DE102019001337B4

DE102019001337B4 - Fuel cell stack

Info

Publication number: DE102019001337B4
Application number: DE102019001337.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Schudy
Original assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2024-06-06
Anticipated expiration: 2039-02-27
Also published as: DE102019001337A1

Abstract

Brennstoffzellenstapel mit mehreren Separatorplatten (1) zur Medienverteilung in einer Einzelzelle (8) eines Brennstoffzellenstapels (9), mit jeweils wenigstens einem Strömungsfeld (12) und wenigstens einem Durchbruch (5) zur Abfuhr der Medien aus der Einzelzelle (8), welcher über wenigstens einen Verbindungskanal (15) mit dem Strömungsfeld (12) verbunden ist, wobei der wenigstens eine Verbindungskanal (15) bezogen auf eine Mittelachse (M) senkrecht zum Querschnitt des Durchbruchs (5) außermittig und bezogen auf die Mitte der dem Strömungsfeld (12) zugewandten Seite des Durchbruchs mit unsymmetrischer Verteilung seines Querschnitts in dem Durchbruch (5) mündet., wobei diese fluchtend angeordnet sind, sodass die Durchbrüche (5) zur Medienabfuhr einen in Stapelrichtung (S) verlaufenden Abfuhrkanal (16) ausbilden, wobei der Abfuhrkanal (16) als Flüssigkeitsabscheider ausgebildet ist, in welchem sich durch die Drallströmung (17, 17.1, 17.2) Flüssigkeit an den Wänden des Abfuhrkanals (16) sammelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Abfuhrkanal (16) wenigstens einen wandnahen Auslass (23) für eine flüssige Phase und einen auf die Mittelachse (M) bezogen zentralen Auslass (24) für eine gasförmige Phase aufweist.Fuel cell stack with several separator plates (1) for media distribution in an individual cell (8) of a fuel cell stack (9), each with at least one flow field (12) and at least one opening (5) for removing the media from the individual cell (8), which is connected to the flow field (12) via at least one connecting channel (15), wherein the at least one connecting channel (15) opens into the opening (5) off-center with respect to a center axis (M) perpendicular to the cross section of the opening (5) and with an asymmetrical distribution of its cross section with respect to the center of the side of the opening facing the flow field (12), wherein these are arranged in alignment so that the openings (5) for media removal form a discharge channel (16) running in the stack direction (S), wherein the discharge channel (16) is designed as a liquid separator in which liquid is deposited on the walls of the discharge channel by the swirling flow (17, 17.1, 17.2). (16), characterized in that the discharge channel (16) has at least one outlet (23) close to the wall for a liquid phase and a central outlet (24) for a gaseous phase relative to the central axis (M).

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Separatorplatten zur Medienverteilung in einer Einzelzelle eines Brennstoffzellenstapels, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a fuel cell stack with a plurality of separator plates for media distribution in an individual cell of a fuel cell stack, according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.

Der Aufbau eines Brennstoffzellenstapels aus einer Vielzahl von Einzelzellen ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Bei einer Brennstoffzelle in PEM-Technologie ist es beispielsweise so, dass zwischen zwei Separatorplatten, welche die anodenseitigen und die kathodenseitigen Gase zuführen, eine sogenannte Membranelektrodenanordnung (MEA) angeordnet ist, welche aus einer Gasdiffusionsschicht, den Katalysatoren und der eigentlichen Membran, welche das Elektrolyt der Einzelzelle bildet, aufgebaut sind. Die Separatorplatten sind dann häufig zu sogenannten Bipolarplatten zusammengefasst, sodass die eine Oberfläche der Separatorplatte die Anodenseite der einen Zelle und die andere Oberfläche die Kathodenseite der benachbarten Einzelzelle ausbildet. Häufig ist es so, dass zwischen den Oberflächen der Separatorplatten oder auch zwischen zwei Teilplatten der Bipolarplatte außerdem Kanäle für ein Kühlmedium zur Abfuhr von Abwärme aus der Brennstoffzelle vorgesehen sind. All dies ist dem Fachmann soweit aus dem Stand der Technik bekannt.The structure of a fuel cell stack made up of a large number of individual cells is known from the prior art. In a fuel cell using PEM technology, for example, a so-called membrane electrode assembly (MEA) is arranged between two separator plates that supply the anode-side and cathode-side gases. This assembly is made up of a gas diffusion layer, the catalysts and the actual membrane that forms the electrolyte of the individual cell. The separator plates are then often combined to form so-called bipolar plates, so that one surface of the separator plate forms the anode side of one cell and the other surface forms the cathode side of the adjacent individual cell. It is often the case that channels for a cooling medium for dissipating waste heat from the fuel cell are also provided between the surfaces of the separator plates or between two partial plates of the bipolar plate. All of this is known to the person skilled in the art from the prior art.

