WO2022162209A1 - Method for operating a fuel cell stack, fuel cell stack, and fuel cell system comprising a fuel cell stack - Google Patents

Method for operating a fuel cell stack, fuel cell stack, and fuel cell system comprising a fuel cell stack Download PDF

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WO2022162209A1
WO2022162209A1 PCT/EP2022/052168 EP2022052168W WO2022162209A1 WO 2022162209 A1 WO2022162209 A1 WO 2022162209A1 EP 2022052168 W EP2022052168 W EP 2022052168W WO 2022162209 A1 WO2022162209 A1 WO 2022162209A1
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WO
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fuel cell
cell stack
pressure
medium
end plate
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PCT/EP2022/052168
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Inventor
Benjamin Schweizer
Felix Wald
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell stack with the features of the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a fuel cell stack that is suitable for carrying out the proposed method or can be operated according to this method, and a fuel cell system with such a fuel cell stack.
  • 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 or stacked one on top of the other, so that they form a fuel cell stack or “stack”. The individual fuel cells in a stack are supplied with the required reaction gases in the direction of the stack via media channels and transversely to the direction of the stack via distribution structures connected to the media channels.
  • a continuously supplied fuel for example hydrogen
  • an oxidizing agent usually oxygen
  • the electrochemical reaction in the fuel cells is not only associated with the generation of electrical energy, but also produces heat and water.
  • the fuel cells therefore have to be cooled.
  • the fuel cell stack is therefore usually connected to a cooling circuit for cooling.
  • the connection is also made in the stacking direction via media channels and transversely to the stacking direction via distributor structures connected to the media channels.
  • the individual fuel cells In order to form the media channels, the individual fuel cells have openings which are brought into overlap when stacked, so that openings lying one above the other form a media channel.
  • the sealing can be effected via intermediate seals.
  • thin stamped metal plates can be arranged between two fuel cells, which are joined so that they enclose a cavity to which a cooling medium can be applied. On their sides facing away from the cavity, the metal plates each form a distributor structure for a reaction gas.
  • the media pressure in the media channels can be monitored.
  • the monitoring can be carried out using an external sensor system or a sensor system integrated into the fuel cell stack.
  • US 2005/0282060 A1 discloses a fuel cell stack in which at least one measuring or sensor element is integrated into an end plate of the fuel cell stack.
  • the present invention is concerned with the task of making the monitoring of the media supply in a fuel cell stack simpler and more cost-effective. In particular, it should be possible to dispense with the use of a separate sensor system.
  • a large number of fuel cells in a stacked arrangement are supplied with at least one medium, in particular with fuel, air and/or a cooling medium, via a plurality of media channels formed in the fuel cell stack.
  • the pressure of the at least one medium is determined.
  • the pressure of the medium is determined with the aid of an end plate of the fuel cell stack designed as a pressure sensor. A separate pressure sensor can thus be dispensed with. The number of parts and the costs are reduced accordingly. At the same time, the space requirement is reduced.
  • end plate provides information about the position of the plate in the fuel cell stack. Accordingly, an end plate forms the end of a fuel cell stack, namely—depending on the stacking or stacking direction—the lower or the upper end. The final position of the end plate can deviate from this, depending on the orientation of the fuel cell stack at the installation site.
  • a fuel cell stack is framed by two end plates, so that it has an “upper” and a “lower” end plate.
  • the lower end plate is generally used to connect the fuel cell stack to an anode submodule, via which the fuel cell stack can be supplied with anode gas.
  • a pressure sensor for pressure monitoring can be integrated into the anode submodule. This measures the static and dynamic pressure.
  • the dynamic pressure depends on several factors, in particular the exact sensor position and the number of fuel cells, as this determines the mass flow through the fuel cell stack. The dynamic pressure varies accordingly, so that a conversion must be made.
  • the static pressure is determined.
  • the pressure in the region of the upper end plate is preferably determined in order to restrict it to the static pressure. Because in the area of the upper end plate, the speeds of the media conducted through the fuel cell stack are so low that a dynamic component can hardly be measured. The measurement is therefore limited to the static pressure.
  • the upper of two end plates enclosing the fuel cell stack is preferably used to form the pressure sensor.
  • the pressure of the medium results from a deformation of the end plate designed as a pressure sensor determined.
  • the pressure can then be determined from the deformation energy.
  • a pressure sensor can be designed in a comparatively simple manner.
  • the pressure of the medium be determined from the deformation of at least one membrane-like component integrated in the end plate. This must be arranged in such a way that it is subjected to the pressure of the medium.
  • the at least one membrane-like component can then be used to record and/or transmit a pressure signal.
  • the pressure of the medium can optionally be determined in the area of a media channel serving for the inflow or outflow of the medium.
  • the media channel serving for the inlet or outlet is delimited by the end plate designed as a pressure sensor, so that the pressure of the medium can be determined via the end plate. If the end plate forms a plurality of pressure sensors, the pressure can be determined both in a media channel serving for the inlet and for the outlet of the medium.
