DE102007034740A1 - Brennstoffzelleneinheit - Google Patents

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Walter STÜHLER
Ottmar Voitlein
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Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzelleneinheit (2, 44, 58) mit einem von zwei Endplatten (22) begrenzten und zusammengehaltenen Stapel (4) aus Brennstoffzellen (6) und zumindest einer zwischen einer Endplatte (22) und dem Stapel (4) angeordneten Polplatte (18, 20, 46, 64, 70, 72, 84) mit einem Stromabgriff (24, 68) zum Anschluss eines elektrischen Leiters (6). Um eine Austrocknung der Membran durch einen Wärmeeintrag von außen zu verhindern, wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzelleneinheit (2, 44, 58) eine an der Polplatte (18, 20, 46, 64, 70, 72, 84) angeordnete Kühleinrichtung (36, 48, 60, 74, 86, 88) zum Kühlen des Stromabgriffs (24, 68) aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit mit einem von zwei Endplatten begrenzten und zusammengehaltenen Stapel aus Brennstoffzellen und zumindest einer zwischen einer Endplatte und dem Stapel angeordneten Polplatte mit einem Stromabgriff zum Anschluss eines elektrischen Leiters.
  • In einer Brennstoffzelle wird durch die Zusammenführung von Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie erzeugt. Hierfür wird der Brennstoffzelle als Betriebsgas Wasserstoff und Sauerstoff entweder in reiner Form oder als Betriebsgas mit einem Wasserstoffanteil bzw. Sauerstoffanteil zugeführt. In Abhängigkeit von ihrer Betriebstemperatur werden Brennstoffzellen in Nieder-, Mittel- und Hochtemperaturbrennstoffzellen eingeteilt, die sich wiederum durch verschiedene technische Ausführungsformen voneinander unterscheiden.
  • Niedertemperaturbrennstoffzellen in Form von PEM-Brennstoffzellen (Polymer Electrolyte Membrane oder Proton Exchange Membrane) bestehen hauptsächlich aus einer Membran-Elektrodeneinheit mit einer protonenleitfähigen Membran, die auf der einen Seite mit einer Anodenschicht und auf der anderen Seiten mit einer Kathodenschicht versehen ist. An diese Elektroden grenzt jeweils ein Anodenraum bzw. Kathodenraum an, die jeweils von einer Bipolarplatte als Begrenzung zur nächsten Brennstoffzelle begrenzt sind.
  • Bei der elektrochemischen Reaktion in einer PEM-Brennstoffzelle werden Protonen aus der Anode zugeführtem Wasserstoff an der Kathodenseite des Elektrolyten mit dem der Kathode zugeführten Sauerstoff rekombiniert, wobei elektrische Energie, Wärme und Produktwasser entsteht. Zur Erhaltung der für diesen Prozess notwendigen Protonenleitfähigkeit der Membran muss die Membran feucht gehalten werden, da diese bei einer Austrocknung ihre Protonenleitfähigkeit verliert. Zum Feuchthalten der Membran werden die Betriebsgase bei PEN-Brennstoffzellen befeuchtet, wobei die Temperatur der Betriebsgase und deren Feuchte gerade bei mit reinem Wasserstoff und reinem Sauerstoff betriebenen PEM-Brennstoffzellen mit hoher Leistungsdichte in einem Gleichgewicht gehalten werden sollten. Eine Austrocknung der Membran kann zu Rissbildung und Lecks führen, wodurch reiner Wasserstoff und Sauerstoff direkt in Verbindung miteinander kommen und ein Brand entstehen kann.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelleneinheit anzugeben, bei der die Membranen sämtlicher Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels möglichst einfach gleichmäßig feucht gehalten werden können.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelleneinheit der eingangs genannten Art gelöst, die eine an der Polplatte angeordnete Kühleinrichtung zum Kühlen des Stromabgriffs aufweist. Ein Wärmeeintrag vom Stromabgriff in eine benachbarte Brennstoffzelle kann vermieden und der Gefahr einer partiellen Erwärmung dieser Brennstoffzelle – verbunden mit der Gefahr einer lokalen Austrocknung der Membran – kann entgegengewirkt werden. Außerdem kann eine Erhöhung des Partialdrucks des Wasserdampfs in an den Stromabgriff angrenzenden Brennstoffzellen und damit einer Leistungsminderung verhindert werden.
  • Die Erfindung geht hierbei von einer ersten Überlegung aus, dass ein Wärmeeintrag in den Brennstoffzellenstapel dann einfach durch eine entsprechend angepasste Befeuchtung ausgeglichen werden kann, wenn der Wärmeeintrag gleichmäßig in alle Brennstoffzellen des Stapels erfolgt. Den negativen Folgen eines lokalen Wärmeeintrags in eine einzelne Brennstoffzelle oder sogar nur in einen kleinen Bereich der Brennstoffzelle kann jedoch durch eine allgemeine Maßnahme, z. B. das Erhöhen des Befeuchtungsgrads der Recktanten, nicht entgegengetreten werden.
