WO2022171481A1 - Zellstapel für ein brennstoffzellensystem und dessen herstellung - Google Patents

Zellstapel für ein brennstoffzellensystem und dessen herstellung Download PDF

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WO2022171481A1
WO2022171481A1 PCT/EP2022/052264 EP2022052264W WO2022171481A1 WO 2022171481 A1 WO2022171481 A1 WO 2022171481A1 EP 2022052264 W EP2022052264 W EP 2022052264W WO 2022171481 A1 WO2022171481 A1 WO 2022171481A1
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cell
cell stack
channels
cross
section
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Application number
PCT/EP2022/052264
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Inventor
Tobias FALKENAU
Timo Bosch
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • 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

Definitions

  • the invention presented relates to a cell stack for a fuel cell system, a production method for producing the cell stack and a fuel cell system with the cell stack presented.
  • PEM Polymer Electrolyte Membrane
  • a 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 a polymer electrolyte membrane placed in between.
  • a plurality of fuel cells are stacked in a cell stack to increase a generated electric voltage.
  • supply channels that supply the individual cells with hydrogen, air and coolant or transport away the depleted moist air, heated coolant and the depleted anode exhaust gas.
  • the supply channels are called distributors, the channels for transport are called collectors.
  • the invention presented serves in particular to maximize a power density of a fuel cell system.
  • each cell of the plurality of cells comprises a flow field between a first side of the cell and a second side opposite the first side, with a number of manifold channels on the first side and the second side of each cell for supplying fluids to the flow field of the cell and a number of collector channels for discharging fluids from the flow field of the cell are arranged, wherein the distribution channels on the first side of respective cells differ in their cross section from collector channels on the first side of respective cells at least in regions along the running length of the cell stack, wherein the Distribution channels on the second side of respective cells differ in their cross section from collector channels on the second side of respective cells at least in regions along the running length of the cell stack, and the respective distribution channels and the respective collector channels along the running length of the cell stack gradually change in cross-section.
  • a running length of a cell stack is a distance between a start, in particular an upper end of the cell stack in the direction of gravity, and an end, in particular a lower end of the cell stack in the direction of gravity.
  • a running length e.g , on which hydrogen exits from the cell stack.
  • the cell stack presented is based on a special geometry of collector channels and distribution channels that run through the respective cells of the cell stack.
  • This geometry means that the distribution channels of the cell stack gradually decrease in cross-section to an extent that the collector channels gradually increase in cross-section.
  • the cross section of the collector channels and distribution channels of the cell stack presented varies in opposite directions.
  • a sum of a cross section of collector channels and distribution channels remains constant along the running length of the cell stack presented, while the respective cross sections of the distribution channels and collector channels change along the running length of the cell stack.
  • the change in the cross sections of the distribution channels and collector channels provided according to the invention along the running length of the cell stack presented is selected in particular in such a way that a volume flow of fluids flowing out of a respective cell or flowing into a respective cell has a cell-specific volume or a corresponding area required for the volume flow and not, as is usual in the prior art, a maximum volume designed for a maximum volume flow is provided.
  • the difference between an area that requires a cell-specific volume that is required for a cell-specific volume flow and a maximum volume designed for a maximum volume flow can be used to Space optimization other applications, such as.
  • An extended flow field or an extended flow channel for other fluids are provided.
  • the change in the cross sections of distribution channels according to the invention results in a particularly uniform pressure distribution in the cell stack presented, since local pressure peaks are minimized.
  • the change in the cross sections of collector channels according to the invention results in a particularly uniform pressure distribution in the cell stack presented, since local pressure peaks are minimized.
  • the cell stack can be designed in a space-optimized manner by minimizing the cross section of the respective collector channels or distribution channels depending on a respective volume flow and not, as in the prior art customary to be adapted in their course to a maximum volume flow to be expected in each case.
  • each cell of the cell stack has a cell-specific cross section of its distribution channels and collector channels, which is specially adapted to the volume flows supplied to or removed from the cell .
  • Corresponding the cell stack presented does not change the volume flows supplied to or removed from the cells, but rather optimizes the installation space provided for the supply and removal of the volume flows, so that, for example, a flow field of a respective cell is designed to be larger by the area can, by which the collector channels or distribution channels are smaller compared to known geometries.
  • the number of distribution channels on the first side of a respective cell are hydrogen distribution channels for supplying the flow field of the cell with hydrogen or fuel and the number of collector channels on the first side of the cell are air collector channels for discharging exhaust air from the cell, and that the number of plenums on the second side of the cell are air plenums for feeding the flow field of the cell and the number of plenums are exhaust plenums for removing exhaust from the cell.
  • the exhaust gas can include hydrogen, water and nitrogen and possibly other gases that have been fed to the cell stack through the hydrogen distributor.
  • installation space can be provided for enlarging exhaust gas collector ducts and air collector ducts and vice versa.
  • a space that must be provided for the respective channels can be minimized cell-specifically.
  • a respective cell can be minimized in the installation space required by it or installation space for functional Areas of the cell, such as a flow field, are provided such that a power density of the cell is maximized.