  • several membrane-like components are preferably integrated into the end plate designed as a pressure sensor.
  • the fuel cell stack for a fuel cell system comprises a large number of fuel cells in a stacked arrangement, which can be supplied with at least one medium, in particular with fuel, air and/or a cooling medium, via a number of media channels formed in the fuel cell stack.
  • the fuel cell stack also includes at least one end plate designed as a pressure sensor. Because the end plate itself forms a pressure sensor, a separate pressure sensor can be dispensed with. The number of parts and the costs for manufacturing the fuel cell stack decrease accordingly. In addition, the installation space requirement of the fuel cell stack can be reduced by eliminating a separate pressure sensor.
  • the fuel cell stack preferably has two end plates between which the fuel cells are arranged.
  • a first endplate, the lower endplate forms the base of the fuel cell stack.
  • a second end plate, the upper end plate closes off the top of the fuel cell stack.
  • the upper of two end plates enclosing the fuel cell stack is preferably designed as a pressure sensor. Because in the area of the upper end plate the velocities of the media routed through the fuel cell stack are so low that dynamic components can hardly be measured when determining the pressure.
  • the pressure determination can thus be limited to the static pressure. In contrast to the dynamic pressure, the static pressure can be determined independently of the number of lines and/or the respective installation situation. In particular, no conversion is required. The pressure determination is thus simplified.
  • the proposed fuel cell stack is particularly suitable for carrying out the method according to the invention described above or can be operated according to this method.
  • the same advantages can thus be achieved with the aid of the proposed fuel cell stack as with the aid of the method according to the invention described above.
  • At least one membrane-like component is integrated into the end plate designed as a pressure sensor.
  • the integrated membrane-like component can be used to record and/or transmit a pressure signal.
  • the formation of the end plate as a pressure sensor can be simplified in this way.
  • the at least one membrane-like component is preferably arranged in the region of a media channel serving for the inflow or outflow of the medium. Furthermore, the membrane-like component preferably delimits the respective media channel, so that the pressure prevailing in the media channel is applied to the membrane-like component. If the end plate designed as a pressure sensor has more than just one membrane-like component, these can be arranged on both the inlet and outlet sides.
  • the at least one membrane-like component is preferably arranged on a side of the end plate designed as a pressure sensor that faces the fuel cells.
  • the associated media channel through the fuel cell stack therefore ends with the membrane-like component.
  • the membrane-like component can also serve as a seal. This further simplifies the construction of the fuel cell stack.
  • the proposed fuel cell stack is preferably used in a fuel cell system, a fuel cell system with a fuel cell stack according to the invention is also proposed.
  • the fuel cell stack is preferably connected to an anode submodule of the fuel cell system via a lower end plate.
  • the upper end plate arranged at the other end forms the at least one pressure sensor. This has the advantage that the pressure determined using the pressure sensor can essentially be limited to the static pressure.
  • the pressure of any medium conducted through the fuel cell stack can be determined with the aid of the described invention.
  • the medium can be a fuel, air and/or a cooling medium.
  • the invention can be implemented both on the anode side and on the cathode side. Alternatively or additionally, the invention can be implemented in the area of a cooling circuit that runs through the fuel cell stack.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a fuel cell stack according to the invention
  • FIG. 2 shows an enlarged section of FIG. 1 in the region of the upper end plate of the fuel cell stack shown.
  • FIG. 1 shows an example of a possible structure of a fuel cell stack 1 according to the invention.
  • This comprises a multiplicity of fuel cells 2 in a stacked arrangement.
  • the fuel cell stack 1 is bordered by an end plate 4, 5 at its upper and lower end.
  • Media channels 3 for supplying media to the individual fuel cells 2 extend between the end plates 4, 5, and the media can in particular be a fuel, air and/or a cooling medium.
  • the media channels 3 shown in FIG. 1 are used for the inflow and outflow of a fuel or the inflow and outflow of the anode gas.
  • the anode gas is fed in via an inlet 7 and discharged via an outlet 8 .
  • the inlet 7 and the outlet 8 can be arranged directly on the lower end plate 5 .
  • anode sub-module 9 located below the lower end plate 5 (see dashed lines in Figure 1).
  • the anode submodule 9 can contain other components required on the anode side, in particular a metering valve, a jet pump, a water separator, a water reservoir, a drain valve and/or a purge valve.
  • the upper end plate 4 of the fuel cell stack 1 shown delimits the media channels 3 used for the inflow and outflow of anode gas. At the same time, the pressure in the media channels 3 can be monitored with the aid of the upper end plate 4 . This is because the upper end plate 4 forms at least one pressure sensor.
  • a membrane-like component 6 can be integrated in each case in the upper end plates 4 in the area of the media channels 3 .
  • the pressure prevailing in the respective media channel 3 is then applied to these.
  • a pressure signal can be recorded and forwarded, in particular to an evaluation unit (not shown). The pressure can thus be monitored without a separate pressure sensor.