  • Weiter geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass die Leistungsdichte von mit reinem Sauerstoff und reinem Wasserstoff betriebenen PEM-Brennstoffzellen im Spitzenlastbereich mittlerweile sehr hoch werden kann, so dass gerade bei solchen Brennstoffzellen ein hoher Stromfluss durch die Brennstoffzellen und aus dem Brennstoffzellenstapel heraus auftritt. Während der Stromfluss durch die Brennstoffzellen stapelweit in etwa gleichmäßige Folgen hat, kann an einem Stromabgriff bei einer Spitzenlast lokal und temporär Wärme entstehen, die über die Polplatte des Stromabgriffs in den Bereich einer benachbarten Brennstoffzelle gelangen kann, der dem Stromabgriff am nächsten liegt. Dort besteht dann die Gefahr einer lokalen Austrocknung der Membran mit den nachfolgenden Risiken der Riss- und Leckbildung in der Membran.
  • Durch eine gezielte Kühlung des Stromabgriffs kann dem Problem des lokalen Wärmeeintrags zuverlässig entgegengewirkt werden und die betroffene Membran kann wie benachbarte Membrane gleichmäßig feucht gehalten werden.
  • Die den Stromabgriff umfassende Polplatte ist vorzugsweise außerhalb des Stapels der Brennstoffzellen angeordnet, wobei der Stapel zweckmäßigerweise von einer anodenseitigen Polplatte und einer gegenüberliegenden kathodenseitigen Polplatte begrenzt wird. Die Polplatte ist elektrochemisch inaktiv, also keine eigene Zelle und nicht an der Spannungserzeugung beteiligt, sondern dient als Leiter zum Ableiten von Strom aus dem Stapel. Sie umfasst zweckmäßigerweise einen Rumpfteil von den radialen Abmessungen einer plattenförmigen Brennstoffzelle, so dass der Rumpfteil mit den Brennstoffzellen bündig einen Stapel bildet, der von den Endplatten zusammengedrückt und somit in sich abgedichtet wird. Der Stromabgriff kann hierbei direkt am Rumpfteil einstückig angeformt oder befestigt sein und ein Stück weit über den Stapel radial herausragen, so dass eine kompakte Bauform des Stapels erreicht wird. Ein an dem Stromabgriff befestigter Leiter dient zum Ableiten des Stroms aus dem Stapel in Richtung zu einem Verbraucher.
  • Die Endplatten können Spannelemente bilden zum Zusammenhalten des Stapels und zum Halten von Medienzuführungen und Armaturen. Radial weiter außen ist vorteilhafterweise ein Gehäuse der Brennstoffzelleneinheit um den Stapel geführt, das auch den Stromabgriff und zumindest die erste Strecke des daran angeschlossenen Leiters vollständig umschließt. Die Brennstoffzellen sind insbesondere PEM-Brennstoffzellen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Kühleinrichtung zumindest teilweise zwischen einem inneren Bereich der Polplatte, der einem aktiven Zellbereich der Brennstoffzellen benachbart ist, und dem Stromabgriff angeordnet. Wärme, die aus dem Stromabgriff in den Rumpfteil der Polplatte eintragen ist, kann auf dem Weg zum inneren Bereich absorbiert und abgeführt werden, so dass sie den inneren Bereich – und damit die Membran – nicht erreicht. Die Kühleinrichtung kann damit in einem Bereich liegen und diesen kühlen, der im Stromfluss zwischen den Brennstoffzellen und dem Stromabgriff liegt.
  • Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Kühleinrichtung in der Polplatte einen Kühlkanal für ein Kühlmedium aufweist. Die Polplatte kann effektiv gekühlt werden, so dass eine Wärmeausbreitung in der Polplatte und an der Kühleinrichtung vorbei im Wesentlichen ausgeschlossen ist. Der Kühlkanal kann hierbei im Rumpfteil angeordnet sein und verhindert eine Wärmeausbreitung vom Stromabgriff in eine Brennstoffzelle.
  • Verläuft der Kühlkanal innerhalb des Stromabgriffs, so kann die im Stromabgriff entstandene Wärme unmittelbar und insbesondere vor ihrer Ausbreitung in andere Teile der Polplatte abgeführt werden.