  • a cross section of the number of air distribution channels of a cell arranged at the beginning of the cell stack is larger than a cross section of the number of air distribution channels of a cell arranged at one end of the cell stack, and a cross section of the number of hydrogen distribution channels of those arranged at the beginning of the cell stack Cell is larger than a cross section of the number of hydrogen distribution channels of the cell arranged at the end of the cell stack, and a cross section of the number of air collector channels of the cell arranged at the beginning of the cell stack is smaller than a cross section of the number of air collector channels of the cell arranged at the end of the cell stack, and a cross section of the number of exhaust manifold ducts of the cell arranged at the beginning of the cell stack is smaller than a cross section of the number of exhaust manifold ducts of the cell arranged at the end of the cell stack.
  • Channels whose cross-section changes along a running length of the presented cell stack i.e. which are designed to taper or widen along a running length of the presented cell stack, create a volume for supply that corresponds to the behavior of fluids flowing through the cell stack, in particular in a Z-counterflow principle or removal of fluids provided in the cell stack.
  • the channels of the cell stack presented can be conical or pyramid-shaped, so that, for example, there is a particularly large cross-section at the start of the cell stack and a particularly small cross-section of the channels at one end of the cell stack, or vice versa.
  • the cell stack presented is particularly suitable in a configuration for Z-flow, in which the respective fluids are conducted in the countercurrent principle, for example from a first side below to an opposite second side above, or vice versa. Provision can furthermore be made for the distributor channels and the collector channels of a respective cell to be formed as recesses in a carrier plate of the cell.
  • the distribution channels and collector channels provided according to the invention can, for example, be stamped out, cut out, milled out, burnt out of a respective cell or can be designed in any other way from a material forming the cell.
  • a respective cell in the area of the distribution channels and/or the collector channels can be coated with a material that results in a particularly smooth surface, so that there is a particularly low flow resistance when flowing through the distribution channels and the collector channels.
  • the number of distribution channels and the number of collector channels each include only one channel that acts as a distributor or collector.
  • the presented cell stack can comprise a hydrogen distributor channel, an exhaust gas collector channel, an air distributor channel and an air collector channel.
  • the cell stack presented can be used both in an upright arrangement, i.e. in a configuration in which the cell stack is flowed through in the direction of gravity, and in the so-called “bookshelf arrangement”, i.e. in a configuration in which the cell stack is flown through transversely to the direction of gravity. be designed.
  • the presented invention relates to a fuel cell system with a possible embodiment of the presented cell stack.
  • the presented fuel cell system shows a particularly high power density and the presented fuel cell system can be designed particularly compact.
  • the invention presented relates to a manufacturing method.
  • the manufacturing method includes a stacking step in which a plurality of cells are stacked one on top of the other, each cell of the plurality of cells comprising a flow field between a first side of the cell and a second side opposite the first side, the first side and the second side of each cell respectively a number of manifold channels for supplying fluids to the flow field of the cell and a number of header channels for removing fluids from the flow field of the cell are arranged, respective cells being stacked one on top of the other such that the distributor channels on the first side of respective cells differ from header channels on the first side of respective cells differ at least partially along the running length of the cell stack in their cross-section, and the distribution channels on the second side of respective cells differ from collector channels on the second side of respective cells at least partially along the running length of the cell stack apels differ in their cross section and along the running length of the cell stack the respective distribution channels and the respective collector channels change gradually in their cross section.
  • the respective cells of the presented cell stack are processed in the presented manufacturing process with cell-specific tools that introduce cell-specific distribution channels and collector channels into the respective cells, ie e.g. punching, burning, cutting or any other technically suitable type of material from the remove each cell.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a possible embodiment of a cell of the presented cell stack in a plan view
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the cell stack according to FIG. 1 in a sectional side view
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a possible embodiment of the presented fuel cell system
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a possible embodiment of the production method presented.
  • a cell stack 100 is shown in FIG.
  • the cell stack 100 comprises a number of cells 101, of which only one cell 101 at the top in the direction of gravity can be seen here.
  • Hydrogen distributor channels 103, exhaust gas collector channels 105, air distributor channels 107, air collector channels 109, coolant distributor channels 111 and coolant collector channels 113 run through the cell stack 100.
  • the cell stack 100 is flown through in the Z countercurrent principle, so that hydrogen or fuel conducted through the hydrogen distribution channel 103 into the cell 101 after it has been at least partially converted into water in the respective cells, through exhaust manifold ducts 105 along with water and other gases such as nitrogen. Accordingly, fresh air supplied to the cell 101 through the air distribution channels 107 is discharged as exhaust air through the air collector channels 109 and fresh coolant supplied to the cell 101 through the coolant distribution channels 111 is discharged as heated coolant through the coolant collector channels 113 .
  • Figure 2 is a geometry along a run length 200 of the cell stack
  • a cross section of a hydrogen distribution channel 103 gradually reduces in the direction of gravity from top to bottom. Accordingly, the installation space required by the hydrogen distribution channel 103 is less at a lower end 201 of the cell stack 100 than at an upper end 203 of the cell stack 100.
  • the installation space freed up by the reduction in the cross section of the hydrogen distribution channel 103 enables a gradual increase in a cross section of an air collector channel 109 in the direction of gravity from top to bottom.
  • the hydrogen distribution channel 103 and the air collection channel 109 provide cell-specific sub-channels for each cell 101, which differ in their cross section from the cell-specific sub-channels of other cells
  • a cross section of an air distribution channel 107 gradually reduces in the direction of gravity from top to bottom. Accordingly, the installation space required by the air distribution duct 107 is less at the lower end 201 of the cell stack 100 than at an upper end 203 of the cell stack 100.
