sich in Strömungsrichtung 91 im Strömungsquerschnitt schmaler werdenden ersten Bereich 96, einen in Strömungsrichtung 91 im Strömungsquerschnitt konstant breiten zweiten Bereich 97 und einen in Strömungsrichtung 91 im Strömungsquerschnitt verbreiternden dritten Bereich 98. Dies ermöglicht innerhalb der weiteren Komponenten 9 eine Querschnittsverengung in Strömungsrichtung 91. 3c shows a flow cross section of the other components 9 by means of a flow area 95. The flow area 95 comprises a first area 96 that becomes narrower in the flow cross section in the direction of flow 91, a second area 97 that is constantly wide in the flow cross section in the direction of flow 91, and a second area 97 in the flow cross section in the direction of flow 91 broadening third area 98. This enables a narrowing of the cross section in the direction of flow 91 within the further components 9.
All diese Ausführungen ermöglichen entweder eine Verlängerung der Isolationsstrecke bzw. eine Verringerung des Strömungsquerschnitts und tragen so zu einem hohen Isolationswiderstand des Kühlmittels bei. Dadurch wird ein Kurzschluss der einzelnen Brennstoffzellen 8 minimiert und eine optimale Funktionsweise der gesamten Brennstoffzellenanordnung 1 begünstigt. All of these designs enable either an increase in the insulation distance or a reduction in the flow cross-section and thus contribute to a high insulation resistance of the coolant. This minimizes a short circuit in the individual fuel cells 8 and promotes optimal functioning of the entire fuel cell arrangement 1 .
In der Fig.4 ist ein Diagramm dargestellt, das den Zusammenhang zwischen dem Isolationswiderstand und der Porosität bei gegebener Leitfähigkeit des Fluids und der Strömungs-Strecke zeigt. Dabei ist der normierte Isolationswiderstand 31 in kOhm über die Porosität 30 gezeigt. Der Vorteil ist, dass mit einem Einsatz der weiteren Komponenten 9, wie insbesondere in der Fig.3b gezeigt, der Isolationswiderstand bei gegebener Strömungs-Strecke vergrößert werden kann. Es kann also ein festgelegter Isolationswiderstand mit geringerer Strömungs-Strecke und somit mit geringerem System- volumen realisiert werden. A diagram is shown in FIG. 4, which shows the relationship between the insulation resistance and the porosity for a given conductivity of the fluid and the flow path. The normalized insulation resistance 31 is shown in kOhm over the porosity 30 . The advantage is that with the use of the other components 9, as shown in particular in FIG. 3b, the insulation resistance can be increased for a given flow path. A fixed insulation resistance can therefore be achieved with a smaller flow distance and thus with a smaller system volume.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Brennstoffzellenanordnung (1), umfassend eine Brennstoffzelle (8) und ein Kühlsystem (10) zur Kühlung der Brennstoffzelle (8), welches Kühlsystem (10) einen Kühl-Zuströmpfad (101) und einen Kühl-Abströmpfad (102) aufweist, über weichen Kühl-Zuströmpfad (101) zur Kühlung der Brennstoffzelle (8) ein Kühlmittel in die Brennstoffzelle (8) strömt, wobei das Kühlmittel über den Kühl- Abströmpfad (102) wieder aus der Brennstoffzelle (8) abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühl-Zuströmpfad (101) ein Partikelfilter (6) angeordnet ist und/oder in dem Kühl-Abströmpfad (102) ein lonentauscherelement (7) angeordnet ist, wobei der Partikelfilter (6) und das lonentauscherelement (7) aus einem nicht elektrisch leitenden Werkstoff hergestellt sind. 1. Fuel cell arrangement (1), comprising a fuel cell (8) and a cooling system (10) for cooling the fuel cell (8), which cooling system (10) has a cooling inflow path (101) and a cooling outflow path (102) via Soft cooling inflow path (101) for cooling the fuel cell (8), a coolant flows into the fuel cell (8), the coolant being discharged again from the fuel cell (8) via the cooling outflow path (102), characterized in that in a particle filter (6) is arranged in the cooling inflow path (101) and/or an ion exchanger element (7) is arranged in the cooling outflow path (102), the particle filter (6) and the ion exchanger element (7) being made of a non-electrically conductive Material are made.
2. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühl-Zuströmpfad (101) und/oder in dem Kühl-Abströmpfad (102) eine weitere Komponente (9) angeordnet ist, welche weitere Komponente (9) aus einem nicht elektrisch leitenden Werkstoff hergestellt ist. 2. Fuel cell arrangement (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a further component (9) is arranged in the cooling inflow path (101) and/or in the cooling outflow path (102), which further component (9) is made of a non-electrically conductive material.
3. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau des Partikelfilters (6) und/oder der Aufbau des lo- nentauscherelements (7) und/oder der Aufbau der weiteren Komponenten (9) eine Volumenverengung aufweist. 3. Fuel cell arrangement (1) according to claim 2 or 3, characterized in that the structure of the particle filter (6) and / or the structure of the ion exchanger element (7) and / or the structure of the other components (9) has a volume constriction.
4. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der weiteren Komponente (9) ein Strömungsquerschnitt vorhanden ist, welcher Strömungsquerschnitt mittels einer monolithischen Struktur (92) veränderbar ist. 4. Fuel cell arrangement (1) according to claim 3, characterized in that in the further component (9) there is a flow cross section, which flow cross section can be changed by means of a monolithic structure (92).
5. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Partikelfilter (6) und/oder dem lonentauscherelement (7) und/oder in der weiteren Komponente (9) ein Strömungsquerschnitt vorhanden ist, welcher Strömungsquerschnitt mittels eines porösen Materials (93) veränderbar ist. 5. Fuel cell arrangement (1) according to claim 3, characterized in that in the particle filter (6) and/or the ion exchanger element (7) and/or in the further component (9) there is a flow cross section which flow cross section is defined by means of a porous material ( 93) is changeable.
6. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der weiteren Komponente (9) ein Strömungsquerschnitt vorhanden ist, welcher Strömungsquerschnitt mittels eines Strömungsbereichs (95) veränderbar ist. 6. Fuel cell arrangement (1) according to claim 3, characterized in that in the further component (9) there is a flow cross section, which flow cross section can be changed by means of a flow region (95).
7. Brennstoffzellenanordnung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsbereich (95) einen ersten Bereich (96), einen zweiten Bereich (97) und einen dritten Bereich (98) umfasst. 7. Fuel cell arrangement (1) according to the preceding claim, characterized in that the flow area (95) comprises a first area (96), a second area (97) and a third area (98).
8. Brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7. 8. Fuel cell-powered vehicle with a fuel cell arrangement (1) according to any one of claims 1 to 7.
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