DE102021206222A1 - Method and device for optimizing the flow control of at least one medium in a fuel cell or a fuel cell stack - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Strömungsführung mindestens eines Mediums, beispielsweise eines Kühlmittels, in einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel, bei dem ein aus mehreren Einzelplatten zusammengesetzter Plattenstapel (10) als Modell verwendet wird, umfassend die Schritte:- Treffen einer Auswahl von Einzelplatten aus einer Vielzahl unterschiedlicher Einzelplatten, insbesondere unterschiedlicher Gasmedienplatten (1, 2) und/oder unterschiedlicher Kühlmittelplatten (3),- Stapeln der ausgewählten Einzelplatten zu einem Plattenstapel (10), so dass über mindestens eine Ausnehmung (7) und eine oberflächige Verteilerstruktur (6) mindestens einer Einzelplatte ein Medienkanal (4) sowie ein Strömungsfeld (5) ausgebildet werden,- Beaufschlagen des mindestens einen Medienkanals (4) und des mindestens einen Strömungsfelds (5) mit einem Medium, und- Erfassen sowie Auswerten von Strom-, Spannungs-, Temperatur-, Druck- und/oder Feuchtigkeitsmessdaten.Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for optimizing the flow of at least one medium, for example a coolant, in a fuel cell or a fuel cell stack, in which a plate stack (10) composed of several individual plates is used as a model, comprising the steps of: - making a selection of individual plates from a large number of different individual plates, in particular different gas medium plates (1, 2) and/or different coolant plates (3),- stacking the selected individual plates to form a plate stack (10), so that at least one recess (7) and a surface distribution structure (6 ) at least one individual plate, a media channel (4) and a flow field (5) are formed, - applying a medium to the at least one media channel (4) and the at least one flow field (5), and - detecting and evaluating current, voltage , temperature, pressure and/or humidity measurement data. The E The invention also relates to a device for carrying out the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung der Strömungsführung mindestens eines Mediums in einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for optimizing the flow control of at least one medium in a fuel cell or a fuel cell stack. In addition, the invention relates to a device for carrying out the method.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler und gelangen in mobilen sowie stationären Anwendungen zum Einsatz. Mit Hilfe von Brennstoffzellen wird die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, in der Regel Sauerstoff, in elektrische Energie gewandelt. Üblicherweise werden zur Leistungssteigerung mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. „Stack“ übereinanderliegend angeordnet. Die Zuführung des Brennstoffs und des Oxidationsmittels erfolgt über Medienkanäle, die den Brennstoffzellenstapel durchziehen, sowie an die Medienkanäle angeschlossene Verteilerstrukturen.Fuel cells are electrochemical energy converters and are used in mobile and stationary applications. With the help of fuel cells, the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel, for example hydrogen, and an oxidizing agent, usually oxygen, is converted into electrical energy. To increase performance, several fuel cells are usually arranged one on top of the other to form a fuel cell stack or “stack”. The fuel and the oxidizing agent are supplied via media channels that run through the fuel cell stack, as well as distribution structures connected to the media channels.

Da während der in den Zellen stattfindenden Reaktion neben elektrischer Energie auch Wärme erzeugt wird, müssen die Brennstoffzellen gekühlt werden. Der Brennstoffzellenstapel ist daher in der Regel an einen Kühlkreis angeschlossen. Der Anschluss erfolgt ebenfalls über Medienkanäle sowie eine Verteilerstruktur.Since during the reaction taking place in the cells not only electrical energy but also heat is generated, the fuel cells have to be cooled. The fuel cell stack is therefore usually connected to a cooling circuit. The connection is also made via media channels and a distribution structure.

Verteilerstrukturen zur Medienversorgung eines Brennstoffzellenstapels werden in der Regel durch Platten ausgebildet. Hierbei handelt es sich üblicherweise um zwei dünne, geprägte Metallplatten, den sogenannten Monopolarplatten, die unter Ausbildung eines Hohlraums zu einer Bipolarplatte verbunden werden. Der Hohlraum kann im Betrieb des Brennstoffzellenstapels mit einem Kühlmittel beaufschlagt werden. Zellenseitig bilden die beiden Monopolarplatten jeweils eine Verteilerstruktur für ein Reaktionsgas aus. Die Verteilerstrukturen können dabei beliebig gestaltet sein, so dass eine Vielzahl von Designmöglichkeiten zur Auswahl stehen.Distribution structures for supplying media to a fuel cell stack are usually formed by plates. These are usually two thin, embossed metal plates, the so-called monopolar plates, which are connected to form a cavity to form a bipolar plate. A coolant can be applied to the cavity during operation of the fuel cell stack. On the cell side, the two monopolar plates each form a distribution structure for a reaction gas. The distribution structures can be designed in any way, so that there is a large number of design options to choose from.

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Designoptimierung an die Hand gegeben werden. Im Ergebnis soll somit die Effizienz einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellenstapels gesteigert werden.With the aid of the present invention, a method and a device for design optimization are to be made available. As a result, the efficiency of a fuel cell or a fuel cell stack is to be increased.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.To solve the problem, the method with the features of claim 1 and the device with the features of claim 6 are proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the respective dependent claims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Optimierung der Strömungsführung mindestens eines Mediums, beispielsweise eines Kühlmittels, in einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel. Bei dem Verfahren wird ein aus mehreren Einzelplatten zusammengesetzter Plattenstapel als Modell verwendet. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

• - Treffen eine Auswahl von Einzelplatten aus einer Vielzahl unterschiedlicher Einzelplatten, insbesondere unterschiedlicher Gasmedienplatten und/oder Kühlmittelplatten,
• - Stapeln der ausgewählten Einzelplatten zu einem Plattenstapel, so dass über mindestens eine Ausnehmung und eine oberflächige Verteilerstruktur mindestens eine Einzelplatte ein Medienkanal sowie ein Strömungsfeld ausgebildet werden,
• - Beaufschlagen des mindestens einen Medienkanals und des mindestens einen Strömungsfelds mit einem Medium, und
• - Erfassen sowie Auswerten von Strom-, Spannungs-, Temperatur-, Druck- und/oder Feuchtigkeitsmessdaten.