Abstract

The invention relates to a method for operating a fuel cell stack (1), in which multiple fuel cells (2) in a stacked arrangement are supplied with at least one medium, in particular with fuel, air and/or a cooling medium, via a plurality of media channels (3) formed in the fuel cell stack (1), and in which the pressure of the at least one medium is determined. According to the invention, the pressure of the medium is determined with the aid of an end plate (4) of the fuel cell stack (1) formed as a pressure sensor, the upper of two end plates (4, 5) surrounding the fuel cell stack (1) preferably being used. The invention also relates to a fuel cell stack (1) for carrying out the proposed method and to a fuel cell system comprising a fuel cell stack according to the invention.

Description

Beschreibung description
Titel: Title:
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels, Brennstoffzellenstapel sowie Brennstoffzellensystem mit Brennstoffzellenstapel Method for operating a fuel cell stack, fuel cell stack and fuel cell system with fuel cell stack
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel, der zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar ist, sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Brennstoffzellenstapel. The invention relates to a method for operating a fuel cell stack with the features of the preamble of claim 1. The invention also relates to a fuel cell stack that is suitable for carrying out the proposed method or can be operated according to this method, and a fuel cell system with such a fuel cell stack.
Stand der Technik State 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. Zur Leistungssteigerung werden üblicherweise mehrere Brennstoffzellen übereinanderliegend angeordnet bzw. gestapelt, so dass sie einen Brennstoffzellenstapel bzw. „Stack“ bilden. Die Versorgung der einzelnen Brennstoffzellen in einem Stack mit den erforderlichen Reaktionsgasen erfolgt in Stapelrichtung über Medienkanäle und quer zur Stapelrichtung über 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 or stacked one on top of the other, so that they form a fuel cell stack or “stack”. The individual fuel cells in a stack are supplied with the required reaction gases in the direction of the stack via media channels and transversely to the direction of the stack via distribution structures connected to the media channels.
Die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen, geht nicht nur mit der Erzeugung von elektrischer Energie einher, sondern produziert auch Wärme und Wasser. Die Brennstoffzellen müssen daher gekühlt werden. Zur Kühlung wird daher der Brennstoffzellenstapel in der Regel an einen Kühlkreis angeschlossen. Der Anschluss erfolgt ebenfalls in Stapelrichtung über Medienkanäle und quer zur Stapelrichtung über an die Medienkanäle angeschlossene Verteilerstrukturen. Zur Ausbildung der Medienkanäle weisen die einzelnen Brennstoffzellen Öffnungen auf, die beim Stapeln in Überdeckung gebracht werden, so dass übereinanderliegende Öffnungen einen Medienkanal ausbilden. Die Abdichtung kann über zwischenliegende Dichtungen bewirkt werden. Zur Ausbildung der Verteilerstrukturen können jeweils zwischen zwei Brennstoffzellen dünne geprägte Metallplatten angeordnet werden, die gefügt sind, so dass sie einen Hohlraum umschließen, der mit einem Kühlmedium beaufschlagt werden kann. Auf ihren dem Hohlraum abgewandten Seiten bilden die Metallplatten jeweils eine Verteilerstruktur für ein Reaktionsgas aus. The electrochemical reaction in the fuel cells is not only associated with the generation of electrical energy, but also produces heat and water. The fuel cells therefore have to be cooled. The fuel cell stack is therefore usually connected to a cooling circuit for cooling. The connection is also made in the stacking direction via media channels and transversely to the stacking direction via distributor structures connected to the media channels. In order to form the media channels, the individual fuel cells have openings which are brought into overlap when stacked, so that openings lying one above the other form a media channel. The sealing can be effected via intermediate seals. To form the distributor structures, thin stamped metal plates can be arranged between two fuel cells, which are joined so that they enclose a cavity to which a cooling medium can be applied. On their sides facing away from the cavity, the metal plates each form a distributor structure for a reaction gas.
