DE102019218838A1 - Current collector arrangement - Google Patents

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DE102019218838A1 DE102019218838.9A DE102019218838A DE102019218838A1 DE 102019218838 A1 DE102019218838 A1 DE 102019218838A1 DE 102019218838 A DE102019218838 A DE 102019218838A DE 102019218838 A1 DE102019218838 A1 DE 102019218838A1
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Jochen Wessner
Harald Bauer
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromsammleranordnung (10) für einen Brennstoffzellenstapel (1), aufweisend: mindestens eine Stromsammlerplatte (11) und eine Heizplatte (12). Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Heizplatte (12) in Form einer Leiterbahnträgerplatte ausgebildet ist, und dass die Heizplatte (12) mindestens ein Wärmeelement (13, 17) aufweist, um die Stromsammlerplatte (11) lokal und/oder global zu erwärmen.The invention relates to a current collector arrangement (10) for a fuel cell stack (1), comprising: at least one current collector plate (11) and a heating plate (12). For this purpose it is provided according to the invention that the heating plate (12) is designed in the form of a conductor plate, and that the heating plate (12) has at least one heating element (13, 17) in order to heat the current collector plate (11) locally and / or globally.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromsammleranordnung für einen Brennstoffzellenstapel nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruches. Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit einer entsprechenden Stromsammleranordnung nach dem Oberbegriff des nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruches.The invention relates to a current collector arrangement for a fuel cell stack according to the preamble of the independent device claim. The invention also relates to a fuel cell stack with a corresponding current collector arrangement according to the preamble of the independent independent device claim.

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Stand der Technik für Brennstoffzellen sind Stromsammlerplatten grundsätzlich bekannt. Die Stromsammlerplatten erfordern bei manchen Betriebsbedingungen eine Heizung. Eine Stromsammlerplatte mit einer homogenen Heizplatte ist bspw. aus der Druckschrift US 9,525,185 B2 bekannt.Current collector plates are basically known from the prior art for fuel cells. The current collector plates require heating in some operating conditions. A current collector plate with a homogeneous heating plate is, for example, from the publication US 9,525,185 B2 known.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt eine Stromsammleranordnung für einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil, vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt einen Brennstoffzellenstapel mit einer entsprechenden Stromsammleranordnung mit den Merkmalen des nebengeordneten unabhängigen Vorrichtungsanspruches, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil, vor. Weitere Vorteile, 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 Stromsammleranordnung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.According to a first aspect, the invention provides a current collector arrangement for a fuel cell stack with the features of the independent device claim, in particular from the characterizing part. Furthermore, according to a second aspect, the invention provides a fuel cell stack with a corresponding current collector arrangement with the features of the independent device claim, in particular from the characterizing part. Further advantages, 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 current collector arrangement according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell stack according to the invention and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is or can always be made to the individual aspects of the invention.

Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt eine Stromsammleranordnung für einen Brennstoffzellenstapel vor, aufweisend: mindestens eine Stromsammlerplatte und eine Heizplatte. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Heizplatte in Form einer Leiterbahnträgerplatte ausgebildet ist, und dass die Heizplatte mindestens ein Wärmeelement aufweist, um die Stromsammlerplatte lokal und/oder global zu erwärmen.According to the first aspect, the present invention provides a current collector arrangement for a fuel cell stack, comprising: at least one current collector plate and a heating plate. For this purpose, it is provided according to the invention that the heating plate is designed in the form of a conductor track carrier plate, and that the heating plate has at least one heating element in order to heat the current collector plate locally and / or globally.

Als eine Stromsammleranordnung im Sinne der Erfindung kann ein Stromsammler verstanden werden, der von einer Seite einen Brennstoffzellenstapel begrenzt und von einer anderen Seite an eine Endplatte angrenzt. Der Brennstoffzellenstapel kann dabei von beiden Endseiten jeweils eine Stromsammleranordnung im Sinne der Erfindung aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel kann mehrere Brennstoffzellen aufweisen, die zwischen zwei Stromsammleranordnungen im Sinne der Erfindung und zwei Endplatten verspannt werden.A current collector arrangement in the sense of the invention can be understood as a current collector which delimits a fuel cell stack from one side and adjoins an end plate from another side. The fuel cell stack can each have a current collector arrangement within the meaning of the invention from both end sides. The fuel cell stack can have a plurality of fuel cells which are clamped between two current collector arrangements within the meaning of the invention and two end plates.

Als eine Heizplatte im Sinne der Erfindung kann eine Leiterbahnträgerplatte dienen, die mindestens eine Trägerschicht oder mehrere Trägerschichten, z. B. aus einem faserverstärkten Kunststoff, aufweisen kann, in welcher und/oder in welchen und/oder zwischen welchen Leiterbahnen angeordnet, bspw. fotolithografisch ausgebildet und/oder elektrisch isolierend integriert, werden. Weiterhin kann die Leiterbahnträgerplatte mindestens eine elektrisch isolierende Deckschicht aufweisen.As a heating plate within the meaning of the invention, a conductor track carrier plate can be used which has at least one carrier layer or several carrier layers, e.g. B. made of a fiber-reinforced plastic, in which and / or in which and / or between which conductor tracks are arranged, for example formed photolithographically and / or integrated in an electrically insulating manner. Furthermore, the conductor track carrier plate can have at least one electrically insulating cover layer.