Bei der Umsetzung von Wasserstoff und Sauerstoff zu elektrischer Energie entsteht als Produkt Wasser. Dieses Wasser wird über die Strömungsfelder der Separatorplatten mit abgeführt und gelangt aus der Brennstoffzelle. Es muss dann insbesondere auf der Anodenseite, auf welcher die Abgase bzw. unverbrauchten Restgase häufig rezirkuliert werden, abgeschieden werden, bevor die Abgase wieder zurückgeführt werden, um ein Fluten der Zelle mit dem Produktwasser zu verhindern. Ein vergleichbarer Aufbau ist häufig auch auf der Kathodenseite vorhanden, entweder weil auch hier die Rückführung eines Teils der Abgase stattfindet, oder weil die Abgase beispielsweise nach der Brennstoffzelle in einer Turbine entspannt werden, welche vom flüssigem Wasser freigehalten werden muss, um eine Schädigung der schnelllaufenden Turbine zu verhindern. Aus diesem Grund ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt in den Abgasen einer Brennstoffzelle Wasserabscheider anzuordnen. Diese Wasserabscheider sind dabei typischerweise als separate Bauteile ausgeführt, was das Brennstoffzellensystem relativ groß, schwer und aufwändig sowohl im Aufbau als auch hinsichtlich der Montage macht.When hydrogen and oxygen are converted into electrical energy, water is produced as a product. This water is carried away via the flow fields of the separator plates and leaves the fuel cell. It must then be separated, particularly on the anode side, on which the exhaust gases or unused residual gases are often recirculated, before the exhaust gases are returned to prevent the cell from being flooded with the product water. A similar structure is often also present on the cathode side, either because part of the exhaust gases are also returned here, or because the exhaust gases are expanded in a turbine after the fuel cell, for example, which must be kept free of liquid water to prevent damage to the high-speed turbine. For this reason, it is known from the general state of the art to arrange water separators in the exhaust gases of a fuel cell. These water separators are typically designed as separate components, which makes the fuel cell system relatively large, heavy and complex both in terms of construction and assembly.

Die DE 10 2012 020 294 A1 der Anmelderin schlägt deshalb einen speziellen Brennstoffzellenstapel vor, welcher zumindest auf der Anodenseite einen integrierten Wasserabscheider aufweist, welcher so in den Brennstoffzellenstapel eingebaut wird, dass dieser Teil des Brennstoffzellenstapels bzw. seines Gehäuses ist. Der Aufbau spart Bauraum und Schnittstellen ein. Allerdings erfordert er einen speziell aufgebauten Brennstoffzellenstapel mit einer bestimmungsgemäßen Einbaurichtung, sodass sich das Wasser aus den seitlich offenen Strömungsfeldern sich in Richtung der Schwerkraft unten in dem schräg angeordneten Aufbau des Brennstoffzellenstapels sammeln kann.The EN 10 2012 020 294 A1 The applicant therefore proposes a special fuel cell stack which has an integrated water separator at least on the anode side, which is installed in the fuel cell stack in such a way that it is part of the fuel cell stack or its housing. The design saves installation space and interfaces. However, it requires a specially constructed fuel cell stack with a proper installation direction so that the water from the laterally open flow fields can collect in the direction of gravity at the bottom in the diagonally arranged structure of the fuel cell stack.

Die US 2011/0053031 A1 beschreibt eine Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel, bei welcher die Verbindung zwischen dem eigentlichen Strömungsfeld der Separatorplatte und den Zu- und Abfuhröffnungen für die Medien über schräg verlaufende Kanalabschnitte ausgebildet ist. Etwas ähnliches zeigt auch die DE 10 2013 200 112 A1 .The US 2011/0053031 A1 describes a separator plate for a fuel cell stack, in which the connection between the actual flow field of the separator plate and the inlet and outlet openings for the media is formed via inclined channel sections. Something similar is also shown in the EN 10 2013 200 112 A1 .

Aus der US 2008/0199750 A1 ist außerdem ein Brennstoffzellenstapel aus Separatorplatten bekannt, bei welchen durchlaufende Medienkanäle aus dem Abführöffnungen der einzelnen Separatorplatten gebildet werden. Über komplexe Forme der Platten wird dabei eine Drallströmung in den Medienkanälen erzeugt, die zum Abscheiden von flüssigem Wasser aus den Medienströmen genutzt wird.From the US 2008/0199750 A1 A fuel cell stack made of separator plates is also known, in which continuous media channels are formed from the discharge openings of the individual separator plates. The complex shape of the plates creates a swirling flow in the media channels, which is used to separate liquid water from the media flows.

Zum weiteren Stand der Technik kann außerdem auf die EP 1 942 546 B1 hingewiesen werden. In dieser Schrift wird ein gezielt gerichteter Drall in den Zuleitungen zu den Strömungsfeldern eines Brennstoffzellenstapels erzeugt bzw. durch eine gezielte Einströmung ein unerwünschter Drall vermieden. Das Ziel ist hier, die flüssige Phase zur Befeuchtung der Membranen und die Gasphase möglichst nicht zu trennen, sondern den entsprechenden Stellen möglichst homogen zuzuführen, um eine gleichmäßige Versorgung der einzelnen Zellen des Brennstoffzellenstapels zu erreichen.For further information on the state of the art, please refer to EP 1 942 546 B1 In this document, a targeted swirl is generated in the supply lines to the flow fields of a fuel cell stack, or an undesirable swirl is avoided by a targeted inflow. The aim here is to avoid separating the liquid phase for moistening the membranes and the gas phase, but to supply them to the appropriate points as homogeneously as possible in order to achieve a uniform supply to the individual cells of the fuel cell stack.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, den bekannten Aufbau weiter zu verbessern und in seiner Flexibilität hinsichtlich des Einbaus zu optimieren.The object of the present invention is to further improve the known structure and to optimize its flexibility with regard to installation.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Separatorplatte finden sich in den hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention, this object is achieved by a fuel cell stack with the features in claim 1, and here in particular in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the separator plate can be found in the dependent subclaims.