A method for optimizing the flow control of at least one medium, for example a coolant, in a fuel cell or a fuel cell stack is proposed. In the process, a plate stack composed of several individual plates is used as a model. The procedure includes the following steps:

• - make a selection of individual plates from a large number of different individual plates, in particular different gas medium plates and/or coolant plates,
• - Stacking of the selected individual plates to form a stack of plates, so that at least one individual plate forms a media channel and a flow field via at least one recess and a surface distribution structure,
• - Applying a medium to the at least one media channel and the at least one flow field, and
• - Acquisition and evaluation of current, voltage, temperature, pressure and/or humidity measurement data.

Mit Hilfe der unterschiedlichen Einzelplatten können unterschiedliche Plattenstapel und damit Modelle gefertigt werden. Diese können dann mit einem Medium beaufschlagt und hinsichtlich der Strömungsführung des Mediums ausgewertet werden. Die Auswertung kann insbesondere auf Basis von Strom-, Spannungs-, Temperatur-, Druck- und/oder Feuchtigkeitsmessdaten erfolgen.With the help of the different individual plates, different plate stacks and thus models can be manufactured. A medium can then be applied to these and the flow guidance of the medium can be evaluated. The evaluation can be carried out in particular on the basis of current, voltage, temperature, pressure and/or humidity measurement data.

Die mehreren Einzelplatten sind untereinander kombinierbar, so dass ein modular aufgebautes System ausgebildet wird. Es können somit eine Vielzahl unterschiedlicher Plattenstapel bzw. Modelle realisiert werden, die Aufschluss über die Effizienz einer Strömungsführung eines Mediums in einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel geben.The several individual panels can be combined with one another so that a modular system is formed. A large number of different plate stacks or models can thus be implemented, which provide information about the efficiency of a flow control of a medium in a fuel cell or a fuel cell stack.

Durch Austausch mindestens eine Einzelplatte, insbesondere einer Gasmedienplatte und/oder einer Kühlmittelplatte, kann die Strömungsführung des Mediums geändert werden. Durch Erfassen und Auswerten neuer Strom-, Temperatur-, Druck- und/oder Feuchtigkeitsmessdaten können Vergleichswerte zur Optimierung der Strömungsführung des Mediums geschaffen werden.The flow guidance of the medium can be changed by replacing at least one individual plate, in particular a gas media plate and/or a coolant plate. By acquiring and evaluating new current, temperature, pressure and/or humidity measurement data, comparison values can be created for optimizing the flow control of the medium.

Bei der Durchführung des Verfahrens werden vorzugsweise mindestens zwei Einzelplatten mit Ausnehmungen und einer oberflächigen Verteilerstruktur ausgewählt und gestapelt, so dass mehrere Medienkanäle und Strömungsfelder ausgebildet werden, die mit unterschiedlichen Medien beaufschlagt werden. Das Modell reduziert somit Designeinschränkungen, die für die Abläufe in einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel normalerweise bestehen. Bei den unterschiedlichen Medien kann es sich insbesondere um mindestens ein Reaktionsgas sowie ein Kühlmittel handeln. Auf diese Weise kann sowohl die Strömungsführung des Reaktionsgases als auch die Strömungsführung des Kühlmittels durch ein optimiertes Design der jeweiligen Verteilerstrukturen verbessert werden. Ferner können parallel und/oder quer verlaufende Strömungsführungen der unterschiedlichen Medien getestet werden. Die für die unterschiedlichen Medien vorgesehenen Medienkanäle und/oder Strömungsfelder können dabei mit Hilfe von zwischen den Einzelplatten angeordneten Dichtungen getrennt werden.When carrying out the method, preferably at least two individual plates with recesses and a surface distribution structure are selected and stacked, so that several Media channels and flow fields are formed, which are acted upon by different media. The model thus reduces design constraints that normally exist for what happens in a fuel cell or fuel cell stack. The different media can in particular be at least one reaction gas and one coolant. In this way, both the flow guidance of the reaction gas and the flow guidance of the coolant can be improved by an optimized design of the respective distributor structures. Furthermore, parallel and/or transverse flow guides of the different media can be tested. The media channels and/or flow fields provided for the different media can be separated with the aid of seals arranged between the individual plates.

Ferner bevorzugt wird beim Stapeln der Einzelplatten zwischen zwei Gasmedienplatten eine Membran-Elektroden-Anordnung angeordnet. Der Aufbau des Plattenstapels gleicht somit dem Aufbau einer Brennstoffzelle, so dass besonders aussagekräftige Messergebnisse erzielt werden können.Furthermore, a membrane-electrode assembly is preferably arranged between two gas media plates when stacking the individual plates. The structure of the plate stack is therefore similar to the structure of a fuel cell, so that particularly meaningful measurement results can be achieved.

Zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens werden vorzugsweise Plattenstapel eingesetzt, die - im Unterschied zu einer herkömmlichen Brennstoffzelle - keine beidseits an der Membran-Elektroden-Anordnung anliegenden Gasdiffusionslagen aufweisen. Diese werden bevorzugt durch Gasmedienplatten mit einer oberflächigen Verteilerstruktur ersetzt. Die Anordnung der Gasmedienplatten beim Stapeln erfolgt dann in der Weise, dass die jeweilige Verteilerstruktur der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandt ist und ein Strömungsfeld für das jeweilige Reaktionsgas ausbildet. Zur Versorgung des Strömungsfelds mit dem jeweiligen Reaktionsgas weisen die Gasmedienplatten ferner bevorzugt Ausnehmungen zur Ausbildung von Medienkanälen auf, an denen die Strömungsfelder angeschlossen sind.To carry out the proposed method, plate stacks are preferably used which—in contrast to a conventional fuel cell—have no gas diffusion layers lying on both sides of the membrane-electrode assembly. These are preferably replaced by gas media plates with a surface distribution structure. The gas media plates are then arranged when stacked in such a way that the respective distributor structure faces the membrane electrode assembly and forms a flow field for the respective reaction gas. In order to supply the flow field with the respective reaction gas, the gas media plates also preferably have recesses for forming media channels to which the flow fields are connected.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass - im Unterschied zu einer herkömmlichen Brennstoffzelle - die Monopolarplatten durch Kühlmittelplatten ersetzt werden. Die Kühlmittelplatten weisen hierzu Ausnehmungen zur Ausbildung von Medienkanälen sowie oberflächige Verteilerstrukturen zur Ausbildung von Strömungsfeldern auf. Ferner bevorzugt sind in den Kühlmittelplatten weitere Ausnehmungen zur Ausbildung von Medienkanälen ausgebildet, die jedoch durch Dichtungen von den Verteilerstrukturen der Kühlmittelplatten getrennt sind. Durch diese Ausnehmungen bzw. Medienkanäle können die Reaktionsgase geführt werden.Furthermore, it is proposed that—in contrast to a conventional fuel cell—the monopolar plates are replaced by coolant plates. For this purpose, the coolant plates have recesses for the formation of media channels and surface distribution structures for the formation of flow fields. Further recesses for the formation of media channels are also preferably formed in the coolant plates, but these are separated from the distributor structures of the coolant plates by seals. The reaction gases can be conducted through these recesses or media channels.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in den Plattenstapel eine Stromabnehmerplatte und/oder eine Strom- und/oder Temperaturmessplatte integriert wird bzw. werden. Mit Hilfe dieser weiteren Einzelplatten können die zur Auswertung des Modells erforderlichen Messdaten erfasst werden. Sofern die Einzelplatten nicht bereits über eine entsprechende Sensorik verfügen, können Sie eine solche angeschlossen werden. Bei der Strom- und/oder Temperaturmessplatte kann es sich insbesondere um eine segmentiert ausgeführte Platte handeln, so dass lokale Strom- und Temperaturmesswerte erfasst werden können.In a further development of the invention, it is proposed that a current collector plate and/or a current and/or temperature measuring plate be integrated into the plate stack. With the help of these additional individual plates, the measurement data required to evaluate the model can be recorded. If the individual panels do not already have the appropriate sensors, they can be connected. The current and/or temperature measuring plate can in particular be a segmented plate so that local current and temperature measurement values can be recorded.

Die zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe ferner vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht die Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst hierzu mehrere zu einem Plattenstapel zusammensetzbare Einzelplatten, insbesondere Gasmedienplatten und/oder Kühlmittelplatten, die mindestens eine Ausnehmung zur Ausbildung eines Medienkanals sowie eine oberflächige Verteilerstruktur zur Ausbildung eines Strömungsfelds aufweisen.The device also proposed to achieve the object mentioned at the outset enables the method according to the invention described above to be carried out. For this purpose, the device comprises several individual plates that can be assembled into a plate stack, in particular gas media plates and/or coolant plates, which have at least one recess for forming a media channel and a surface distribution structure for forming a flow field.

Die vorgeschlagene Vorrichtung ist modular aufgebaut bzw. bildet ein modulares System aus, dass eine Vielzahl von Einzelplatten umfasst, die miteinander kombinierbar sind. Mit Hilfe der Einzelplatten können somit eine Vielzahl unterschiedlicher Plattenstapel und damit Modelle realisiert werden. Ferner kann durch Austausch lediglich einer Einzelplatte das Modell gezielt verändert werden, um beispielsweise den Einfluss des Designs dieser Einzelplatte zu bewerten.The proposed device has a modular structure or forms a modular system that includes a large number of individual plates that can be combined with one another. With the help of the individual plates, a large number of different plate stacks and thus models can be realized. Furthermore, the model can be changed in a targeted manner by replacing just one individual plate, for example in order to evaluate the influence of the design of this individual plate.

Im Hinblick auf die Funktion der Einzelplatten werden insbesondere Gasmedienplatten sowie Kühlmittelplatten unterschieden. Um die Strömungsführung eines Mediums in einer Brennstoffzelle so realistisch wie möglich abzubilden, weisen die Gasmedien- und/oder Kühlmittelplatten Ausnehmungen zur Ausbildung von Medienkanälen sowie hieran angeschlossene Verteilerstrukturen zur Ausbildung von Strömungsfeldern für ein Medium auf. Bevorzugt wird eine Vielzahl von Gasmedien- und/oder Kühlmittelplatten vorgehalten, die unterschiedlich gestaltete Ausnehmungen und/oder Verteilerstrukturen aufweisen. Durch zwischenliegenden Dichtungen können zudem einzelne Medienkanäle von den Verteilerstrukturen abgetrennt werden.With regard to the function of the individual plates, a distinction is made in particular between gas media plates and coolant plates. In order to depict the flow of a medium in a fuel cell as realistically as possible, the gas media and/or coolant plates have recesses for forming media channels and distributor structures connected thereto for forming flow fields for a medium. A multiplicity of gas media and/or coolant plates are preferably provided, which have differently designed recesses and/or distributor structures. In addition, individual media channels can be separated from the distribution structures by means of intermediate seals.