  • the installation space freed up by the reduction in the cross section of the air distributor duct 107 enables a gradual increase in a cross section of an exhaust gas collector duct 105 in the direction of gravity from top to bottom.
  • the air distribution channel 107 and the water collection channel 105 provide cell-specific sub-channels for each cell 101 which differ in their cross-section from the cell-specific sub-channels of other cells 101 .
  • a fuel cell system 300 is shown in FIG.
  • the fuel cell system uses the cell stack 100 to generate electric power.
  • a manufacturing method 400 is shown in FIG. That
  • Manufacturing method 400 includes a stacking step 401, in which a large number of cells, each having cell-specific channels, are brought together to form a cell stack and then pressed or laminated.

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Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft einen Zellstapel (100) für ein Brennstoffzellensystem (300) mit einer entlang einer Lauflänge (200) des Zellstapels (100) angeordneten Vielzahl Zellen (101), wobei jede Zelle (101) der Vielzahl Zellen (101) ein Strömungsfeld zwischen einer ersten Seite der Zelle (101) und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite umfasst, wobei auf der ersten Seite und der zweiten Seite jeder Zelle (101) jeweils eine Anzahl Verteilerkanäle zur Zufuhr von Fluiden zu dem Strömungsfeld der Zelle (101) und eine Anzahl Sammlerkanäle zum Abführen von Fluiden aus dem Strömungsfeld der Zelle (101) angeordnet sind, wobei die Verteilerkanäle auf der ersten Seite jeweiliger Zellen (101) sich von Sammlerkanälen auf der ersten Seite jeweiliger Zellen (101) zumindest bereichsweise entlang der Lauflänge (200) des Zellstapels (100) in ihrem Querschnitt unterscheiden, wobei die Verteilerkanäle auf der zweiten Seite jeweiliger Zellen (101) sich von Sammlerkanälen auf der zweiten Seite jeweiliger Zellen (101) zumindest bereichsweise entlang der Lauflänge (200) des Zellstapels (100) in ihrem Querschnitt unterscheiden, und wobei entlang der Lauflänge (200) des Zellstapels (100) die jeweiligen Verteilerkanäle und die jeweiligen Sammlerkanäle sich in ihrem Querschnitt graduell verändern.

Description

Beschreibung
Titel
Zellstapel für ein Brennstoffzellensystem und dessen Herstellung
Die vorgestellte Erfindung betrifft einen Zellstapel für ein Brennstoffzellensystem, ein Herstellungsverfahren zur Herstellung des Zellstapels und ein Brennstoffzellensystem mit dem vorgestellten Zellstapel.
Stand der Technik
Polymer Elektrolyt Membran (PEM) Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mittels Sauerstoff zu elektrischer Energie unter der Erzeugung von Abwärme und Wasser um.
Eine PEM Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Kathode, die mit Luft versorgt wird, Kühlstrecken, die mit Kühlmittel durchströmt werden, und einer dazwischen platzierten Polymer Elektrolyt Membran. Mehrere Brennstoffzellen werden in einem Zellstapel gestapelt, um eine erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen. Innerhalb eines Zellstapels bzw. „Stacks“ befinden sich Versorgungskanäle, die die einzelnen Zellen mit Wasserstoff, Luft und Kühlmittel versorgen bzw. die abgereicherte feuchte Luft, erwärmtes Kühlmittel sowie das abgereicherte Anodenabgas abtransportieren. Die Versorgungskanäle werden als Verteiler, die Kanäle zum Abtransport als Sammler bezeichnet.
Nach dem Stand der Technik sind Zellstapel bekannt, bei denen die Verteiler als auch die Sammler auf einer Stirnseite, d.h. einer zu jeweiligen Zellen eines Zellstapels parallelen Fläche, verlaufen. Dabei sind die Verteiler und Sammler spiegelsymmetrisch gestaltet und zeigen entsprechend am Ein- und Austritt den gleichen hydraulischen Querschnitt. Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Zellstapel, ein Brennstoffzellensystem und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen des Zellstapels vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Zellstapel und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere zum Maximieren einer Leistungsdichte eines Brennstoffzellensystems.