Die im erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel eingesetzte Separatorplatte zur Medienverteilung in einer Einzelzelle eines Brennstoffzellenstapels sieht es, vergleichbar wie im Stand der Technik, vor, dass diese wenigstens ein Strömungsfeld und wenigstens einen Durchbruch zur Abfuhr der Medien aus der Einzelzelle aufweist, wobei der Durchbruch über wenigstens einen Verbindungskanal mit dem Strömungsfeld verbunden ist. Dies entspricht soweit dem aus dem Stand der Technik bekannten und typischen Aufbau einer Separatorplatte, welche typischerweise Durchbrüche zur Zu- und Abfuhr der anodenseitigen Edukte und Produkte, der kathodenseitigen Edukte und Produkte sowie eines flüssigen Kühlmediums aufweist.The separator plate used in the fuel cell stack according to the invention for media distribution in a single cell of a fuel cell stack provides, comparable to the prior art, that it has at least one flow field and at least one opening for the removal of the media from the individual cell, wherein the opening is connected to the flow field via at least one connecting channel. This corresponds to the typical structure of a separator plate known from the prior art, which typically has openings for the supply and removal of the anode-side reactants and products, the cathode-side reactants and products, and a liquid cooling medium.

Das Strömungsfeld für die beispielsweise anodenseitigen Medien ist auf einer seiner einen Seite mit dem Durchbruch zur Zufuhr der Edukte für die Anoden verbunden und auf seiner anderen Seite mit dem für die hier vorliegende Erfindung relevanten Durchbruch zur Abfuhr der Produkte, also typischerweise Wasser und Restgase beispielsweise aus der Anode der Einzelzelle. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass der wenigstens eine Verbindungskanal bezogen auf eine Mittelachse senkrecht zum Querschnitt des Durchbruchs außermittig und bezogen auf die Mitte der dem Strömungsfeld zugewandten Seite des Durchbruchs mit unsymmetrischer Verteilung seines Querschnitts in den Durchbruch mündet. Die Verbindungskanäle oder der eine Verbindungskanal münden bzw. mündet also außermittig und bezogen auf die Seite unsymmetrisch, im Wesentlichen also auf einer Seite tangential zum Umfang des Durchbruchs in diesen. Hierdurch entsteht, anders als bei den Aufbauten im Stand der Technik in dem Durchbruch eine gerichtete Strömung der Produkte, insbesondere eine Drallströmung, um die Mittelachse des jeweiligen Durchbruchs.The flow field for the media on the anode side, for example, is connected on one side to the opening for supplying the reactants for the anodes and on the other side to the opening relevant for the present invention for removing the products, i.e. typically water and residual gases, for example from the anode of the individual cell. According to the invention, it is now provided that the at least one connecting channel opens into the opening eccentrically with respect to a central axis perpendicular to the cross section of the opening and with an asymmetrical distribution of its cross section with respect to the center of the side of the opening facing the flow field. The connecting channels or the one connecting channel therefore open into the opening eccentrically and asymmetrically with respect to the side, i.e. essentially on one side tangential to the circumference of the opening. This creates a directed flow of the products in the opening, in particular a swirling flow, around the central axis of the respective opening, unlike the structures in the prior art.

Wenn alle der Separatorplatten eines Brennstoffzellenstapels in dieser Art ausgebildet sind, dann ergibt sich durch die fluchtend angeordneten Durchbrüche zur Medienabfuhr ein in Stapelrichtung entlang der Mittelachse verlaufender Abfuhrkanal. Durch die außermittige und unsymmetrische bzw. einseitig tangentiale Einströmung der Gase in zumindest einigen der Separatorplatten ergibt sich dann die Funktionalität eines Flüssigkeitsabscheiders in dem Abfuhrkanal, da sich eine Drallströmung einstellt, welche in der Art eines Zyklonabscheiders dafür sorgt, dass die schwerere Flüssigkeit sich an den Wänden des Abfuhrkanals sammelt.If all of the separator plates of a fuel cell stack are designed in this way, then the aligned openings for media removal result in a discharge channel running in the direction of the stack along the central axis. The off-center and asymmetrical or one-sided tangential inflow of the gases in at least some of the separator plates then results in the functionality of a liquid separator in the discharge channel, as a swirling flow is created which, like a cyclone separator, ensures that the heavier liquid collects on the walls of the discharge channel.