Bevorzugt weisen die Einzelplatten, insbesondere die Gasmedienplatten und/oder Kühlmittelplatten, eine Plattendicke von 1 mm bis 5 mm auf. Die Einzelplatten weisen somit eine ausreichende mechanische Festigkeit bzw. Robustheit auf.The individual plates, in particular the gas media plates and/or coolant plates, preferably have a plate thickness of 1 mm to 5 mm. The individual plates thus have sufficient mechanical strength or robustness.

Ferner bevorzugt weisen die Einzelplatten, insbesondere die Gasmedienplatten, eine hohe Leitfähigkeit senkrecht zur Plattenebene sowie eine mäßige Leitfähigkeit in der Plattenebene auf. Um dies zu erreichen, sind vorzugsweise die Gasmedienplatten im Bereich ihrer aktiven Fläche segmentiert ausgeführt. Die einzelnen Segmente erstrecken sich dabei von der einen Oberfläche zur anderen Oberfläche der Gasmedienplatte. Vorteilhafterweise umfassen sie metallische Segmente in Säulenform, die durch nichtmetallische Segmente bzw. Schichten abgegrenzt werden. Die nichtmetallischen Segmente bzw. Schichten bestehen vorzugsweise aus einem robusten Basismaterial, beispielsweise aus Kunststoff, insbesondere aus einem gefüllten Kunststoff. Vorteilhafterweise wird in Basismaterial verwendet, das temperaturstabil und medienbeständig ist sowie eine geringe thermische und elektrische Leitfähigkeit besitzt.Furthermore, the individual plates, in particular the gas media plates, preferably have high conductivity perpendicular to the plate plane and moderate conductivity in the plate plane. Around To achieve this, the gas media plates are preferably segmented in the area of their active surface. The individual segments extend from one surface to the other surface of the gas media plate. Advantageously, they comprise metallic segments in the form of columns delimited by non-metallic segments or layers. The non-metallic segments or layers preferably consist of a robust base material, for example plastic, in particular a filled plastic. It is advantageous to use a base material that is temperature-stable and media-resistant and has low thermal and electrical conductivity.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die aktive Fläche einer Gasmedienplatte von einem Rahmen umgeben, der vorzugsweise aus dem robusten Basismaterial gefertigt ist. Im Bereich des Rahmens sind dann die Ausnehmungen zur Ausbildung der Medienkanäle angeordnet. Vorteilhafterweise sind umlaufend um die aktive Fläche eine Vielzahl von Ausnehmungen angeordnet, die wahlweise zu- oder abgeschaltet werden können. Zum Zu- oder Abschalten können Dichtungen eingesetzt werden. Auf diese Weise kann die Gasmedienplatte mit unterschiedlichen Kühlmittelplatten kombiniert werden. Die Kühlmittelplatten sind vorzugsweise analog ausgebildet.According to a preferred embodiment of the invention, the active surface of a gas media plate is surrounded by a frame, which is preferably made of the robust base material. The recesses for forming the media channels are then arranged in the area of the frame. Advantageously, a large number of recesses are arranged circumferentially around the active surface, which recesses can be selectively switched on or off. Seals can be used for switching on or off. In this way, the gas media plate can be combined with different coolant plates. The coolant plates are preferably designed analogously.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die oberflächige Verteilerstruktur mindestens einer Einzelplatte mehrere parallel, spiralförmig und/oder mäanderförmig verlaufende Strömungskanäle aufweist. Die Form bzw. der Verlauf der Strömungskanäle bestimmt die Strömungsführung des jeweiligen Mediums über das jeweilige Strömungsfeld. Sofern es sich um die Verteilerstruktur eine Kühlmittelplatten handelt, kann hierüber die Strömungsführung eines Kühlmittels variiert werden. Sofern es sich um die Verteilerstruktur einer Gasmedienplatte handelt, kann hierüber die Strömungsführung eines Reaktionsgases und der Reaktionsprodukte geändert werden.Furthermore, it is proposed that the surface distribution structure of at least one individual plate has a plurality of flow channels running in parallel, spirally and/or meanderingly. The shape or course of the flow channels determines the flow guidance of the respective medium over the respective flow field. If the distributor structure is a coolant plate, the flow guidance of a coolant can be varied here. If the distribution structure of a gas media plate is involved, the flow guidance of a reaction gas and the reaction products can be changed here.

Zusätzlich wird vorgeschlagen, dass die oberflächige Verteilerstruktur mindestens einer Einzelplatte aus einem offen-porösen Material besteht. Die Struktur bzw. Prägung dieser Verteilerstruktur bestimmt die Strömungsführung des jeweiligen Mediums über das jeweilige Strömungsfeld. Sofern es sich um die Verteilerstruktur einer Gasmedienplatte handelt, kann hierüber die Strömungsführung eines Reaktionsgases und der Reaktionsprodukte, insbesondere Wasser, geändert werden.In addition, it is proposed that the surface distribution structure of at least one individual plate consists of an open-porous material. The structure or embossing of this distributor structure determines the flow guidance of the respective medium over the respective flow field. If the distribution structure of a gas media plate is involved, the flow guidance of a reaction gas and the reaction products, in particular water, can be changed in this way.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die oberflächige Verteilerstruktur mindestens einer Einzelplatte mehrere Strömungsfelder ausbildet. Auf diese Weise können mehrere unabhängige Kühlkreise realisiert werden, so dass bestimmte Bereiche der Platte stärker oder weniger stark gekühlt werden können als andere.Alternatively or additionally, it is proposed that the surface distribution structure of at least one individual plate forms a number of flow fields. In this way, several independent cooling circuits can be realized, so that certain areas of the panel can be cooled more or less than others.