Eine Leiterbahnträgerplatte kann bspw. durch eine Leiterplatte oder durch ein Dickschichtsubstrat gebildet werden.A printed circuit board can be formed, for example, by a printed circuit board or by a thick-film substrate.

Als ein Wärmeelement im Sinne der Erfindung kann eine Leiterbahn dienen. Zumindest ein Abschnitt der Leiterbahn kann durch besondere Ausformung, bspw. in Form einer Schleife oder einer Schleifenstruktur, als ein Wärmeelement dienen.A conductor track can serve as a heating element in the context of the invention. At least a section of the conductor track can be used as a heating element by means of a special shape, for example in the form of a loop or a loop structure.

Ferner kann der Abschnitt der Leiterbahn, der als ein Wärmeelement dient, aus einem anderen Material als das Material der restlichen Leiterbahn, bspw. mit einem höheren elektrischen Widerstand, ausgebildet sein.Furthermore, the section of the conductor track that serves as a heating element can be formed from a different material than the material of the rest of the conductor track, for example with a higher electrical resistance.

Weiterhin ist es denkbar, dass der Abschnitt der Leiterbahn, der als ein Wärmeelement dient, einen schmaleren Durchmesser als der Durchmesser der restlichen Leiterbahn aufweisen kann, um verbesserte Wärmeleitungseigenschaften bereitzustellen.Furthermore, it is conceivable that the section of the conductor track that serves as a thermal element can have a narrower diameter than the diameter of the remaining conductor track in order to provide improved heat conduction properties.

Das Wärmeelement im Sinne der Erfindung kann weitere Elemente, wie z. B. Stromverteiler, aufweisen.The heating element in the context of the invention can include other elements such. B. power distributor have.

Die Heizplatte im Sinne der Erfindung kann direkt auf der Stromsammlerplatte anliegen oder durch weitere Elemente, wie z. B. Stromverteiler, die Stromsammlerplatte kontaktieren.The heating plate within the meaning of the invention can rest directly on the current collector plate or by other elements, such as. B. Power distributor, contact the current collector plate.

Die Stromverteiler können ebenfalls ein anderes Material aufweisen als die restlichen Leiterbahnen, bspw. ein ferrimagnetisches Material.The current distributors can also have a different material than the remaining conductor tracks, for example a ferrimagnetic material.

Die Stromverteiler können weiterhin weitere Funktionselemente, wie z. B. Spulen, aufweisen.The power distribution can continue to have other functional elements, such. B. coils have.

Die Wärmeelemente im Sinne der Erfindung können derart ausgebildet sein, dass eine lokale oder globale Erwärmung der Stromsammlerplatte erfolgen kann.The heating elements within the meaning of the invention can be designed in such a way that local or global heating of the current collector plate can take place.

Der Stromsammler im Sinne der Erfindung kann eine oder mehrere Platten aufweisen, bspw. eine Platte mit verbesserten Korrosionseigenschaften und eine weitere Platte mit verbesserten Eigenschaften der elektrischen Leitfähigkeit.The current collector in the sense of the invention can have one or more plates, for example a plate with improved corrosion properties and another plate with improved properties of electrical conductivity.

Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass eine, zumindest abschnittsweise ebene, Leiterbahnträgerplatte ((bspw. Leiterplatte, Dickschichtsubstrat o.Ä.) mit Wärmelementen (bspw. Heizschleifen) als Heizplatte verwendet wird, um den oder die Stromsammlerplatte eines Brennstoffzellenstapels lokal und/oder global zu erwärmen. Die Techniken zum Herstellen der Leiterplatten sind vielfältig und ermöglichen eine Ausbildung von komplizierten Leiterbahnstrukturen. Mit solchen Leiterbahnstrukturen kann eine lokale Erwärmung von bestimmten Bereichen an der Stromsammlerplatte erzielt werden. Besonders vorteilhaft kann dies im Bereich der Mediendurchtrittsöffnungen geschehen. Die Leiterbahnen auf der Leiterbahnträgerplatte können im Allgemeinen zur Stromverteilung dienen, also zur Stromverteilung zwecks Heizung sowie zur Stromverteilung zwecks Stromsammlung.The idea of the invention is that a, at least partially flat, conductor track carrier plate ((e.g. printed circuit board, thick-film substrate or similar) with heating elements (e.g. heating loops) is used as a heating plate to locally and / or globally around the current collector plate or plates of a fuel cell stack The techniques for producing the circuit boards are diverse and enable the formation of complex conductor track structures. With such conductor track structures, local heating of certain areas on the current collector plate can be achieved. This can be particularly advantageous in the area of the media passage openings. The conductor tracks on the conductor track carrier plate can generally be used for power distribution, i.e. power distribution for heating purposes and power distribution for power collection purposes.