Zur Sicherstellung der Medienversorgung der Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels kann der Mediendruck in den Medienkanälen überwacht werden. Die Überwachung kann mit Hilfe einer externen oder einer in den Brennstoffzellenstapel integrierten Sensorik durchgeführt werden. Aus der US 2005/0282060 Al geht beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel hervor, bei dem mindestens ein Mess- oder Sensorelement in eine Endplatte des Brennstoffzellenstapels integriert ist. To ensure the media supply to the fuel cells of a fuel cell stack, the media pressure in the media channels can be monitored. The monitoring can be carried out using an external sensor system or a sensor system integrated into the fuel cell stack. For example, US 2005/0282060 A1 discloses a fuel cell stack in which at least one measuring or sensor element is integrated into an end plate of the fuel cell stack.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die Überwachung der Medienversorgung in einem Brennstoffzellenstapel einfacher und kostengünstiger zu gestalten. Insbesondere soll auf den Einsatz einer separaten Sensorik verzichtet werden können. The present invention is concerned with the task of making the monitoring of the media supply in a fuel cell stack simpler and more cost-effective. In particular, it should be possible to dispense with the use of a separate sensor system.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie der Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel angegeben. To solve the problem, the method with the features of claim 1 and the fuel cell stack with the features of claim 5 are proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the respective dependent claims. Furthermore, a fuel cell system with a fuel cell stack according to the invention is specified.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels werden eine Vielzahl von Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung über mehrere im Brennstoffzellenstapel ausgebildete Medienkanäle mit mindestens einem Medium, insbesondere mit Brennstoff, Luft und/oder einem Kühlmedium, versorgt. Ferner wird der Druck des mindestens einen Mediums ermittelt. Erfindungsgemäß wird der Druck des Mediums mit Hilfe einer als Drucksensor ausgebildeten Endplatten des Brennstoffzellenstapels ermittelt. Auf einen separaten Drucksensor kann somit verzichtet werden. Entsprechend verringern sich die Teilezahl und die Kosten. Zugleich wird der Bauraumbedarf gesenkt. In the proposed method for operating a fuel cell stack, a large number of fuel cells in a stacked arrangement are supplied with at least one medium, in particular with fuel, air and/or a cooling medium, via a plurality of media channels formed in the fuel cell stack. provided. Furthermore, the pressure of the at least one medium is determined. According to the invention, the pressure of the medium is determined with the aid of an end plate of the fuel cell stack designed as a pressure sensor. A separate pressure sensor can thus be dispensed with. The number of parts and the costs are reduced accordingly. At the same time, the space requirement is reduced.
Der Begriff „Endplatte“ gibt Aufschluss über die Lage der Platte im Brennstoffzellenstapel. Eine Endplatte bildet demnach den Abschluss eines Brennstoffzellenstapels aus, und zwar - bedingt durch die Stapelung bzw. Stapelrichtung - den unteren oder den oberen Abschluss. Die endgültige Lage der Endplatte kann - je nach Orientierung des Brennstoffzellenstapels am Einbauort - hiervon abweichen. In der Regel wird ein Brennstoffzellenstapel von zwei Endplatten eingefasst, so dass er eine „obere“ und eine „untere“ Endplatte aufweist. Die untere Endplatte dient in der Regel dem Anschluss des Brennstoffzellenstapels an ein Anodensubmodul, über welches der Brennstoffzellenstapel mit Anodengas versorgbar ist. The term "end plate" provides information about the position of the plate in the fuel cell stack. Accordingly, an end plate forms the end of a fuel cell stack, namely—depending on the stacking or stacking direction—the lower or the upper end. The final position of the end plate can deviate from this, depending on the orientation of the fuel cell stack at the installation site. As a rule, a fuel cell stack is framed by two end plates, so that it has an “upper” and a “lower” end plate. The lower end plate is generally used to connect the fuel cell stack to an anode submodule, via which the fuel cell stack can be supplied with anode gas.
In das Anodensubmodul kann ein Drucksensor zur Drucküberwachung integriert sein. Dieser misst den statischen und den dynamischen Druck. Der dynamische Druck ist jedoch von mehreren Faktoren abhängig, insbesondere von der genauen Sensorposition sowie von der Anzahl der Brennstoffzellen, da diese den Massenstrom durch den Brennstoffzellenstapel vorgibt. Der dynamische Druck variiert demnach, so dass eine Umrechnung vorgenommen werden muss. A pressure sensor for pressure monitoring can be integrated into the anode submodule. This measures the static and dynamic pressure. However, the dynamic pressure depends on several factors, in particular the exact sensor position and the number of fuel cells, as this determines the mass flow through the fuel cell stack. The dynamic pressure varies accordingly, so that a conversion must be made.
Um dies zu vermeiden, wird im Rahmen dieser Erfindung vorgeschlagen, dass im Wesentlichen nur der statische Druck ermittelt wird. Zur Beschränkung auf den statischen Druck wird bevorzugt der Druck im Bereich der oberen Endplatte ermittelt. Denn im Bereich der oberen Endplatte sind die Geschwindigkeiten der durch den Brennstoffzellenstapel geleiteten Medien so niedrig, dass ein dynamischer Anteil kaum messbar ist. Die Messung beschränkt sich somit auf den statischen Druck. Das heißt, dass zur Ausbildung des Drucksensors vorzugsweise die obere von zwei den Brennstoffzellenstapel einfassenden Endplatten verwendet wird. In order to avoid this, it is proposed within the scope of this invention that essentially only the static pressure is determined. The pressure in the region of the upper end plate is preferably determined in order to restrict it to the static pressure. Because in the area of the upper end plate, the speeds of the media conducted through the fuel cell stack are so low that a dynamic component can hardly be measured. The measurement is therefore limited to the static pressure. This means that the upper of two end plates enclosing the fuel cell stack is preferably used to form the pressure sensor.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Druck des Mediums aus einer Verformung der als Drucksensor ausgebildeten Endplatte ermittelt. Aus der Verformungsenergie kann dann der Druck ermittelt werden. Ein solcher Drucksensor kann vergleichsweise einfach ausgebildet werden. Um die Verformung der Endplatte lokal zu beschränken, wird vorgeschlagen, dass der Druck des Mediums aus der Verformung mindestens eines in die Endplatte integrierten membranartigen Bauteils ermittelt wird. Dieses muss derart angeordnet sein, dass es vom Druck des Mediums beaufschlagt wird. Das mindestens eine membranartige Bauteil kann dann zur Aufnahme und/oder Weitergabe eines Drucksignals verwendet werden. According to a preferred embodiment of the invention, the pressure of the medium results from a deformation of the end plate designed as a pressure sensor determined. The pressure can then be determined from the deformation energy. Such a pressure sensor can be designed in a comparatively simple manner. In order to locally limit the deformation of the end plate, it is proposed that the pressure of the medium be determined from the deformation of at least one membrane-like component integrated in the end plate. This must be arranged in such a way that it is subjected to the pressure of the medium. The at least one membrane-like component can then be used to record and/or transmit a pressure signal.