Ein aus mehreren Einzelplatten zusammengesetzter Plattenstapel zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst vorzugsweise eine zwischen zwei Gasmedienplatten angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung. Der Aufbau des Plattenstapels nähert sich somit dem Aufbau einer herkömmlichen Brennstoffzelle an.A plate stack composed of a plurality of individual plates for carrying out the method according to the invention described above preferably comprises a membrane electrode arrangement arranged between two gas media plates. The structure of the plate stack thus approaches the structure of a conventional fuel cell.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein aus mehreren Einzelplatten zusammengesetzter Plattenstapel eine Stromabnehmerplatte und/oder eine Strom- und/oder Temperaturmessplatte umfasst. Diese ermöglichen den Anschluss einer Sensorik bzw. beinhalten eine Sensorik, die zur Erfassung der erforderlichen Strom-, Temperatur-, Druck- und/oder Feuchtigkeitsmessdaten erforderlich ist.In a development of the invention, it is proposed that a plate stack composed of several individual plates includes a current collector plate and/or a current and/or temperature measurement plate. These enable the connection of a sensor system or contain a sensor system that is required to record the required current, temperature, pressure and/or humidity measurement data.

Darüber hinaus können die Einzelplatten Isolations- und/oder Druckausgleichs Platten sowie Endplatten umfassen. Letztere werden jeweils außenliegend angeordnet.In addition, the individual plates can include insulation and/or pressure equalization plates as well as end plates. The latter are each arranged on the outside.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

• 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Plattenstapel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 2 eine schematische Draufsicht auf eine Gasmedienplatte für einen Plattenstapel,
• 3 einen schematischen Längsschnitt durch die Gasmedienplatte der 2,
• 4 eine schematische Draufsicht auf eine zweite Gasmedienplatte für einen Plattenstapel,
• 5 eine schematische Draufsicht auf eine mit der Gasmedienplatte der 4 kombinierbare Kühlmittelplatte,
• 6 eine schematische Draufsicht auf eine dritte Gasmedienplatte für einen Plattenstapel,
• 7 eine schematische Draufsicht auf eine mit der Gasmedienplatte der 6 kombinierbare Kühlmittelplatte,
• 8 eine schematische Draufsicht auf eine dritte Gasmedienplatte für einen Plattenstapel und
• 9 eine schematische Draufsicht auf eine mit der Gasmedienplatte der 8 kombinierbare Kühlmittelplatte.

The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:

• 1 a schematic cross section through a plate stack of a device for carrying out the method according to the invention,
• 2 a schematic plan view of a gas media plate for a plate stack,
• 3 a schematic longitudinal section through the gas media plate 2 ,
• 4 a schematic plan view of a second gas media plate for a plate stack,
• 5 a schematic plan view of one with the gas media plate of 4 combinable coolant plate,
• 6 a schematic plan view of a third gas media plate for a plate stack,
• 7 a schematic plan view of one with the gas media plate of 6 combinable coolant plate,
• 8th a schematic plan view of a third gas media plate for a plate stack and
• 9 a schematic plan view of one with the gas media plate of 8th combinable coolant plate.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

1 zeigt einen aus mehreren Einzelplatten zusammengesetzten Plattenstapel 10, der endseitig jeweils von einer Endplatte 20 eingefasst ist. Die zwischen den beiden Endplatten 20 angeordneten weiteren Einzelplatten unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Funktionen. Eine Membran-Elektroden-Anordnung 9 inklusive Gasdiffusionslagen bildet das Zentrum des Aufbaus. Bei den beidseits hieran anliegenden Einzelplatten handelt es sich um Gasmedienplatten 1, 2, wobei die obere Gasmedienplatte 1 eine Brennstoffplatte und die untere Gasmedienplatte 2 eine Oxidationsmittelplatte ausbilden. An den Gasmedienplatten 1, 2 liegt jeweils eine Kühlmittelplatte 3 an. Zwischen den Kühlmittelplatten 3 und den Endplatten 20 sind ferner beidseitig jeweils eine Stromabnehmerplatte 11 sowie eine Isolations- und/oder Druckausgleichsplatte 19 angeordnet. Kathoden- oder oxidationsmittelseitig weist der Plattenstapel 10 zudem eine segmentierte Strom- und Temperaturmessplatte 12 auf, und zwar zwischen der Kühlmittelplatte 3 und der Stromabnehmerplatte 11. 1 shows a plate stack 10 composed of a plurality of individual plates, which is bordered by an end plate 20 at each end. The further individual plates arranged between the two end plates 20 differ with regard to their functions. A membrane electrode assembly 9 including gas diffusion layers forms the center of the structure. The individual plates lying thereon on both sides are gas media plates 1, 2, with the upper gas media plate 1 forming a fuel plate and the lower gas media plate 2 forming an oxidant plate. A coolant plate 3 rests on each of the gas media plates 1 , 2 . Between the coolant plates 3 and the end plates 20, a current collector plate 11 and an insulation and/or pressure compensation plate 19 are arranged on both sides. On the cathode or oxidant side, the plate stack 10 also has a segmented current and temperature measuring plate 12, specifically between the coolant plate 3 and the current collector plate 11.

Der in der 1 dargestellte Plattenstapel 10 weist jeweils randseitig Medienkanäle 4 auf, die mit verschiedenen Strömungsfeldern 5 in Verbindung stehen und über Medienanschlüsse 15 mit verschiedenen Medien beaufschlagbar sind. Bei den Medien kann es sich insbesondere um mindestens ein Reaktionsgas sowie ein Kühlmittel handeln. Zur Trennung der verschiedenen Medien voneinander sind Dichtungen 14 zwischen den Einzelplatten eingelegt. Bei den Dichtungen handelt es sich insbesondere um umlaufende Plattendichtungen sowie an den Kanälen angeordnete O-Ringe.The Indian 1 The plate stack 10 shown has media channels 4 at the edge, which are connected to different flow fields 5 and can be acted upon by different media via media connections 15 . The media can in particular be at least one reaction gas and one coolant. Seals 14 are inserted between the individual plates to separate the different media from one another. The seals are, in particular, circumferential plate seals and O-rings arranged on the channels.