Mithilfe der Erfindung können somit mehrere wesentliche Vorteile erzielt werden:

  • - Herstellen einer flexiblen Geometrie der Heizplatte,
  • - Bereitstellen von mehreren Funktionen mithilfe der Heizplatte (zur Stromverteilung zwecks Heizung sowie zur Stromverteilung zwecks Stromsammlung),
  • - zuverlässige gezielte Heizung bestimmter Bereich der Stromsammlerplatte, die besonders der Gefahr des Einfrierens unterliegen, wie die Medienanschlüsse,
  • - günstige, schnelle und erprobte Herstellung der Heizplatte, usw.
With the help of the invention, several essential advantages can be achieved:
  • - production of a flexible geometry of the heating plate,
  • - Providing several functions using the heating plate (for power distribution for heating and power distribution for power collection),
  • - reliable targeted heating of certain areas of the current collector plate that are particularly subject to the risk of freezing, such as the media connections,
  • - cheap, fast and proven production of the heating plate, etc.

Ferner kann die Erfindung bei einer Stromsammleranordnung vorsehen, dass die Leiterbahnträgerplatte als eine Leiterplatte oder ein Dickschichtsubstrat bereitgestellt ist. Der Vorteil einer Leiterbahnträgerplatte in Form einer Leiterplatte ist die dünne Ausbildung der Leiterbahnträgerplatte, was den Bauraum und Gewicht einsparen lässt. Der Vorteil einer Leiterbahnträgerplatte in Form eines Dickschichtsubstrats kann in der Vielfältigkeit der möglichen Herstellungsarten liegen.Furthermore, in the case of a current collector arrangement, the invention can provide that the conductor track carrier plate is provided as a circuit board or a thick-film substrate. The advantage of a circuit board carrier plate in the form of a circuit board is the thin design of the circuit board carrier plate, which saves space and weight. The advantage of a conductor plate in the form of a thick-film substrate can be found in the variety of possible manufacturing methods.

Weiterhin kann die Erfindung bei einer Stromsammleranordnung vorsehen, dass die Leiterbahnträgerplatte eine oder mehrere Leiterbahnen zu dem mindestens einen Wärmeelement aufweist. Somit kann eine Stromversorgung des mindestens einen Wärmeelementes auf eine einfache Weise bereitgestellt werden.Furthermore, in the case of a current collector arrangement, the invention can provide that the conductor track carrier plate has one or more conductor tracks for the at least one heating element. A power supply for the at least one heating element can thus be provided in a simple manner.

Vorteilhafterweise kann das mindestens eine Wärmeelement durch einen Abschnitt einer Leiterbahn der Leiterbahnträgerplatte gebildet sein. Auf diese Weise kann eine besonders elegante, platzsparende, isolierende und kostengünstige Ausbildung des mindestens einen Wärmeelementes ermöglicht werden.The at least one heating element can advantageously be formed by a section of a conductor track of the conductor track carrier plate. In this way, a particularly elegant, space-saving, insulating and inexpensive design of the at least one heating element can be made possible.

Des Weiteren kann die Erfindung bei einer Stromsammleranordnung vorsehen, dass das mindestens eine Wärmeelement innerhalb der Heizplatte integriert ist. Somit kann das Wärmeelement baulich innerhalb der Heizplatte integriert werden.Furthermore, in the case of a current collector arrangement, the invention can provide that the at least one heating element is integrated within the heating plate. The heating element can thus be structurally integrated within the heating plate.

Zudem kann die Erfindung bei einer Stromsammleranordnung vorsehen, dass das mindestens eine Wärmeelement innerhalb der Heizplatte elektrisch isoliert ist. Dadurch kann ermöglicht werden, dass die Heizplatte zur Erwärmung der Stromsammlerplatte auf der Stromsammlerplatte unmittelbar aufliegen kann. Dies ermöglicht einen einfachen und bauraumsparenden Zusammenbau der Stromsammleranordnung und folglich des Brennstoffzellenstapels.In addition, in the case of a current collector arrangement, the invention can provide that the at least one heating element is electrically insulated within the heating plate. This makes it possible for the heating plate to lie directly on the current collector plate for heating the current collector plate. This enables a simple and space-saving assembly of the current collector arrangement and consequently the fuel cell stack.

Vorteilhafterweise ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die Heizplatte direkt und/oder flächig auf der Stromsammlerplatte aufliegt. Somit kann der Zusammenbau der Stromsammleranordnung erheblich vereinfacht werden.Advantageously, it is conceivable within the scope of the invention that the heating plate rests directly and / or flat on the current collector plate. The assembly of the current collector arrangement can thus be considerably simplified.

Darüber hinaus kann das mindestens eine Wärmeelement im Rahmen der Erfindung durch ein anderes Material als das Material einer Leiterbahn der Leiterbahnträgerplatte und/oder mit anderen Abmessungen (insbesondere einem anderen Durchmesser) als die Abmessungen der Leiterbahn der Leiterbahnträgerplatte ausgebildet sein. Auf diese Weise kann eine einfache, kostengünstige und platzsparende Ausbildung des Wärmeelementes ermöglicht werden.In addition, the at least one heating element within the scope of the invention can be formed by a different material than the material of a conductor track of the conductor track carrier plate and / or with dimensions (in particular a different diameter) than the dimensions of the conductor track of the conductor track carrier plate. In this way, a simple, inexpensive and space-saving design of the heating element can be made possible.

