WO2024051985A1 - Separator plate half, separator plate, fuel cell system and method - Google Patents

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WO2024051985A1
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fuel cell
channels
separator plate
plate half
process fluid
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Mark Hellmann
Jonas BREITINGER
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04179—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by purging or increasing flow or pressure of reactants

Definitions

  • Hydrogen-based polymer electrolyte fuel cells are considered the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable quick refueling times. During operation, high individual cell voltages (typically greater than 0.85 V for polymer electrolyte fuel cells) should be avoided in order to prevent increased degradation of the fuel cells of a fuel cell stack.
  • the present invention shows a separator plate half according to the features of claim 1, a separator plate according to the features of claim 9, a fuel cell system according to the features of claim 10 and a method according to the features of claim 11.
  • the present invention shows a separator plate half for a separator plate of an electrochemical energy converter, wherein the separator plate half has a plurality of channels for guiding a process fluid of the electrochemical energy converter.
  • At least two channels of the plurality of channels have different channel types at least in sections, so that during partial load operation of the electrochemical energy converter, a flow of the process fluid in a channel, in particular in a first channel, of at least two channels with the different channel types is interrupted and the flow of the Process fluids are maintained in a second channel of at least two channels with the different channel types of the plurality of channels for guiding the process fluid.
  • the electrochemical energy converter is in particular a fuel cell or a fuel cell stack.
  • the separator plate half is in particular a bipolar plate half.
  • part-load operation of the electrochemical energy converter is understood to mean operation of the electrochemical energy converter up to 20% of the nominal current of the electrochemical energy converter.
  • the electrochemical energy converter has a high-load operation and/or a medium-load operation in addition to the partial load operation.
  • high-load operation of the electrochemical energy converter is understood to mean operation of the electrochemical energy converter from 70% of the nominal current strength of the electrochemical energy converter.
  • medium-load operation of the electrochemical energy converter is understood to mean operation of the electrochemical energy converter from 20% of the rated current of the electrochemical energy converter to 70% of the rated current of the electrochemical energy converter.
  • the plurality of channels of the separator plate half are for conducting a cathode gas, for example air, as the process fluid of the electrochemical energy converter, in particular a fuel cell stack.
  • each channel of the plurality further instructs Channels of the separator plate half, in particular in the active area of the separator plate half, at least in sections either a first channel type or a second channel type.
  • the separator plate half can therefore be manufactured particularly easily. It is also conceivable that each channel of the plurality of channels of the separator plate half, in particular in the active region of the separator plate half, has at least in sections either a first channel type or a second channel type or a third channel type.
  • channels that have the first channel type can, for example, be optimized for part-load operation
  • channels that have the second channel type can, for example, be optimized for high-load operation
  • channels that have the third channel type can, for example, be optimized for medium-load operation.
  • the plurality of channels can be designed the same or substantially the same, that is, have the same or substantially the same distribution region channel types.
  • the plurality of channels of the separator plate half can be designed to be the same or substantially the same for guiding a process fluid of the electrochemical energy converter in the at least one distribution region of the separator plate half, but each of the channels of the plurality of channels of the separator plate half in the active region, for example, has a first one Has or forms channel types or a second channel type.
  • each channel of the plurality of channels each has a (single) channel type along the entire running length or substantially along the entire running length, in particular in the active region of the separator plate half.
  • the separator plate half can therefore be produced particularly easily and cost-effectively.
  • the active area of the separator plate half is to be understood in particular as the area of the separator plate half in which an electrochemical reaction takes place in the electrochemical energy converter, for example a fuel cell or a fuel cell stack.
  • the different channel types are in particular at least a first channel type and/or a second channel type and/or a third channel type. Of course, other channel types are also conceivable.
  • the different channel types in particular at least the first channel type and the second channel type, each have a different minimum speed for the process fluid for a liquid water discharge.
  • the size of the active area of the electrochemical energy converter or the separator plate half can be set or changed particularly advantageously, in particular depending on the operation, for example partial load operation or medium load operation or high load operation, of the electrochemical energy converter.
  • channels that have the first channel types can be optimized for partial load operation of the electrochemical energy converter with a low minimum speed for the process fluid for liquid water discharge from the channels, for example in a fuel cell stack.
  • the channels that have the second channel types can, for example, be optimized for high-load operation of the electrochemical energy converter with low pressure loss at high mass flows.
  • the minimum speed of the process fluid, for example a cathode gas, for a liquid water discharge from the channels can be lower, at least for the channels that have the first channel type, than for the channels that have the second channel type.
  • Liquid water is to be understood in particular as water which is present in liquid form on a cathode side of a fuel cell or a fuel cell stack and which can cause a channel in the separator plate to flood.
  • the liquid water can be generated in particular by a chemical reaction in an active region of the fuel cell or the fuel cell stack.
  • the channels of the plurality of channels have a different channel type at least in sections, for example in an active area of the separator plate half, a particularly safe partial load operation of the electrochemical energy converter can be ensured, for example, at the same time acceptable pressure loss in high-load operation of the electrochemical energy converter.
  • a particularly safe partial load operation of the electrochemical energy converter can be ensured, for example, at the same time acceptable pressure loss in high-load operation of the electrochemical energy converter.
  • part of the electrochemical energy converter for example part of a fuel cell stack, can behave passively and part of the electrochemical energy converter can continue to behave actively.
  • an effective active area, ie the active area, of the electrochemical energy converter or the separator plate half can be reduced by “selective” flooding or fluid-technical interruption of a flow of the process fluid.
  • a minimum power density to prevent the occurrence of “unacceptably” high cell voltages, in particular individual cell voltages, can thus be reduced. Consequently, “unacceptably” high cell voltages in a fuel cell stack as an electrochemical energy converter can be particularly advantageously reduced, in particular avoided, and at the same time liquid water discharge can be ensured.
  • At least the two channels with the at least partially different channel types have a different channel geometry and/or a different channel surface.
  • Different channel types for example a first channel type or a second channel type or a third channel type, can thus be generated in a particularly simple manner.
  • the at least two channels with the at least partially different channel types can have a different channel width and/or a different channel diameter and/or a different channel shape in order to have a different channel geometry.
  • the at least two channels with the at least partially different channel types can have a different roughness and/or a different coating in order to achieve a to have different channel surfaces. This makes it particularly easy to create different channel types.
  • a channel surface is to be understood in particular as a surface of a channel which is in contact with the process fluid.
  • a separator plate half at least in sections the plurality of channels, in particular at least in sections in an active area of the separator plate half, alternately have a first channel type and a second channel type, in particular the first channel type and the second channel type being different, for example, have a different channel geometry and/or a different surface.
  • the (respective) flow of the process fluid in the channels of the plurality of channels with the second channel type can be interrupted and the (respective) flow of the process fluid in the channels of the plurality of channels with the first channel type can be maintained.
  • a particularly homogeneous state in terms of temperature and/or humidity can thus be created in an active area of the separator plate half, for example a fuel cell or a fuel cell stack, even in partial load operation of the electrochemical energy converter.
  • the electrochemical energy converter can therefore have a particularly long service life.
  • every third or every fourth channel can be a channel of the first channel type or a channel of the second channel type, with the channels in between each being channels of the other channel type.
  • Separator plate half at least in sections, in particular at least in sections in an active area of the separator plate half, a plurality of channels of a first block of the plurality of channels have the same first channel type and at least in sections a plurality of channels of a second block of the plurality of channels have the same second channel type.
  • the separator plate half can therefore be manufactured particularly easily and the manufacturing costs can be particularly cheap.
  • the separator plate half can only have a first block with channels and a second block with channels in an active area of the separator plate half, the channels of the first block having the first channel type and channels of the second block having the second channel type.
  • the separator plate can therefore be designed to be particularly simple and can also be manufactured particularly cost-effectively.
  • the at least two channels of the plurality of channels with the at least partially different channel types in an active area of the separator plate half have the different channel types.
  • the channels of at least one distribution area of the separator plate half for guiding the process fluid between a process fluid opening of the separator plate half and an active area of the separator plate half can be designed the same or essentially the same, for example have the same distribution area channel types, and can therefore be particularly easy to produce, and Furthermore, the location of the “selective” flooding in partial load operation of the electrochemical energy converter can be relocated to the active area of the separator plate half.
  • a separator plate half it can be advantageous if, in a separator plate half according to the invention, at least three channels of the plurality of channels each have a different channel type at least in sections, in particular at least in sections in an active area of the separator plate half, so that during partial load operation of the electrochemical energy converter a flow of the process fluid into two the at least three channels with the different channel types are interrupted and during medium-load operation of the electrochemical energy converter Flow of the process fluid is interrupted in one of the at least three channels with the different channel types, in particular in a single one of the at least three channels with the different channel types.
  • the size of the active area of the electrochemical energy converter or the separator plate half is thus set or changed particularly advantageously depending on the operation of the electrochemical energy converter.
  • the three channel types may be a first channel type, a second channel type and a third channel type.
  • the channel or channels that have the first channel type are optimized for partial load operation of the electrochemical energy converter with a low minimum speed for the process fluid for liquid water discharge from the channels, for example in a fuel cell stack.
  • the channel or channels that have the second channel type are optimized for high-load operation of the electrochemical energy converter with, in particular, low pressure loss at high mass flows.
  • the channel or channels that have the third channel type are optimized for medium-load operation of the electrochemical energy converter with a moderate pressure loss and with a moderate minimum speed for the process fluid for a liquid water discharge.
  • the minimum speed of the process fluid, for example a cathode gas, for a liquid water discharge from the channels is, in particular, at least for the channels that have the first channel type, lower than for the channels that have the third channel type.
  • the minimum speed of the process fluid for the liquid water discharge from the channels is lower, at least for the channels that have the third channel type, than for the channels that have the second channel type.
  • the plurality of channels in the separator plate half are for guiding a cathode gas.