Der Aufbau des in der 1 dargestellten Plattenstapels 10 ähnelt dem Aufbau einer herkömmlichen Brennstoffzelle. Sowohl die Gasmedienplatten 1, 2 als auch die Kühlmittelplatten 3 weisen jeweils nur an ihren zellseitigen Oberflächen jeweils eine Verteilerstruktur 6 zur Ausbildung der Strömungsfelder 5 auf.The structure of the 1 Plate stack 10 shown resembles the structure of a conventional fuel cell. Both the gas media plates 1, 2 and the coolant plates 3 each have a distributor structure 6 for forming the flow fields 5 only on their cell-side surfaces.

Der 2 ist beispielhaft eine Gasmedienplatte 1 (2) für einen Plattenstapel 10 zu entnehmen. Bei der Gasmedienplatte kann es sich sowohl um eine Brennstoffplatte 1 als auch um eine Oxidationsmittelplatte 2 handeln (siehe Bezugszeichen in Klammern). Die Plattendicke der Gasmedienplatte 1 (2) beträgt mindestens 1 mm, um eine ausreichende Robustheit der Platte zu erzielen. Die dargestellte Gasmedienplatte 1 (2) weist eine aktive Fläche 8 auf, die segmentiert ausgeführt ist. Wie beispielhaft in der 3 gezeigt, wechseln sich Segmente 17 aus einem ersten Werkstoff, vorzugsweise Metall, und Segmente 18 aus einem weiteren Werkstoff, vorzugsweise Kunststoff, ab. Die segmentierte Ausführung reduziert die elektrische und thermische Leitfähigkeit der Gasmedienplatte 1 (2) sowie der Kühlmittelplatten 3 selektiv parallel zur Plattenebene.Of the 2 a gas media plate 1 (2) for a plate stack 10 can be seen as an example. The gas media plate can be both a fuel plate 1 and an oxidant plate 2 (see reference numbers in brackets). The plate thickness of the gas media plate 1 (2) is at least 1 mm in order to achieve sufficient robustness of the plate. The gas media plate 1 (2) shown has an active surface 8 which is segmented. As exemplified in the 3 shown, alternate segments 17 made of a first material, preferably metal, and segments 18 made of another material, preferably plastic. The segmented design selectively reduces the electrical and thermal conductivity of the gas media plate 1 (2) and the coolant plates 3 parallel to the plane of the plate.

Die weiterhin der 2 zu entnehmen ist, wird die aktive Fläche 8 von einem Rahmen 16 eingefasst, der vorliegend aus dem weiteren Werkstoff, vorzugsweise Kunststoff, ausgebildet ist. Im Bereich des Rahmens 16 sind eine Vielzahl von Ausnehmungen 7 angeordnet, die der Ausbildung der Medienkanäle 4 dienen. Im Bereich des Rahmens 16 ist ferner eine umlaufende Dichtung 14 angeordnet. Weitere als O-Ring ausgeführte Dichtungen (nicht dargestellt) können um einzelne Ausnehmungen 7 angeordnet werden, um diese separat abzudichten (siehe auch 1).The continue the 2 can be seen, the active surface 8 is surrounded by a frame 16, which is presently formed from the other material, preferably plastic. In the area of the frame 16 there are a large number of recesses 7 which serve to form the media channels 4 . A circumferential seal 14 is also arranged in the area of the frame 16 . Other seals designed as O-rings (not shown) can be arranged around individual recesses 7 in order to seal them separately (see also 1 ).

Anhand der nachfolgenden 4 bis 9 werden nunmehr unterschiedliche Einzelplatten beschrieben, und zwar Gasmedienplatten 1, 2 sowie Kühlmittelplatten 3. Diese unterscheiden sich zum einen hinsichtlich der Anordnung der Dichtungen 14, zum anderen hinsichtlich ihrer Verteilerstrukturen 6.Based on the following 4 until 9 different individual plates are now described, namely gas media plates 1, 2 and coolant plates 3. These differ on the one hand with regard to the arrangement of the seals 14 and on the other hand with regard to their distribution structures 6.

4 zeigt beispielhaft eine Gasmedienplatte 2 (1) mit einer Verteilerstruktur 6 zur Ausbildung eines Strömungsfelds 5, das parallel verlaufende Strömungskanäle 13 ausbildet. Diese führen von ersten Ausnehmungen 7 zur Ausbildung von ersten Medienkanälen 4 auf der linken Seite zu zweiten Ausnehmungen 7 zur Ausbildung von zweiten Medienkanälen 4 auf der rechten Seite. Eine umlaufende Dichtung 14 dichtet das Strömungsfeld 5 gegenüber einer Membran-Elektroden-Anordnung 9 ab (siehe 1). Die in der 4 dargestellte Gasmedienplatte 2 (1) kann insbesondere mit einer Kühlmittelplatte 3 kombiniert werden, die beispielhaft in der 5 dargestellt ist. Die Kühlmittelplatte 3 der 5 weist eine Verteilerstruktur 6 auf, die analog der Verteilerstruktur 6 der Gasmedienplatte 2 (1) der 4 ausgebildet ist. Die Verteilerstruktur 6 der Kühlmittelplatte 3 ist jedoch an anderer Ausnehmungen 7 angeschlossen, da die Strömungskanäle 13 mit einem anderen Medium als die Strömungskanäle 13 der Gasmedienplatte 2 (1) beaufschlagt werden. Entsprechend sind die Ausnehmungen 7, welche Medienkanäle 4 für das jeweils andere Medium ausbilden, von einer als O-Ring ausgeführten Dichtung 14 umgeben. Eine umlaufende Dichtung 14 dichtet auch hier das Strömungsfeld 5 nach außen ab (siehe 1). 4 1 shows an example of a gas media plate 2 (1) with a distributor structure 6 for forming a flow field 5, which forms flow channels 13 running parallel. These lead from first recesses 7 for forming first media channels 4 on the left side to second recesses 7 for forming second media channels 4 on the right side. A peripheral seal 14 seals the flow field 5 from a membrane electrode assembly 9 (see FIG 1 ). The one in the 4 illustrated gas media plate 2 (1) can be combined in particular with a coolant plate 3, the example in the 5 is shown. The coolant plate 3 of 5 has a distributor structure 6, which is analogous to the distributor structure 6 of the gas media plate 2 (1). 4 is trained. However, the distribution structure 6 of the coolant plate 3 is connected to other recesses 7, since the flow channels 13 are acted upon by a different medium than the flow channels 13 of the gas media plate 2 (1). Correspondingly, the recesses 7, which form media channels 4 for the respective other medium, are surrounded by a seal 14 designed as an O-ring. A peripheral seal 14 also seals the flow field 5 from the outside (see Fig 1 ).

