WO2003001620A2 - Fuel cell stack with higher efficiency density - Google Patents

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WO2003001620A2
WO2003001620A2 PCT/DE2002/002283 DE0202283W WO03001620A2 WO 2003001620 A2 WO2003001620 A2 WO 2003001620A2 DE 0202283 W DE0202283 W DE 0202283W WO 03001620 A2 WO03001620 A2 WO 03001620A2
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Joachim Grosse
Martin Ise
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Definitions

  • the invention relates to a fuel cell stack with a high efficiency density, wherein individual fuel cell units are mechanically stacked on one another over a predeterminable stack length, but are electrically and fluidically connected in series.
  • the operating media are the reaction gases (reactants), such as hydrogen / hydrogen-rich gases and oxygen / air, on the one hand, and coolants, such as oil or other cooling liquids, on the other.
  • reactants such as hydrogen / hydrogen-rich gases and oxygen / air
  • coolants such as oil or other cooling liquids
  • a pressure drop occurs and is required to distribute gases and liquids evenly over the individual cells of a stack and over the surface of the individual cells, as well as to discharge the product water on the cathode side.
  • the reaction product of hydrogen (H 2 ) and oxygen (0 2 ) is product water in liquid form.
  • the main flow direction of the reaction gases always runs diagonally over the area of the individual cells. Examples of the design of conventional systems are given in DE 197 43 067 C2.
  • Sealing concepts that are currently being used use elastomers and adhesives as seals. B. in screen printing or in one-off production by vulcanization on components of the cells. The individual components are then put together in a stack. Since the membrane is not currently protected in conventional designs, damage during assembly and operation is difficult to avoid.
  • Another problem with the ready-made fuel cell stacks is high contact resistance between the individual, electrically connected cells. Part of the electrical resistance in conventional fuel cell stacks is caused by uneven pressing of the bipolar plates and the electrodes. In the prior art, the contact pressure is applied mechanically via the end plates, sometimes in combination with pressure pads.
  • the invention results in the use of complex fluid-mechanical interrelationships, such as in particular momentum and mass balances for gas distributors and gas collectors, cell flow, coolant flow, for the constructive implementation of a cell and a stack with a high power density and high system efficiency. Especially compared to common ones
  • Constructions with sheets as bipolar plates reduce the overall length of the stack by virtue of the fact that the cross-sectional area of the distribution channels can be dimensioned on the basis of flow calculations so that the largest possible active area is achieved with the smallest possible pressure loss for the flow of reaction gases and coolant. This advantageously means that fewer cells are required to build up the stack than in the prior art in order to provide a predetermined electrical output.
  • a so-called C-flow of all media is preferably realized for an optimal distribution with minimal pressure loss and optimum overall efficiency.
  • a constructive implementation of components that are easy to manufacture, store and service-friendly is guaranteed.
  • the sealing concept implemented in the invention also takes the latter aspect into account and realizes assemblies suitable for production and operation at an early stage of manufacture.
  • FIG. 2 shows a graphical representation of the distribution quality of the C flow in FIG. 1 over a standardized stack length
  • FIG. 3 to 6 each show a top view of a fuel cell area with different configurations of the lines for the operating media
  • FIG. 7 shows a so-called wide-angle diffuser in a sectional view
  • FIG. 8 shows a component for coolant distribution over the surface in a sectional view
  • FIG. 9 shows a complete fuel cell stack with end plates in a sectional view with reference to a partial section
  • FIG. 10 shows the partial section from FIG. 9, which illustrates internal and external seals of the individual fuel cell units
  • FIGS. 11 and 12 each show a top view of the bipolar plate according to FIG. 4 with two different concepts of the reactant flow
  • FIG. 13 shows a graphical representation of the distribution quality as a function of the situation of the barrel length
  • FIG. 14 shows a graphical representation of the pressure loss over the relative barrel length.
  • FIG. 1 shows a fuel cell stack 1 which consists of a plurality of fuel cell units 10, 10 ⁇ , ... stacked mechanically one on top of the other.
  • Cell 1 cell i and cell z are identified in detail by the fuel cell units 10, 10 ⁇ , ...
  • the fuel cell stack 1 is operated with hydrogen (H 2 ) as the fuel gas, which is possibly generated via a reformer not shown in FIG. 1, and with oxygen (0) from the ambient air. It is a line 2 for the air / hydrogen supply and a line 3 for the removal of the residual gas.
  • H 2 hydrogen
  • FIG. 1 shows that the reaction gases are supplied with a gas stream V. If such a gas flow V is applied to the supply line 2, a gas loading qi results in the cell 1, a gas loading qi in the cell i and a gas loading q 2 in the last cell.
  • the aim is to achieve a uniform gas distribution on the individual fuel cell units 10, 10 ⁇ , ... in the fuel cell stack 1.
  • the uniform gas distribution in the stack and in the individual cells is not ensured by a very high pressure loss between the supply and discharge sides. Rather, a uniform distribution is achieved by utilizing the interaction of inertial forces and viscous forces in the flow and their implementation in coordinated geometric dimensions of the distribution channels on the one hand and the reaction channels on the other.
  • a combination of geometry and favorable flow guidance in a compact form leads to a particularly low pressure drop with a particularly even distribution of the reaction gases and the coolant.
  • the low pressure drop and the uniform distribution are converted into a particularly high power density and a particularly low parasitic load.
  • Throughputs close to the stoichiometric throughput can be achieved for both the anode- and the cathode-side reaction gas without a drop in performance of the fuel cell stack 1 occurring.
  • Distributions in the range between 1.05 and 1.2 can be achieved for reformate.
  • the distribution is between 1.05 and 1.5.
  • a pressure loss of 0.5 bar is assumed.
  • the ratio q / q 0 of the gas distribution over the standardized stack length x / L is plotted in FIG. 2, with q indicating the mass flow through a cell and q 0 indicating the mean value of all mass flows.
  • the distribution quality V G indicates the maximum deviation of the mass flow through a cell from the mean value and can be defined in the present case as:
  • a distribution quality close to 1 is usually sought for the trouble-free operation of the fuel cell stack. Practical experience has shown that the distribution quality VG should have a maximum deviation of 5% from a base value.
  • the distribution quality VG has a value of approximately 1.06 at the start of the stack and a value of approximately 0.97 has been reached at the end of the stack length. In practice, this means that the distribution quality will not drop to an impermissible value.
  • FIGS. 3 to 6 show advantageous exemplary embodiments for a bipolar plate 11 as part of a fuel cell unit 10. This means that each fuel line unit 10, 10 ... of the stack 1 has its own bipolar plate 11, 11 ⁇ ....
  • the middle area of the bipolar plate 11 is the reaction area to the individual fuel cell 10.
  • the reaction of the fuel gas with oxygen takes place under proton conduction in the fuel cell membrane and for the generation of the charge carriers.
  • Corresponding outputs 15 to 17 for the reactants and the coolant are provided on the opposite side, with a directly opposite arrangement being realized in each case. In this way, a C-shaped fluid flow is implemented for the reactants both over the stack length and over the area of a fuel cell unit.
  • the lines for the reactants are circular and the line for the cooling medium is rectangular.
  • Other geometrical designs are also possible, which are illustrated with the aid of FIGS. 4 to 6, with the bipolar plate 11 being of basically the same structure.
  • FIG. 4 shows a modification with accesses 12 ⁇ ⁇ ⁇ to 14 ⁇ and outlets 15 ⁇ to 17 ⁇ for the operating media, the inlets and outlets each having a round cross section. Three lines are provided for the coolant.
  • bipolar plates 11 There are therefore four variants for the bipolar plates 11, which are distinguished by a different use of space and thus a specifically adapted output.