  • the separator plate half with the large number of channels for guiding a cathode gas can also be used as a cathode plate half, in particular a fuel cell or a fuel cell stack.
  • a bipolar plate of a fuel cell stack of a fuel cell system can have a cathode plate half for guiding a cathode gas and an anode plate half arranged on the cathode plate half for guiding an anode gas.
  • only the cathode plate half of the bipolar plate is designed as a separator plate half according to the invention.
  • the present invention shows a separator plate for an electrochemical energy converter, in particular a fuel cell stack, wherein the separator plate has a first separator plate half and a second separator plate half arranged on the first separator plate half, at least the first separator plate half being designed according to the invention.
  • the separator plate is in particular a bipolar plate of a fuel cell stack.
  • the separator plate according to the second aspect of the invention therefore has the same advantages as have already been described for the separator plate half according to the first aspect of the invention.
  • the present invention shows a fuel cell system, wherein the fuel cell system comprises a fuel cell stack as an electrochemical energy converter with at least one fuel cell.
  • the at least one fuel cell comprises at least one separator plate half designed according to the invention.
  • the fuel cell system includes a voltage determination device for determining at least one fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system.
  • the fuel cell system comprises a control device, wherein the control device is at least designed to control a speed of a process fluid of the fuel cell stack at least as a function of the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system.
  • the process fluid is in particular a cathode gas, for example air.
  • Determining the at least one fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system by the voltage determination device can be measuring and/or estimating the at least one fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system.
  • Controlling the speed of the process fluid of the fuel cell stack at least as a function of the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system by the control device is in particular a reduction of the speed of the process fluid when the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack is one Limit value exceeds (“unacceptably” high cell voltage).
  • high individual cell voltages e.g. voltages greater than 0.85 V for polymer electrolyte fuel cells
  • the size of the active area of the fuel cell stack or the at least one fuel cell or the separator plate half can be set or changed particularly advantageously. In this way, “unacceptably” high cell voltages can be particularly advantageously reduced, in particular avoided.
  • the fuel cell system according to the third aspect of the invention is designed to carry out a method according to the invention.
  • the fuel cell system according to the third aspect of the invention therefore has the same advantages as those already associated with the separator plate half according to first aspect of the invention or the separator plate according to the second aspect of the invention have been described.
  • the present invention shows a method for operating a fuel cell system, in particular the fuel cell system being designed according to the invention.
  • the method includes, as a step, determining a fuel cell voltage of at least one fuel cell of a fuel cell stack of the fuel cell system, wherein at least the at least one fuel cell has at least one separator plate half designed according to the invention.
  • the method includes, as a step, controlling a speed of a process fluid of the fuel cell stack as a function of the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system.
  • Determining the at least one fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system can be measuring and/or estimating the at least one fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system. It is particularly conceivable that a fuel cell voltage is determined for each individual fuel cell of the fuel cell stack.
  • controlling the process fluid is at least reducing the speed of the process fluid, in particular reducing the speed of the process fluid below a minimum speed of a channel type of the plurality of channels of the separator plate half, when the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack exceeds a limit value, for example . an “unacceptably” high cell voltage.
  • reducing the speed of the process fluid below a minimum speed for a Liquid water discharge of the process fluid of a channel type of the plurality of channels results in flooding in channels of the plurality of channels and a reduction in the active area, ie a reduction in the active area, the separator plate half or the fuel cell.
  • the size of the active region of the fuel cell stack or of the at least one fuel cell or the separator plate half can thus be set or changed particularly advantageously.
  • “unacceptably” high cell voltages can be particularly advantageously reduced, in particular avoided.
  • the method according to the fourth aspect of the invention therefore has the same advantages as have already been described for the separator plate half according to the first aspect of the invention or the separator plate according to the second aspect of the invention or the fuel cell system according to the third aspect of the invention.
  • Fig. 1 shows a separator plate half
  • Fig. 2 shows a separator plate half
  • Fig. 3 shows a separator plate half
  • Fig. 4 a separator plate
  • Fig. 5 shows a fuel cell system
  • Fig. 6 shows a method.
  • the separator plate halves 1 each comprise a plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15 for guiding a process fluid, for example a cathode fluid, of the electrochemical energy converter 100.
  • At least the two channels 11 and 14 of the plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15 have a different channel type TI, T2 along a running length of a respective channel of the plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15, so that during partial load operation of the electrochemical energy converter 100, a flow of the process fluid in a channel 11 of the at least two Channels 11, 14 with the different channel types TI, T2 are interrupted and the flow of the process fluid in one or the second channel 14 of the at least two channels 11, 14 with the different channel types TI, T2 of the plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15 is maintained to guide the process fluid.
  • at least the two channels 11, 14 with the at least partially different channel types TI, T2 have a different channel geometry and/or a different channel surface in order to achieve a different minimum speed for the Process fluid for a liquid water discharge from the two channels 11, 14.
  • Fig. 1 additional, i.e. H. optionally, shown for the separator plate half 1, that at least in sections the plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15 alternately have a first channel type TI and a second channel type T2.
  • Fig. 2 additional, i.e. H. optionally, for the separator plate half 1 shown that at least in sections several adjacent channels 12, 13, 14 of the plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15 have the same channel type T2.
  • at least one channel 15 of the plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15 has a third channel type that is different from the first channel type TI and a third channel type that is different from the second channel type T2.
  • Fig. 3 additional, i.e. H. optionally, for the separator plate half 1 shown that at least in sections a plurality of channels 11, 12 of a first block B1 of the plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15 have the same first channel type TI and at least in sections a plurality of channels 13 , 14, 15 of a second block B2 of the plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15 have the same second channel type T2.
  • FIG. 4 shows a schematic side view of a separator plate 110 for an electrochemical energy converter 100, in particular a fuel cell stack, wherein the separator plate 110 has a first separator plate half 1 and a second separator plate half 2 arranged on the first separator plate half 1, for example glued and/or welded to it , wherein at least the first separator plate half 1 is designed according to the invention (see, for example, FIGS. 1 to 3).
  • the fuel cell system 200 comprises a fuel cell stack as an electrochemical energy converter 100 with at least one fuel cell, the at least one fuel cell being at least one according to the invention trained separator plate half 1.
  • the fuel cell stack in particular has an anode A and a cathode K.
  • the fuel cell system 200 includes a voltage determination device 120 for determining at least one fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system 200.
  • the fuel cell system 200 includes a control device 140, wherein the control device 140 is at least designed to measure a speed of a cathode gas as To control the process fluid of the fuel cell stack at least as a function of the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system 200, for example by controlling a valve 141.
  • the method includes determining 420 a fuel cell voltage of at least one fuel cell of a fuel cell stack of the fuel cell system 200, wherein at least the at least one fuel cell has at least one separator plate half 1 designed according to the invention. Furthermore, the method includes, as a step, controlling 440 a speed of a process fluid of the fuel cell stack depending on the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system 200.
  • a power request to the fuel cell system 200 is recorded 400, where the speed of the process fluid of the fuel cell stack is controlled as a function of the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system 200 and as a function of the recorded power request to the fuel cell system 200 441.

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Abstract

The invention relates to a separator plate half (1) for a separator plate (110) of an electrochemical energy convertor (100), wherein the separator plate half (1) has a plurality of channels (11, 12, 13, 14, 15) for guiding a process fluid of the electrochemical energy convertor (100), wherein at least two channels (11, 12, 13, 14, 15) of the plurality of channels (11, 12, 13, 14, 15) have, at least in portions, a different channel type (T1, T2, T3) so that, when the electrochemical energy convertor (100) is in partial load operation, a flow of the process fluid is interrupted in one channel (11, 12, 13, 14, 15) of the at least two channels (11, 12, 13, 14, 15) having the different channel types (T1, T2, T3) and the flow of the process fluid during the partial load operation is maintained through the second channel (11, 12, 13, 14, 15) of the two channels (11, 12, 13, 14, 15) having the different channel types (T1, T2, T3) of the plurality of channels (11, 12, 13, 14, 15) for guiding the process fluid.

Description

Beschreibung Description
Titel title
Separatorplattenhälfte, Separatorplate, Brennstoffzellensystem sowie Verfahren Separator plate half, separator plate, fuel cell system and process
Stand der Technik State of the art
Wasserstoffbasierte Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Im Betrieb sollen hohe Einzelzellspannungen (typischerweise bei Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen größer 0,85 V) vermieden werden, um eine erhöhte Degradation der Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels zu verhindern. Hydrogen-based polymer electrolyte fuel cells are considered the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable quick refueling times. During operation, high individual cell voltages (typically greater than 0.85 V for polymer electrolyte fuel cells) should be avoided in order to prevent increased degradation of the fuel cells of a fuel cell stack.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung zeigt eine Separatorplattenhälfte gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Separatorplate gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9, ein Brennstoffzellensystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11. The present invention shows a separator plate half according to the features of claim 1, a separator plate according to the features of claim 9, a fuel cell system according to the features of claim 10 and a method according to the features of claim 11.
Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Separatorplattenhälfte beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Separatorplate, dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Separatorplattenhälfte für eine Separatorplatte eines elektrochemischen Energiewandlers, wobei die Separatorplattenhälfte eine Vielzahl an Kanälen zum Führen eines Prozessfluids des elektrochemischen Energiewandlers aufweist. Zumindest zwei Kanäle der Vielzahl an Kanälen weisen wenigstens abschnittsweise einen unterschiedlichen Kanaltypen auf, sodass bei einem Teillastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers ein Fluss des Prozessfluids in einem Kanal, insbesondere in einem ersten Kanal, der zumindest zwei Kanäle mit den unterschiedlichen Kanaltypen unterbrochen ist und der Fluss des Prozessfluids in einem zweiten Kanal der zumindest zwei Kanäle mit den unterschiedlichen Kanaltypen der Vielzahl an Kanälen zum Führen des Prozessfluids aufrechterhalten bleibt. Further features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the separator plate half according to the invention naturally also apply in connection with the separator plate according to the invention, the fuel cell system according to the invention and the method according to the invention and vice versa, so that reference is always made to each other in relation to the disclosure of the individual aspects of the invention . can be. According to a first aspect, the present invention shows a separator plate half for a separator plate of an electrochemical energy converter, wherein the separator plate half has a plurality of channels for guiding a process fluid of the electrochemical energy converter. At least two channels of the plurality of channels have different channel types at least in sections, so that during partial load operation of the electrochemical energy converter, a flow of the process fluid in a channel, in particular in a first channel, of at least two channels with the different channel types is interrupted and the flow of the Process fluids are maintained in a second channel of at least two channels with the different channel types of the plurality of channels for guiding the process fluid.