Außerdem kann die Erfindung bei einer Stromsammleranordnung vorsehen, dass das mindestens eine Wärmeelement mindestens eine Heizschleife aufweist, die insbesondere durch einen Abschnitt einer Leiterbahn der Leiterbahnträgerplatte gebildet sein kann. Der Vorteil einer Heizschleife kann darin liegen, dass das Wärmeelement durch einen Abschnitt einer Leiterbahn bereitgestellt werden kann. Dies ermöglicht wiederum, dass die mindestens eine Heizschleife in der Ebene der Leiterbahnträgerplatte liegt. Auf diese Weise kann eine einfache, kostengünstige, dünne, platzsparende und leichte Stromsammleranordnung zur Verfügung gestellt werden.In addition, the invention can provide for a current collector arrangement that the at least one heating element has at least one heating loop, which can in particular be formed by a section of a conductor track of the conductor track carrier plate. The advantage of a heating loop can be that the heating element can be provided by a section of a conductor track. This in turn enables the at least one heating loop to lie in the plane of the conductor track carrier plate. In this way, a simple, inexpensive, thin, space-saving and lightweight current collector arrangement can be made available.

Ferner kann die Erfindung bei einer Stromsammleranordnung vorsehen, dass das mindestens eine Wärmeelement mindestens einen Stromverteiler, vorzugsweise aus einem unterschiedlichen Material als das Material der Leiterbahnen, aufweist. Der Stromverteiler kann dazu dienen, den Wärmeeintrag in die Stromverteilerplatte zu erhöhen. Der Stromverteiler kann außerdem zur Auflage auf der Stromsammlerplatte dienen. Somit kann eine Stromsammleranordnung mit verbesserten sowie erweiterten Funktionen bereitgestellt werden.Furthermore, the invention can provide in a current collector arrangement that the at least one heating element at least one Current distributor, preferably made of a different material than the material of the conductor tracks. The power distributor can serve to increase the heat input into the power distribution plate. The power distributor can also be used to rest on the power collector plate. A current collector arrangement with improved as well as expanded functions can thus be provided.

Weiterhin kann die Erfindung bei einer Stromsammleranordnung vorsehen, dass der mindestens eine Stromverteiler mindestens einen zylindrischen oder hülsenförmigen Heizer aufweist. Somit kann die Auflagefläche auf der Stromsammlerplatte bestimmt werden. Durch einen hülsenförmigen Heizer kann außerdem ermöglicht werden, dass der Stromverteiler eine Mediendurchtrittsöffnung gezielt erwärmen kann.In the case of a current collector arrangement, the invention can furthermore provide that the at least one current distributor has at least one cylindrical or sleeve-shaped heater. The contact surface on the current collector plate can thus be determined. A sleeve-shaped heater can also enable the power distributor to specifically heat a media passage opening.

Vorteilhafterweise kann der mindestens eine Heizer ferrimagnetisches Material aufweisen. Durch die Verwendung von Ferriten kann die Temperatur durch die Stromverteiler von selbst bzw. automatisch begrenzt werden, wenn die Ferrite bei einer Temperaturerhöhung (bis zur Curie-Temperatur) durch Bildung von Wirbelströmen ihre ferritischen Eigenschaften verlieren.The at least one heater can advantageously have ferrimagnetic material. By using ferrites, the temperature can be limited automatically or automatically by the current distributors if the ferritic properties lose their ferritic properties when the temperature increases (up to the Curie temperature) due to the formation of eddy currents.

Nach einem weiteren Vorteil der Erfindung kann der mindestens eine Stromverteiler eine Spule und/oder eine elektrisch isolierende Umspritzung aufweisen. Einerseits kann die Spule durch Erwärmung der Wicklungen Wärme erzeugen. Andererseits kann die Spule magnetisches Feld erzeugen. Das magnetische Feld kann in Verbindung mit einem Heizer aus ferrimagnetischen Material als ein Spulenkern besonders vorteilhaft sein und eine erweiterte Funktionalität aufweisen.According to a further advantage of the invention, the at least one power distributor can have a coil and / or an electrically insulating extrusion coating. On the one hand, the coil can generate heat by heating the windings. On the other hand, the coil can generate a magnetic field. The magnetic field can be particularly advantageous in connection with a heater made of ferrimagnetic material as a coil core and have an extended functionality.

Zudem ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die Spule elektrische Anschlüsse zur Kontaktierung der Leiterbahnträgerplatte aufweisen kann. Somit kann die Spule einfach und kostengünstig an die Leiterbahnträgerplatte elektrisch sowie mechanisch angeschlossen werden.In addition, it is conceivable within the scope of the invention that the coil can have electrical connections for contacting the conductor track carrier plate. The coil can thus be connected electrically and mechanically to the conductor track carrier plate in a simple and cost-effective manner.