Es wird somit in einem ersten Aspekt ein Zellstapel für ein Brennstoffzellensystem mit einer entlang einer Lauflänge des Zellstapels angeordneten Vielzahl Zellen vorgestellt. Es ist vorgesehen, dass jede Zelle der Vielzahl Zellen ein Strömungsfeld zwischen einer ersten Seite der Zelle und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite umfasst, wobei auf der ersten Seite und der zweiten Seite jeder Zelle jeweils eine Anzahl Verteilerkanäle zur Zufuhr von Fluiden zu dem Strömungsfeld der Zelle und eine Anzahl Sammlerkanäle zum Abführen von Fluiden aus dem Strömungsfeld der Zelle angeordnet sind, wobei die Verteilerkanäle auf der ersten Seite jeweiliger Zellen sich von Sammlerkanälen auf der ersten Seite jeweiliger Zellen zumindest bereichsweise entlang der Lauflänge des Zellstapels in ihrem Querschnitt unterscheiden, wobei die Verteilerkanäle auf der zweiten Seite jeweiliger Zellen sich von Sammlerkanälen auf der zweiten Seite jeweiliger Zellen zumindest bereichsweise entlang der Lauflänge des Zellstapels in ihrem Querschnitt unterscheiden, und wobei entlang der Lauflänge des Zellstapels die jeweiligen Verteilerkanäle und die jeweiligen Sammlerkanäle sich in ihrem Querschnitt graduell verändern. Unter einer Lauflänge eines Zellstapels ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Strecke zwischen einem Anfang, insbesondere einem in Schwerkraftrichtung oberen Ende des Zellstapels und einem Ende, insbesondere einem in Schwerkraftrichtung unteren Ende des Zellstapels zu verstehen. Selbstverständlich kann sich eine Lauflänge, bspw. bei einem Zellstapel in sogenannter „Buchregal-Anordnung“, also einem orthogonal zur Schwerkraftrichtung ausgerichteten Zellstapel, von einem Anfang, insbesondere einer Seite, an der Wasserstoff in den Zellstapel eintritt, zu einem Ende, insbesondere einer Seite, auf der Wasserstoff aus dem Zellstapel austritt, erstrecken.
Der vorgestellte Zellstapel basiert auf einer speziellen Geometrie von Sammlerkanälen und Verteilerkanälen, die durch jeweilige Zellen des Zellstapels laufen. Diese Geometrie bedingt, dass die Verteilerkanäle des Zellstapels in ihrem Querschnitt graduell in einem Maß abnehmen, um das die Sammlerkanäle graduell in ihrem Querschnitt zunehmen. Mit anderen Worten variiert der Querschnitt der Sammlerkanäle und Verteilerkanäle des vorgestellten Zellstapels gegenläufig.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Summe eines Querschnitts von Sammlerkanälen und Verteilerkanälen entlang der Lauflänge des vorgestellten Zellstapels konstant bleibt, während sich die jeweiligen Querschnitte der Verteilerkanäle und der Sammlerkanäle entlang der Lauflänge des Zellstapels verändern.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Veränderung der Querschnitte der Verteilerkanäle und Sammlerkanäle entlang der Lauflänge des vorgestellten Zellstapels ist insbesondere derart gewählt, dass einem Volumenstrom von aus einer jeweiligen Zelle strömenden bzw. in eine jeweilige Zelle strömenden Fluiden ein für den Volumenstrom benötigtes zellspezifisches Volumen bzw. eine entsprechende Fläche und nicht, wie im Stand der Technik üblich, ein für einen maximalen Volumenstrom ausgelegtes Maximalvolumen bereitgestellt wird. Der Unterschied zwischen einer Fläche, die ein zellspezifisches Volumen bedingt, dass für einen zellspezifischen Volumenstrom benötigt wird und einem für einen maximalen Volumenstrom ausgelegten Maximalvolumen kann zur Bauraumoptimierung weiteren Anwendungen, wie bspw. einem erweiterten Strömungsfeld oder einem erweiterten Strömungskanal für andere Fluide bereitgestellt werden.
Da entlang der Lauflänge des Zellstapels in den Verteilerkanälen stetig mehr Edukt in die jeweiligen Zellen abzweigt, werden die entsprechenden Volumenströme durch die Verteilerkanäle zum Ende der Verteilerkanäle bzw. zum Ende des Zellstapels hin kleiner. Bei gewünschtem gleichbleibendem Druckverlust kann daher der Querschnitt der Verteilerkanäle ebenfalls kleiner werden. Entsprechend bedingt die erfindungsgemäße Veränderung der Querschnitte von Verteilerkanälen eine besonders gleichmäßige Druckverteilung in dem vorgestellten Zellstapel, da lokale Druckspitzen minimiert werden.
Da entlang der Lauflänge des Zellstapels in den Sammlerkanälen immer mehr Produkt aus den jeweiligen Zellen in die Sammlerkanäle strömt, werden die entsprechenden Volumenströme zum Ende der Sammlerkanäle bzw. zum Ende des Zellstapels hin größer. Bei gewünschtem gleichbleibendem Druckverlust muss daher der Querschnitt der Sammlerkanäle größer werden. Entsprechend bedingt die erfindungsgemäße Veränderung der Querschnitte von Sammlerkanälen eine besonders gleichmäßige Druckverteilung in dem vorgestellten Zellstapel, da lokale Druckspitzen minimiert werden.
Insbesondere bei einer Führung jeweiliger Betriebsfluide des vorgestellten Zellstapels im Gegenstromprinzip, insbesondere in einem Z-Gegenstromprinzip, kann der Zellstapel bauraumoptimiert ausgeführt werden, indem jeweilige Sammlerkanäle bzw. Verteilerkanäle in Abhängigkeit eines jeweiligen Volumenstroms in ihrem Querschnitt minimiert werden und nicht, wie im Stand der Technik üblich, in ihrem Verlauf an einen jeweils maximal zu erwartenden Volumenstrom angepasst werden.