Der elektrochemische Energiewandler ist insbesondere eine Brennstoffzelle bzw. ein Brennstoffzellenstapel. The electrochemical energy converter is in particular a fuel cell or a fuel cell stack.
Die Separatorplattenhälfte ist insbesondere eine Bipolarplattenhälfte. The separator plate half is in particular a bipolar plate half.
Insbesondere ist als Teillastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers ein Betrieb des elektrochemischen Energiewandlers bis zu 20 % der Nennstromstärke des elektrochemischen Energiewandlers zu verstehen. Insbesondere weist der elektrochemische Energiewandler neben dem Teillastbetrieb einen Hochlastbetrieb und/oder einen Mittellastbetrieb auf. Insbesondere ist als Hochlastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers ein Betrieb des elektrochemischen Energiewandlers ab 70 % der Nennstromstärke des elektrochemischen Energiewandlers zu verstehen. Insbesondere ist als Mittellastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers ein Betrieb des elektrochemischen Energiewandlers von 20 % der Nennstromstärke des elektrochemischen Energiewandlers bis 70 % der Nennstromstärke des elektrochemischen Energiewandlers zu verstehen. In particular, part-load operation of the electrochemical energy converter is understood to mean operation of the electrochemical energy converter up to 20% of the nominal current of the electrochemical energy converter. In particular, the electrochemical energy converter has a high-load operation and/or a medium-load operation in addition to the partial load operation. In particular, high-load operation of the electrochemical energy converter is understood to mean operation of the electrochemical energy converter from 70% of the nominal current strength of the electrochemical energy converter. In particular, medium-load operation of the electrochemical energy converter is understood to mean operation of the electrochemical energy converter from 20% of the rated current of the electrochemical energy converter to 70% of the rated current of the electrochemical energy converter.
Insbesondere sind die Vielzahl an Kanälen der Separatorplattenhälfte zum Führen eines Kathodengases, bspw. Luft, als das Prozessfluid des elektrochemischen Energiewandlers, insbesondere eines Brennstoffzellenstapels. Insbesondere weist ferner jeder Kanal der Vielzahl an Kanälen der Separatorplattenhälfte, insbesondere in dem Aktivbereich der Separatorplattenhälfte, zumindest abschnittsweise entweder einen ersten Kanaltypen oder einen zweiten Kanaltypen auf. Somit kann die Separatorplattenhälfte besonders einfach hergestellt werden. Es ist auch denkbar, dass jeder Kanal der Vielzahl an Kanälen der Separatorplattenhälfte, insbesondere in dem Aktivbereich der Separatorplattenhälfte, zumindest abschnittsweise entweder einen ersten Kanaltypen oder einen zweiten Kanaltypen oder einen dritten Kanaltypen aufweist. Somit können Kanäle, die den ersten Kanaltyp aufweisen bspw. optimiert sein für den Teillastbetrieb, und Kanäle, die den zweiten Kanaltyp aufweisen bspw. optimiert sein für den Hochlastbetrieb, und Kanäle, die den dritten Kanaltyp aufweisen bspw. optimiert sein für den Mittellastbetrieb. Ferner können in zumindest einem Verteilerbereich der Separatorplattenhälfte zum Führen des Prozessfluids zwischen einer Prozessfluidöffnung der Separatorplattenhälfte und einem Aktivbereich der Separatorplattenhälfte die Vielzahl an Kanälen gleich oder im Wesentlichen gleich ausgebildet sein, d. h. einen gleichen oder im Wesentlichen gleichen Verteilerbereich-Kanaltypen aufweisen. Mit anderen Worten kann die Vielzahl an Kanälen der Separatorplattenhälfte zum Führen eines Prozessfluids des elektrochemischen Energiewandlers in dem zumindest einem Verteilerbereich der Separatorplattenhälfte gleich oder im Wesentlichen gleich ausgebildet sein, wobei jedoch jeder der Kanäle der Vielzahl an Kanälen der Separatorplattenhälfte in dem Aktivbereich bspw. einen ersten Kanaltypen oder einen zweiten Kanaltypen aufweist bzw. ausbildet. Vorzugsweise weist ferner jeder Kanal der Vielzahl an Kanälen entlang der kompletten Lauflänge oder im Wesentlichen entlang der kompletten Lauflänge, insbesondere in dem Aktivbereich der Separatorplattenhälfte, jeweils einen (einzigen) Kanaltypen auf. Somit kann die Separatorplattenhälfte besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden. In particular, the plurality of channels of the separator plate half are for conducting a cathode gas, for example air, as the process fluid of the electrochemical energy converter, in particular a fuel cell stack. In particular, each channel of the plurality further instructs Channels of the separator plate half, in particular in the active area of the separator plate half, at least in sections either a first channel type or a second channel type. The separator plate half can therefore be manufactured particularly easily. It is also conceivable that each channel of the plurality of channels of the separator plate half, in particular in the active region of the separator plate half, has at least in sections either a first channel type or a second channel type or a third channel type. Thus, channels that have the first channel type can, for example, be optimized for part-load operation, and channels that have the second channel type can, for example, be optimized for high-load operation, and channels that have the third channel type can, for example, be optimized for medium-load operation. Furthermore, in at least one distribution region of the separator plate half for guiding the process fluid between a process fluid opening of the separator plate half and an active region of the separator plate half, the plurality of channels can be designed the same or substantially the same, that is, have the same or substantially the same distribution region channel types. In other words, the plurality of channels of the separator plate half can be designed to be the same or substantially the same for guiding a process fluid of the electrochemical energy converter in the at least one distribution region of the separator plate half, but each of the channels of the plurality of channels of the separator plate half in the active region, for example, has a first one Has or forms channel types or a second channel type. Preferably, each channel of the plurality of channels each has a (single) channel type along the entire running length or substantially along the entire running length, in particular in the active region of the separator plate half. The separator plate half can therefore be produced particularly easily and cost-effectively.
Als Aktivbereich der Separatorplattenhälfte ist insbesondere der Bereich der Separatorplattenhälfte zu verstehen, in welchem bei dem elektrochemischen Energiewandler, bspw. einer Brennstoffzelle bzw. einem Brennstoffzellenstapel, eine elektrochemische Reaktion stattfindet. Die unterschiedlichen Kanaltypen sind insbesondere zumindest ein erster Kanaltyp und/oder ein zweiter Kanaltyp und/oder ein dritter Kanaltyp. Es sind natürlich auch weitere Kanaltypen denkbar. Insbesondere weisen ferner die unterschiedlichen Kanaltypen, insbesondere zumindest der erste Kanaltyp und der zweite Kanaltyp, jeweils eine unterschiedliche Mindestgeschwindigkeit für das Prozessfluid für einen Flüssigwasseraustrag auf. Durch die jeweils unterschiedliche Mindestgeschwindigkeit für das Prozessfluid für einen Flüssigwasseraustrag kann die Größe des Aktivbereichs des elektrochemischen Energiewandlers bzw. der Separatorplattenhälfte besonders vorteilhaft eingestellt bzw. verändert werden, insbesondere in Abhängigkeit des Betriebs, bspw. Teillastbetrieb oder Mittellastbetrieb oder Hochlastbetrieb, des elektrochemischen Energiewandlers. The active area of the separator plate half is to be understood in particular as the area of the separator plate half in which an electrochemical reaction takes place in the electrochemical energy converter, for example a fuel cell or a fuel cell stack. The different channel types are in particular at least a first channel type and/or a second channel type and/or a third channel type. Of course, other channel types are also conceivable. In particular, the different channel types, in particular at least the first channel type and the second channel type, each have a different minimum speed for the process fluid for a liquid water discharge. Due to the different minimum speed for the process fluid for a liquid water discharge, the size of the active area of the electrochemical energy converter or the separator plate half can be set or changed particularly advantageously, in particular depending on the operation, for example partial load operation or medium load operation or high load operation, of the electrochemical energy converter.
Insbesondere können Kanäle, die den ersten Kanaltypen aufweisen, optimiert sein für den Teillastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers mit einer geringen Mindestgeschwindigkeit für das Prozessfluid für einen Flüssigwasseraustrag aus den Kanälen, bspw. in einem Brennstoffzellenstapel. Ferner können die Kanäle, die den zweiten Kanaltypen aufweisen, bspw. optimiert sein für einen Hochlastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers mit geringem Druckverlust bei hohen Massenströmen. Die Mindestgeschwindigkeit des Prozessfluids, bspw. eines Kathodengases, für einen Flüssigwasseraustrag aus den Kanälen kann zumindest für die Kanäle, die den ersten Kanaltypen aufweisen, geringer sein als für die Kanäle, die den zweiten Kanaltypen aufweisen. Als Flüssigwasser ist insbesondere das Wasser zu verstehen, welches auf einer Kathodenseite einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstapels, in flüssiger Form vorliegt und ein Fluten eines Kanals der Separatorplatte hervorrufen kann. Das Flüssigwasser kann bei einer Brennstoffzelle bzw. einem Brennstoffzellenstapel insbesondere durch eine chemische Reaktion in einem Aktivbereich der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels erzeugt werden. In particular, channels that have the first channel types can be optimized for partial load operation of the electrochemical energy converter with a low minimum speed for the process fluid for liquid water discharge from the channels, for example in a fuel cell stack. Furthermore, the channels that have the second channel types can, for example, be optimized for high-load operation of the electrochemical energy converter with low pressure loss at high mass flows. The minimum speed of the process fluid, for example a cathode gas, for a liquid water discharge from the channels can be lower, at least for the channels that have the first channel type, than for the channels that have the second channel type. Liquid water is to be understood in particular as water which is present in liquid form on a cathode side of a fuel cell or a fuel cell stack and which can cause a channel in the separator plate to flood. In a fuel cell or a fuel cell stack, the liquid water can be generated in particular by a chemical reaction in an active region of the fuel cell or the fuel cell stack.