Der Druck des Mediums kann wahlweise im Bereich eines dem Zulauf oder dem Ablauf des Mediums dienenden Medienkanals ermittelt werden. Der dem Zulauf oder dem Ablauf dienende Medienkanal wird durch die als Drucksensor ausgebildete Endplatte begrenzt, so dass über die Endplatte der Druck des Mediums ermittelbar ist. Sofern die Endplatte mehrere Drucksensoren ausbildet, kann der Druck sowohl in einem dem Zulauf als auch in einem dem Ablauf des Mediums dienenden Medienkanal ermittelt werden. Hierzu sind vorzugsweise mehrere membranartige Bauteile in die als Drucksensor ausgebildete Endplatte integriert. The pressure of the medium can optionally be determined in the area of a media channel serving for the inflow or outflow of the medium. The media channel serving for the inlet or outlet is delimited by the end plate designed as a pressure sensor, so that the pressure of the medium can be determined via the end plate. If the end plate forms a plurality of pressure sensors, the pressure can be determined both in a media channel serving for the inlet and for the outlet of the medium. For this purpose, several membrane-like components are preferably integrated into the end plate designed as a pressure sensor.
Der darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brennstoffzellenstapel für ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung, die über mehrere im Brennstoffzellenstapel ausgebildete Medienkanäle mit mindestens einem Medium, insbesondere mit Brennstoff, Luft und/oder ein Kühlmedium, versorgbar sind. Der Brennstoffzellenstapel umfasst ferner mindestens eine als Drucksensor ausgebildete Endplatte. Dadurch, dass die Endplatte selbst einen Drucksensor ausbildet, kann auf einen separaten Drucksensor verzichtet werden. Entsprechend sinken die Teilezahl und die Kosten zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels. Zudem kann durch den Wegfall eines separaten Drucksensors der Bauraumbedarf des Brennstoffzellenstapels gesenkt werden. The fuel cell stack for a fuel cell system that is also proposed to solve the task mentioned at the beginning comprises a large number of fuel cells in a stacked arrangement, which can be supplied with at least one medium, in particular with fuel, air and/or a cooling medium, via a number of media channels formed in the fuel cell stack. The fuel cell stack also includes at least one end plate designed as a pressure sensor. Because the end plate itself forms a pressure sensor, a separate pressure sensor can be dispensed with. The number of parts and the costs for manufacturing the fuel cell stack decrease accordingly. In addition, the installation space requirement of the fuel cell stack can be reduced by eliminating a separate pressure sensor.
Bevorzugt weist der Brennstoffzellenstapel zwei Endplatten auf, zwischen denen die Brennstoffzellen angeordnet sind. Eine erste Endplatte, die unteren Endplatte, bildet die Basis des Brennstoffzellenstapels aus. Eine zweite Endplatte, die obere Endplatte, schließt den Brennstoffzellenstapel nach oben ab. Bevorzugt ist die obere von zwei den Brennstoffzellenstapel einfassenden Endplatten als Drucksensor ausgebildet. Denn im Bereich der oberen Endplatte sind die Ge- schwindigkeiten der durch den Brennstoffzellenstapel geleiteten Medien so niedrig, dass dynamische Anteile bei der Ermittlung des Drucks kaum messbar sind. Die Druckermittlung kann somit auf den statischen Druck beschränkt werden. Im Unterschied zum dynamischen Druck kann der statische Druck unabhängig von der Zeilenzahl und/oder der jeweiligen Einbausituation ermittelt werden. Insbesondere ist keine Umrechnung erforderlich. Die Druckermittlung wird somit vereinfacht. The fuel cell stack preferably has two end plates between which the fuel cells are arranged. A first endplate, the lower endplate, forms the base of the fuel cell stack. A second end plate, the upper end plate, closes off the top of the fuel cell stack. The upper of two end plates enclosing the fuel cell stack is preferably designed as a pressure sensor. Because in the area of the upper end plate the velocities of the media routed through the fuel cell stack are so low that dynamic components can hardly be measured when determining the pressure. The pressure determination can thus be limited to the static pressure. In contrast to the dynamic pressure, the static pressure can be determined independently of the number of lines and/or the respective installation situation. In particular, no conversion is required. The pressure determination is thus simplified.