Außerdem kann die Erfindung bei einer Stromsammleranordnung vorsehen, dass das mindestens eine Wärmeelement im Bereich mindestens einer Mediendurchtrittsöffnung angeordnet ist. Mediendurchtrittsöffnungen sind besonders gefriergefährdete Bereiche in einer Brennstoffzelle. Wenn das mindestens eine Wärmeelement im Bereich mindestens einer Mediendurchtrittsöffnung angeordnet ist, kann eine lokale Beheizung, besonders im Bereich der Medienanschlüsse bereitgestellt werden. Somit kann ein Blockieren durch anfrierendes Kondensat im Bereich der Mediendurchtrittsöffnungen beim Starten und Temperaturen unter 0°C vermieden werden.In addition, in the case of a current collector arrangement, the invention can provide that the at least one heating element is arranged in the region of at least one media passage opening. Media passage openings are areas in a fuel cell that are particularly at risk of freezing. If the at least one heating element is arranged in the area of at least one media passage opening, local heating can be provided, particularly in the area of the media connections. In this way, blockage caused by freezing condensate in the area of the media passage openings when starting and temperatures below 0 ° C can be avoided.

Vorteilhafterweise ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass das mindestens eine Wärmeelement mindestens eine Mediendurchtrittsöffnung, insbesondere umfangsseitig, umschließen kann. Auf diese Weise kann die mindestens eine Mediendurchtrittsöffnung besonders effizient beheizt werden.Advantageously, it is conceivable within the scope of the invention that the at least one heating element can enclose at least one media passage opening, in particular on the circumferential side. In this way, the at least one media passage opening can be heated particularly efficiently.

Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer Stromsammleranordnung vor, die wie oben beschrieben ausgebildet sein kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Stromsammleranordnung beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.According to the second aspect, the present invention provides fuel cell stacks with at least one current collector arrangement, which can be designed as described above. With the aid of the fuel cell stack according to the invention, the same advantages are achieved that were described above in connection with the current collector arrangement according to the invention. Reference is made here in full to these advantages.

FigurenlisteFigure list

Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels im Sinne der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung,
  • 2 eine schematische Darstellung einer Stromsammleranordnung im Sinne der Erfindung in einer Draufsicht,
  • 3 eine schematische Darstellung unterschiedlicher Ausführungsformen einer Stromsammleranordnung im Sinne der Erfindung jeweils in einer Seitenansicht, und
  • 4 eine schematische Darstellung unterschiedlicher Ausführungsformen eines Wärmeverteilers im Sinne der Erfindung in einer Schnittdarstellung und einer Draufsicht.
The invention and its developments as well as their advantages are explained in more detail below with reference to drawings. They each show schematically:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell stack within the meaning of the invention in a perspective representation,
  • 2 a schematic representation of a current collector arrangement within the meaning of the invention in a plan view,
  • 3rd a schematic representation of different embodiments of a current collector arrangement within the meaning of the invention, each in a side view, and
  • 4th a schematic representation of different embodiments of a heat spreader within the meaning of the invention in a sectional view and a plan view.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.In the different figures, the same parts of the invention are always provided with the same reference numerals, which is why they are usually only described once.

Die 1 zeigt einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel 1 bei dem mindestens eine Stromsammleranordnung 10 im Sinne der Erfindung eingesetzt werden kann.The 1 shows an exemplary fuel cell stack 1 in which at least one current collector arrangement 10 can be used in the context of the invention.

Die 2 und 3 zeigen eine Stromsammleranordnung 10 im Sinne der Erfindung, die mindestens eine Stromsammlerplatte 11 und eine Heizplatte 12 aufweist. Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Stromsammleranordnung 10 mehrere Stromsammlerplatten 11 umfassen kann, die mithilfe einer Heizplatte 12 erwärmt bzw. beheizt werden.The 2 and 3rd show a current collector arrangement 10 within the meaning of the invention, the at least one current collector plate 11 and a hot plate 12th having. In principle, it is conceivable that the current collector arrangement 10 several current collector plates 11 may include that using a hot plate 12th heated or heated.

Erfindungsgemäß und wie es in der Ansicht der 2 erkennbar ist, ist die Heizplatte 12 in Form einer Leiterbahnträgerplatte ausgebildet, wobei die Heizplatte 12 mindestens ein Wärmeelement 13, 17 aufweist, um die Stromsammlerplatte 11 lokal und/oder global zu erwärmen.According to the invention and as it is in the view of 2 is recognizable is the heating plate 12th in shape formed a conductor track carrier plate, wherein the heating plate 12th at least one heating element 13th , 17th has to the current collector plate 11 to heat locally and / or globally.

Die Stromsammleranordnung 10 im Sinne der Erfindung dient als ein Stromsammler für den Brennstoffzellenstapel 1. Wie es in der 1 erkennbar ist, kann die Stromsammleranordnung 10 den Brennstoffzellenstapel 1 von beiden Seiten begrenzen und zusammen mit dem Brennstoffzellenstapel 1 zwischen zwei Endplatten verpresst werden.The current collector arrangement 10 in the sense of the invention serves as a current collector for the fuel cell stack 1 . Like it in the 1 can be seen, the current collector assembly 10 the fuel cell stack 1 Limit on both sides and together with the fuel cell stack 1 be pressed between two end plates.