Dadurch, dass die Kanäle der Vielzahl an Kanälen wenigstens abschnittsweise, bspw. in einem Aktivbereich der Separatorplattenhälfte, einen unterschiedlichen Kanaltypen aufweisen, kann bspw. ein besonders sicherer Teillastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers gewährleistet werden, bei gleichzeitig vertretbarem Druckverlust in einem Hochlastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers. Bei einer Unterschreitung einer Mindestgeschwindigkeit des Prozessfluids in dem Teillastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers, bspw. einem Brennstoffzellenstapel, werden vorteilhafterweise bspw. nur die Kanäle eines zweiten Kanaltyps der zumindest zwei Kanaltypen geflutet, d. h. fluidtechnisch unterbrochen, während die Kanäle eines ersten Kanaltyps der zumindest zwei Kanaltypen offen bleiben und damit weiterhin den Fluss des Prozessfluids in den Kanälen mit dem ersten Kanaltypen ermöglichen. Durch die selektive Flutung kann sich ein Teil des elektrochemischen Energiewandlers, bspw. ein Teil eines Brennstoffzellenstapels, passiv verhalten und ein Teil des elektrochemischen Energiewandlers weiterhin aktiv. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann eine effektive aktive Fläche, d. h. der Aktivbereich, des elektrochemischen Energiewandlers bzw. der Separatorplattenhälfte durch „selektives“ Fluten bzw. fluidtechnisches Unterbrechen eines Flusses des Prozessfluids verkleinert werden. Eine Mindestleistungsdichte für ein Verhindern eines Auftretens von „unzulässig“ hohen Zellspannungen, insbesondere Einzelzellspannungen, kann somit verringert werden. Folglich können „unzulässig“ hohe Zellspannungen in einem Brennstoffzellenstapel als elektrochemischen Energiewandler besonders vorteilhaft verringert, insbesondere vermieden, werden und gleichzeitig ein Flüssigwasseraustrag sichergestellt werden. Because the channels of the plurality of channels have a different channel type at least in sections, for example in an active area of the separator plate half, a particularly safe partial load operation of the electrochemical energy converter can be ensured, for example, at the same time acceptable pressure loss in high-load operation of the electrochemical energy converter. If the process fluid falls below a minimum speed in the partial load operation of the electrochemical energy converter, for example a fuel cell stack, advantageously, for example, only the channels of a second channel type of the at least two channel types are flooded, ie interrupted fluidically, while the channels of a first channel type of the at least two channel types are open remain and thus continue to enable the flow of the process fluid in the channels with the first channel type. As a result of the selective flooding, part of the electrochemical energy converter, for example part of a fuel cell stack, can behave passively and part of the electrochemical energy converter can continue to behave actively. In other words, an effective active area, ie the active area, of the electrochemical energy converter or the separator plate half can be reduced by “selective” flooding or fluid-technical interruption of a flow of the process fluid. A minimum power density to prevent the occurrence of “unacceptably” high cell voltages, in particular individual cell voltages, can thus be reduced. Consequently, “unacceptably” high cell voltages in a fuel cell stack as an electrochemical energy converter can be particularly advantageously reduced, in particular avoided, and at the same time liquid water discharge can be ensured.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separatorplattenhälfte zumindest die beiden Kanäle mit den wenigstens abschnittsweise unterschiedlichen Kanaltypen eine unterschiedliche Kanalgeometrie und/oder eine unterschiedliche Kanaloberfläche aufweisen. Somit können auf besonders einfache Weise unterschiedliche Kanaltypen, bspw. ein erster Kanaltyp oder ein zweiter Kanaltyp oder ein dritter Kanaltyp, erzeugt werden. Die zumindest zwei Kanäle mit den wenigstens abschnittsweise unterschiedlichen Kanaltypen können eine unterschiedliche Kanalbreite und/oder einen unterschiedlichen Kanaldurchmesser und/oder eine unterschiedliche Kanalform aufweisen, um eine unterschiedliche Kanalgeometrie aufzuweisen. Alternativ oder zusätzlich können die zumindest zwei Kanäle mit den wenigstens abschnittsweise unterschiedlichen Kanaltypen eine unterschiedliche Rauigkeit und/oder eine unterschiedliche Beschichtung aufweisen, um eine unterschiedliche Kanaloberfläche aufzuweisen. Somit können besonders einfach unterschiedliche Kanaltypen erzeugt werden. Als Kanaloberfläche ist insbesondere eine Oberfläche eines Kanals zu verstehen, welche in Kontakt mit dem Prozessfluid ist. It can be advantageous if, in a separator plate half according to the invention, at least the two channels with the at least partially different channel types have a different channel geometry and/or a different channel surface. Different channel types, for example a first channel type or a second channel type or a third channel type, can thus be generated in a particularly simple manner. The at least two channels with the at least partially different channel types can have a different channel width and/or a different channel diameter and/or a different channel shape in order to have a different channel geometry. Alternatively or additionally, the at least two channels with the at least partially different channel types can have a different roughness and/or a different coating in order to achieve a to have different channel surfaces. This makes it particularly easy to create different channel types. A channel surface is to be understood in particular as a surface of a channel which is in contact with the process fluid.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separatorplattenhälfte wenigstens abschnittsweise die Vielzahl an Kanälen, insbesondere wenigstens abschnittsweise in einem Aktivbereich der Separatorplattenhälfte, abwechselnd einen ersten Kanaltypen und einen zweiten Kanaltypen aufweisen, wobei insbesondere der der erste Kanaltyp und der zweite Kanaltyp unterschiedlich sind, bspw. eine unterschiedliche Kanalgeometrie und/oder eine unterschiedliche Oberfläche aufweisen. Somit kann bei dem Teillastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers der (jeweilige) Fluss des Prozessfluids in den Kanälen der Vielzahl an Kanälen mit dem zweiten Kanaltypen unterbrochen und der (jeweilige) Fluss des Prozessfluids in den Kanälen der Vielzahl an Kanälen mit dem ersten Kanaltypen aufrechterhalten sein. Somit kann in einem Aktivbereich der Separatorplattenhälfte, bspw. einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel, auch in dem Teillastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers ein besonders homogener Zustand bezüglich einer Temperatur und/oder einer Feuchtigkeit geschaffen werden. Somit kann der elektrochemische Energiewandler eine besonders lange Lebenszeit aufweisen. It can be advantageous if, in a separator plate half according to the invention, at least in sections the plurality of channels, in particular at least in sections in an active area of the separator plate half, alternately have a first channel type and a second channel type, in particular the first channel type and the second channel type being different, for example, have a different channel geometry and/or a different surface. Thus, during partial load operation of the electrochemical energy converter, the (respective) flow of the process fluid in the channels of the plurality of channels with the second channel type can be interrupted and the (respective) flow of the process fluid in the channels of the plurality of channels with the first channel type can be maintained. A particularly homogeneous state in terms of temperature and/or humidity can thus be created in an active area of the separator plate half, for example a fuel cell or a fuel cell stack, even in partial load operation of the electrochemical energy converter. The electrochemical energy converter can therefore have a particularly long service life.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separatorplattenhälfte wenigstens abschnittsweise, insbesondere wenigstens abschnittsweise in einem Aktivbereich der Separatorplattenhälfte, mehrere benachbarte Kanäle der Vielzahl an Kanälen den gleichen Kanaltypen aufweisen. Somit kann die Separatorplattenhälfte besonders einfach hergestellt werden bzw. können die Herstellungskosten besonders günstig sein. Bspw. kann jeder dritte oder jeder vierte ein Kanal ersten Kanaltyps bzw. ein Kanal zweiten Kanaltyps sein, wobei die dazwischenliegenden Kanäle jeweils Kanäle des anderen Kanaltyps sind. It can be advantageous if, in a separator plate half according to the invention, at least in sections, in particular at least in sections in an active area of the separator plate half, several adjacent channels of the plurality of channels have the same channel types. The separator plate half can therefore be manufactured particularly easily and the manufacturing costs can be particularly low. For example, every third or every fourth channel can be a channel of the first channel type or a channel of the second channel type, with the channels in between each being channels of the other channel type.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßenIt can be advantageous if in one according to the invention
Separatorplattenhälfte wenigstens abschnittsweise, insbesondere wenigstens abschnittsweise in einem Aktivbereich der Separatorplattenhälfte, eine Mehrzahl an Kanälen eines ersten Blocks der Vielzahl an Kanälen einen gleichen ersten Kanaltypen aufweisen und wobei wenigstens abschnittsweise eine Mehrzahl an Kanälen eines zweiten Blocks der Vielzahl an Kanälen einen gleichen zweiten Kanaltypen aufweisen. Somit kann die Separatorplattenhälfte ganz besonders einfach hergestellt werden bzw. können die Herstellungskosten ganz besonders günstig sein. Bspw. kann die Separatorplattenhälfte in einem Aktivbereich der Separatorplattenhälfte nur einen ersten Block mit Kanälen und einen zweiten Block mit Kanälen aufweisen, wobei die Kanäle des ersten Blocks den ersten Kanaltypen aufweisen und Kanäle des zweiten Blocks den zweiten Kanaltypen aufweisen. Somit kann die Separatorplatte besonders einfach ausgestaltet sein und ferner besonders kostengünstig hergestellt werden. Separator plate half at least in sections, in particular at least in sections in an active area of the separator plate half, a plurality of channels of a first block of the plurality of channels have the same first channel type and at least in sections a plurality of channels of a second block of the plurality of channels have the same second channel type. The separator plate half can therefore be manufactured particularly easily and the manufacturing costs can be particularly cheap. For example, the separator plate half can only have a first block with channels and a second block with channels in an active area of the separator plate half, the channels of the first block having the first channel type and channels of the second block having the second channel type. The separator plate can therefore be designed to be particularly simple and can also be manufactured particularly cost-effectively.