Damit ist der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel mit mehreren derartigen Separatorplatten in der Lage, die Flüssigkeit im Abfuhrkanal des Brennstoffzellenstapels abzuscheiden und kann so auf einen externen Flüssigkeitsabscheider verzichten, ohne die mit dem eingangs genannten Stand der Technik einhergehenden Einschränkungen hinsichtlich des Aufbaus und der Ausrichtung des Brennstoffzellenstapels bei der Montage zu haben.Thus, the fuel cell stack according to the invention with several such separator plates is able to separate the liquid in the discharge channel of the fuel cell stack and can thus dispense with an external liquid separator without having the restrictions associated with the state of the art mentioned at the beginning with regard to the structure and orientation of the fuel cell stack during assembly.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einiger der Separatorplatten mit der speziellen Ausrichtung des wenigstens einen Verbindungskanals zwischen dem Strömungsfeld und dem Durchbrauch als Teil des Abfuhrkanals wird also eine außerordentlich einfache und effiziente Integration des Flüssigkeitsabscheiders in dem Brennstoffzellenstapel bzw. dem jeweiligen Abfuhrkanal erreicht. Der Brennstoffzellenstapel ist damit in seinem Handling und der notwendigen Ausrichtung des Brennstoffzellenstapels, anders als beim eingangs genannten Stand der Technik, nicht eingeschränkt und kann somit hochflexibel und ohne die Beachtung einer Vorzugsrichtung eingesetzt werden. Der Abfuhrkanal als Flüssigkeitsabscheider lässt sich dabei sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig realisieren. Dafür reichen bereits einige der Separatorplatten in einem Brennstoffzellenstapel aus. Vorzugsweise sind jedoch alle der Separatorplatten in der erfindungsgemäßen Art und Weise ausgebildet.The inventive design of some of the separator plates with the special alignment of at least one connecting channel between the flow field and the passage as part of the discharge channel thus achieves an extremely simple and efficient integration of the liquid separator in the fuel cell stack or the respective discharge channel. The fuel cell stack is therefore not restricted in its handling and the necessary alignment of the fuel cell stack, unlike the prior art mentioned at the beginning, and can therefore be used highly flexibly and without observing a preferred direction. The discharge channel as a liquid separator can be implemented on both the anode side and the cathode side. A few of the separator plates in a fuel cell stack are sufficient for this. Preferably, however, all of the separator plates are designed in the manner according to the invention.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann es außerdem vorgesehen sein, dass der Abfuhrkanal wenigstens einen wandnahen Auslass für eine flüssige Phase und einen auf die Mittelachse bezogenen zentralen Auslass für eine gasförmige Phase aufweist. Die Ausgestaltung des Abfuhrkanals als Flüssigkeitsabscheider unter Ausnutzung der Drallströmung, welche sich ergibt, wenn zumindest einige der Separatorplatten in der erfindungsgemäßen Art und Weise ausgebildet sind, kann also dadurch komplettiert werden, dass nun wandnah beispielsweise über einen umlaufenden Schlitz oder auch einzelne Öffnungen die flüssige Phase, welche an der Wand des Abfuhrkanals entlang strömt, abgezogen werden kann. Die gasförmige Phase, welche im Wesentlichen um die zentrale Mittelachse herum strömt, da sie durch die Drallströmung aufgrund des leichteren Gewichts der Gase nicht bis zu den Wänden nach außen gedrückt wird, kann dann zentral abgeführt werden. Durch einen einfachen Aufbau mit wandnahem und zentralem Anschluss lassen sich so Gas und Wasser unabhängig voneinander aus dem Abfuhrkanal in dem Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung abführen.According to a very advantageous development of the idea, it can also be provided that the discharge channel has at least one outlet close to the wall for a liquid phase and a central outlet related to the central axis for a gaseous phase. The design of the discharge channel as a liquid separator using the swirl flow that results when at least some of the separator plates are designed in the manner according to the invention can therefore be completed by the liquid phase that flows along the wall of the discharge channel being able to be removed close to the wall, for example via a circumferential slot or individual openings. The gaseous phase, which essentially flows around the central central axis because it is not pushed out to the walls by the swirl flow due to the lighter weight of the gases, can then be discharged centrally. By means of a simple structure with a connection close to the wall and a central connection, gas and water can be discharged independently of one another from the discharge channel in the fuel cell stack according to the invention.

Der Brennstoffzellenstapel kann dabei als Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel ausgebildet sein, insbesondere so, dass er als Elektrolyt Polymermembranen aufweist. Ein solcher Brennstoffzellenstapel in PEM-Technologie produziert besonders viel flüssiges Produktwasser, da er auf einem Temperaturniveau arbeitet, bei dem das Produktwasser häufig bereits flüssig ist. Daher ist es von besonderem Vorteil, den Wasserabscheider in den Abfuhrkanal eines solchen Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapels zu integrieren, da hier die Gefahr einer Weiterleitung des Wassers, insbesondere einer Zurückleitung bei einer Abgasrückführung oder auch der Weiterleitung in nachfolgende Bauteile, welche das Wasser nicht vertragen, besonders hoch ist.The fuel cell stack can be designed as a low-temperature fuel cell stack, in particular in such a way that it has polymer membranes as the electrolyte. Such a fuel cell stack in PEM technology produces a particularly large amount of liquid product water, since it operates at a temperature level at which the product water is often already liquid. It is therefore particularly advantageous to integrate the water separator into the discharge channel of such a low-temperature fuel cell stack, since this reduces the risk of the water being passed on, in particular being passed back during exhaust gas recirculation. or the transfer to subsequent components which cannot tolerate the water, is particularly high.

Die Integration des Wasserabscheiders in den Abfuhrkanal, welche lediglich durch eine kleine erfindungsgemäße Veränderung der Ausrichtung des wenigstens einen Verbindungskanals in der Separatorplatte erreicht wird, bietet deshalb vor allem bei Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapeln einen entscheidenden Vorteil gegenüber dem Stand der Technik. Solche Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel können für verschiedenartige Anwendungen eingesetzt werden. Ein besonders effizienter und kompakter Aufbau, wie er durch die erfindungsgemäß ausgestatteten Separatorplatten zu erzielen ist, eignet sich dabei insbesondere für den Einsatz der Brennstoffzellenstapel in einem Fahrzeug, in welchem sie die Antriebsleistung für das Fahrzeug bereitstellen können.The integration of the water separator into the discharge channel, which is achieved by merely making a small change in the alignment of at least one connecting channel in the separator plate according to the invention, therefore offers a decisive advantage over the prior art, particularly in the case of low-temperature fuel cell stacks. Such low-temperature fuel cell stacks can be used for a variety of applications. A particularly efficient and compact structure, as can be achieved by the separator plates equipped according to the invention, is particularly suitable for the use of the fuel cell stacks in a vehicle in which they can provide the drive power for the vehicle.