  • variant III according to FIG. 5 covers a particularly favorable relative stack power density.
  • a special design feature of the coolant supply is a flow distributor integrated in one of the end plates, which, according to FIG. 7, is advantageously designed as a so-called wide-angle diffuser.
  • a wide-angle diffuser 40 with outer walls 41 and inner walls 42 is shown in FIG. 7, each of which enclose an angle ⁇ ⁇ 15 °.
  • the coolant is evenly distributed from a narrow coolant inlet 43 to a wide coolant outlet 44.
  • the coolant can thus be distributed evenly over the width of a rectangular coolant channel.
  • a component 35 with a defined one Pressure loss installed which ensures the distribution over the area of the individual cells and on the individual cells of the entire stack.
  • a component 35 is shown in FIG. 8 and is essentially formed by a perforated plate 36 for coolant distribution.
  • the coolant is distributed over the surface 38 by means of a coolant supply 37 and serves for uniform cooling of the surface 38.
  • the dimensions of the component 35 are matched to the distance between two cells, which is designed for optimal heat transfer with maximum efficiency of the overall system. Due to the higher heat transfer coefficient, cells with a short distance can already be cooled with smaller coolant mass flows. In order to evenly distribute these small coolant mass flows, the
  • FIG. 9 The sealing concept of the fuel cell stack 1 according to FIG. 1 is illustrated in FIG. 9. It is essential here that in addition to the individual fuel cell units 10, 10 ⁇ , ... and the feeds 2 and the drains 3, corresponding to FIG. 1, there are end plates 60, 60 ⁇ , which in turn have feed connectors 61 to 64 for the operating media. It is important that the fuel cell stack used in operation forms a tight unit in itself, but is equally modular in that individual fuel cell units are sealed in themselves.
  • each assembly unit made of a single fuel cell has an outer seal 96, which completes the sealing concept.
  • the described sealing concept is an integral part of the above-described concept of the fuel cell stack, which assembles preassembled units that can be stored and processed without special protective measures.
  • the seals applied to individual components each connect several functional elements to form storage and assembly units in which the particularly sensitive membrane is protected.
  • Such preassembled units are in particular the two electrodes between which the polymer membrane is inserted, or entire cells including the devices for distributing the reaction gases and the coolant. This enables considerable savings in storage, assembly of the stack and, due to the particularly reliable design, the warranty.
  • the pressure level of the coolant is raised. This isostatic pressing causes bipolar plates and electrodes to be pressed together evenly over the entire surface of each fuel cell in the stack. This results in a significant reduction in the electrical contact resistance. At the same time, the pressure of the coolant is significantly higher, up to 5 times higher than the pressure of the reactants in the fuel cell.
  • FIGS. 11 and 12 show, according to FIGS. 3 to 6, the top view of the bipolar plates 11 with the corresponding feeds for air, coolant and reformer gas, such as it is also essentially already shown in FIGS. 3 to 6.
  • the inlets and outlets for air, coolant and reformer gas are each represented as rectangular ducts of the same cross section in FIGS. 10 and 11.
  • the arrows 101, 101,... which are carried out in parallel illustrate the flow distribution, for example of the air, from the inlet 12 ⁇ to the outlet 15 x .
  • the constructive design of the flow-guiding components means that a total diagonal flow distribution according to arrow 105 is formed along the bipolar plate 11, which is also referred to as the Z flow.
  • the reformer gas which reacts with the air in the fuel cell. From the inlet 13 ⁇ to the outlet 16 ⁇ , a Z flow with diagonal flow distribution is also realized in FIG. 10.

Abstract

It is known per se that individual fuel cell units can be mechanically stacked on top of each other according to a predetermined stack length, whereupon they are electrically and fluidically connected in a successive manner. According to the invention, fluidic inertial forces are used to evenly distribute all media, especially the reactants, in the individual fuel cell units and are transferred in precise matching geometrical dimensions of distributing and/or reaction channels.

Description

Beschreibungdescription
Brennstoffzellenstapel mit hoher WirkungsgraddichteFuel cell stack with high efficiency density
Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffzellenstapel mit hoher Wirkungsgraddichte, wobei einzelne Brennstoffzel- leneinheiten über eine vorgebbare Stacklänge mechanisch auf- einandergestapelt, elektrisch und strömungstechnisch aber hintereinandergeschaltet sind.The invention relates to a fuel cell stack with a high efficiency density, wherein individual fuel cell units are mechanically stacked on one another over a predeterminable stack length, but are electrically and fluidically connected in series.
Bisher in der Praxis eingesetzte Konstruktionen von Brennstoffzelleristapeln zeichnen sich durch einen vergleichsweise hohen Druckverlust bei den Betriebsmedien aus. Die Betriebsmedien sind die Reaktionsgase (Reaktanden) , wie Wasserstoff/ wasserstoffreiche Gase und Sauerstoff/Luft, einerseits und Kühlmittel, wie Öl oder andere Kühlflüssigkeiten, andererseits. Ein Druckabfall erfolgt und wird benötigt, um Gase und Flüssigkeiten gleichmäßig auf die einzelnen Zellen eines Stapels und auf die Fläche der einzelnen Zellen zu verteilen so- wie um das Produktwasser auf der Kathodenseite auszutragen. Da die Betriebstemperatur kleiner als die Verdampfungstempe- ratur des Wassers beim Betriebsdruck der Brennstoffzellenstapel ist, liegt als Reaktionsprodukt von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) Produktwasser in flüssiger Form vor. Die Hauptströmungsrichtung der Reaktionsgase verläuft beim Stand der Technik stets diagonal über die Fläche der einzelnen Zellen. Beispiele für die Ausgestaltung herkömmlicher Systeme sind in der DE 197 43 067 C2 angegeben.Constructions of fuel cell stacks previously used in practice are characterized by a comparatively high pressure loss in the operating media. The operating media are the reaction gases (reactants), such as hydrogen / hydrogen-rich gases and oxygen / air, on the one hand, and coolants, such as oil or other cooling liquids, on the other. A pressure drop occurs and is required to distribute gases and liquids evenly over the individual cells of a stack and over the surface of the individual cells, as well as to discharge the product water on the cathode side. Since the operating temperature is lower than the evaporation temperature of the water at the operating pressure of the fuel cell stack, the reaction product of hydrogen (H 2 ) and oxygen (0 2 ) is product water in liquid form. In the prior art, the main flow direction of the reaction gases always runs diagonally over the area of the individual cells. Examples of the design of conventional systems are given in DE 197 43 067 C2.
Bei derzeit gängigen Technologien, wie dem Einsatz von Graphit für die bei Brennstoffzellen notwendigen bipolaren Platten, ist aufgrund der vergleichsweise geringen mechanischen Stabilität des Graphits eine relativ große Materialstärke erforderlich. Dies wirkt sich nachteilig auf die Bauhöhe einer einzelnen Zelle und besonders auf die Gesamtlänge eines Stapels aus. Bei Montage und Betrieb eines BrennstoffZellenstapels treten mechanische und thermische Belastungen an den Membranen auf, die zur Schädigung der Membranen führen können. Die Membranen müssen deshalb während des Stapelvorgangs besonders vorsich- tig gehandhabt werden und sind für eine Lagerung einzeln zu verpacken, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen. Im Betrieb sind besondere Maßnahmen erforderlich, um Beschädigungen durch thermische und mechanische Belastungen zu vermeiden, wie sie beispielsweise durch Befeuchtung der Betriebsga- se oder mechanische Abstützungen gegeben sind.Current technologies, such as the use of graphite for the bipolar plates required in fuel cells, require a relatively large material thickness due to the comparatively low mechanical stability of the graphite. This has an adverse effect on the overall height of a single cell and especially on the total length of a stack. When assembling and operating a fuel cell stack, mechanical and thermal loads occur on the membranes, which can damage the membranes. The membranes must therefore be handled with particular care during the stacking process and must be packed individually for storage in order to protect them from environmental influences. Special measures are required during operation to avoid damage due to thermal and mechanical loads, such as those caused by moistening the operating gas or mechanical supports.