Bei der Gasmedienplatte der 4 handelt es sich um eine Oxidationsmittelplatte 2. Die Medienkanäle 4 sowie Strömungskanäle 13 werden daher mit einem Oxidationsmittel, vorzugsweise Sauerstoff bzw. Luft beaufschlagt. Die Strömungsführung der Luft verläuft parallel zur Strömungsführung eines Kühlmittels, mit dem die Strömungskanäle 13 der in der 5 dargestellten Kühlmittelplatte 3 beaufschlagt werden. Alternativ könnte es sich bei der Gasmedienplatte der 4 aber auch um eine Brennstoffplatte 1 handeln (siehe Bezugszeichen in Klammern).At the gas media plate of the 4 it is an oxidizing agent plate 2. The media channels 4 and flow channels 13 are therefore exposed to an oxidizing agent, preferably oxygen or air. The flow of the air runs parallel to the flow of a coolant with which the flow channels 13 of the the 5 shown coolant plate 3 are applied. Alternatively, the gas media plate could be the 4 but can also be a fuel plate 1 (see reference numbers in brackets).

Eine weitere mögliche Plattenpaarung ist den 6 und 7 zu entnehmen. 6 zeigt in diesem Fall eine als Brennstoffplatte dienende Gasmedienplatte 1. Jeweils zwei Ausnehmungen 7 oberhalb als auch unterhalb einer Verteilerstruktur 6 bilden Medienkanäle 4 aus, die mit einem Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff beaufschlagbar sind. Die Ausnehmungen 7 sind mit einer Verteilerstruktur 6 verbunden, deren Strömungskanäle 13 mäanderförmig von den beiden oberen Ausnehmungen 7 zu den beiden unteren Ausnehmungen 7 verlaufen. Die Gasmedienplatte 1 der 6 kann mit der Kühlmittelplatte 3 der 7 kombiniert werden. Diese weist eine Verteilerstruktur 6 mit parallel verlaufenden Strömungskanälen 13 für ein Kühlmittel auf. Die durch die Kühlmittelplatte 3 geführten und mit einem Brennstoff beaufschlagbaren Medienkanäle 4 sind mittels Dichtungen 14 abgedichtet, so dass eine sichere Medientrennung bewirkt wird.Another possible plate pairing is den 6 and 7 refer to. 6 In this case, FIG. The recesses 7 are connected to a distributor structure 6 whose flow channels 13 meander from the two upper recesses 7 to the two lower recesses 7 . The gas media plate 1 of 6 can with the coolant plate 3 of 7 be combined. This has a distributor structure 6 with parallel flow channels 13 for a coolant. The media channels 4, which are guided through the coolant plate 3 and can be charged with a fuel, are sealed by means of seals 14, so that reliable media separation is effected.

Eine weitere Plattenpaarung ist den 8 und 9 zu entnehmen. 8 zeigt die Gasmedienplatte bzw. Oxidationsmittelplatte 2 der 4, so dass auf die Beschreibung der 4 verwiesen wird. 9 zeigt eine Kühlmittelplatte 3 mit einer Verteilerstruktur 6, die unterschiedliche Strömungsfelder 5.1, 5.2, 5.3 ausbildet. Diese können unabhängig voneinander mit einem Kühlmittel beaufschlagt werden, so dass die Kühlung bereichsweise variiert werden kann. Die Strömungskanäle 13 der Strömungsfelder 5.1, 5.2, 5.3 verlaufen vorliegend jeweils parallel.Another plate pairing is den 8th and 9 refer to. 8th shows the gas media plate or oxidant plate 2 of FIG 4 , so that on the description of the 4 is referenced. 9 shows a coolant plate 3 with a distributor structure 6, which forms different flow fields 5.1, 5.2, 5.3. A coolant can be applied to these independently of one another, so that the cooling can be varied in certain areas. The flow channels 13 of the flow fields 5.1, 5.2, 5.3 each run parallel in the present case.

Neben den dargestellten Ausführungsbeispielen sind im Rahmen der Ansprüche eine Vielzahl weiterer Kombinationsmöglichkeiten gegeben, die nicht alle dargestellt werden können.In addition to the illustrated exemplary embodiments, a large number of other possible combinations are given within the scope of the claims, not all of which can be illustrated.