Der wenigstens eine Verbindungskanal kann dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung in der Separatorplatte durch mehrere parallele Durchbrüche gebildet sein. According to an advantageous further development, the at least one connecting channel can be formed by several parallel openings in the separator plate.

Dies schafft einerseits einen ausreichend großen durchströmbaren Querschnitt und erlaubt andererseits eine gerichtete Durchströmung des Verbindungskanals, um die gewünschte Einströmung in den Durchbruch bzw. den durch mehrere hintereinander gestapelte Durchbrüche ausgebildeten Abfuhrkanal zu erreichen.On the one hand, this creates a sufficiently large cross-section for flow and, on the other hand, allows a directed flow through the connecting channel in order to achieve the desired inflow into the opening or the discharge channel formed by several openings stacked one behind the other.

Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Idee sieht es ferner vor, dass der wenigstens eine Verbindungskanal schräg zur Seitenkante des Durchbruchs in diesen mündet. Dieser Aufbau ist besonders einfach und effizient, da er die Drallströmung durch eine schräge Ausführung des wenigstens einen Verbindungskanals erreichen kann.Another very advantageous embodiment of the idea provides that the at least one connecting channel opens into the opening at an angle to the side edge of the opening. This structure is particularly simple and efficient, since it can achieve the swirl flow by means of an oblique design of the at least one connecting channel.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann ein Winkel der schrägen Einmündung des wenigstens einen Verbindungskanals dabei so gewählt sein, dass sich eine gewünschte Ausrichtung der Drallströmung in dem Durchbruch ergibt, um dessen Ausgestaltung als Teil des Flüssigkeitsabscheiders zu optimieren.According to an advantageous development of the idea, an angle of the oblique mouth of the at least one connecting channel can be selected such that a desired orientation of the swirl flow in the opening results in order to optimize its design as part of the liquid separator.

Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung kann es ferner vorgesehen sein, dass das Strömungsfeld eine Kanalstruktur und wenigstens einen offen Sammelbereich aufweist, wobei der Sammelbereich mit dem Durchbruch verbunden ist. Das Strömungsfeld kann also so aufgebaut sein, dass es beispielsweise zentral eine Kanalstruktur mit z.B. parallelen Kanälen, zur gleichmäßigen Verteilung der Gase auf die Membranelektrodenanordnung aufweist. Sowohl zwischen dem Durchbruch, welcher den Medieneinlass bildet, als auch dem den Medienauslass bildenden Durchbruch kann dabei ein Sammelbereich angeordnet sein, welcher im Vergleich zu den Kanälen eine offene Struktur, mit z.B. Noppen, hat, sodass Gase auch quer zur Durchströmungsrichtung verteilt werden können. Ein solcher Sammelbereich, welcher im Bereich der Einströmung auch als Verteilbereich bezeichnet werden könnte, erlaubt somit eine Verbesserung der gleichmäßigen Durchströmung der Kanalstruktur und eine effiziente Sammlung der Produkte zur Weiterleitung in den als Produktabfuhr dienenden Durchbruch über den wenigstens einen Verbindungskanal, welcher so ausgebildet ist, dass letztlich die Drallströmung entsteht.According to another very advantageous embodiment, it can also be provided that the flow field has a channel structure and at least one open collection area, the collection area being connected to the opening. The flow field can therefore be constructed in such a way that it has, for example, a central channel structure with, for example, parallel channels for the uniform distribution of the gases to the membrane electrode arrangement. A collection area can be arranged both between the opening that forms the media inlet and the opening that forms the media outlet, which has an open structure compared to the channels, with, for example, knobs, so that gases can also be distributed transversely to the flow direction. Such a collection area, which could also be referred to as a distribution area in the area of the inflow, thus allows an improvement in the uniform flow through the channel structure and an efficient collection of the products for forwarding to the opening that serves as product discharge via the at least one connecting channel, which is designed in such a way that the swirl flow ultimately arises.

Die Separatorplatte kann dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee als Bipolarplatte ausgebildet sein, bzw. eine Teilplatte ausbilden, welche mit einer anderen Teilplatte zusammen die Bipolarplatte bildet. Insbesondere kann dabei zwischen den beiden Teilplatten, welche jeweils ein Strömungsfeld für die Anodenseite und die Kathodenseite von benachbarten Einzelzellen ausbilden, eine Struktur zur Durchleitung eines Kühlmediums angeordnet sein.According to an advantageous development of the idea, the separator plate can be designed as a bipolar plate or form a partial plate which together with another partial plate forms the bipolar plate. In particular, a structure for passing through a cooling medium can be arranged between the two partial plates, which each form a flow field for the anode side and the cathode side of adjacent individual cells.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Separatorplatte und des Brennstoffzellenstapels ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.Further advantageous embodiments of the separator plate and the fuel cell stack also emerge from the embodiment, which is described in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:

1 die Draufsicht auf eine Separatorplatte in einer Ausgestaltung gemäß dem Stand der Technik;
2 einen Ausschnitt aus einer Separatorplatte für einen Brennstoffzellenstapel in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung;
3 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels in einer Ausführung gemäß der Erfindung; und
4 ein Detail aus der Darstellung der 3 mit eingezeichneten Produktströmen.