Der vorgeschlagene Brennstoffzellenstapel ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Brennstoffzellenstapels lassen sich somit die gleichen Vorteile wie mit Hilfe des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens erzielen. The proposed fuel cell stack is particularly suitable for carrying out the method according to the invention described above or can be operated according to this method. The same advantages can thus be achieved with the aid of the proposed fuel cell stack as with the aid of the method according to the invention described above.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in die als Drucksensor ausgebildete Endplatte mindestens ein membranartiges Bauteil integriert. Das integrierte membranartige Bauteil kann zur Aufnahme und/oder Weitergabe eines Drucksignals verwendet werden. Die Ausbildung der Endplatte als Drucksensor auf diese Weise vereinfacht werden. According to a preferred embodiment of the invention, at least one membrane-like component is integrated into the end plate designed as a pressure sensor. The integrated membrane-like component can be used to record and/or transmit a pressure signal. The formation of the end plate as a pressure sensor can be simplified in this way.
Bevorzugt ist das mindestens eine membranartige Bauteil im Bereich eines dem Zulauf oder dem Ablauf des Mediums dienenden Medienkanal angeordnet. Ferner bevorzugt begrenzt das membranartige Bauteil den jeweiligen Medienkanal, so dass an dem membranartigen Bauteil der im Medienkanal herrschende Druck anliegt. Sofern die als Drucksensor ausgebildete Endplatte mehr als nur ein membranartiges Bauteil aufweist, können diese sowohl zulauf- als auch ablaufseitig angeordnet sein. The at least one membrane-like component is preferably arranged in the region of a media channel serving for the inflow or outflow of the medium. Furthermore, the membrane-like component preferably delimits the respective media channel, so that the pressure prevailing in the media channel is applied to the membrane-like component. If the end plate designed as a pressure sensor has more than just one membrane-like component, these can be arranged on both the inlet and outlet sides.
Des Weiteren bevorzugt ist das mindestens eine membranartige Bauteil auf einer den Brennstoffzellen zugewandten Seite der als Drucksensor ausgebildeten Endplatte angeordnet. Der zugehörige Medienkanal durch den Brennstoffzellenstapel schließt demnach mit dem membranartigen Bauteil ab. Das membranartige Bauteil kann dabei zugleich als Dichtung dienen. Der Aufbau des Brennstoffzellenstapels wird dadurch weiter vereinfacht. Da der vorgeschlagene Brennstoffzellenstapel bevorzugt in einem Brennstoffzellensystem zum Einsatz gelangt, wird ferner ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen. Der Brennstoffzellenstapel ist dabei bevorzugt über eine untere Endplatte mit einem Anodensubmodul des Brennstoffzellensystems verbunden. Die andernends angeordnete obere Endplatte bildet in diesem Fall den mindestens einen Drucksensor aus. Dies hat den Vorteil, dass der mit Hilfe des Drucksensors ermittelte Druck im Wesentlichen auf den statischen Druck beschränkt werden kann. Furthermore, the at least one membrane-like component is preferably arranged on a side of the end plate designed as a pressure sensor that faces the fuel cells. The associated media channel through the fuel cell stack therefore ends with the membrane-like component. The membrane-like component can also serve as a seal. This further simplifies the construction of the fuel cell stack. Since the proposed fuel cell stack is preferably used in a fuel cell system, a fuel cell system with a fuel cell stack according to the invention is also proposed. The fuel cell stack is preferably connected to an anode submodule of the fuel cell system via a lower end plate. In this case, the upper end plate arranged at the other end forms the at least one pressure sensor. This has the advantage that the pressure determined using the pressure sensor can essentially be limited to the static pressure.