Es ist vorgesehen, dass die Änderung des Querschnitts der Verteilerkanäle und Sammlerkanäle des vorgestellten Zellstapels graduell verläuft, so dass jede Zelle des Zellstapels einen zellspezifischen Querschnitt ihrer Verteilerkanäle und Sammlerkanäle aufweist, der speziell den der Zelle zugeführten bzw. von der Zelle abgeführten Volumenströmen entsprechend angepasst ist. Entsprechend ändert der vorgestellte Zellstapel die den Zellen zugeführten bzw. von den Zellen abgeführten Volumenströme an sich nicht, sondern optimiert vielmehr den für die Zufuhr bzw. den Abtransport der Volumenströme vorgesehenen Bauraum, so dass bspw. ein Strömungsfeld einer jeweiligen Zelle um die Fläche größer ausgestaltet werden kann, um die die Sammlerkanäle bzw. Verteilerkanäle gegenüber bekannten Geometrien kleiner sind.
Es kann vorgesehen sein, dass die Anzahl Verteilerkanäle auf der ersten Seite einer jeweiligen Zelle Wasserstoffverteilerkanäle zur Versorgung des Strömungsfelds der Zelle mit Wasserstoff bzw. Brennstoff und die Anzahl Sammlerkanäle auf der ersten Seite der Zelle Luftsammlerkanäle zum Abführen von Abluft aus der Zelle sind, und dass die Anzahl Verteilerkanäle auf der zweiten Seite der Zelle Luftverteilerkanäle zur Versorgung des Strömungsfelds der Zelle und die Anzahl Sammlerkanäle Abgassammlerkanäle zum Abführen von Abgas aus der Zelle sind. Dabei kann das Abgas Wasserstoff, Wasser und Stickstoff sowie ggf. weitere Gase umfassen, die dem Zellstapel durch die Wasserstoffverteiler zugeführt wurden.
Durch eine Querschnittsreduktion von Wasserstoffverteilerkanälen und Luftverteilerkanäle kann ein Bauraum zur Vergrößerung von Abgassammlerkanälen und Luftsammlerkanälen und umgekehrt bereitgestellt werden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass jede Zelle des Zellstapels sich im Querschnitt der Anzahl Luftverteilerkanäle, im Querschnitt der Anzahl Abgassammlerkanäle, im Querschnitt der Anzahl Wasserstoffverteilerkanäle und im Querschnitt der Anzahl Luftsammlerkanäle von jeweilig anderen Zellen des Zellstapels unterscheidet.
Durch zellspezifische Querschnitte von Luftverteilerkanälen, Wasserstoffverteilerkanälen, Luftsammlerkanälen und Abgassammlerkanälen, kann ein Bauraum, der für die jeweiligen Kanäle bereitgestellt werden muss, zellspezifisch minimiert werden. Entsprechend kann eine jeweilige Zelle an sich in dem von ihr benötigten Bauraum minimiert oder Bauraum für funktionale Bereiche der Zelle, wie bspw. ein Strömungsfeld, bereitgestellt werden, so dass eine Leistungsdichte der Zelle maximiert wird.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Querschnitt der Anzahl Luftverteilerkanäle einer an einem Anfang des Zellstapels angeordneten Zelle größer ist als ein Querschnitt der Anzahl Luftverteilerkanäle einer an einem Ende des Zellstapels angeordneten Zelle, und ein Querschnitt der Anzahl Wasserstoffverteilerkanäle der an dem Anfang des Zellstapels angeordneten Zelle größer ist als ein Querschnitt der Anzahl Wasserstoffverteilerkanäle der an dem Ende des Zellstapels angeordneten Zelle, und ein Querschnitt der Anzahl Luftsammlerkanäle der an dem Anfang des Zellstapels angeordneten Zelle kleiner ist als ein Querschnitt der Anzahl Luftsammlerkanäle der an dem Ende des Zellstapels angeordneten Zelle, und ein Querschnitt der Anzahl Abgassammlerkanäle der an dem Anfang des Zellstapels angeordneten Zelle kleiner ist als ein Querschnitt der Anzahl Abgassammlerkanäle der an dem Ende des Zellstapels angeordneten Zelle.
Durch Kanäle, deren Querschnitt sich entlang einer Lauflänge des vorgestellten Zellstapels ändert, d.h. die entlang einer Lauflänge des vorgestellten Zellstapels verjüngend bzw. verbreiternd ausgestaltet sind, wird ein dem Verhalten von durch den Zellstapel, insbesondere in einem Z-Gegenstromprinzip strömenden Fluiden entsprechendes Volumen zum Zuführen bzw. Abführen von Fluiden in dem Zellstapel bereitgestellt. Bspw. können die Kanäle des vorgestellten Zellstapels kegelförmig oder pyramidenförmig ausgestaltet sein, so dass bspw. an einem Anfang des Zellstapels ein besonders großer Querschnitt und an einem Ende des Zellstapels ein besonders kleiner Querschnitt der Kanäle bzw. umgekehrt vorliegt.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Zellstapel dazu konfiguriert ist, in einer Z-Durchströmung durchströmt zu werden.
Der vorgestellte Zellstapel eignet sich insbesondere in einer Konfiguration zur Z- Durchströmung, bei der jeweilige Fluide im Gegenstromprinzip, bspw. von einer ersten Seite unten auf eine gegenüberliegende zweite Seite oben, oder umgekehrt, geleitet werden. Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Verteilerkanäle und die Sammlerkanäle einer jeweiligen Zelle als Ausnehmungen aus einer Trägerplatte der Zelle gebildet sind.