Showing:

1 the top view of a separator plate in a design according to the prior art;
2 a section of a separator plate for a fuel cell stack in an embodiment according to the invention;
3 a schematic view of a fuel cell stack in an embodiment according to the invention; and
4 a detail from the representation of the 3 with product flows marked.

In der 1 ist die Draufsicht auf eine mit 1 bezeichnete Separatorplatte, beispielsweise die Anodenseite einer Bipolarplatte, gezeigt. Der Aufbau entspricht dabei im Wesentlichen dem Stand der Technik, ist jedoch nicht maßstäblich dargestellt. Die Separatorplatte 1 weist an ihren beiden Seiten mehrere Durchbrüche 2 bis 7 auf, welche zur Zufuhr und Abfuhr von Medien dienen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Draufsicht auf die Oberfläche der Separatorplatte 1, welche der Anodenseite einer benachbarten Einzelzelle 8 eines in seiner Gesamtheit in 3 angedeuteten Brennstoffzellenstapels 9 zugewandt ist, dargestellt. Sie hat beispielsweise rechts oben den mit 2 bezeichneten Durchbruch, welcher zusammen mit vergleichbaren Durchbrüchen benachbarter Separatorplatten einen Zufuhrkanal für Wasserstoff ausbildet. Der Wasserstoff strömt dann durch diesen einen Teil des Zufuhrkanals ausbildenden Durchbruch 2 zu jeder der Separatorplatten 1 und über mit 10 bezeichnete Verbindungskanäle in einen Sammel- bzw. Verteilbereich 11 eines in seiner Gesamtheit mit 12 bezeichneten Strömungsfeldes. Der Verteilbereich 11 hat eine offene Struktur, z.B. mit den hier angedeuteten Noppen, um eine Querverteilung des Wasserstoffs zu ermöglichen. In dem in Strömungsrichtung weitergehenden Verlauf des Strömungsfeldes 12 befindet sich eine Kanalstruktur 13. Über diese Kanalstruktur 13 mit zueinander geschlossenen parallelen Kanälen werden die Gase auf die Anodenseite der Einzelzelle 8 verteilt. Der Sammel- bzw. Verteilbereich 11 hilft dabei, dass alle Kanäle der Kanalstruktur 13 möglichst gleichmäßig durchströmt werden. Nach dem Durchströmen der Kanäle der Kanalstruktur 13 gelangt das Restgas vermischt mit in der Brennstoffzelle entstandenem Produktwasser in einen hier mit 14 bezeichneten dem Verteilbereich 11 vergleichbaren Sammelbereich, in welchem sich das Gas-/Flüssigkeitsgemisch entsprechend sammelt. Es strömt dann über Verbindungskanäle 15 der Abströmseite in den mit 5 bezeichneten Durchbruch, welcher zusammen mit weiteren analogen Durchbrüchen der benachbarten Separatorplatten einen später noch näher erläuterten Abfuhrkanal 16 ausbildet.In the 1 The top view of a separator plate designated 1, for example the anode side of a bipolar plate, is shown. The structure corresponds essentially to the state of the art, but is not shown to scale. The separator plate 1 has several openings 2 to 7 on both sides, which serve to supply and remove media. In the embodiment shown here, the top view of the surface of the separator plate 1, which corresponds to the anode side of an adjacent single cell 8 of a bipolar plate in its entirety in 3 indicated burning material cell stack 9. For example, it has the opening marked 2 at the top right, which together with comparable openings in neighboring separator plates forms a supply channel for hydrogen. The hydrogen then flows through this opening 2, which forms part of the supply channel, to each of the separator plates 1 and via connecting channels marked 10 into a collection or distribution area 11 of a flow field marked 12 as a whole. The distribution area 11 has an open structure, e.g. with the knobs indicated here, in order to enable transverse distribution of the hydrogen. In the course of the flow field 12 which continues in the direction of flow there is a channel structure 13. The gases are distributed to the anode side of the individual cell 8 via this channel structure 13 with parallel channels that are closed to one another. The collection or distribution area 11 helps to ensure that all channels of the channel structure 13 are flowed through as evenly as possible. After flowing through the channels of the channel structure 13, the residual gas mixed with product water produced in the fuel cell reaches a collection area, designated here with 14, which is comparable to the distribution area 11, in which the gas/liquid mixture collects accordingly. It then flows via connecting channels 15 on the outflow side into the opening designated with 5, which together with other analogous openings in the adjacent separator plates forms a discharge channel 16, which will be explained in more detail later.