Die Heizplatte 12 im Sinne der Erfindung kann mindestens eine Trägerschicht oder mehrere Trägerschichten, z. B. aus einem faserverstärkten Kunststoff, aufweisen. In der Trägerschicht und/oder in den Trägerschichten und/oder zwischen welchen Trägerschichten können Leiterbahnen angeordnet, bspw. fotolithografisch ausgebildet und/oder elektrisch isolierend integriert, werden. Zudem kann die Heizplatte 12 mindestens eine elektrisch isolierende Deckschicht aufweisen.The hot plate 12th In the context of the invention, at least one carrier layer or several carrier layers, e.g. B. made of a fiber-reinforced plastic. In the carrier layer and / or in the carrier layers and / or between which carrier layers conductor tracks can be arranged, for example formed photolithographically and / or integrated in an electrically insulating manner. In addition, the heating plate 12th have at least one electrically insulating cover layer.

Die Heizplatte 12 bzw. die Leiterbahnträgerplatte kann bspw. durch eine Leiterplatte oder durch ein Dickschichtsubstrat gebildet werden.The hot plate 12th or the conductor track carrier plate can be formed, for example, by a circuit board or by a thick-film substrate.

Als Wärmeelemente 13, 17 im Sinne der Erfindung können die Leiterbahnen 14 selbst dienen. Wie es aus der 2 ersichtlich ist, kann zumindest ein Abschnitt der Leiterbahn 14 durch besondere Ausformung, bspw. in Form einer Heizschleife 13 oder einer Schleifenstruktur, als ein Wärmeelement 13, 17 dienen.As heat elements 13th , 17th In the context of the invention, the conductor tracks 14th serve yourself. Like it from the 2 can be seen, at least a section of the conductor track 14th by special shaping, e.g. in the form of a heating loop 13th or a loop structure, as a heating element 13th , 17th serve.

Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, dass der Abschnitt der Leiterbahn 14, der als ein Wärmeelement 13, 17 dient, aus einem anderen Material als das Material der restlichen Leiterbahn 14, bspw. mit einem höheren elektrischen Widerstand, ausgebildet sein kann.In the context of the invention it is possible that the section of the conductor track 14th who act as a thermal element 13th , 17th is made of a different material than the material of the rest of the conductor track 14th , for example. With a higher electrical resistance, can be formed.

Stattdessen oder zudem ist es denkbar, dass der Abschnitt der Leiterbahn 14, der als ein Wärmeelement 13, 17 dient, einen anderen Durchmesser als der Durchmesser der restlichen Leiterbahn 14 aufweisen kann, um unterschiedliche Wärmeleitungseigenschaften an dem Wärmeelement 13, 17 und der restlichen Leiterbahn 14 bereitzustellen.Instead, or in addition, it is conceivable that the section of the conductor track 14th who act as a thermal element 13th , 17th serves a different diameter than the diameter of the rest of the conductor track 14th may have different heat conduction properties on the thermal element 13th , 17th and the rest of the track 14th provide.

Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass eine lokale Erhöhung des Widerstands und damit der Heizleistung, durch Verwendung dünnerer Wärmeelemente 13, 17 als die restlichen Leiterbahnen 14, Verwendung eines zweiten Materials usw. herbeigeführt werden kann.In principle, it is conceivable within the scope of the invention that a local increase in the resistance and thus the heating power by using thinner heating elements 13th , 17th than the rest of the traces 14th , Use of a second material, etc. can be brought about.

Wie es die 3 und 4 andeuten, kann das Wärmeelement 13, 17 im Sinne der Erfindung weitere Elemente, wie z. B. Stromverteiler 17, aufweisen. Der Stromverteiler 17 kann dazu dienen, den Wärmeeintrag in die Stromverteilerplatte 11 zu erhöhen.Like it 3rd and 4th can suggest the thermal element 13th , 17th within the meaning of the invention further elements, such as. B. Power distributor 17th , exhibit. The power distributor 17th can serve to reduce the heat input into the power distribution plate 11 to increase.

Wie es die 3 unten zeigt, kann die Heizplatte 12 im Sinne der Erfindung direkt auf der Stromsammlerplatte 11 anliegen. Dabei kann das mindestens eine Wärmeelement 13, 17, insbesondere in Form einer Heizschleife 13, innerhalb der Heizplatte 12 integriert sein. Auf diese Weise kann das Wärmeelement 13, 17 außerdem innerhalb der Heizplatte 12 elektrisch isoliert werden und einer direkte Auflage auf der Stromsammlerplatte 11 ermöglichen.Like it 3rd shows below can the heating plate 12th within the meaning of the invention directly on the current collector plate 11 issue. The at least one heating element can thereby 13th , 17th , especially in the form of a heating loop 13th , inside the heating plate 12th be integrated. In this way the heating element 13th , 17th also inside the heating plate 12th be electrically isolated and a direct contact on the current collector plate 11 enable.

Wie es die 3 oben zeigt, kann die Heizplatte 12 im Sinne der Erfindung durch weitere Elemente, wie z. B. Stromverteiler 17, die Stromsammlerplatte 11 kontaktieren.Like it 3rd shows above, the heating plate can 12th within the meaning of the invention by further elements such. B. Power distributor 17th who have favourited Current Collector Plate 11 to contact.

Die Stromverteiler 17 im Sinne der 3 und 4 können wiederum ein anderes Material aufweisen als die restlichen Leiterbahnen 14, bspw. ein ferrimagnetisches Material.The power distributors 17th in the sense of the 3rd and 4th can in turn have a different material than the remaining conductor tracks 14th , for example a ferrimagnetic material.