Die erfindungsgemäß vorgesehenen Verteilerkanäle und Sammlerkanäle können bspw. aus einer jeweiligen Zelle ausgestanzt, ausgeschnitten, ausgefräst, ausgebrannt oder auf jede weitere Art aus einem die Zelle bildenden Material ausgestaltet sein. Bspw. kann eine jeweilige Zelle im Bereich der Verteilerkanäle und/oder der Sammlerkanäle mit einem Material beschichtet sein, dass eine besonders glatte Oberfläche bedingt, so dass sich ein besonders geringer Strömungswiderstand beim Durchströmen der Verteilerkanäle und der Sammlerkanäle einstellt.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die jeweiligen Verteilerkanäle in ihrem Verlauf entlang der Lauflänge des Zellstapels in einem Maß abnehmen, um das die entsprechenden Sammlerkanäle graduell in ihrem Querschnitt zunehmen.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Anzahl Verteilerkanäle und die Anzahl Sammlerkanäle jeweils lediglich einen Kanal umfassen, der als Verteiler bzw. Sammler wirkt. Entsprechend kann der vorgestellte Zellstapel einen Wasserstoffverteilerkanal, einen Abgassammlerkanal, einen Luftverteilerkanal und einen Luftsammlerkanal umfassen.
Durch eine wechselseitige Anpassung des Querschnitts von Sammlerkanälen und Verteilerkanälen kann eine Summe der Querschnittsfläche von Sammlerkanälen und Verteilerkanälen konstant bleiben, jedoch für jede Zelle ein zellspezifisches Volumen der Sammlerkanäle und der Verteilerkanäle bereitgestellt werden. Entsprechend kann der Bauraum, der durch eine Reduktion eines Querschnitts eines Verteilerkanals verfügbar wird, zur Vergrößerung des Querschnittes eines Sammlerkanals verwendet werden und umgekehrt.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass sich die Lauflänge des Zellstapels in Schwerkraftrichtung oder orthogonal zur Schwerkraftrichtung von einem Anfang des Zellstapels, an dem Wasserstoff in den Zellstapel eintritt, zu einem Ende des Zellstapels, an dem Abgas aus dem Zellstapel austritt, erstreckt.
Der vorgestellte Zellstapel kann sowohl in einer aufrechten Anordnung, also in einer Konfiguration, in der der Zellstapel in Schwerkraftrichtung durchströmt wird, als auch in der sogenannten „Buchregal-Anordnung“, also in einer Konfiguration, in der der Zellstapel quer zur Schwerkraftrichtung durchströmt wird, ausgestaltet sein.
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Zellstapels.
Aufgrund des vorgestellten Zellstapels zeigt das vorgestellte Brennstoffzellensystem eine besonders hohe Leistungsdichte bzw. kann das vorgestellte Brennstoffzellensystem besonders kompakt ausgestaltet werden.
In einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Herstellungsverfahren. Das Herstellungsverfahren umfasst einen Stapelschritt, bei dem eine Vielzahl Zellen aufeinandergestapelt werden, wobei jede Zelle der Vielzahl Zellen ein Strömungsfeld zwischen einer ersten Seite der Zelle und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite umfasst, wobei auf der ersten Seite und der zweiten Seite jeder Zelle jeweils eine Anzahl Verteilerkanäle zur Zufuhr von Fluiden zu dem Strömungsfeld der Zelle und eine Anzahl Sammlerkanäle zum Abführen von Fluiden aus dem Strömungsfeld der Zelle angeordnet sind, wobei jeweilige Zellen derart übereinander gestapelt werden, dass die Verteilerkanäle auf der ersten Seite jeweiliger Zellen sich von Sammlerkanälen auf der ersten Seite jeweiliger Zellen zumindest bereichsweise entlang der Lauflänge des Zellstapels in ihrem Querschnitt unterscheiden, und die Verteilerkanäle auf der zweiten Seite jeweiliger Zellen sich von Sammlerkanälen auf der zweiten Seite jeweiliger Zellen zumindest bereichsweise entlang der Lauflänge des Zellstapels in ihrem Querschnitt unterscheiden und entlang der Lauflänge des Zellstapels die jeweiligen Verteilerkanäle und die jeweiligen Sammlerkanäle sich in ihrem Querschnitt graduell verändern. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass jeweilige Zellen des vorgestellten Zellstapels in dem vorgestellten Herstellungsverfahren mit zellspezifischen Werkzeugen bearbeitet werden, die zellspezifische Verteilerkanäle und Sammlerkanäle in die jeweiligen Zellen einbringen, d.h. bspw. stanzen, brennen, schneiden oder auf jede weitere technisch geeignete Art Material aus der jeweiligen Zelle abtragen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung einer Zelle des vorgestellten Zellstapels in einer Draufsicht,
Figur 2 eine schematische Darstellung des Zellstapels gemäß Figur 1 in einer geschnittenen Seitenansicht,
Figur 3 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellesystems,
Figur 4 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Herstellungsverfahrens.
In Figur 1 ist ein Zellstapel 100 dargestellt. Der Zellstapel 100 umfasst eine Anzahl Zellen 101, von denen hier nur eine in Schwerkraftrichtung oberste Zelle 101 erkennbar ist.