Die auf der gegenüberliegenden Seite der Separatorplatte 1 bzw. Bipolarplatte liegende Struktur für die Kathodenseite der benachbarten Einzelzelle 8 sieht im Wesentlichen genauso aus. Die Luft bzw. der Sauerstoff wird beispielsweise über den Durchbruch 4 zugeführt und über den Durchbruch 7 entsprechend abgeführt. Die bei den meisten Aufbauten im Querschnitt etwas größeren Durchbrüche 3 und 6 sind zur Zufuhr und Abfuhr von flüssigem Kühlmedium, beispielsweise Kühlwasser, vorgesehen. Häufig ist es so, dass die Bipolarplatten aus zwei Teilplatten in Form der Separatorplatten 1 ausgebildet sind, welche mit ihren Rückseiten miteinander verbunden, bei metallischen Bipolarplatten beispielsweise verschweißt, sind. Sie bilden dann zwischen ihren Rückseiten weitere Kanäle aus, welche über die Durchbrüche 3 und 6 mit Kühlflüssigkeit durchströmt werden können. All dies ist dem Fachmann soweit bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.The structure for the cathode side of the adjacent single cell 8 on the opposite side of the separator plate 1 or bipolar plate looks essentially the same. The air or oxygen is supplied, for example, via the opening 4 and discharged via the opening 7. The openings 3 and 6, which are somewhat larger in cross-section in most structures, are intended for the supply and discharge of liquid cooling medium, for example cooling water. It is often the case that the bipolar plates are made of two partial plates in the form of the separator plates 1, which are connected to one another at their rear sides, for example welded in the case of metallic bipolar plates. They then form further channels between their rear sides, through which cooling liquid can flow via the openings 3 and 6. All of this is known to the person skilled in the art, so it need not be discussed further here.

Bei dem Aufbau ist es nun so, dass die Verbindungskanäle 15 zwischen dem Sammelbereich 14 des Strömungsfeldes 12 und dem Durchbruch 5 zur Abfuhr der Medien so ausgerichtet sind, dass diese bezogen auf eine Mittelachse M senkrecht zum Durchbruch 5 außermittig und bezogen auf eine Seitenkante des Durchbruchs 5 in Richtung des Strömungsfeldes 12 unsymmetrisch in dem Durchbruch 5 münden. Sie können also im Wesentlichen einseitig tangential und/oder schräg in dem Durchbruch münden. Anders als im Stand der Technik wird so in dem Durchbruch 5 eine in 2 angedeutete mit 17 bezeichnete Drallströmung verursacht.In the design, the connecting channels 15 between the collecting area 14 of the flow field 12 and the opening 5 for the removal of the media are aligned in such a way that they open into the opening 5 eccentrically with respect to a central axis M perpendicular to the opening 5 and asymmetrically with respect to a side edge of the opening 5 in the direction of the flow field 12. They can therefore open into the opening essentially tangentially and/or obliquely on one side. Unlike in the prior art, a 2 indicated by 17 causes swirl flow.

In der Darstellung der 3 ist in einer Seitenansicht ein exemplarisch angedeuteter Brennstoffzellenstapel 9 zu erkennen, wie oben bereits ausgeführt. Er besteht aus mehreren in Stapelrichtung S aufeinander gestapelten Einzelzellen 8, von welchen hier nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Diese werden beispielsweise zwischen sogenannten Endplatten 18 miteinander verpresst, in welchen die durch die Durchbrüche 2 bis 7 ausgebildeten Zufuhr- und Abfuhrkanäle mit den entsprechenden Anschlüssen versehen sind. In der Darstellung der 3 ist rein exemplarisch ein Medienanschluss 19 für die Zufuhr von Wasserstoff, ein Medienanschluss 20 für die Zufuhr von Luft sowie ein Medienanschluss 21 für die Abfuhr von Produkten der Anodenseite und ein Medienanschluss 22 für die Abfuhr von Produkten der Kathodenseite gezeigt.In the presentation of the 3 In a side view, an exemplary fuel cell stack 9 can be seen, as already explained above. It consists of several individual cells 8 stacked on top of each other in the stacking direction S, only some of which are provided with a reference number here. These are pressed together, for example, between so-called end plates 18, in which the supply and discharge channels formed by the openings 2 to 7 are provided with the corresponding connections. In the illustration of the 3 purely by way of example, a media connection 19 for the supply of hydrogen, a media connection 20 for the supply of air as well as a media connection 21 for the removal of products from the anode side and a media connection 22 for the removal of products from the cathode side are shown.

Innerhalb des Brennstoffzellenstapels 9 bilden die aufeinander liegenden Durchbrüche 2 bis 7 dann jeweils durchlaufende Kanäle, sogenannte Ports. In der Darstellung der 4 in einem vergrößerten Ausschnitt des Aufbaus ist rein exemplarisch ein Abfuhrkanal 16 dargestellt, welcher durch die einzelnen Durchbrüche 5 in den Separatorplatten der Einzelzellen 2 ausgebildet wird. Er läuft ferner durch die Endplatte 18 und mündet hier in dem Anschluss 21, welcher einen äußeren Anschlussstutzen 23 und einen inneren Anschlussstutzen 24 aufweist. Wie es aus der Darstellung der 3 exemplarisch zu erkennen ist, kann der Anschluss 22 auf der Kathodenseite vergleichbar ausgebildet sein.Within the fuel cell stack 9, the openings 2 to 7 lying on top of each other then form continuous channels, so-called ports. In the illustration of the 4 In an enlarged section of the structure, a discharge channel 16 is shown purely as an example, which is formed by the individual openings 5 in the separator plates of the individual cells 2. It also runs through the end plate 18 and opens into the connection 21, which has an outer connection piece 23 and an inner connection piece 24. As can be seen from the illustration of the 3 As can be seen by way of example, the connection 22 on the cathode side can be designed in a comparable manner.