Die Stromverteiler 17 können weiterhin weitere Funktionselemente 18, 19, 20, 21, wie z. B. Spulen 19, elektrisch isolierende Umspritzungen 20 und/oder elektrische Anschlüsse 21, aufweisen.The power distributors 17th can continue to use other functional elements 18th , 19th , 20th , 21 such as B. Coils 19th , electrically insulating encapsulation 20th and / or electrical connections 21 , exhibit.

Die Stromverteiler 17 im Sinne der 3 und 4 können derart ausgebildet sein, dass eine lokale oder globale Erwärmung der Stromsammlerplatte 11 erfolgen kann.The power distributors 17th in the sense of the 3rd and 4th can be designed in such a way that local or global heating of the current collector plate 11 can be done.

Der Stromsammler 11 im Sinne der Erfindung kann eine oder mehrere Platten aufweisen, bspw. eine Platte mit verbesserten Korrosionseigenschaften und eine weitere Platte mit verbesserten Eigenschaften der elektrischen Leitfähigkeit.The current collector 11 For the purposes of the invention, it can have one or more plates, for example one plate with improved corrosion properties and another plate with improved properties of electrical conductivity.

Die Techniken zum Herstellen der Leiterplatten oder Dickschichtsubstrate sind vielfältig und ermöglichen eine Ausbildung von komplizierten Leiterbahnstrukturen im Rahmen der Heizplatte 12. Mit solchen Leiterbahnstrukturen kann eine lokale Erwärmung von bestimmten Bereichen an der Stromsammlerplatte 11 erzielt werden, insbesondere im Bereich der Mediendurchtrittsöffnungen 15, 16.The techniques for producing the printed circuit boards or thick-film substrates are diverse and enable the formation of complex conductor track structures within the heating plate 12th . Such conductor track structures can cause local heating of certain areas on the current collector plate 11 can be achieved, especially in the area of the media passage openings 15th , 16 .

Die Leiterbahnen 14 auf der Leiterbahnträgerplatte können im Allgemeinen zur Stromverteilung dienen, also zur Stromverteilung zwecks Heizung sowie zur Stromverteilung zwecks Stromsammlung.The conductor tracks 14th on the printed circuit board can generally be used for power distribution, i.e. power distribution for heating purposes and power distribution for power collection purposes.

Wie es aus der 3 und 4 ferner ersichtlich ist, kann der mindestens eine Stromverteiler 17 mindestens einen zylindrischen oder hülsenförmigen Heizer 18 aufweisen. Durch einen hülsenförmigen Heizer 18 kann außerdem ermöglicht werden, dass der Stromverteiler 17 eine Mediendurchtrittsöffnung 15, 16 gezielt erwärmen kann (s. die 3 oben). Der Stromverteiler 17 kann dabei die Mediendurchtrittsöffnung 15, 16 umfangsseitig umschließen.Like it from the 3rd and 4th It can also be seen that the at least one power distributor can 17th at least one cylindrical or sleeve-shaped heater 18th exhibit. By a sleeve-shaped heater 18th can also be made possible that the power distributor 17th a media passage opening 15th , 16 can heat up in a targeted manner (see the 3rd above). The power distributor 17th can the media passage opening 15th , 16 enclose on the circumference.

Das mindestens eine Wärmeelement 13, 17, insbesondere in Form einer Heizschleife 13, kann ebenfalls eine Mediendurchtrittsöffnung 15, 16 mit einer oder mehrere Windungen wie eine Spule gezielt umranden bzw. umfangsseitig umschließen.The at least one heating element 13th , 17th , especially in the form of a heating loop 13th , can also have a media passage opening 15th , 16 deliberately surround or enclose the circumference with one or more turns like a coil.

Im Rahmen der Erfindung kann der Heizer 18 ferrimagnetisches Material aufweisen, wobei durch Erhöhung der Temperatur (bis zur Curie-Temperatur) der Heizer 18 seine ferritischen Eigenschaften verlieren und für eine Temperaturbegrenzung innerhalb des Stromverteilers 17 sorgen kann. Der Heizer 18 kann dabei von einer Spule 19 umwickelt werden, die optional durch eine elektrisch isolierende Umspritzung 20 bedeckt werden kann. Ferner kann die Spule 19 elektrische Anschlüsse 21 zur Kontaktierung der Leiterbahnträgerplatte aufweisen.In the context of the invention, the heater 18th Have ferrimagnetic material, by increasing the temperature (up to the Curie temperature) of the heater 18th lose its ferritic properties and for a temperature limit within the power distribution board 17th can worry. The stoker 18th can do this from a coil 19th are wrapped, optionally with an electrically insulating extrusion coating 20th can be covered. Furthermore, the coil 19th electrical connections 21 have for contacting the conductor plate.

Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The preceding description of the figures describes the present invention exclusively in the context of examples. Of course, individual features of the embodiments can, insofar as it is technically sensible, be freely combined with one another without departing from the scope of the invention.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 9525185 B2 [0002]US 9525185 B2 [0002]

Claims (11)

Stromsammleranordnung (10) für einen Brennstoffzellenstapel (1), aufweisend: mindestens eine Stromsammlerplatte (11) und eine Heizplatte (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Heizplatte (12) in Form einer Leiterbahnträgerplatte ausgebildet ist, und dass die Heizplatte (12) mindestens ein Wärmeelement (13, 17) aufweist, um die Stromsammlerplatte (11) lokal und/oder global zu erwärmen.Current collector arrangement (10) for a fuel cell stack (1), comprising: at least one current collector plate (11) and a heating plate (12), characterized in that the heating plate (12) is designed in the form of a conductor plate, and that the heating plate (12) is at least a heating element (13, 17) in order to heat the current collector plate (11) locally and / or globally. Stromsammleranordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnträgerplatte als eine Leiterplatte oder ein Dickschichtsubstrat bereitgestellt ist.Current collector arrangement (10) according to Claim 1 , characterized in that the conductor track carrier plate is provided as a printed circuit board or a thick film substrate. Stromsammleranordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnträgerplatte eine oder mehrere Leiterbahnen (14) zu dem mindestens einen Wärmeelement (13, 17) aufweist, und/oder dass das mindestens eine Wärmeelement (13, 17) durch einen Abschnitt einer Leiterbahn (14) der Leiterbahnträgerplatte gebildet ist.Current collector arrangement (10) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the conductor track carrier plate has one or more conductor tracks (14) to the at least one heating element (13, 17), and / or that the at least one heating element (13, 17) is formed by a section of a conductor track (14) of the conductor track carrier plate is. Stromsammleranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmeelement (13, 17) innerhalb der Heizplatte (12) integriert und/oder elektrisch isoliert ist, und/oder dass die Heizplatte (12) direkt und/oder flächig auf der Stromsammlerplatte (11) aufliegt.Current collector arrangement (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one heating element (13, 17) is integrated and / or electrically insulated within the heating plate (12), and / or that the heating plate (12) is direct and / or rests flat on the current collector plate (11). Stromsammleranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmeelement (13, 17) durch ein anderes Material als das Material einer Leiterbahn (14) der Leiterbahnträgerplatte ausgebildet ist, und/oder dass das mindestens eine Wärmeelement (13, 17) mit anderen Abmessungen als die Abmessungen einer Leiterbahn (14) der Leiterbahnträgerplatte ausgebildet ist.Current collector arrangement (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one heating element (13, 17) is formed by a different material than the material of a conductor track (14) of the conductor track carrier plate, and / or that the at least one heating element (13 , 17) is designed with dimensions other than the dimensions of a conductor track (14) of the conductor track carrier plate. Stromsammleranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmeelement (13, 17) mindestens eine Heizschleife (13) aufweist, die insbesondere durch einen Abschnitt einer Leiterbahn (14) der Leiterbahnträgerplatte gebildet ist.Current collector arrangement (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one heating element (13, 17) has at least one heating loop (13) which is formed in particular by a section of a conductor track (14) of the conductor track carrier plate. Stromsammleranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmeelement (13, 17) mindestens einen Stromverteiler (17), vorzugsweise aus einem unterschiedlichen Material als das Material der Leiterbahnen (14), aufweist, wobei insbesondere der mindestens eine Stromverteiler (17) an der mindestens einen Stromsammlerplatte (11) anliegt.Current collector arrangement (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one heating element (13, 17) has at least one current distributor (17), preferably made of a different material than the material of the conductor tracks (14), wherein in particular the at least a current distributor (17) rests against the at least one current collector plate (11). Stromsammleranordnung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Stromverteiler (17) mindestens einen zylindrischen oder hülsenförmigen Heizer (18) aufweist, wobei insbesondere der mindestens eine Heizer (18) ferrimagnetisches Material aufweist.Current collector arrangement (10) according to Claim 7 , characterized in that the at least one current distributor (17) has at least one cylindrical or sleeve-shaped heater (18), in particular the at least one heater (18) having ferrimagnetic material. Stromsammleranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Stromverteiler (17) eine Spule (19) und/oder eine elektrisch isolierende Umspritzung (20) aufweist, wobei insbesondere die Spule (19) elektrische Anschlüsse (21) zur Kontaktierung der Leiterbahnträgerplatte aufweist.Current collector arrangement (10) according to one of the preceding Claims 7 or 8th , characterized in that the at least one power distributor (17) has a coil (19) and / or an electrically insulating extrusion coating (20), the coil (19) in particular having electrical connections (21) for contacting the conductor plate. Stromsammleranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmeelement (13, 17) im Bereich mindestens einer Mediendurchtrittsöffnung (15, 16) angeordnet ist, und/oder dass das mindestens eine Wärmeelement (13, 17) mindestens eine Mediendurchtrittsöffnung (15, 16), insbesondere umfangsseitig, umschließt.Current collector arrangement (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one heating element (13, 17) is arranged in the region of at least one media passage opening (15, 16), and / or that the at least one heating element (13, 17) is at least a media passage opening (15, 16), in particular on the circumference, encloses. Brennstoffzellenstapel (1) mit mindestens einer Stromsammleranordnung (10), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromsammleranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.Fuel cell stack (1) with at least one current collector arrangement (10), characterized in that the at least one current collector arrangement (10) is designed according to one of the preceding claims.
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