Durch den Zellstapel 100 ziehen sich Wasserstoffverteilerkanäle 103, Abgassammlerkanäle 105, Luftverteilerkanäle 107, Luftsammlerkanäle 109, Kühlmittelverteilerkanäle 111 und Kühlmittelsammlerkanäle 113. Wie durch Pfeile 115, 117 und 119 angedeutet, wird der Zellstapel 100 im Z- Gegenstromprinzip durchströmt, so dass durch den Wasserstoffverteilerkanal 103 in die Zelle 101 geleiteter Wasserstoff bzw. Brennstoff, nachdem dieser in jeweiligen Zellen zumindest tlw. in Wasser überführt wurde, durch die Abgassammlerkanäle 105 zusammen mit Wasser und anderen Gasen, wie bspw. Stickstoff, abgeführt wird. Entsprechend wird durch die Luftverteilerkanäle 107 der Zelle 101 zugeführte Frischluft als Abluft durch die Luftsammlerkanäle 109 abgeführt und durch die Kühlmittelverteilerkanäle 111 der Zelle 101 zugeführtes frisches Kühlmittel als erwärmtes Kühlmittel durch die Kühlmittelsammlerkanäle 113 abgeführt.
In Figur 2 ist eine Geometrie der sich entlang einer Lauflänge 200 des Zellstapels
100 erstreckenden Kanäle erkennbar.
Vorliegend reduziert sich ein Querschnitt eines Wasserstoffverteilerkanals 103 graduell in Schwerkraftrichtung von oben nach unten. Entsprechend ist ein von dem Wasserstoffverteilerkanal 103 benötigter Bauraum an einem unteren Ende 201 des Zellstapels 100 geringer als an einem oberen Ende 203 des Zellstapels 100.
Der durch die Reduktion des Querschnitts des Wasserstoffverteilerkanals 103 frei gewordene Bauraum ermöglicht eine graduelle Zunahme eines Querschnitts eines Luftsammlerkanals 109 in Schwerkraftrichtung von oben nach unten. Entsprechend werden durch den Wasserstoffverteilerkanal 103 und den Luftsammelkanal 109 für jede Zelle 101 zellspezifische Teilkanäle bereitgestellt, die sich in ihrem Querschnitt von den zellspezifischen Teilkanälen anderer Zellen
101 unterscheiden.
Weiterhin reduziert sich ein Querschnitt eines Luftverteilerkanals 107 graduell in Schwerkraftrichtung von oben nach unten. Entsprechend ist ein von dem Luftverteilerkanal 107 benötigter Bauraum an dem unteren Ende 201 des Zellstapels 100 geringer als an einem oberen Ende 203 des Zellstapels 100.
Der durch die Reduktion des Querschnitts des Luftverteilerkanals 107 frei gewordene Bauraum ermöglicht eine graduelle Zunahme eines Querschnitts eines Abgassammlerkanals 105 in Schwerkraftrichtung von oben nach unten. Entsprechend werden durch den Luftverteilerkanal 107 und den Wassersammelkanal 105 für jede Zelle 101 zellspezifische Teilkanäle bereitgestellt, die sich in ihrem Querschnitt von den zellspezifischen Teilkanälen anderer Zellen 101 unterscheiden.
In Figur 3 ist ein Brennstoffzellensystem 300 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem nutzt den Zellstapel 100 zum Erzeugen von elektrischem Strom. In Figur 4 ist ein Herstellungsverfahren 400 dargestellt. Das
Herstellungsverfahren 400 umfasst einen Stapelschritt 401, bei dem eine Vielzahl Zellen, die jeweils zellspezifische Kanäle aufweisen, zu einem Zellstapel zusammengeführt und anschließend verpresst bzw. laminiert werden.

Claims

Ansprüche
1. Zellstapel (100) für ein Brennstoffzellensystem (300) mit einer entlang einer Lauflänge (200) des Zellstapels (100) angeordneten Vielzahl Zellen (101), wobei jede Zelle (101) der Vielzahl Zellen (101) ein Strömungsfeld zwischen einer ersten Seite der Zelle (101) und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite umfasst, wobei auf der ersten Seite und der zweiten Seite jeder Zelle (101) jeweils eine Anzahl Verteilerkanäle zur Zufuhr von Fluiden zu dem Strömungsfeld der Zelle (101) und eine Anzahl Sammlerkanäle zum Abführen von Fluiden aus dem Strömungsfeld der Zelle (101) angeordnet sind, wobei die Verteilerkanäle auf der ersten Seite jeweiliger Zellen (101) sich von Sammlerkanälen auf der ersten Seite jeweiliger Zellen (101) zumindest bereichsweise entlang der Lauflänge (200) des Zellstapels (100) in ihrem Querschnitt unterscheiden, wobei die Verteilerkanäle auf der zweiten Seite jeweiliger Zellen (101) sich von Sammlerkanälen auf der zweiten Seite jeweiliger Zellen (101) zumindest bereichsweise entlang der Lauflänge (200) des Zellstapels (100) in ihrem Querschnitt unterscheiden, und wobei entlang der Lauflänge (200) des Zellstapels (100) die jeweiligen Verteilerkanäle und die jeweiligen Sammlerkanäle sich in ihrem Querschnitt graduell verändern.