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separatorplattenhälfte die zumindest zwei Kanäle der Vielzahl an Kanälen mit dem wenigstens abschnittsweise unterschiedlichen Kanaltypen in einem Aktivbereich der Separatorplattenhälfte den unterschiedlichen Kanaltypen aufweisen. Somit können einerseits die Kanäle zumindest eines Verteilerbereiches der Separatorplatten hälfte zum Führen des Prozessfluids zwischen einer Prozessfluidöffnung der Separatorplattenhälfte und einem Aktivbereich der Separatorplattenhälfte gleich oder im Wesentlichen gleich ausgestaltet werden, bspw. einen gleichen Verteilerbereich-Kanaltypen aufweisen, und damit besonders einfach herstellbar sein, und ferner der Ort der „selektiven“ Flutung in einem Teillastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers kann in den Aktivbereich der Separatorplattenhälfte verlagert werden. It can be advantageous if, in a separator plate half according to the invention, the at least two channels of the plurality of channels with the at least partially different channel types in an active area of the separator plate half have the different channel types. Thus, on the one hand, the channels of at least one distribution area of the separator plate half for guiding the process fluid between a process fluid opening of the separator plate half and an active area of the separator plate half can be designed the same or essentially the same, for example have the same distribution area channel types, and can therefore be particularly easy to produce, and Furthermore, the location of the “selective” flooding in partial load operation of the electrochemical energy converter can be relocated to the active area of the separator plate half.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separatorplattenhälfte zumindest drei Kanäle der Vielzahl an Kanälen wenigstens abschnittsweise, insbesondere wenigstens abschnittsweise in einem Aktivbereich der Separatorplattenhälfte, jeweils einen voneinander unterschiedlichen Kanaltypen aufweisen, sodass bei einem Teillastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers ein Fluss des Prozessfluids in zwei der zumindest drei Kanälen mit den unterschiedlichen Kanaltypen unterbrochen ist und bei einem Mittellastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers ein Fluss des Prozessfluids in einem der zumindest drei Kanälen mit den unterschiedlichen Kanaltypen, insbesondere in einem einzigen der zumindest drei Kanälen mit den unterschiedlichen Kanaltypen, unterbrochen ist. Somit wird die Größe des Aktivbereichs des elektrochemischen Energiewandlers bzw. der Separatorplattenhälfte besonders vorteilhaft eingestellt bzw. verändert in Abhängigkeit des Betriebs des elektrochemischen Energiewandlers. Ferner können „unzulässig“ hohe Zellspannungen in einem Brennstoffzellenstapel als elektrochemischen Energiewandler besonders vorteilhaft verringert, insbesondere vermieden, werden. Gleichzeitig kann ein ausreichender Flüssigwasseraustrag sichergestellt werden. Die drei Kanaltypen können ein erster Kanaltyp, ein zweiter Kanaltyp und ein dritter Kanaltyp sein. Insbesondere ist der Kanal bzw. sind die Kanäle, die den ersten Kanaltypen aufweisen, optimiert für den Teillastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers mit einer geringen Mindestgeschwindigkeit für das Prozessfluid für einen Flüssigwasseraustrag aus den Kanälen, bspw. in einem Brennstoffzellenstapel. Insbesondere ist ferner der Kanal bzw. sind die Kanäle, die den zweiten Kanaltypen aufweisen, optimiert für einen Hochlastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers mit insbesondere geringem Druckverlust bei hohen Massenströmen. Insbesondere ist ferner der Kanal bzw. sind die Kanäle, die den dritten Kanaltypen aufweisen, optimiert für einen Mittellastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers mit einem moderaten Druckverlust als auch mit einer moderaten Mindestgeschwindigkeit für das Prozessfluid für einen Flüssigwasseraustrag. Die Mindestgeschwindigkeit des Prozessfluids, bspw. eines Kathodengases, für einen Flüssigwasseraustrag aus den Kanälen ist insbesondere zumindest für die Kanäle, die den ersten Kanaltypen aufweisen, geringer als für die Kanäle, die den dritten Kanaltypen aufweisen. Ferner ist insbesondere die Mindestgeschwindigkeit des Prozessfluids für den Flüssigwasseraustrag aus den Kanälen zumindest für die Kanäle, die den dritten Kanaltypen aufweisen, geringer als für die Kanäle, die den zweiten Kanaltypen aufweisen. It can be advantageous if, in a separator plate half according to the invention, at least three channels of the plurality of channels each have a different channel type at least in sections, in particular at least in sections in an active area of the separator plate half, so that during partial load operation of the electrochemical energy converter a flow of the process fluid into two the at least three channels with the different channel types are interrupted and during medium-load operation of the electrochemical energy converter Flow of the process fluid is interrupted in one of the at least three channels with the different channel types, in particular in a single one of the at least three channels with the different channel types. The size of the active area of the electrochemical energy converter or the separator plate half is thus set or changed particularly advantageously depending on the operation of the electrochemical energy converter. Furthermore, “unacceptably” high cell voltages in a fuel cell stack can be particularly advantageously reduced, in particular avoided, as an electrochemical energy converter. At the same time, sufficient liquid water discharge can be ensured. The three channel types may be a first channel type, a second channel type and a third channel type. In particular, the channel or channels that have the first channel type are optimized for partial load operation of the electrochemical energy converter with a low minimum speed for the process fluid for liquid water discharge from the channels, for example in a fuel cell stack. In particular, the channel or channels that have the second channel type are optimized for high-load operation of the electrochemical energy converter with, in particular, low pressure loss at high mass flows. In particular, the channel or channels that have the third channel type are optimized for medium-load operation of the electrochemical energy converter with a moderate pressure loss and with a moderate minimum speed for the process fluid for a liquid water discharge. The minimum speed of the process fluid, for example a cathode gas, for a liquid water discharge from the channels is, in particular, at least for the channels that have the first channel type, lower than for the channels that have the third channel type. Furthermore, in particular the minimum speed of the process fluid for the liquid water discharge from the channels is lower, at least for the channels that have the third channel type, than for the channels that have the second channel type.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Separatorplattenhälfte die Vielzahl der Kanäle der Separatorplattenhälfte zum Führen eines Kathodengases sind. Die Separatorplattenhälfte mit der Vielzahl an Kanälen zum Führen eines Kathodengases kann auch als Kathodenplattenhälfte, insbesondere einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstapels, verstanden werden. Insbesondere kann eine Bipolarplatte eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystem eine Kathodenplattenhälfte zum Führen eines Kathodengases und eine an die Kathodenplattenhälfte angeordnete Anodenplattenhälfte zum Führen eines Anodengases aufweisen. Vorzugsweise ist nur die Kathodenplattenhälfte der Bipolarplatte als eine erfindungsgemäße Separatorplatten hälfte ausgebildet. It can be advantageous if, in a separator plate half according to the invention, the plurality of channels in the separator plate half are for guiding a cathode gas. The separator plate half with the large number of channels for guiding a cathode gas can also be used as a cathode plate half, in particular a fuel cell or a fuel cell stack. In particular, a bipolar plate of a fuel cell stack of a fuel cell system can have a cathode plate half for guiding a cathode gas and an anode plate half arranged on the cathode plate half for guiding an anode gas. Preferably, only the cathode plate half of the bipolar plate is designed as a separator plate half according to the invention.
Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung eine Separatorplatte für einen elektrochemischen Energiewandler, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel, wobei die Separatorplatte eine erste Separatorplattenhälfte und eine an die erste Separatorplattenhälfte angeordnete zweite Separatorplattenhälfte aufweist, wobei zumindest die erste Separatorplattenhälfte erfindungsgemäß ausgebildet ist. According to a second aspect, the present invention shows a separator plate for an electrochemical energy converter, in particular a fuel cell stack, wherein the separator plate has a first separator plate half and a second separator plate half arranged on the first separator plate half, at least the first separator plate half being designed according to the invention.
Die Separatorplatte ist insbesondere eine Bipolarplatte eines Brennstoffzellenstapels. The separator plate is in particular a bipolar plate of a fuel cell stack.
Die Separatorplatte gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Separatorplattenhälfte gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. The separator plate according to the second aspect of the invention therefore has the same advantages as have already been described for the separator plate half according to the first aspect of the invention.
Gemäß einem dritten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel als elektrochemischen Energiewandler mit zumindest einer Brennstoffzelle umfasst. Die zumindest eine Brennstoffzelle umfasst zumindest eine erfindungsgemäß ausgebildete Separatorplattenhälfte. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem eine Spannungs-Ermittlungsvorrichtung zum Ermitteln zumindest einer Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem eine Kontrollvorrichtung, wobei die Kontrollvorrichtung zumindest dazu ausgebildet ist, eine Geschwindigkeit eines Prozessfluids des Brennstoffzellenstapels zumindest in Abhängigkeit von der ermittelten Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems zu kontrollieren. Das Prozessfluid ist insbesondere ein Kathodengas, bspw. Luft. According to a third aspect, the present invention shows a fuel cell system, wherein the fuel cell system comprises a fuel cell stack as an electrochemical energy converter with at least one fuel cell. The at least one fuel cell comprises at least one separator plate half designed according to the invention. Furthermore, the fuel cell system includes a voltage determination device for determining at least one fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system. Furthermore, the fuel cell system comprises a control device, wherein the control device is at least designed to control a speed of a process fluid of the fuel cell stack at least as a function of the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system. The process fluid is in particular a cathode gas, for example air.