Derzeit umgesetzte Dichtungskonzepte nutzen Elastomere und Kleber als Dichtungen, die z. B. im Siebdruck oder in Einzelfertigung durch Vulkanisation auf Bauteile der Zellen aufge- bracht werden. Die einzelnen Bauteile werden dann zu einem Stapel zusammengestellt. Da die Membran in derzeit üblichen Konstruktionen nicht geschützt sind, sind Beschädigungen bei der Montage und im Betrieb schwer zu vermeiden.Sealing concepts that are currently being used use elastomers and adhesives as seals. B. in screen printing or in one-off production by vulcanization on components of the cells. The individual components are then put together in a stack. Since the membrane is not currently protected in conventional designs, damage during assembly and operation is difficult to avoid.
Ein weiteres Problem bei den fertig konfektionierten Brennstoffzellenstapeln sind hohe Übergangswiderstände zwischen den einzelnen, elektrisch hintereinandergeschalteten Zellen. Ein Teil des elektrischen Widerstands wird bei herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln durch ungleichmäßige Anpressung der bipolaren Platten und der Elektroden verursacht. Beim Stand der Technik werden die Anpresskräfte mechanisch über die Endplatten teilweise in Kombination mit Druckkissen aufgebracht.Another problem with the ready-made fuel cell stacks is high contact resistance between the individual, electrically connected cells. Part of the electrical resistance in conventional fuel cell stacks is caused by uneven pressing of the bipolar plates and the electrodes. In the prior art, the contact pressure is applied mechanically via the end plates, sometimes in combination with pressure pads.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, die konstruktive Umsetzung von Brennstoffzellenstapeln, die Polymerelektrolytmembranen aufweisen und für Anwendung bei Temperaturen über 100 °C geeignet sind, in die Praxis zu verbessern. Hierzu soll ein Brennstoffzellenstapel geschaffen werden, der bei einfachem Aufbau einen optimierten Wirkungs- grad hat. Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Starting from the prior art, it is an object of the invention to improve the constructive implementation of fuel cell stacks which have polymer electrolyte membranes and are suitable for use at temperatures above 100 ° C. For this purpose, a fuel cell stack is to be created which, with a simple structure, has an optimized degree of efficiency. The object is achieved by the entirety of the features of claim 1. Developments are specified in the dependent claims.
Mit der Erfindung ergibt sich eine Nutzung komplexer strömungsmechanischer Zusammenhänge, wie insbesondere Impuls- und Massenbilanzen für Gasverteiler und Gassammler, Zellenströmung, Kühlmittelströmung, zur konstruktiven Umsetzung einer Zelle und eines Stapels mit hoher Leistungsdichte und hohem Systemwirkungsgrad. Insbesondere im Vergleich zu gängigenThe invention results in the use of complex fluid-mechanical interrelationships, such as in particular momentum and mass balances for gas distributors and gas collectors, cell flow, coolant flow, for the constructive implementation of a cell and a stack with a high power density and high system efficiency. Especially compared to common ones
Konstruktionen mit Blechen als bipolare Platten wird die Baulänge des Stapels dadurch verringert, dass aufgrund von strömungstechnischen Berechnungen die Querschnittsfläche der Verteilkanäle so dimensioniert werden kann, dass eine möglichst große aktive Fläche bei kleinst möglichem Druckverlust für die Strömung von Reaktionsgasen und Kühlmittel erreicht wird. Damit werden vorteilhafterweise weniger Zellen zum Aufbau des Stapels als beim Stand der Technik benötigt, um eine vorgegebene elektrische Leistung bereitzustellen.Constructions with sheets as bipolar plates reduce the overall length of the stack by virtue of the fact that the cross-sectional area of the distribution channels can be dimensioned on the basis of flow calculations so that the largest possible active area is achieved with the smallest possible pressure loss for the flow of reaction gases and coolant. This advantageously means that fewer cells are required to build up the stack than in the prior art in order to provide a predetermined electrical output.
Vorzugsweise ist eine sog. C-Strömung aller Medien für eine optimale Verteilung bei minimalem Druckverlust und optimalem Gesamtwirkungsgrad realisiert. Dabei ist gleichermaßen eine konstruktive Umsetzung zu einfach zu fertigenden, zu lagern- den und servicefreundlichen Bauteilen gewährleistet.A so-called C-flow of all media is preferably realized for an optimal distribution with minimal pressure loss and optimum overall efficiency. At the same time, a constructive implementation of components that are easy to manufacture, store and service-friendly is guaranteed.
Das in der Erfindung umgesetzte Dichtungskonzept berücksichtigt Weiterhin letzteren Aspekt und realisiert bereits in einem frühen Stadium der Herstellung fertigungs- und betriebs- gerechte Baugruppen.The sealing concept implemented in the invention also takes the latter aspect into account and realizes assemblies suitable for production and operation at an early stage of manufacture.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbei- spielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentan- Sprüchen. Es zeigen Figur 1 einen Schnitt durch einen Brennstoffzellenstapel zurFurther details and advantages of the invention result from the following description of figures of exemplary embodiments with reference to the drawing in conjunction with the patent claims. Show it 1 shows a section through a fuel cell stack
Verdeutlichung der C-Strömung über die Stacklänge, Figur 2 eine graphische Darstellung der Verteilgüte der C-Strömung in Figur 1 über einer normierten Stacklänge,Clarification of the C flow over the stack length, FIG. 2 shows a graphical representation of the distribution quality of the C flow in FIG. 1 over a standardized stack length,
Figur 3 bis Figur 6 jeweils eine Draufsicht auf eine BrennstoffZellenfläche mit unterschiedlicher Ausbildung der Leitungen für die Betriebsmedien, Figur 7 einen sogenannten Weitwinkeldiffusor in SchnittdarStellung,3 to 6 each show a top view of a fuel cell area with different configurations of the lines for the operating media, FIG. 7 shows a so-called wide-angle diffuser in a sectional view,
Figur 8 ein Bauteil zur Kühlmittelverteilung über die Fläche in Schnittdarstellung, Figur 9 einen kompletten Brennstoffzellenstapel mit Endplatten in Schnittdarstellung mit Hinweis auf einen Teilausschnitt,8 shows a component for coolant distribution over the surface in a sectional view, FIG. 9 shows a complete fuel cell stack with end plates in a sectional view with reference to a partial section,
Figur 10 den Teilausschnitt aus Figur 9, der interne und externe Dichtungen der einzelnen Brennstoffzellen- einheiten verdeutlicht, Figur 11 und 12 jeweils eine Draufsicht auf die bipolare Platte gemäß Figur 4 mit zwei unterschiedlichen Konzeptionen der Reaktandenströmung, Figur 13 eine graphische Darstellung der Verteilgüte in Abhängigkeit von der Lauflänge und Figur 14 eine graphische Darstellung des Druckverlustes über die relative Lauflänge.10 shows the partial section from FIG. 9, which illustrates internal and external seals of the individual fuel cell units, FIGS. 11 and 12 each show a top view of the bipolar plate according to FIG. 4 with two different concepts of the reactant flow, FIG. 13 shows a graphical representation of the distribution quality as a function of the situation of the barrel length and FIG. 14 shows a graphical representation of the pressure loss over the relative barrel length.