Claims (12)

Verfahren zur Optimierung der Strömungsführung mindestens eines Mediums, beispielsweise eines Kühlmittels, in einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel, bei dem ein aus mehreren Einzelplatten zusammengesetzter Plattenstapel (10) als Modell verwendet wird, umfassend die Schritte: - Treffen einer Auswahl von Einzelplatten aus einer Vielzahl unterschiedlicher Einzelplatten, insbesondere unterschiedlicher Gasmedienplatten (1, 2) und/oder unterschiedlicher Kühlmittelplatten (3), - Stapeln der ausgewählten Einzelplatten zu einem Plattenstapel (10), so dass über mindestens eine Ausnehmung (7) und eine oberflächige Verteilerstruktur (6) mindestens einer Einzelplatte ein Medienkanal (4) sowie ein Strömungsfeld (5) ausgebildet werden, - Beaufschlagen des mindestens einen Medienkanals (4) und des mindestens einen Strömungsfelds (5) mit einem Medium, und - Erfassen sowie Auswerten von Strom-, Spannungs-, Temperatur-, Druck- und/oder Feuchtigkeitsmessdaten.Method for optimizing the flow of at least one medium, for example a coolant, in a fuel cell or a fuel cell stack, in which a plate stack (10) composed of several individual plates is used as a model, comprising the steps: - making a selection of individual plates from a large number of different individual plates, in particular different gas media plates (1, 2) and/or different coolant plates (3), - stacking of the selected individual plates to form a stack of plates (10), so that a media channel (4) and a flow field (5) are formed via at least one recess (7) and a surface distribution structure (6) of at least one individual plate, - Applying a medium to the at least one media channel (4) and the at least one flow field (5), and - Acquisition and evaluation of current, voltage, temperature, pressure and/or humidity measurement data. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführung des Mediums durch Austausch mindestens einer Einzelplatte, insbesondere einer Gasmedienplatte (1, 2) und/oder einer Kühlmittelplatte (3), geändert wird und neue Strom-, Spannungs-, Temperatur-, Druck- und/oder Feuchtigkeitsmessdaten erfasst und ausgewertet werden.procedure after claim 1 , characterized in that the flow guidance of the medium is changed by replacing at least one individual plate, in particular a gas medium plate (1, 2) and/or a coolant plate (3), and new current, voltage, temperature, pressure and/or Moisture measurement data are recorded and evaluated. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Einzelplatten mit Ausnehmungen (7) und einer oberflächigen Verteilerstruktur (6) ausgewählt und gestapelt werden, so dass mehrere Medienkanäle (4) und Strömungsfelder (5) ausgebildet werden, die mit unterschiedlichen Medien beaufschlagt werden.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that at least two individual plates with recesses (7) and a surface distributor structure (6) are selected and stacked, so that several media channels (4) and flow fields (5) are formed, which are acted upon by different media. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Stapeln der Einzelplatten zwischen zwei Gasmedienplatten (1, 2) eine Membran-Elektroden-Anordnung (9) angeordnet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that when the individual plates are stacked, a membrane-electrode arrangement (9) is arranged between two gas media plates (1, 2). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Plattenstapel eine Stromabnehmerplatte (11) und/oder eine Strom- und/oder Temperaturmessplatte (12) integriert wird bzw. werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a current collector plate (11) and/or a current and/or temperature measuring plate (12) is or are integrated into the stack of plates. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mehrere zu einem Plattenstapel (10) zusammensetzbare Einzelplatten, insbesondere Gasmedienplatten (1, 2) und/oder Kühlmittelplatten (3), die mindestens eine Ausnehmung (7) zur Ausbildung eines Medienkanals (4) sowie eine oberflächige Verteilerstruktur (6) zur Ausbildung eines Strömungsfelds (5) aufweisen.Device for carrying out a method according to one of the preceding claims, comprising a plurality of individual plates which can be assembled into a plate stack (10), in particular gas media plates (1, 2) and/or coolant plates (3), which have at least one recess (7) for forming a media channel (4 ) and a surface distribution structure (6) for forming a flow field (5). Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelplatten, insbesondere die Gasmedienplatten (1, 2) und/oder Kühlmittelplatten (3), eine Plattendicke von 1 mm bis 5 mm aufweisen.device after claim 6 , characterized in that the individual plates, in particular the gas medium plates (1, 2) and/or coolant plates (3), have a plate thickness of 1 mm to 5 mm. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmedienplatten (1, 2) im Bereich ihrer aktiven Fläche (8) segmentiert ausgeführt sind.device after claim 6 or 7 , characterized in that the gas media plates (1, 2) are segmented in the region of their active surface (8). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächige Verteilerstruktur (6) mindestens einer Einzelplatte mehrere parallel, spiralförmig und/oder mäanderförmig verlaufende Strömungskanäle (13) aufweist.Device according to one of Claims 6 until 8th , characterized in that the surface distribution structure (6) of at least one individual plate has a plurality of flow channels (13) running parallel, spirally and/or meanderingly. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächige Verteilerstruktur (6) mindestens einer Einzelplatte mehrere Strömungsfelder (5) ausbildet.Device according to one of Claims 6 until 9 , characterized in that the surface distribution structure (6) of at least one individual plate forms a plurality of flow fields (5). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus mehreren Einzelplatten zusammengesetzter Plattenstapel (10) eine zwischen zwei Gasmedienplatten (1, 2) angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung (9) umfasst.Device according to one of Claims 6 until 10 , characterized in that a plate stack (10) composed of several individual plates comprises a membrane electrode arrangement (9) arranged between two gas media plates (1, 2). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus mehreren Einzelplatten zusammengesetzter Plattenstapel (10) eine Stromabnehmerplatte (11) und/oder eine Strom- und/oder Temperaturmessplatte (12) umfasst.Device according to one of Claims 6 until 11 , characterized in that a plate stack (10) composed of several individual plates comprises a current collector plate (11) and/or a current and/or temperature measuring plate (12).

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