Das Ermitteln der zumindest einen Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems durch die Spannungs-Ermittlungsvorrichtung kann ein Messen und/oder ein Schätzen der zumindest einen Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems sein. Determining the at least one fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system by the voltage determination device can be measuring and/or estimating the at least one fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system.
Das Kontrollieren der Geschwindigkeit des Prozessfluids des Brennstoffzellenstapels zumindest in Abhängigkeit von der ermittelten Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems durch die Kontrollvorrichtung ist insbesondere ein Reduzieren der Geschwindigkeit des Prozessfluids, wenn die ermittelte Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels einen Grenzwert überschreitet („unzulässig“ hohe Zellspannung). Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels sollen hohe Einzelzellspannungen (bspw. Spannungen größer 0,85 V für Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen) vermieden werden, um eine erhöhte Degradation der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels zu verhindern. Durch das Reduzieren der Geschwindigkeit des Prozessfluids, insbesondere durch das Reduzieren der Geschwindigkeit des Prozessfluids unterhalb einer Mindestgeschwindigkeit eines Kanaltyps für einen Flüssigwasseraustrag, kann die Größe des Aktivbereichs des Brennstoffzellenstapels bzw. der zumindest einen Brennstoffzelle bzw. der Separatorplattenhälfte besonders vorteilhaft eingestellt bzw. verändert werden. Somit können „unzulässig“ hohe Zellspannungen besonders vorteilhaft verringert, insbesondere vermieden, werden. Controlling the speed of the process fluid of the fuel cell stack at least as a function of the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system by the control device is in particular a reduction of the speed of the process fluid when the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack is one Limit value exceeds (“unacceptably” high cell voltage). During operation of the fuel cell stack, high individual cell voltages (e.g. voltages greater than 0.85 V for polymer electrolyte fuel cells) should be avoided in order to prevent increased degradation of the fuel cells of the fuel cell stack. By reducing the speed of the process fluid, in particular by reducing the speed of the process fluid below a minimum speed of a channel type for a liquid water discharge, the size of the active area of the fuel cell stack or the at least one fuel cell or the separator plate half can be set or changed particularly advantageously. In this way, “unacceptably” high cell voltages can be particularly advantageously reduced, in particular avoided.
Es kann ferner von Vorteil sein, wenn das Brennstoffzellensystem gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. It can also be advantageous if the fuel cell system according to the third aspect of the invention is designed to carry out a method according to the invention.
Das Brennstoffzellensystem gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Separatorplattenhälfte gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. der Separatorplatte gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. The fuel cell system according to the third aspect of the invention therefore has the same advantages as those already associated with the separator plate half according to first aspect of the invention or the separator plate according to the second aspect of the invention have been described.
Gemäß einem vierten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wobei insbesondere das Brennstoffzellensystem erfindungsgemäß ausgebildet ist. Das Verfahren umfasst als einen Schritt ein Ermitteln einer Brennstoffzellen-Spannung zumindest einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems, wobei wenigstens die zumindest eine Brennstoffzelle zumindest eine erfindungsgemäß ausgebildete Separatorplattenhälfte aufweist. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Kontrollieren einer Geschwindigkeit eines Prozessfluids des Brennstoffzellenstapels in Abhängigkeit von der ermittelten Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems. According to a fourth aspect, the present invention shows a method for operating a fuel cell system, in particular the fuel cell system being designed according to the invention. The method includes, as a step, determining a fuel cell voltage of at least one fuel cell of a fuel cell stack of the fuel cell system, wherein at least the at least one fuel cell has at least one separator plate half designed according to the invention. Furthermore, the method includes, as a step, controlling a speed of a process fluid of the fuel cell stack as a function of the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system.
Die zuvor und die im Nachfolgenden beschriebenen Verfahrensschritte können, sofern technisch sinnvoll, einzeln, zusammen, einfach, mehrfach, zeitlich parallel und/oder nacheinander in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden. The method steps described above and those described below can, if technically sensible, be carried out individually, together, simply, multiple times, in parallel and/or one after the other in any order.
Das Ermitteln der zumindest einen Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems kann ein Messen und/oder ein Schätzen der zumindest einen Brennstoffzellen- Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems sein. Es ist insbesondere denkbar, dass für jede einzelne Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels jeweils eine Brennstoffzellen-Spannung ermittelt wird. Determining the at least one fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system can be measuring and/or estimating the at least one fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system. It is particularly conceivable that a fuel cell voltage is determined for each individual fuel cell of the fuel cell stack.
Insbesondere ist das Kontrollieren des Prozessfluids zumindest ein Reduzieren der Geschwindigkeit des Prozessfluids, insbesondere ein Reduzieren der Geschwindigkeit des Prozessfluids unterhalb einer Mindestgeschwindigkeit eines Kanaltyps der Vielzahl an Kanälen der Separatorplattenhälfte, wenn die ermittelte Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels einen Grenzwert überschreitet, bspw. eine „unzulässig“ hohe Zellspannung. Durch das Reduzieren der Geschwindigkeit des Prozessfluids unterhalb einer Mindestgeschwindigkeit für einen Flüssigwasseraustrag des Prozessfluids eines Kanaltyps der Vielzahl an Kanälen, kommt es zu einer Flutung in Kanälen der Vielzahl an Kanälen und einer Reduzierung der aktiven Fläche, d. h. einer Reduzierung des Aktivbereichs, der Separatorplattenhälfte bzw. der Brennstoffzelle. Somit kann die Größe des Aktivbereichs des Brennstoffzellenstapels bzw. der zumindest einen Brennstoffzelle bzw. der Separatorplattenhälfte besonders vorteilhaft eingestellt bzw. verändert werden. Ferner können somit „unzulässig“ hohe Zellspannungen besonders vorteilhaft verringert, insbesondere vermieden, werden. In particular, controlling the process fluid is at least reducing the speed of the process fluid, in particular reducing the speed of the process fluid below a minimum speed of a channel type of the plurality of channels of the separator plate half, when the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack exceeds a limit value, for example . an “unacceptably” high cell voltage. By reducing the speed of the process fluid below a minimum speed for a Liquid water discharge of the process fluid of a channel type of the plurality of channels results in flooding in channels of the plurality of channels and a reduction in the active area, ie a reduction in the active area, the separator plate half or the fuel cell. The size of the active region of the fuel cell stack or of the at least one fuel cell or the separator plate half can thus be set or changed particularly advantageously. Furthermore, “unacceptably” high cell voltages can be particularly advantageously reduced, in particular avoided.
Es kann ferner von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren eine Leistungsanfrage an das Brennstoffzellensystem erfasst wird, wobei die Geschwindigkeit des Prozessfluids des Brennstoffzellenstapels in Abhängigkeit von der ermittelten Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems sowie in Abhängigkeit der erfassten Leistungsanfrage an das Brennstoffzellensystem kontrolliert wird. It can also be advantageous if, in a method according to the invention, a power request to the fuel cell system is detected, the speed of the process fluid of the fuel cell stack depending on the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system and depending on the detected power request the fuel cell system is checked.
Das Verfahren gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu der Separatorplattenhälfte gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. der Separatorplatte gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung bzw. dem Brennstoffzellensystem gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. The method according to the fourth aspect of the invention therefore has the same advantages as have already been described for the separator plate half according to the first aspect of the invention or the separator plate according to the second aspect of the invention or the fuel cell system according to the third aspect of the invention.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Further measures improving the invention result from the following description of some exemplary embodiments of the invention, which are shown schematically in the figures. All features and/or advantages arising from the claims, the description or the drawings, including constructive details, spatial arrangements and method steps, can be essential to the invention both individually and in the various combinations. It should be noted that the figures are only descriptive and are not intended to limit the invention in any way.
Es zeigen schematisch: Fig. 1 eine Separatorplattenhälfte, It shows schematically: Fig. 1 shows a separator plate half,
Fig. 2 eine Separatorplattenhälfte, Fig. 2 shows a separator plate half,
Fig. 3 eine Separatorplattenhälfte, Fig. 3 shows a separator plate half,
Fig. 4 eine Separatorplatte, Fig. 4 a separator plate,
Fig. 5 ein Brennstoffzellensystem, und Fig. 5 shows a fuel cell system, and
Fig. 6 ein Verfahren. Fig. 6 shows a method.
In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet. In the following figures, identical reference numbers are used for the same technical features of different exemplary embodiments.