In der Figur 1 ist ein Brennstoffzellenstapel 1 dargestellt, der aus einer Vielzahl mechanisch aufeinandergestapelter BrennstoffZeileneinheiten 10, 10λ, ... besteht. Von den BrennstoffZelleneinheiten 10, 10 λ, ... ist die Zelle 1, die Zelle i und die Zelle z im Einzelnen gekennzeichnet.FIG. 1 shows a fuel cell stack 1 which consists of a plurality of fuel cell units 10, 10 λ , ... stacked mechanically one on top of the other. Cell 1, cell i and cell z are identified in detail by the fuel cell units 10, 10λ , ...
Der Brennstoffzellenstapel 1 wird mit Wasserstoff (H2) als Brenngas, das gegebenenfalls über einen in der Figur 1 nicht dargestellten Reformer erzeugt wird, und mit Sauerstoff (0) aus der Umgebungsluft betrieben. Es ist eine Leitung 2 für die Luft-/Wasserstoff-Zufuhr und eine Leitung 3 für die Abführung des Restgases vorhanden.The fuel cell stack 1 is operated with hydrogen (H 2 ) as the fuel gas, which is possibly generated via a reformer not shown in FIG. 1, and with oxygen (0) from the ambient air. It is a line 2 for the air / hydrogen supply and a line 3 for the removal of the residual gas.
In der Figur 1 ist dargestellt, dass die Zufuhr der Reakti- onsgase mit einem Gasstrom V erfolgt. Wenn mit einem solchen Gasstrom V die Zufuhrleitung 2 beaufschlagt wird, ergibt sich an der Zelle 1 eine Gasbeladung qi, an der Zelle i eine Gasbeladung qi und an der letzten Zelle eine Gasbeladung q2. Angestrebt wird eine gleichmäßige Gasverteilung an den ein- zelnen BrennstoffZelleneinheiten 10, 10 Λ, ... im Brennstoffzellenstapel 1.FIG. 1 shows that the reaction gases are supplied with a gas stream V. If such a gas flow V is applied to the supply line 2, a gas loading qi results in the cell 1, a gas loading qi in the cell i and a gas loading q 2 in the last cell. The aim is to achieve a uniform gas distribution on the individual fuel cell units 10, 10 Λ , ... in the fuel cell stack 1.
Im Gegensatz zu beim Stand der Technik verwendeten Konstruktionen wird die gleichmäßige Gasverteilung im Stapel und in den einzelnen Zellen nicht durch einen sehr hohen Druckverlust zwischen der Zu- und Abführseite sichergestellt. Vielmehr wird eine Gleichverteilung durch die Ausnutzung des Zusammenwirkens von Trägheitskräften und viskosen Kräften in der Strömung sowie deren Umsetzung in aufeinander abgestimm- ten geometrischen Abmessungen der Verteilkanäle einerseits und der Reaktionskanäle andererseits erreicht.In contrast to the constructions used in the prior art, the uniform gas distribution in the stack and in the individual cells is not ensured by a very high pressure loss between the supply and discharge sides. Rather, a uniform distribution is achieved by utilizing the interaction of inertial forces and viscous forces in the flow and their implementation in coordinated geometric dimensions of the distribution channels on the one hand and the reaction channels on the other.
Eine Kombination aus Geometrie und günstiger Strömungsführung in kompakter Form führt zu einem besonders geringen Druckver- lust bei besonders gleichmäßiger Verteilung der Reaktionsgase und des Kühlmittels. Der geringe Druckverlust und die Gleichverteilung werden in eine besonders hohe Leistungsdichte und in eine besonders geringe parasitäre Last umgesetzt. Sowohl für das anöden- als auch für das kathodenseitige Reaktionsgas können Durchsätze nahe dem stöchioraetrischen Durchsatz realisiert werden, ohne dass ein Leistungsabfall des Brennstoffzellenstapels 1 auftritt.A combination of geometry and favorable flow guidance in a compact form leads to a particularly low pressure drop with a particularly even distribution of the reaction gases and the coolant. The low pressure drop and the uniform distribution are converted into a particularly high power density and a particularly low parasitic load. Throughputs close to the stoichiometric throughput can be achieved for both the anode- and the cathode-side reaction gas without a drop in performance of the fuel cell stack 1 occurring.
Es lassen sich für Reformat Verteilungen im Bereich zwischen 1,05 und 1,2 erreichen. Für Luft als Reaktionsgas ergibt sich eine Verteilung zwischen 1,05 und 1,5. Dabei wird jeweils von einem Druckverlust von 0,5 bar ausgegangen. In Figur 2 ist das Verhältnis q/q0 der Gasverteilung über der genormten Stacklänge x/L aufgetragen, wobei q den Massenstrom durch eine Zelle und q0 den Mittelwert aller Massenströme angibt. Die Verteilgüte VG gibt die maximale Abweichung des Massenstroms durch eine Zelle vom Mittelwert an und lässt sich im vorliegenden Fall definieren als:Distributions in the range between 1.05 and 1.2 can be achieved for reformate. For air as the reaction gas, the distribution is between 1.05 and 1.5. A pressure loss of 0.5 bar is assumed. The ratio q / q 0 of the gas distribution over the standardized stack length x / L is plotted in FIG. 2, with q indicating the mass flow through a cell and q 0 indicating the mean value of all mass flows. The distribution quality V G indicates the maximum deviation of the mass flow through a cell from the mean value and can be defined in the present case as:
VG = 1 + max|(q/q0)-l| . (Gl 1)VG = 1 + max | (q / q 0 ) -l | , (Gl 1)
Angestrebt wird üblicherweise eine Verteilgüte nahe 1 zum störungsfreien Betrieb des Brennstoffzellenstapels. Praktische Erfahrungen haben gezeigt, dass die Verteilgüte VG eine Abweichung von maximal 5 % von einem Basiswert haben sollte.A distribution quality close to 1 is usually sought for the trouble-free operation of the fuel cell stack. Practical experience has shown that the distribution quality VG should have a maximum deviation of 5% from a base value.
Aus der Kurve 21 in Figur 2 ergibt sich, dass die Verteilgüte VG am Stackanfang einen Wert von etwa 1,06 hat und am Ende der Stacklänge ein Wert von etwa 0,97 erreicht ist. Dies bedeutet für die Praxis, dass die Verteilgüte nicht auf einen unzulässigen Wert abfallen wird.It can be seen from curve 21 in FIG. 2 that the distribution quality VG has a value of approximately 1.06 at the start of the stack and a value of approximately 0.97 has been reached at the end of the stack length. In practice, this means that the distribution quality will not drop to an impermissible value.
In den Figuren 3 bis 6 sind vorteilhafte Ausführungsbeispiele für eine bipolare Platte 11 als Teil einer Brennstoffzellen- einheit 10 dargestellt. Dies bedeutet, dass jede Brennstoff- Zeileneinheit 10, 10 ... des Stacks 1 eine eigene bipolare Platte 11, 11 \ ... hat.FIGS. 3 to 6 show advantageous exemplary embodiments for a bipolar plate 11 as part of a fuel cell unit 10. This means that each fuel line unit 10, 10 ... of the stack 1 has its own bipolar plate 11, 11 \ ....