Durch die schräge und/oder auf einer Seite tangentiale Einströmung der Produkte, also des Gemisches aus Restgasen und Wasser über die Verbindungskanäle 15 in den Durchbruch 5 und damit in den durch die Durchbrüche 5 ausgebildeten Abfuhrkanal 16, entsteht, wie bereits erwähnt, die Drallströmung 17. Zu Beginn der Strömung liegen dabei die Produkte Wasser und Gas noch gemeinsam in der Strömung vor. Mit zunehmendem Laufweg und zunehmendem Drall separiert sich das schwerere Wasser von den leichteren Gasen, sodass die Drallströmung 17 sich in eine in 4 mit 17.1 und strichpunktierter Linie eingezeichnete Drallströmung der Flüssigkeit und eine mit 17.2 und punktierter Linie eingezeichnete Drallströmung der Gase aufteilt. Die Strömung der Gase verläuft dabei relativ dicht an der zentralen Mittelachse M, während die Drallströmung 17.1 der Flüssigkeit weiter außen an den Wänden des Abfuhrkanals 16 verläuft. In der Folge sammeln sich in dem äußeren Anschlussstutzen 23 primär die flüssigen Bestandteile der Produkte in dem Abfuhrkanal 16 und im zentralen inneren Anschlussstutzen 24 die gasförmigen Bestandteile. Durch die beiden Anschlussstutzen 23, 24 können die beiden Phasen also separiert voneinander abgeführt werden. Die von flüssigem Wasser befreiten Gase können über den inneren Anschlussstutzen 24 beispielsweise rezirkuliert und/oder einer Abluft- bzw. Abgasturbine zugeführt werden, während die flüssigen Bestandteile über den äußeren Anschluss 23 beispielsweise in die Umgebung abgeführt oder in einem Sammelbehälter zwischengespeichert werden können.As already mentioned, the swirl flow 17 is created by the oblique and/or on one side tangential inflow of the products, i.e. the mixture of residual gases and water, via the connecting channels 15 into the opening 5 and thus into the discharge channel 16 formed by the openings 5. At the beginning of the flow, the products water and gas are still present together in the flow. As the path and swirl increase, the heavier water separates from the lighter gases, so that the swirl flow 17 changes into a 4 with 17.1 and dash-dotted line drawn swirl flow of the liquid and a swirl flow of the gases drawn 17.2 and dotted line. The flow of the gases runs relatively close to the central axis M, while the swirl flow 17.1 of the liquid runs further out on the walls of the discharge channel 16. As a result, the liquid components of the products in the discharge channel 16 primarily collect in the outer connection piece 23 and the gaseous components in the central inner connection piece 24. The two phases can therefore be discharged separately from one another through the two connection pieces 23, 24. The gases freed from liquid water can, for example, be recirculated via the inner connection piece 24 and/or fed to an exhaust air or exhaust gas turbine, while the liquid components can, for example, be discharged into the environment via the outer connection 23 or temporarily stored in a collecting container.

Der Abfuhrkanal 16 integriert also in außerordentlich einfacher, bauraumneutraler und sehr effizienter und flexibler Art und Weise den Flüssigkeitsabscheider unmittelbar in den Brennstoffzellenstapel 9. Dies lässt sich dabei sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig einfach und effizient durch ein Schrägstellen der Verbindungskanäle 15 in einigen oder vorzugsweise in allen Separatorplatten 1 umsetzen.The discharge channel 16 thus integrates the liquid separator directly into the fuel cell stack 9 in an extremely simple, space-neutral and very efficient and flexible manner. This can be implemented simply and efficiently on both the anode side and the cathode side by slanting the connecting channels 15 in some or preferably in all of the separator plates 1.

Claims

Fuel cell stack with several separator plates (1) for media distribution in an individual cell (8) of a fuel cell stack (9), each with at least one flow field (12) and at least one opening (5) for removing the media from the individual cell (8), which is connected to the flow field (12) via at least one connecting channel (15), wherein the at least one connecting channel (15) opens into the opening (5) off-center with respect to a center axis (M) perpendicular to the cross section of the opening (5) and with an asymmetrical distribution of its cross section with respect to the center of the side of the opening facing the flow field (12), wherein these are arranged in alignment so that the openings (5) for media removal form a discharge channel (16) running in the stack direction (S), wherein the discharge channel (16) is designed as a liquid separator in which liquid is deposited on the walls of the discharge channel by the swirling flow (17, 17.1, 17.2). (16), characterized in that the discharge channel (16) has at least one outlet (23) close to the wall for a liquid phase and a central outlet (24) for a gaseous phase relative to the central axis (M).

Fuel cell stack (9) after Claim 1 characterized by its design as a low-temperature fuel cell stack (9).

Fuel cell stack (9) after Claim 2 , characterized in that the low-temperature fuel cell stack (9) has polymer membranes as electrolyte.

Fuel cell stack (9) according to one of the preceding claims, characterized in that in the separator plate (1) the at least one connecting channel (15) is formed by several parallel channels.

Fuel cell stack (9) according to one of the preceding claims, characterized in that in the separator plate (1) the at least one connecting channel (15) opens into the opening (5) obliquely to the side edge of the side of the opening facing the flow field (12).

Fuel cell stack (9) after Claim 5 , characterized in that an angle of the oblique mouth of the at least one connecting channel (15) is selected such that a desired orientation of a swirl flow (17) results in the opening (5).

Fuel cell stack (9) according to one of the preceding claims, characterized in that in the separator plate (1) the flow field (12) has a channel structure (13) and at least one open collecting region (14), wherein the collecting region (14) is connected to the opening (5).

Fuel cell stack (9) according to one of the preceding claims, characterized in that the separator plate (1) is designed as a bipolar plate or part of a bipolar plate.