Die Fig. 1 bis 3 offenbaren jeweils in einer Draufsicht einen schematischen Ausschnitt eines Aktivbereichs AA einer Separatorplattenhälfte 1 für eine Separatorplatte 110 (siehe bspw. Fig. 4) eines elektrochemischen Energiewandlers 100 (siehe bspw. Fig. 5). Die Separatorplattenhälften 1 umfassen jeweils eine Vielzahl an Kanälen 11, 12, 13, 14, 15 zum Führen eines Prozessfluids, bspw. eines Kathodenfluids, des elektrochemischen Energiewandlers 100. Zumindest die beiden Kanäle 11 und 14 der Vielzahl an Kanälen 11, 12, 13, 14, 15 weisen entlang einer Lauflänge eines jeweiligen Kanals der Vielzahl an Kanälen 11, 12, 13, 14, 15 einen unterschiedlichen Kanaltypen TI, T2 auf, sodass bei einem Teillastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers 100 ein Fluss des Prozessfluids in einem Kanal 11 der zumindest zwei Kanäle 11, 14 mit den unterschiedlichen Kanaltypen TI, T2 unterbrochen ist und der Fluss des Prozessfluids in einem bzw. dem zweiten Kanal 14 der zumindest zwei Kanäle 11, 14 mit den unterschiedlichen Kanaltypen TI, T2 der Vielzahl an Kanälen 11, 12, 13, 14, 15 zum Führen des Prozessfluids aufrechterhalten bleibt. Insbesondere weisen zumindest die beiden Kanäle 11, 14 mit den wenigstens abschnittsweise unterschiedlichen Kanaltypen TI, T2 eine unterschiedliche Kanalgeometrie und/oder eine unterschiedliche Kanaloberfläche auf, um eine unterschiedliche Mindestgeschwindigkeit für das Prozessfluid für einen Flüssigwasseraustrag aus den beiden Kanälen 11, 14 aufzuweisen. 1 to 3 each reveal, in a top view, a schematic section of an active region AA of a separator plate half 1 for a separator plate 110 (see, for example, FIG. 4) of an electrochemical energy converter 100 (see, for example, FIG. 5). The separator plate halves 1 each comprise a plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15 for guiding a process fluid, for example a cathode fluid, of the electrochemical energy converter 100. At least the two channels 11 and 14 of the plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15 have a different channel type TI, T2 along a running length of a respective channel of the plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15, so that during partial load operation of the electrochemical energy converter 100, a flow of the process fluid in a channel 11 of the at least two Channels 11, 14 with the different channel types TI, T2 are interrupted and the flow of the process fluid in one or the second channel 14 of the at least two channels 11, 14 with the different channel types TI, T2 of the plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15 is maintained to guide the process fluid. In particular, at least the two channels 11, 14 with the at least partially different channel types TI, T2 have a different channel geometry and/or a different channel surface in order to achieve a different minimum speed for the Process fluid for a liquid water discharge from the two channels 11, 14.
Ferner ist in Fig. 1 zusätzlich, d. h. optional, für die Separatorplattenhälfte 1 dargestellt, dass wenigstens abschnittsweise die Vielzahl an Kanälen 11, 12, 13, 14, 15 abwechselnd einen ersten Kanaltypen TI und einen zweiten Kanaltypen T2 aufweisen. Furthermore, in Fig. 1 additional, i.e. H. optionally, shown for the separator plate half 1, that at least in sections the plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15 alternately have a first channel type TI and a second channel type T2.
Ferner ist in Fig. 2 zusätzlich, d. h. optional, für die Separatorplattenhälfte 1 dargestellt, dass wenigstens abschnittsweise mehrere benachbarte Kanäle 12, 13, 14 der Vielzahl an Kanälen 11, 12, 13, 14, 15 den gleichen Kanaltypen T2 aufweisen. Außerdem weist zumindest ein Kanal 15 der Vielzahl an Kanälen 11, 12, 13, 14, 15 einen von dem ersten Kanaltypen TI und einen von dem zweiten Kanaltypen T2 unterschiedlichen dritten Kanaltypen auf. Furthermore, in Fig. 2 additional, i.e. H. optionally, for the separator plate half 1 shown that at least in sections several adjacent channels 12, 13, 14 of the plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15 have the same channel type T2. In addition, at least one channel 15 of the plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15 has a third channel type that is different from the first channel type TI and a third channel type that is different from the second channel type T2.
Ferner ist in Fig. 3 zusätzlich, d. h. optional, für die Separatorplattenhälfte 1 dargestellt, dass wenigstens abschnittsweise eine Mehrzahl an Kanälen 11, 12 eines ersten Blocks Bl der Vielzahl an Kanälen 11, 12, 13, 14, 15 einen gleichen ersten Kanaltypen TI aufweisen und wobei wenigstens abschnittsweise eine Mehrzahl an Kanälen 13, 14, 15 eines zweiten Blocks B2 der Vielzahl an Kanälen 11, 12, 13, 14, 15 einen gleichen zweiten Kanaltypen T2 aufweisen. Furthermore, in Fig. 3 additional, i.e. H. optionally, for the separator plate half 1 shown that at least in sections a plurality of channels 11, 12 of a first block B1 of the plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15 have the same first channel type TI and at least in sections a plurality of channels 13 , 14, 15 of a second block B2 of the plurality of channels 11, 12, 13, 14, 15 have the same second channel type T2.
Fig. 4 offenbart schematisch in einer Seitenansicht eine Separatorplatte 110 für einen elektrochemischen Energiewandler 100, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel, wobei die Separatorplatte 110 eine erste Separatorplattenhälfte 1 und eine an die erste Separatorplattenhälfte 1 angeordnete, bspw. angeklebte und/oder angeschweißte, zweite Separatorplattenhälfte 2 aufweist, wobei zumindest die erste Separatorplattenhälfte 1 erfindungsgemäß ausgebildet ist (siehe bspw. Fig. 1 bis 3). 4 shows a schematic side view of a separator plate 110 for an electrochemical energy converter 100, in particular a fuel cell stack, wherein the separator plate 110 has a first separator plate half 1 and a second separator plate half 2 arranged on the first separator plate half 1, for example glued and/or welded to it , wherein at least the first separator plate half 1 is designed according to the invention (see, for example, FIGS. 1 to 3).
Fig. 5 offenbart schematisch ein Brennstoffzellensystem 200. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst einen Brennstoffzellenstapel als elektrochemischen Energiewandler 100 mit zumindest einer Brennstoffzelle, wobei die zumindest eine Brennstoffzelle zumindest eine erfindungsgemäß ausgebildete Separatorplattenhälfte 1 aufweist. Der Brennstoffzellenstapel weist insbesondere eine Anode A und eine Kathode K auf. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 200 eine Spannungs-Ermittlungsvorrichtung 120 zum Ermitteln zumindest einer Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems 200. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 200 eine Kontrollvorrichtung 140, wobei die Kontrollvorrichtung 140 zumindest dazu ausgebildet ist, eine Geschwindigkeit eines Kathodengases als Prozessfluid des Brennstoffzellenstapels zumindest in Abhängigkeit von der ermittelten Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems 200 zu kontrollieren, bspw. durch ein Kontrollieren eines Ventils 141. 5 schematically discloses a fuel cell system 200. The fuel cell system 200 comprises a fuel cell stack as an electrochemical energy converter 100 with at least one fuel cell, the at least one fuel cell being at least one according to the invention trained separator plate half 1. The fuel cell stack in particular has an anode A and a cathode K. Furthermore, the fuel cell system 200 includes a voltage determination device 120 for determining at least one fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system 200. Furthermore, the fuel cell system 200 includes a control device 140, wherein the control device 140 is at least designed to measure a speed of a cathode gas as To control the process fluid of the fuel cell stack at least as a function of the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system 200, for example by controlling a valve 141.
Fig. 6 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 200, wobei insbesondere das Brennstoffzellensystem 200 erfindungsgemäß ausgebildet ist. Das Verfahren umfasst als einen ersten Schritt ein Ermitteln 420 einer Brennstoffzellen-Spannung zumindest einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems 200, wobei wenigstens die zumindest eine Brennstoffzelle zumindest eine erfindungsgemäß ausgebildete Separatorplattenhälfte 1 aufweist. Ferner umfasst das Verfahren als einen Schritt ein Kontrollieren 440 einer Geschwindigkeit eines Prozessfluids des Brennstoffzellenstapels in Abhängigkeit von der ermittelten Brennstoffzellen- Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems 200. Zusätzlich ist denkbar, dass eine Leistungsanfrage an das Brennstoffzellensystem 200 erfasst wird 400, wobei die Geschwindigkeit des Prozessfluids des Brennstoffzellenstapels in Abhängigkeit von der ermittelten Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems 200 sowie in Abhängigkeit der erfassten Leistungsanfrage an das Brennstoffzellensystem 200 kontrolliert wird 441. 6 discloses a method for operating a fuel cell system 200, in particular the fuel cell system 200 being designed according to the invention. As a first step, the method includes determining 420 a fuel cell voltage of at least one fuel cell of a fuel cell stack of the fuel cell system 200, wherein at least the at least one fuel cell has at least one separator plate half 1 designed according to the invention. Furthermore, the method includes, as a step, controlling 440 a speed of a process fluid of the fuel cell stack depending on the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system 200. In addition, it is conceivable that a power request to the fuel cell system 200 is recorded 400, where the speed of the process fluid of the fuel cell stack is controlled as a function of the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system 200 and as a function of the recorded power request to the fuel cell system 200 441.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Separatorplattenhälfte (1) für eine Separatorplatte (110) eines elektrochemischen Energiewandlers (100), insbesondere eines Brennstoffzellenstapels als elektrochemischen Energiewandler (100), wobei die Separatorplattenhälfte (1) eine Vielzahl an Kanälen (11, 12, 13, 14, 15) zum Führen eines Prozessfluids des elektrochemischen Energiewandlers (100) aufweist, wobei zumindest zwei Kanäle (11, 12, 13, 14, 15) der Vielzahl an Kanälen (11, 12, 13, 14, 15) wenigstens abschnittsweise einen unterschiedlichen Kanaltypen (TI, T2, T3) aufweisen, sodass bei einem Teillastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers (100) ein Fluss des Prozessfluids in einem Kanal (11, 12, 13, 14, 15) der zumindest zwei Kanäle (11, 12, 13, 14, 15) mit den unterschiedlichen Kanaltypen (TI, T2, T3) unterbrochen ist und der Fluss des Prozessfluids in einem zweiten Kanal (11, 12, 13, 14, 15) der zumindest zwei Kanäle (11, 12, 13, 14, 15) mit den unterschiedlichen Kanaltypen (TI, T2, T3) der Vielzahl an Kanälen (11, 12, 13, 14, 15) zum Führen des Prozessfluids aufrechterhalten bleibt. 1. Separator plate half (1) for a separator plate (110) of an electrochemical energy converter (100), in particular a fuel cell stack as an electrochemical energy converter (100), the separator plate half (1) having a plurality of channels (11, 12, 13, 14, 15) for guiding a process fluid of the electrochemical energy converter (100), wherein at least two channels (11, 12, 13, 14, 15) of the plurality of channels (11, 12, 13, 14, 15) at least partially have a different channel type (TI, T2, T3), so that when the electrochemical energy converter (100) is operating at partial load, there is a flow of the process fluid in a channel (11, 12, 13, 14, 15) of the at least two channels (11, 12, 13, 14, 15). the different channel types (TI, T2, T3) is interrupted and the flow of the process fluid in a second channel (11, 12, 13, 14, 15) of the at least two channels (11, 12, 13, 14, 15) with the different ones Channel types (TI, T2, T3) of the plurality of channels (11, 12, 13, 14, 15) for guiding the process fluid are maintained.