2. Zellstapel (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl Verteilerkanäle auf der ersten Seite einer jeweiligen Zelle (101) Wasserstoffverteilerkanäle (103) zur Versorgung des Strömungsfelds der Zelle (101) mit Wasserstoff und die Anzahl Sammlerkanäle auf der ersten Seite der Zelle Luftsammlerkanäle (109) zum Abführen von Abluft aus der Zelle (101) sind, und dass die Anzahl Verteilerkanäle auf der zweiten Seite der Zelle (101) Luftverteilerkanäle (107) zur Versorgung des Strömungsfelds der Zelle
(101) und die Anzahl Sammlerkanäle Abgassammlerkanäle (105) zum Abführen von Abgas aus der Zelle (101) sind.
3. Zellstapel (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle (101) des Zellstapels (100) sich im Querschnitt der Anzahl Luftverteilerkanäle (107), im Querschnitt der Anzahl Abgassammlerkanäle (105), im Querschnitt der Anzahl Wasserstoffverteilerkanäle (103) und im Querschnitt der Anzahl Luftsammlerkanäle (109) von jeweilig anderen Zellen (101) des Zellstapels (100) unterscheidet.
4. Zellstapel (100) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt der Anzahl Luftverteilerkanäle (107) einer an einem oberen Ende (203) des Zellstapels (100) angeordneten Zelle (101) größer ist als ein Querschnitt der Anzahl Luftverteilerkanäle (107) einer an einem unteren Ende (201) des Zellstapels (100) angeordneten Zelle (101), und ein Querschnitt der Anzahl Wasserstoffverteilerkanäle (103) der an dem oberen Ende (203) des Zellstapels (100) angeordneten Zelle (101) größer ist als ein Querschnitt der Anzahl Wasserstoffverteilerkanäle (103) der an dem unteren Ende (201) des Zellstapels (100) angeordneten Zelle (101), und ein Querschnitt der Anzahl Luftsammlerkanäle (109) der an dem oberen Ende (203) des Zellstapels (100) angeordneten Zelle (101) kleiner ist als ein Querschnitt der Anzahl Luftsammlerkanäle (109) der an dem unteren Ende (201) des Zellstapels (100) angeordneten Zelle (101), und ein Querschnitt der Anzahl Abgassammlerkanäle (105) der an dem oberen Ende (203) des Zellstapels (100) angeordneten Zelle (101) kleiner ist als ein Querschnitt der Anzahl Abgassammlerkanäle (105) der an dem unteren Ende (201) des Zellstapels (100) angeordneten Zelle (101).
5. Zellstapel (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerkanäle und die Sammlerkanäle jeweiliger Zellen (101) des Zellstapels (100) in ihrem Querschnitt derart dimensioniert sind, dass ein Druckverlust von durch den Zellstapel (100) strömenden Fluiden entlang der Lauflänge (200) des Zellstapels (100) konstant ist.
6. Zellstapel (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellstapel (100) dazu konfiguriert ist, in einer Z-Durchströmung durchströmt zu werden. 7. Zellstapel (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerkanäle und die Sammlerkanäle einer jeweiligen Zelle (101) als Ausnehmungen aus einer Trägerplatte der Zelle (101) gebildet sind.
8. Zellstapel (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Verteilerkanäle in ihrem Verlauf entlang der Lauflänge (200) des Zellstapels (100) in einem Maß abnehmen, um das die jeweiligen Sammlerkanäle graduell in ihrem Querschnitt zunehmen.
9. Zellstapel (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Lauflänge (200) des Zellstapels (100) in Schwerkraftrichtung oder orthogonal zur Schwerkraftrichtung von einem Anfang des Zellstapels (100), an dem Wasserstoff in den Zellstapel (100) eintritt, zu einem Ende des Zellstapels (100), an dem Abgas aus dem Zellstapel (100) austritt, erstreckt.
10. Brennstoffzellensystem (300) mit einem Zellstapel (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Herstellungsverfahren (400) zur Herstellung eines Zellstapels (100) für ein Brennstoffzellensystem (300), wobei das Herstellungsverfahren (400) umfasst:
- einen Stapelschritt (401), bei dem eine Vielzahl Zellen (101) aufeinandergestapelt werden, wobei jede Zelle (101) der Vielzahl Zellen (101) ein Strömungsfeld zwischen einer ersten Seite der Zelle (101) und einer der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite umfasst, wobei auf der ersten Seite und der zweiten Seite jeder Zelle (101) jeweils eine Anzahl Verteilerkanäle zur Zufuhr von Fluiden zu dem Strömungsfeld der Zelle (101) und eine Anzahl Sammlerkanäle zum Abführen von Fluiden aus dem Strömungsfeld der Zelle (101) angeordnet sind, wobei jeweilige Zellen (101) derart übereinandergestapelt werden, dass die Verteilerkanäle auf der ersten Seite jeweiliger Zellen (101) sich von Sammlerkanälen auf der ersten Seite jeweiliger Zellen (101) zumindest bereichsweise entlang der Lauflänge (200) des Zellstapels (100) in ihrem Querschnitt unterscheiden, und die Verteilerkanäle auf der zweiten Seite jeweiliger Zellen (100) sich von Sammlerkanälen auf der zweiten Seite jeweiliger Zellen (100) bereichsweise entlang der Lauflänge (200) des Zellstapels (100) in ihrem Querschnitt unterscheiden, und entlang der Lauflänge (200) des Zellstapels (100) die jeweiligen Verteilerkanäle und die jeweiligen Sammlerkanäle sich in ihrem Querschnitt graduell verändern.
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