In den Figuren 3 bis 6 ist der mittlere Bereich der bipolaren Platte 11 ist der Reaktionsbereich zur einzelnen Brennstoff- zelle 10. Hier findet die Reaktion des Brenngases mit Sauerstoff unter Protonenleitung in der Brennstoffzellenmembran und zur Erzeugung der Ladungsträger statt. Dafür sind an der oberen Seite der bipolaren Platte 11 Eingänge für die für die Reaktion notwendigen Medien vorhanden. Insbesondere befindet sich in der Figur 3 ein Eingang 12 für Luft und ein Eingang 13 für Reformergas, die beide kreisförmig ausgebildet sind. Zwischen diesen beiden Eingängen ist weiterhin ein Zugang 14 für ein Kühlmedium vorhanden, wobei der Zugang 14 rechteck- förmig ausgebildet ist. An der gegenüberliegenden Seite sind entsprechende Ausgänge 15 bis 17 für die Reaktanden und das Kühlmittel vorhanden, wobei jeweils eine direkt gegenüberlie- gende Anordnung realisiert ist. Es wird so für die Reaktanden eine C-förmige Strömungsmittelführung sowohl über die Stacklänge als auch über die Fläche einer BrennstoffZelleneinheit realisiert.In FIGS. 3 to 6 the middle area of the bipolar plate 11 is the reaction area to the individual fuel cell 10. Here the reaction of the fuel gas with oxygen takes place under proton conduction in the fuel cell membrane and for the generation of the charge carriers. For this purpose there are 11 inputs on the upper side of the bipolar plate for the media required for the reaction. In particular, in FIG. 3 there is an inlet 12 for air and an inlet 13 for reformer gas, both of which are circular. There is still an access 14 between these two entrances for a cooling medium, the access 14 being rectangular. Corresponding outputs 15 to 17 for the reactants and the coolant are provided on the opposite side, with a directly opposite arrangement being realized in each case. In this way, a C-shaped fluid flow is implemented for the reactants both over the stack length and over the area of a fuel cell unit.
Speziell in Figur 3 sind die Leitungen für die Reaktanden kreisförmig und die Leitung für das Kühlmedium rechteckförmig ausgebildet. Es sind auch andere geometrische Ausführungen möglich, die anhand der Figuren 4 bis 6 - bei prinzipiell gleichem Aufbau der bipolaren Platte 11 - verdeutlicht wer- den.Specifically in FIG. 3, the lines for the reactants are circular and the line for the cooling medium is rectangular. Other geometrical designs are also possible, which are illustrated with the aid of FIGS. 4 to 6, with the bipolar plate 11 being of basically the same structure.
In der Figur 4 sind die Zugänge 12 x bis 14 Λ und die Abgänge 15 λ bis 17 für die Betriebsmedien jeweils rechteckig mit gleicher Querschnittsfläche ausgebildet. Figur 5 ist insoweit abgewandelt, als dass gleiche Zugänge 12 λ und 13 bzw. Abgänge 15 X und 16 λX für die Reaktanden vorhanden sind, aber das Kühlmittel seitlich mit Zugang 14 λ und Abgang 17 λλ geführt wird. Schließlich ist in Figur 6 eine Abwandlung mit Zugängen 12 λ λ λ bis 14 λ und Abgängen 15λ bis 17 Λ für die Betriebsmedien dargestellt, wobei die Zu- und Abgänge jeweils einen runden Querschnitt haben. Für das Kühlmittel sind dabei jeweils drei Leitungen vorgesehen.In Figure 4, the entrances 12 x to 14 Λ and the exits 15 λ to 17 for the operating media are each rectangular with the same cross-sectional area. Figure 5 has been modified to the extent that the same inputs 12 λ and 13 or outputs 15 X and 16 λX are available for the reactants, but the coolant is guided laterally with access 14 λ and outlet 17 λλ . Finally, FIG. 6 shows a modification with accesses 12 λ λ λ to 14 λ and outlets 15 λ to 17 Λ for the operating media, the inlets and outlets each having a round cross section. Three lines are provided for the coolant.
Es ergeben sich also vier Varianten für die bipolaren Platten 11, die sich durch eine unterschiedliche Flächennutzung und damit spezifisch angepasste Leistung auszeichnen.There are therefore four variants for the bipolar plates 11, which are distinguished by a different use of space and thus a specifically adapted output.
Für ein gutes Leistungsverhalten der Brennstoffzellen ist also die relative Nutzfläche der bipolaren Platten mit den Me- dien-Zuleitungen und -Ableitungen im Verhältnis zum Stackvolumen zu optimieren. Dies bedeutet, dass die relative Stackleistungsdichte angepasst werden muss. In nachfolgender ta- bellarischer Zusammenstellung sind für die vier in den Figuren 3 bis 6 angegebenen Varianten der bipolaren Platten die relativen Stackleistungsdichten angegeben.In order for the fuel cells to perform well, the relative usable area of the bipolar plates with the media supply and discharge lines must be optimized in relation to the stack volume. This means that the relative stack power density has to be adjusted. In the following days The relative stack power densities for the four variants of the bipolar plates shown in FIGS. 3 to 6 are given in Bellarian compilation.
Tabelletable
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Es ist ersichtlich, dass die Variante III entsprechend der Figur 5 eine besonders günstige relative Stackleistungsdichte abdeckt.It can be seen that variant III according to FIG. 5 covers a particularly favorable relative stack power density.
Konstruktive Besonderheit der Kühlmittelversorgung ist ein in eine der Endplatten integrierter Strömungsverteiler, der gemäß Figur 7 vorteilhafterweise als sog. Weitwinkeldiffusor ausgeführt ist. In Figur 7 ist ein derartiger Weitwinkeldif- fusor 40 mit äußeren Wänden 41 und inneren Wänden 42 dargestellt, die jeweils einen Winkel α < 15° einschließen. Von einem engen Kühlmitteleintritt 43 wird das Kühlmittel zu einem breiten Kühlmittelaustritt 44 gleichmäßig verteilt. Damit kann das Kühlmittel gleichmäßig über die Breite eines rechteckigen Kühlmittelkanals verteilt werden.A special design feature of the coolant supply is a flow distributor integrated in one of the end plates, which, according to FIG. 7, is advantageously designed as a so-called wide-angle diffuser. Such a wide-angle diffuser 40 with outer walls 41 and inner walls 42 is shown in FIG. 7, each of which enclose an angle α <15 °. The coolant is evenly distributed from a narrow coolant inlet 43 to a wide coolant outlet 44. The coolant can thus be distributed evenly over the width of a rectangular coolant channel.
Als weitere konstruktive Besonderheit der Einrichtungen zur Kühlmittelverteilung ist ein Bauteil 35 mit definiertem Druckverlust montiert, das die Verteilung über die Fläche der einzelnen Zellen und auf die einzelnen Zellen des Gesamtstacks sicherstellt. Ein solches Bauteil 35 ist in Figur 8 dargestellt und ist im Wesentlichen durch eine Lochplatte 36 zur Kühlmittelverteilung gebildet. Mittels einer Kühlmittelzufuhr 37 wird das Kühlmittel über die Fläche 38 verteilt und dient zur gleichmäßigen Kühlung der Fläche 38.As a further special design feature of the devices for coolant distribution, a component 35 with a defined one Pressure loss installed, which ensures the distribution over the area of the individual cells and on the individual cells of the entire stack. Such a component 35 is shown in FIG. 8 and is essentially formed by a perforated plate 36 for coolant distribution. The coolant is distributed over the surface 38 by means of a coolant supply 37 and serves for uniform cooling of the surface 38.
Die Abmessungen des Bauteils 35 sind abgestimmt auf den Ab- stand zwischen zwei Zellen, der für einen optimalen Wärmeübergang bei maximalem Wirkungsgrad des Gesamtsystems gestaltet ist. Zellen mit geringem Abstand können aufgrund des höheren Wärmeübergangskoeffizienten bereits mit kleineren Kühlmittelmassenströmen sicher gekühlt werden. Um diese kleinen Kühlmittelmassenströme gleichmäßig zu verteilen, ist derThe dimensions of the component 35 are matched to the distance between two cells, which is designed for optimal heat transfer with maximum efficiency of the overall system. Due to the higher heat transfer coefficient, cells with a short distance can already be cooled with smaller coolant mass flows. In order to evenly distribute these small coolant mass flows, the
Druckverlust des Einbauteils auf den Druckverlust der Spaltströmung abgestimmt.Pressure loss of the mounting part matched to the pressure loss of the gap flow.