Mit Hilfe der beschriebenen Erfindung kann der Druck eines beliebigen durch den Brennstoffzellenstapel geleiteten Mediums ermittelt werden. Insbesondere kann es sich bei dem Medium um einen Brennstoff, Luft und/oder ein Kühlmedium handeln. Die Erfindung kann sowohl anoden- als auch kathodenseitig umgesetzt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Erfindung im Bereich eines durch den Brennstoffzellenstapel geführten Kühlkreises realisiert werden. The pressure of any medium conducted through the fuel cell stack can be determined with the aid of the described invention. In particular, the medium can be a fuel, air and/or a cooling medium. The invention can be implemented both on the anode side and on the cathode side. Alternatively or additionally, the invention can be implemented in the area of a cooling circuit that runs through the fuel cell stack.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel und 1 shows a schematic longitudinal section through a fuel cell stack according to the invention and
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 im Bereich der oberen Endplatte des dargestellten Brennstoffzellenstapels. FIG. 2 shows an enlarged section of FIG. 1 in the region of the upper end plate of the fuel cell stack shown.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Detailed description of the drawings
Figur 1 zeigt beispielhaft einen möglichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 1. Dieser umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzellen 2 in gestapelter Anordnung. Der Brennstoffzellenstapel 1 wird an seinem oberen und unteren Ende jeweils von einer Endplatte 4, 5 eingefasst. Zwischen den Endplatten 4, 5 erstrecken sich Medienkanäle 3 zur Medienversorgung der einzelnen Brennstoffzellen 2, wobei es sich bei den Medien insbesondere um einen Brennstoff, Luft und/oder ein Kühlmedium handeln kann. Die in der Figur 1 dargestellten Medienkanäle 3 dienen dem Zu- und Ablauf eines Brennstoffs bzw. dem Zu- und Ablauf des Anodengases. Das Anodengas wird über einen Einlass 7 zugeführt und über einen Auslass 8 abgeführt. Der Einlass 7 und der Auslass 8 können unmittelbar an der unteren Endplatte 5 angeordnet sein. Alternativ können sie Bestandteil eines Anodensubmoduls 9 sein, das unterhalb der unteren Endplatte 5 angeordnet ist (siehe gestrichelte Linien in der Figur 1). Das Anodensubmodul 9 kann weitere auf der Anodenseite benötigte Komponenten enthalten, insbesondere ein Dosierventil, eine Strahlpumpe, einen Wasserabscheider, einen Wasserspeicher, ein Drainventil und/oder ein Purge- ventil. FIG. 1 shows an example of a possible structure of a fuel cell stack 1 according to the invention. This comprises a multiplicity of fuel cells 2 in a stacked arrangement. The fuel cell stack 1 is bordered by an end plate 4, 5 at its upper and lower end. Media channels 3 for supplying media to the individual fuel cells 2 extend between the end plates 4, 5, and the media can in particular be a fuel, air and/or a cooling medium. The media channels 3 shown in FIG. 1 are used for the inflow and outflow of a fuel or the inflow and outflow of the anode gas. The anode gas is fed in via an inlet 7 and discharged via an outlet 8 . The inlet 7 and the outlet 8 can be arranged directly on the lower end plate 5 . Alternatively, they may form part of an anode sub-module 9 located below the lower end plate 5 (see dashed lines in Figure 1). The anode submodule 9 can contain other components required on the anode side, in particular a metering valve, a jet pump, a water separator, a water reservoir, a drain valve and/or a purge valve.
Die obere Endplatte 4 des dargestellten Brennstoffzellenstapels 1 begrenzt die dem Zulauf und dem Ablauf von Anodengas dienenden Medienkanäle 3. Zugleich kann mit Hilfe der oberen Endplatte 4 der Druck in den Medienkanälen 3 überwacht werden. Denn die obere Endplatte 4 bildete mindestens einen Drucksensor aus. The upper end plate 4 of the fuel cell stack 1 shown delimits the media channels 3 used for the inflow and outflow of anode gas. At the same time, the pressure in the media channels 3 can be monitored with the aid of the upper end plate 4 . This is because the upper end plate 4 forms at least one pressure sensor.
Wie beispielhaft in der Figur 2 dargestellt kann hierzu in die obere Endplatten 4 im Bereich der Medienkanäle 3 jeweils ein membranartiges Bauteil 6 integriert sein. An diesen liegt dann der im jeweiligen Medienkanal 3 herrschende Druck an. Mit Hilfe der membranartigen Bauteile 6 kann jeweils ein Drucksignal aufgenommen und weitergegeben werden, insbesondere an einer Auswerteeinheit (nicht dargestellt). Die Drucküberwachung kann somit ohne separaten Drucksensor vorgenommen werden. As shown by way of example in FIG. 2, a membrane-like component 6 can be integrated in each case in the upper end plates 4 in the area of the media channels 3 . The pressure prevailing in the respective media channel 3 is then applied to these. With the help of the membrane-like components 6, a pressure signal can be recorded and forwarded, in particular to an evaluation unit (not shown). The pressure can thus be monitored without a separate pressure sensor.