2. Separatorplattenhälfte (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die beiden Kanäle (11, 12, 13, 14, 15) mit den wenigstens abschnittsweise unterschiedlichen Kanaltypen (TI, T2, T3) eine unterschiedliche Kanalgeometrie und/oder eine unterschiedliche Kanaloberfläche aufweisen. 2. Separator plate half (1) according to claim 1, characterized in that at least the two channels (11, 12, 13, 14, 15) with the at least partially different channel types (TI, T2, T3) have a different channel geometry and / or a different Have channel surface.
3. Separatorplattenhälfte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens abschnittsweise die Vielzahl an Kanälen (11, 12, 13, 14, 15) abwechselnd einen ersten Kanaltypen (TI, T2, T3) und einen zweiten Kanaltypen (TI, T2, T3) aufweisen. Separatorplattenhälfte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens abschnittsweise mehrere benachbarte Kanäle (11, 12, 13, 14, 15) der Vielzahl an Kanälen (11, 12, 13, 14, 15) den gleichen Kanaltypen (TI, T2, T3) aufweisen. Separatorplattenhälfte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens abschnittsweise eine Mehrzahl an Kanälen (11, 12, 13, 14, 15) eines ersten Blocks (Bl, B2) der Vielzahl an Kanälen (11, 12, 13, 14, 15) einen gleichen ersten Kanaltypen (TI, T2, T3) aufweisen und wobei wenigstens abschnittsweise eine Mehrzahl an Kanälen (11, 12, 13, 14, 15) eines zweiten Blocks (Bl, B2) der Vielzahl an Kanälen (11, 12, 13, 14, 15) einen gleichen zweiten Kanaltypen (TI, T2, T3) aufweisen. Separatorplattenhälfte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Kanäle (11, 12, 13, 14, 15) der Vielzahl an Kanälen (11, 12, 13, 14, 15) mit dem wenigstens abschnittsweise unterschiedlichen Kanaltypen (TI, T2, T3) in einem Aktivbereich (AA) der Separatorplattenhälfte (1) den unterschiedlichen Kanaltypen (TI, T2, T3) aufweisen. Separatorplattenhälfte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei Kanäle (11, 12, 13, 14, 15) der Vielzahl an3. Separator plate half (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least in sections the plurality of channels (11, 12, 13, 14, 15) alternately have a first channel type (TI, T2, T3) and a second channel type (TI , T2, T3). Separator plate half (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least in sections a plurality of adjacent channels (11, 12, 13, 14, 15) of the plurality of channels (11, 12, 13, 14, 15) have the same channel types (TI , T2, T3). Separator plate half (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least in sections a plurality of channels (11, 12, 13, 14, 15) of a first block (Bl, B2) of the plurality of channels (11, 12, 13, 14, 15) have the same first channel types (TI, T2, T3) and at least in sections a plurality of channels (11, 12, 13, 14, 15) of a second block (Bl, B2) of the plurality of channels (11, 12, 13, 14, 15) have the same second channel types (TI, T2, T3). Separator plate half (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least two channels (11, 12, 13, 14, 15) of the plurality of channels (11, 12, 13, 14, 15) with the at least partially different channel types (TI, T2, T3) in an active area (AA) of the separator plate half (1) have the different channel types (TI, T2, T3). Separator plate half (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least three channels (11, 12, 13, 14, 15) of the plurality
Kanälen (11, 12, 13, 14, 15) wenigstens abschnittsweise jeweils einen voneinander unterschiedlichen Kanaltypen (TI, T2, T3) aufweisen, sodass bei einem Teillastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers (100) ein Fluss des Prozessfluids in zwei der zumindest drei Kanälen (11, 12, 13, 14, 15) mit den unterschiedlichen Kanaltypen (TI, T2, T3) unterbrochen ist und bei einem Mittellastbetrieb des elektrochemischen Energiewandlers (100) ein Fluss des Prozessfluids in einem der zumindest drei Kanälen (11, 12, 13, 14, 15) mit den unterschiedlichen Kanaltypen (TI, T2, T3) unterbrochen ist. Separatorplattenhälfte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Kanäle (11, 12, 13, 14, 15) der Separatorplattenhälfte (1) zum Führen eines Kathodengases sind. Separatorplatte (110) für einen elektrochemischen Energiewandler (100), insbesondere einen Brennstoffzellenstapel, wobei die Separatorplatte (110) eine erste Separatorplattenhälfte (1) und eine an die erste Separatorplattenhälfte (1) angeordnete zweite Separatorplattenhälfte (2) aufweist, wobei zumindest die erste Separatorplattenhälfte (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche ausgebildet ist. Brennstoffzellensystem (200), wobei das Brennstoffzellensystem (200) umfasst: Channels (11, 12, 13, 14, 15) each have, at least in sections, a different channel type (TI, T2, T3), so that during partial load operation of the electrochemical energy converter (100), a flow of the process fluid occurs in two of the at least three channels (11 , 12, 13, 14, 15) with the different channel types (TI, T2, T3) is interrupted and during medium-load operation of the electrochemical energy converter (100), a flow of the process fluid in one of the at least three channels (11, 12, 13, 14, 15) with the different channel types (TI, T2, T3) is interrupted. Separator plate half (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the plurality of channels (11, 12, 13, 14, 15) of the separator plate half (1) are for guiding a cathode gas. Separator plate (110) for an electrochemical energy converter (100), in particular a fuel cell stack, wherein the separator plate (110) has a first separator plate half (1) and a second separator plate half (2) arranged on the first separator plate half (1), at least the first separator plate half (1) is designed according to one of the preceding claims. Fuel cell system (200), the fuel cell system (200) comprising:
- einen Brennstoffzellenstapel als elektrochemischen Energiewandler (100) mit zumindest einer Brennstoffzelle, wobei die zumindest eine Brennstoffzelle zumindest eine nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildete Separatorplattenhälfte (1) aufweist, - a fuel cell stack as an electrochemical energy converter (100) with at least one fuel cell, the at least one fuel cell having at least one separator plate half (1) designed according to one of claims 1 to 8,
- eine Spannungs-Ermittlungsvorrichtung (120) zum Ermitteln zumindest einer Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems (200), - a voltage determination device (120) for determining at least one fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system (200),
- eine Kontrollvorrichtung (140), wobei die Kontrollvorrichtung (140) zumindest dazu ausgebildet ist, eine Geschwindigkeit eines Prozessfluids des Brennstoffzellenstapels zumindest in Abhängigkeit von der ermittelten Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems (200) zu kontrollieren. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (200), wobei insbesondere das Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 10 ausgebildet ist, und wobei das Verfahren umfasst: - a control device (140), wherein the control device (140) is at least designed to control a speed of a process fluid of the fuel cell stack at least as a function of the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system (200). Method for operating a fuel cell system (200), in particular the fuel cell system (200) being designed according to claim 10, and wherein the method comprises:
- Ermitteln (420) einer Brennstoffzellen-Spannung zumindest einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems (200), wobei wenigstens die zumindest eine Brennstoffzelle zumindest eine nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildete Separatorplattenhälfte (1) aufweist, - Determining (420) a fuel cell voltage of at least one fuel cell of a fuel cell stack of the fuel cell system (200), wherein at least the at least one fuel cell has at least one separator plate half (1) designed according to one of claims 1 to 8,
- Kontrollieren (440) einer Geschwindigkeit eines Prozessfluids des Brennstoffzellenstapels in Abhängigkeit von der ermittelten Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems (200). Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsanfrage an das Brennstoffzellensystem (200) erfasst wird (400), wobei die Geschwindigkeit des Prozessfluids des Brennstoffzellenstapels in Abhängigkeit von der ermittelten Brennstoffzellen-Spannung der zumindest einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems (200) sowie in Abhängigkeit der erfassten Leistungsanfrage an das Brennstoffzellensystem (200) kontrolliert wird (441). - Controlling (440) a speed of a process fluid of the fuel cell stack depending on the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system (200). Method according to claim 11, characterized in that a power request to the fuel cell system (200) is recorded (400), the speed of the process fluid of the fuel cell stack depending on the determined fuel cell voltage of the at least one fuel cell of the fuel cell stack of the fuel cell system (200) and is controlled (441) depending on the recorded power request to the fuel cell system (200).
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1439593A2 (en) * 2003-01-20 2004-07-21 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Fuel cell having a plurality of independently controllable gas flow channels for varying loads
US20040161658A1 (en) * 2003-02-13 2004-08-19 Seiji Mizuno Separator passage structure of fuel cell
US20120258380A1 (en) * 2010-02-05 2012-10-11 Shinsuke Takeguchi Polymer electrolyte fuel cell

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7781119B2 (en) 2005-04-22 2010-08-24 Gm Global Technology Operations, Inc. Flow shifting in each individual cell of a fuel cell stack

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1439593A2 (en) * 2003-01-20 2004-07-21 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Fuel cell having a plurality of independently controllable gas flow channels for varying loads
US20040161658A1 (en) * 2003-02-13 2004-08-19 Seiji Mizuno Separator passage structure of fuel cell
US20120258380A1 (en) * 2010-02-05 2012-10-11 Shinsuke Takeguchi Polymer electrolyte fuel cell

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