In der Figur 9 ist das Dichtungskonzept des Brennstoffzellen- stapeis 1 gemäß Figur 1 verdeutlicht. Wesentlich ist hier, dass neben den einzelnen BrennstoffZelleneinheiten 10, 10 λ, ... und den Zuführungen 2 und den Abführungen 3 entsprechend Figur 1 Endplatten 60, 60 λ vorhanden sind, die ihrerseits wieder Zuführstutzen 61 bis 64 für die Betriebsmedien aufwei- sen. Dabei kommt es darauf an, dass der betriebsmäßig eingesetzte Brennstoffzellenstapel eine in sich dichte Einheit bildet, aber gleichermaßen modular darauf aufgebaut ist, dass einzelne BrennstoffZelleneinheiten für sich dicht sind.The sealing concept of the fuel cell stack 1 according to FIG. 1 is illustrated in FIG. 9. It is essential here that in addition to the individual fuel cell units 10, 10 λ , ... and the feeds 2 and the drains 3, corresponding to FIG. 1, there are end plates 60, 60 λ , which in turn have feed connectors 61 to 64 for the operating media. It is important that the fuel cell stack used in operation forms a tight unit in itself, but is equally modular in that individual fuel cell units are sealed in themselves.
Letzteres wird aus dem Ausschnitt x der Figur 9 gemäß Figur 10 deutlich: In der vergrößerten Darstellung ist wesentlich, dass jeweils zwischen bipolaren Platten 70, 70 Membranelektrodeneinheiten 90, 90 λ (MEA = Membrane Electrode Assembly) aus Membran und Elektroden dicht eingefügt sind. In den Elek- trodenräumen der einzelnen Zellen erfolgt die Gasverteilung für die Zelle, wobei die Durchbrüche 91, 91 λ die Gasverteilung für den Stapel verdeutlichen. Dazu sind sowohl intern in jeder Zelle als auch extern an der Zelle, also am Stack, Dichtungen vorhanden.The latter is clear from section x of FIG. 9 according to FIG. 10: in the enlarged illustration it is essential that membrane electrode units 90, 90 λ (MEA = membrane electrode assembly) of membrane and electrodes are inserted tightly between bipolar plates 70, 70. The gas distribution for the cell takes place in the electrode spaces of the individual cells, the openings 91, 91 λ illustrating the gas distribution for the stack. These are both internal in seals in every cell as well as externally on the cell, i.e. on the stack.
Im Einzelnen sind die internen Dichtungen zur Abdichtung von MEA 90 und bipolarer Platte 70 mit 95 bezeichnet. Außen hat jede Montageeinheit aus einer einzelnen Brennstoffzelle eine äußere Dichtung 96, welche das Dichtungskonzept komplettiert.In detail, the internal seals for sealing MEA 90 and bipolar plate 70 are designated 95. On the outside, each assembly unit made of a single fuel cell has an outer seal 96, which completes the sealing concept.
Das beschriebene Dichtungskonzept ist wesentlicher Bestand- teil der vorstehend erläuterten Konzeption des Brennstoffzel- lenstapels, das vormontierte Einheiten zusammenstellt, die ohne besondere Schutzmaßnahmen gelagert und weiterverarbeitet werden können. Die an einzelnen Bauteilen aufgebrachten Dichtungen verbinden jeweils mehrere Funktionselemente zu Lager- und Montageeinheiten, in denen die besonders empfindliche Membran geschützt ist. Solche vormontierten Einheiten sind insbesondere die beiden Elektroden, zwischen denen die Polymermembran eingelegt ist, oder ganze Zellen einschließlich der Einrichtungen zur Verteilung der Reaktionsgase und des Kühlmittels. Somit sind erhebliche Einsparungen bei der Lagerung, bei der Montage des Stapels sowie aufgrund der besonders betriebssicheren Ausführung bei der Gewährleistung möglich.The described sealing concept is an integral part of the above-described concept of the fuel cell stack, which assembles preassembled units that can be stored and processed without special protective measures. The seals applied to individual components each connect several functional elements to form storage and assembly units in which the particularly sensitive membrane is protected. Such preassembled units are in particular the two electrodes between which the polymer membrane is inserted, or entire cells including the devices for distributing the reaction gases and the coolant. This enables considerable savings in storage, assembly of the stack and, due to the particularly reliable design, the warranty.
Um den Gesamtwirkungsgrad im Vergleich zu konventionellen Systemen zu steigern, wird das Druckniveau des Kühlmittels angehoben. Durch diese isostatische Anpressung werden bipolare Platten und Elektroden gleichmäßig über die gesamte Fläche einer jeden Brennstoffzelle des Stapels miteinander ver- presst. Daraus resultiert eine deutliche Verminderung des elektrischen Übergangswiderstands. Gleichzeitig ist dabei der Druck des Kühlmittels deutlich höher und zwar bis zu 5 x höher als der Druck der Reaktanden in der Brennstoffzelle.In order to increase the overall efficiency compared to conventional systems, the pressure level of the coolant is raised. This isostatic pressing causes bipolar plates and electrodes to be pressed together evenly over the entire surface of each fuel cell in the stack. This results in a significant reduction in the electrical contact resistance. At the same time, the pressure of the coolant is significantly higher, up to 5 times higher than the pressure of the reactants in the fuel cell.
Die Figuren 11 und 12 zeigen entsprechend den Figuren 3 bis 6 die Draufsicht auf die bipolare Platten 11 mit den entsprechenden Zuführungen für Luft, Kühlmittel und Reformergas, wie es im Wesentlichen auch bereits in den Figuren 3 bis 6 dargestellt ist. In Anpassung an Figur 4 sind in den Figuren 10 und 11 die Zugänge und Abgänge für Luft, Kühlmittel und Reformergas jeweils als Rechteckkanäle gleichen Querschnittes dargestellt.FIGS. 11 and 12 show, according to FIGS. 3 to 6, the top view of the bipolar plates 11 with the corresponding feeds for air, coolant and reformer gas, such as it is also essentially already shown in FIGS. 3 to 6. In adaptation to FIG. 4, the inlets and outlets for air, coolant and reformer gas are each represented as rectangular ducts of the same cross section in FIGS. 10 and 11.
In Figur 11 verdeutlichen die parallel geführten Pfeile 101, 101 , ... die Strömungsverteilung, beispielsweise der Luft, vom Einlass 12 Λ zum Auslass 15 x. Beim Stand der Technik er- gibt sich durch die konstruktive Auslegung der strömungsführenden Bauteile, dass entlang der bipolaren Platte 11 insgesamt eine diagonale Strömungsverteilung entsprechend Pfeil 105 gebildet ist, die auch als Z-Strömung bezeichnet wird. Entsprechendes gilt für das Reformergas, welches mit der Luft in der Brennstoffzelle reagiert. Vom Einlass 13 λ zum Auslass 16 λ wird in Figur 10 ebenfalls eine Z-Strömung mit diagonaler Strömungsverteilung realisiert.In FIG. 11, the arrows 101, 101,... Which are carried out in parallel illustrate the flow distribution, for example of the air, from the inlet 12 Λ to the outlet 15 x . In the prior art, the constructive design of the flow-guiding components means that a total diagonal flow distribution according to arrow 105 is formed along the bipolar plate 11, which is also referred to as the Z flow. The same applies to the reformer gas, which reacts with the air in the fuel cell. From the inlet 13 λ to the outlet 16 λ , a Z flow with diagonal flow distribution is also realized in FIG. 10.