Claims

- 8 - Ansprüche - 8 - Claims
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels (1), bei dem eine Vielzahl von Brennstoffzellen (2) in gestapelter Anordnung über mehrere im Brennstoffzellenstapel (1) ausgebildete Medienkanäle (3) mit mindestens einem Medium, insbesondere mit Brennstoff, Luft und/oder einem Kühlmedium, versorgt werden und bei dem der Druck des mindestens einen Mediums ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Mediums mit Hilfe einer als Drucksensor ausgebildeten Endplatte (4) des Brennstoffzellenstapels (1) ermittelt wird, wobei vorzugsweise die obere von zwei den Brennstoffzellenstapel (1) einfassenden Endplatten (4, 5) verwendet wird. 1. A method for operating a fuel cell stack (1), in which a large number of fuel cells (2) in a stacked arrangement are connected to at least one medium, in particular fuel, air and/or a cooling medium, via a plurality of media channels (3) formed in the fuel cell stack (1). , are supplied and in which the pressure of the at least one medium is determined, characterized in that the pressure of the medium is determined with the aid of an end plate (4) of the fuel cell stack (1) designed as a pressure sensor, with the upper of the two preferably measuring the fuel cell stack ( 1) enclosing end plates (4, 5) is used.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Mediums aus einer Verformung der als Drucksensor ausgebildeten Endplatte (4), insbesondere aus der Verformung mindestens eines in die Endplatte (4) integrierten membranartigen Bauteils (6), ermittelt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the pressure of the medium is determined from a deformation of the end plate (4) designed as a pressure sensor, in particular from the deformation of at least one membrane-like component (6) integrated into the end plate (4).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine membranartige Bauteil (6) zur Aufnahme und/oder Weitergabe eines Drucksignals verwendet wird. 3. The method according to claim 2, characterized in that the at least one membrane-like component (6) is used to record and/or transmit a pressure signal.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Mediums im Bereich eines dem Zulauf oder dem Ablauf des Mediums dienenden Medienkanals (3) ermittelt wird. 4. The method as claimed in one of the preceding claims, characterized in that the pressure of the medium is determined in the region of a media channel (3) serving for the inflow or outflow of the medium.
5. Brennstoffzellenstapel (1) für ein Brennstoffzellensystem, umfassend eine Vielzahl von Brennstoffzellen (2) in gestapelter Anordnung, die über mehrere im Brennstoffzellenstapel (1) ausgebildete Medienkanäle (3) mit mindestens einem Medium, insbesondere mit Brennstoff, Luft und/oder einem Kühlmedium, versorgbar sind, ferner umfassend mindestens eine als Drucksensor ausgebildete Endplatte (4, 5), wobei es sich vorzugsweise um die obere von zwei den Brennstoffzellenstapel (1) einfassenden Endplatten (4, 5) handelt. - 9 - 5. Fuel cell stack (1) for a fuel cell system, comprising a multiplicity of fuel cells (2) in a stacked arrangement, which are connected to at least one medium, in particular fuel, air and/or a cooling medium, via a plurality of media channels (3) formed in the fuel cell stack (1). , can be supplied, further comprising at least one end plate (4, 5) designed as a pressure sensor, which is preferably the upper of two end plates (4, 5) enclosing the fuel cell stack (1). - 9 -
6. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die als Drucksensor ausgebildete Endplatte (4) mindestens ein membranartiges Bauteil (6) integriert ist. 6. The fuel cell stack (1) according to claim 5, characterized in that at least one membrane-like component (6) is integrated into the end plate (4) designed as a pressure sensor.
7. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine membranartige Bauteil (6) im Bereich eines dem Zulauf oder dem Ablauf des Mediums dienenden Medienkanal (3) angeordnet ist. 7. The fuel cell stack (1) according to claim 6, characterized in that the at least one membrane-like component (6) is arranged in the region of a media channel (3) serving for the inlet or outlet of the medium.
8. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine membranartige Bauteil (6) auf einer den Brennstoffzellen (2) zugewandten Seite der als Drucksensor ausgebildeten Endplatte (4) angeordnet ist. 8. Fuel cell stack (1) according to claim 6 or 7, characterized in that the at least one membrane-like component (6) is arranged on a fuel cell (2) facing side of the end plate (4) designed as a pressure sensor.
9. Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei vorzugsweise der Brennstoffzellenstapel (1) über eine untere Endplatte (5) mit einem Anodensubmodul (9) des Brennstoffzellensystems verbunden ist. 9. Fuel cell system with a fuel cell stack (1) according to any one of claims 5 to 8, wherein the fuel cell stack (1) is preferably connected via a lower end plate (5) to an anode submodule (9) of the fuel cell system.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030022052A1 (en) * 2001-07-27 2003-01-30 Kearl Daniel A. Bipolar plates and end plates for fuel cells and methods for making the same
US20050282060A1 (en) 2004-06-18 2005-12-22 Mti Micro Fuel Cells, Inc. Fuel cell endplate system
US20130295491A1 (en) * 2011-06-28 2013-11-07 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
CN109065933A (en) * 2018-07-30 2018-12-21 冯强 A kind of integrated fuel cell end plate
CN110729499A (en) * 2019-10-29 2020-01-24 卢善喜 Fuel cell stack with end plate heating

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030022052A1 (en) * 2001-07-27 2003-01-30 Kearl Daniel A. Bipolar plates and end plates for fuel cells and methods for making the same
US20050282060A1 (en) 2004-06-18 2005-12-22 Mti Micro Fuel Cells, Inc. Fuel cell endplate system
US20130295491A1 (en) * 2011-06-28 2013-11-07 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Fuel cell system
CN109065933A (en) * 2018-07-30 2018-12-21 冯强 A kind of integrated fuel cell end plate
CN110729499A (en) * 2019-10-29 2020-01-24 卢善喜 Fuel cell stack with end plate heating

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