Anhand Figur 12 wird im Vergleich zu Figur 11 verdeutlicht, dass nunmehr der Reaktand, beispielsweise das Reformergas in der bipolaren Platte 11 ausgehend vom Einlass 14 entlang den parallelen Pfeilen 102, 102 , ... zum gegenüberliegenden Auslasse 16 λ so geführt wird, dass sich eine in etwa C-förmige Strö ungs erteilung entsprechend dem Pfeil 110 ergibt. Ent- sprechendes gilt wiederum für die Luft als Reaktionsgas vom Einlass 13 zum Auslass 16 Λ.On the basis of FIG. 12, it is clarified in comparison to FIG. 11 that the reactant, for example the reformer gas in the bipolar plate 11, is led from the inlet 14 along the parallel arrows 102, 102, ... to the opposite outlet 16 λ in such a way that gives an approximately C-shaped flow according to arrow 110. The same applies in turn to the air as reaction gas from inlet 13 to outlet 16 Λ .
Insgesamt wird also bei der vorstehend beschriebenen Einrichtung erreicht, dass in jedem Brennstoffzellenstapel einer- seits über die Längsrichtung der aufeinanderfolgenden Zellen eine C-förmige Strömung der Luft und/oder des Brenngases vorliegt. Darüber hinaus wird aber andererseits auch eine C-förmige Strömung jeweils in der Fläche der bipolaren Platten 11 realisiert, wie sie beispielhaft anhand der Figur 12 für das Reformergas verdeutlicht ist. In der Kombination dieser Maßnahmen ist eine entscheidende Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik gegeben. In der Figur 13 ist entsprechend Figur 2 die Verteilgüte in Abhängigkeit von der normierten Lauflänge dargestellt. Hier entspricht die Kurve 121 im Wesentlichen der Kurve 21 aus Fi- gur 2. Zum Vergleich hierzu ist eine weitere Kurve 52 eingetragen, die sich bei der vom Stand der Technik meist angewandten Z-Strömung ergibt. Man erkennt, dass bei der Vergleichskurve ein einheitlicher Wert für die Verteilgüte kaum erreichbar ist. Um also im Mittenbereich eine Verteilgüte von 1 zu erreichen, ist am Anfang des BrennstoffZellenstapels 1 die Verteilgüte geringer und am Ende des Brennstoffzellensta- pels 1 die Verteilgüte höher.Overall, it is achieved with the device described above that in each fuel cell stack there is a C-shaped flow of air and / or fuel gas over the longitudinal direction of the successive cells. In addition, on the other hand, a C-shaped flow is also realized in the surface of the bipolar plates 11, as is exemplified for the reformer gas with reference to FIG. 12. The combination of these measures gives a decisive improvement over the prior art. In FIG. 13, the distribution quality is shown in accordance with FIG. 2 as a function of the standardized run length. Here curve 121 essentially corresponds to curve 21 from FIG. 2. For comparison, a further curve 52 is entered, which results from the Z-flow most commonly used in the prior art. It can be seen that a uniform value for the distribution quality can hardly be achieved with the comparison curve. In order to achieve a distribution quality of 1 in the middle region, the distribution quality is lower at the beginning of the fuel cell stack 1 and the distribution quality is higher at the end of the fuel cell stack 1.
Im Wesentlichen entsprechende Ergebnisse ergeben sich aus Fi- gur 14, in der der Druckverlust in Abhängigkeit von der relativen Lauflänge dargestellt ist. Dabei bedeuten die KennlinieEssentially corresponding results result from FIG. 14, in which the pressure loss is shown as a function of the relative running length. The characteristic mean
131 den Druckverlust über einer Lochplatte und die Kennlinie131 the pressure loss over a perforated plate and the characteristic
132 den Druckverlust über den Versorgungskanälen. Es ergibt sich, dass über der gesamten Lauflänge bei den konstruktiv beschriebenen Ausführungen ein in etwa konstanter Druckverlust vorliegt. Somit ergeben sich keine Verschlechterungen in der Brennstoff- bzw. Gasversorgung.132 the pressure loss across the supply channels. It follows that there is an approximately constant pressure loss over the entire length of the barrel in the designs described. There is therefore no deterioration in the fuel or gas supply.
Gemeinsam bei dem anhand der einzelnen Beispiele beschriebe- nen Brennstoffzellenstapel ist, dass die Strömungsführung aller Medien über die Stacklänge der gestapelten Brennstoffzel- leneinheiten C-förmig erfolgt. Weiterhin ist die Strömungsführung der Reaktanden über die Fläche einer einzelnen Brennstoffzelleneinheit C-förmig. Durch diese Strömungsführung sind für das anodenseitige und/oder das kathodenseitige Reaktionsgas Gleichverteilungen nahe dem stöchiometrischen Durchsatz realisiert. What is common to the fuel cell stack described using the individual examples is that the flow guidance of all media is C-shaped over the stack length of the stacked fuel cell units. Furthermore, the flow of the reactants over the area of an individual fuel cell unit is C-shaped. With this flow guidance, uniform distributions near the stoichiometric throughput are realized for the anode-side and / or the cathode-side reaction gas.

Claims

Patentansprüche claims
1. Brennstoffzellenstapel mit hoher Wirkungsgraddichte, wobei einzelne BrennstoffZeileneinheiten über eine vorgebbare Stacklänge mechanisch aufeinander gestapelt, elektrisch und strömungstechnisch aber hintereinandergeschaltet sind , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Gleichverteilung aller Betriebsmedien, insbesondere der Reaktanden (H2) , in den einzelnen BrennstoffZeileneinheiten (10, 10 , ...) das Zusammenwirken von Trägheitskräften und viskosen Kräften in der Verteilströmung ausgenutzt werden und in aufeinander abgestimmten geometrischen Abmessungen von Verteil- und/oder Reaktionskanälen (2, 3; 12 bis 14, 15 bis 17) umgesetzt sind.1. Fuel cell stack with high efficiency density, wherein individual fuel line units are mechanically stacked on one another over a predeterminable stack length, but electrically and fluidically connected in series, characterized in that for the uniform distribution of all operating media, in particular the reactants (H 2 ), in the individual fuel line units (10, 10, ...) the interaction of inertial forces and viscous forces in the distribution flow are used and implemented in coordinated geometrical dimensions of distribution and / or reaction channels (2, 3; 12 to 14, 15 to 17).
2. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Strömungsführung der Betriebsmedien über die Stacklänge (L) der gestapelten BrennstoffZelleneinheiten (10, 10 λ, ...) C-förmig erfolgt.2. Fuel cell stack according to claim 1, characterized in that the flow of the operating media over the stack length (L) of the stacked fuel cell units (10, 10 λ , ...) is C-shaped.
3. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Strömungsführung der Reaktanden (02, H2) über die Fläche einer einzelnen Brennstoffzelleneinheit (10, 10 , ...) C-förmig erfolgt.3. Fuel cell stack according to claim 1, characterized in that the flow guidance of the reactants (0 2 , H 2 ) over the surface of a single fuel cell unit (10, 10, ...) is C-shaped.
4. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für das anodenseitige und/oder das kathodenseitige Reaktionsgas (H2, 02) Gleichverteilungen nahe dem stöchiometrischen Durchsatz realisiert sind.4. Fuel cell stack according to one of claims 1 to 3, characterized in that for the anode-side and / or the cathode-side reaction gas (H 2 , 0 2 ) uniform distributions are realized close to the stoichiometric throughput.
5. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für Reformat als Reaktionsgas eine Verteilung besser als 1,2 und vorzugsweise bei 1,05 bei einem Druckverlust von 0,2 bar vorliegt. 5. Fuel cell stack according to claim 4, characterized in that for reformate as the reaction gas there is a distribution better than 1.2 and preferably at 1.05 with a pressure loss of 0.2 bar.
6. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für Luft als Reaktionsgas eine Verteilung besser 1,5, und zwar vorzugsweise bei 1,05, einem Druckverlust von 0,2 bar vorliegt.6. Fuel cell stack according to claim 4, so that a distribution better than 1.5, and preferably at 1.05, for a pressure loss of 0.2 bar is present for air as the reaction gas.
7. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Kühlmittelversorgung ein in einer der Endplatten7. Fuel cell stack according to claim 1, claim 2 or claim 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that for the coolant supply one in one of the end plates
(40, 40 ) integrierter Strömungsverteiler (41) vorhanden ist,(40, 40) integrated flow distributor (41) is present,
8. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 7, mit einem rechteckigen Kühlmittelkanal, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Strömungsverteiler ein Weitwin- keldiffusor (40), mit dem Kühlmittel (KM) gleichmäßig über die Breite (b) des rechteckigen Kühlmittelkanals (13) verteilt wird.8. Fuel cell stack according to claim 7, with a rectangular coolant channel, so that the flow distributor has a wide-angle diffuser (40) with which the coolant (KM) is distributed uniformly over the width (b) of the rectangular coolant channel (13).
9. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Kühlmittelverteilung in der Fläche (30) einer BrennstoffZelleneinheit (10, 10 Λ) eine Lochplatte als Bauteil (35) mit definiertem Druckverlust verwendet wird.9. Fuel cell stack according to claim 8, characterized in that a perforated plate is used as a component (35) with a defined pressure loss for the coolant distribution in the surface (30) of a fuel cell unit (10, 10 Λ ).
10. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Abmessungen des Bauteils (35) auf den Abstand (d) zwischen zwei Brennstoffzel- leneinheiten (10, 10 10 , ...) abgestimmt sind.10. The fuel cell stack according to claim 9, so that the dimensions of the component (35) are matched to the distance (d) between two fuel cell units (10, 10 10, ...).
11. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur gleichmäßigen Verteilung der Massenströme des Kühlmittels (KM) der Druckverlust des Bauteils (35) auf den Druckverlust der Spaltströmung zwischen zwei Brennstoffzelleneinheiten (10, 10 λ, ...) abgestimmt ist.11. Fuel cell stack according to claim 8, characterized in that the pressure loss of the component (35) is matched to the pressure loss of the gap flow between two fuel cell units (10, 10 λ , ...) for uniform distribution of the mass flows of the coolant (KM).
12. Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass vormontierte BrennstoffZelleneinheiten (10, 10 Λ) mit Dichtungen (95, 96) zusammengefügt sind.12. Fuel cell stack according to one of the preceding claims, characterized in that that pre-assembled fuel cell units (10, 10 Λ ) are joined together with seals (95, 96).
13. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass innere Dichtungen (95) in der jeweiligen BrennstoffZeileneinheit (10 Λ) die Membranelektrodeneinheit (90) gegen bipolaren Platten (62, 63) und äußere Dichtungen (96) eine komplette BrennstoffZelleneinheit (10, 10 ) nach außen abdichten.13. Fuel cell stack according to claim 12, characterized in that inner seals (95) in the respective fuel cell unit (10 Λ ), the membrane electrode unit (90) against bipolar plates (62, 63) and outer seals (96) a complete fuel cell unit (10, 10) seal to the outside.
14. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, d a d r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Dichtungen (95, 96) jeweils mehrere Funktionselemente (10, 10 Λ) zu Lager- und Montagemodulen, in denen die Membran (91) geschützt angeord- net ist, verbinden.14. A fuel cell stack according to claim 12, characterized in that the seals (95, 96) each connect a plurality of functional elements (10, 10 Λ ) to form storage and assembly modules in which the membrane (91) is arranged in a protected manner.
15. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine vormontierte BrennstoffZeileneinheit (10, 10λ) aus zwei Elektroden (92, 93), zwischen denen die Membran (91) eingelegt ist und deren15. Fuel cell stack according to claim 12, characterized in that a preassembled fuel cell unit (10, 10 λ ) from two electrodes (92, 93), between which the membrane (91) is inserted and their
Elektrodenräume zur Gasverteilung von bipolaren Platten (70, 70 λ) abgeschlossen werden, besteht.Electrode spaces for gas distribution of bipolar plates (70, 70 λ ) are closed.
16. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die vormontierte Brennstoffzelleneinheit (10, 10x) alle Einrichtungen zur Verteilung der Reaktionsgase (Hι,02) und des Kühlmittels (KM) u - fasst .16. Fuel cell stack according to claim 15, characterized in that the pre-assembled fuel cell unit (10, 10 x ) u - all devices for distributing the reaction gases (Hι, 0 2 ) and the coolant (KM).
17. Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein inkompressibles Medium als Kühlmittel verwendet wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass durch Erhöhung des Druckes des Kühlmittels (KM) eine isostatische Anpressung der bipolaren Platten (11, 11 ) auf die Elektroden erfolgt. 17. Fuel cell stack according to one of the preceding claims, wherein an incompressible medium is used as the coolant, characterized in that by increasing the pressure of the coolant (KM) isostatic pressing of the bipolar plates (11, 11) on the electrodes.
18. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Druck des Kühlmittels (KM) höher ist als der Druck der Reaktanden (L, BG) in der Brennstoffzelle (10, 10 ).18. Fuel cell stack according to claim 17, so that the pressure of the coolant (KM) is higher than the pressure of the reactants (L, BG) in the fuel cell (10, 10).
19. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 18, d a d r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Überdruck des Kühlmittels gegenüber den Reaktanden zwischen 1 bis 8 bar, vorzugsweise etwa 5 bar, vorliegt. 19. The fuel cell stack according to claim 18, so that an excess pressure of the coolant with respect to the reactants is between 1 to 8 bar, preferably about 5 bar.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5514487A (en) * 1994-12-27 1996-05-07 Ballard Power Systems Inc. Edge manifold assembly for an electrochemical fuel cell stack
US5527634A (en) * 1992-02-20 1996-06-18 Electric Power Research Institute, Inc. Multiple manifold fuel cell
JPH1167259A (en) * 1997-08-11 1999-03-09 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Stack structure for fuel cell
JP2000164227A (en) * 1998-11-24 2000-06-16 Aisin Seiki Co Ltd Gas manifold integrated separator and fuel cell
US6159629A (en) * 1998-12-17 2000-12-12 Ballard Power Systems Inc. Volume effecient layered manifold assembly for electrochemical fuel cell stacks

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5527634A (en) * 1992-02-20 1996-06-18 Electric Power Research Institute, Inc. Multiple manifold fuel cell
US5514487A (en) * 1994-12-27 1996-05-07 Ballard Power Systems Inc. Edge manifold assembly for an electrochemical fuel cell stack
US5750281A (en) * 1994-12-27 1998-05-12 Ballard Power Systems Inc. Edge manifold assembly for an electrochemical fuel cell stack
JPH1167259A (en) * 1997-08-11 1999-03-09 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Stack structure for fuel cell
JP2000164227A (en) * 1998-11-24 2000-06-16 Aisin Seiki Co Ltd Gas manifold integrated separator and fuel cell
US6159629A (en) * 1998-12-17 2000-12-12 Ballard Power Systems Inc. Volume effecient layered manifold assembly for electrochemical fuel cell stacks

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN Bd. 1999, Nr. 08, 30. Juni 1999 (1999-06-30) & JP 11 067259 A (ISHIKAWAJIMA HARIMA HEAVY IND CO LTD), 9. März 1999 (1999-03-09) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN Bd. 2000, Nr. 09, 13. Oktober 2000 (2000-10-13) & JP 2000 164227 A (AISIN SEIKI CO LTD), 16. Juni 2000 (2000-06-16) *

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