  • Eine einfache Herstellung der Brennstoffzelleneinheit kann erreicht werden, wenn die Kühleinrichtung einen außen am Stromabgriff befestigten Kühlkanal für ein Kühlmedium aufweist, insbesondere für ein flüssiges Kühlmedium. Der Kühlka nal kann gewunden sein, insbesondere S-förmig, um bei kleinem Kanalquerschnitt eine relativ große Fläche abdecken zu können. Auch denkbar ist eine Kühlummantelung um den Stromabgriff.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Polplatte und der nächstliegenden Brennstoffzelle eine Kühlplatte angeordnet, die in ihrer radialen Größe zumindest ebenso ausgedehnt ist, wie die Brennstoffzellen. Eine Kühlplatte umfasst einen Kühlkanal zur Durchströmung mit einem Kühlmedium. Zweckmäßigerweise ist die Kühlplatte baugleich ausgeführt wie zwischen den Brennstoffzellen angeordnete Kühlplatten. Eine besonders effektive Kühlung kann erreicht werden, wenn die Polplatte in Stapelrichtung beidseitig von Kühlplatten umgeben ist.
  • Vorteilhafterweise ist die Polplatte mit einem Rumpfteil zwischen weiteren Plattenelementen dichtend eingeklemmt und die Kühleinrichtung weist eine unmittelbar an der Polplatte angeordnete Kühlplatte mit einer Abgriffkühlung auf, die im Bereich des Stromabgriffs über den Rumpfteil hervorsteht, insbesondere radial über den Rumpfteil hervorsteht. Die Abgriffkühlung, die zweckmäßigerweise direkt am Stromabgriff anliegt, kann Wärme aus dem Stromabgriff unmittelbar abführen. Durch ihre Anbindung an den Rumpfteil kann die Abgriffkühlung ohne besonderen Aufwand mit einem Kühlmedium durchströmt werden. Die Radialrichtung ist auf die Stapelrichtung des Stapels als Axialrichtung bezogen.
  • Eine Brennstoffzelleneinheit mit Brennstoffzellen, deren Elektrolyte befeuchtet werden, wie z. B. PEM-Brennstoffzellen, kann einen Reaktantenbefeuchter umfassen, der die Recktanten mit angewärmtem Wasser bzw. Dampf befeuchtet. Zur Nutzung der im Stromabgriff entstandenen Wärme zur Erwärmung des Befeuchtungswassers umfasst die Brennstoffzelleneinheit vorteilhafterweise einen die Kühleinrichtung mit dem Reaktantenbefeuchter verbindenden Kühlmittelkreislauf.
  • Umfasst die Brennstoffzelleneinheit einen Kühlmittelkreislauf mit einem die Brennstoffzellen durchziehenden Kühlkanal, so ist die Einbindung der Kühleinrichtung in den Kühlmittelkreislauf vorteilhaft. Wärme aus dem Stromabgriff kann ohne einen zusätzlichen Kühlkreislauf einfach abgeführt werden.
  • Vorteilhafterweise verläuft der Kühlmittelkreislauf von einer der Endplatten durch einen Durchbruch der Polplatte zu dem Stapel, wobei der Durchbruch am Stromabgriff angeordnet ist. Mit Hilfe des gekühlten Durchbruchs kann ein Wärmetransport vom Stromabgriff zu den Brennstoffzellen zumindest weitgehend unterbunden werden, indem der Durchbruch als Kältebarriere im Weg einer Wärmeausbreitung zwischen dem Stromabgriff und den Brennstoffzellen angeordnet ist. Zweckmäßigerweise ist der Durchbruch zumindest im Wesentlichen so nah wie möglich am Stromabgriff angeordnet.
  • Anstelle einer Kühlung des Stromabgriffs mit einem flüssigen Kühlmittel ist eine Kühlung mit einem gasförmigen Kühlmittel denkbar, z. B. mit einem der Betriebsgase bzw. Recktanten. Hierfür ist die Kühleinrichtung vorteilhafterweise mit einem Reaktantenkanal derart verbunden, dass ein Reaktant der Brennstoffzellen an den Stromabgriff zu dessen Kühlung heranführbar ist.
  • Eine effektive und kompakte Kühleinrichtung kann erreicht werden, wenn die Kühleinrichtung ein Peltierelement aufweist. Das Peltierelement kann z. B. durch eine Klebung direkt am Stromabgriff befestigt sein und ist mit seinem Kältepol thermisch mit dem Stromabgriff verbunden. Elektrisch kann das Peltierelement – gegebenenfalls über eine Regeleinheit – mit dem Stromkreis des Stapels der Brennstoffzellen verbunden sein, so dass eine separate Spannungsquelle entfallen kann. Ist das Spannungsniveau des Stapels für das Peltierelement ungeeignet kann eine separate Spannungsquelle vorteilhaft sein, so dass die Regeleinheit entfallen kann.
  • Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher er läutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen:
  • 1 eine Brennstoffzelleneinheit in einer schematischen Seitenansicht,
  • 2 eine Polplatte der Brennstoffzelleneinheit mit einem Stromabgriff und einem Kühlkanal,
  • 3 einen Ausschnitt einer Brennstoffzelleneinheit mit einem Stromabgriff und Kühlplatten, die eine über einen Rumpfbereich radial hervorstehende Abgriffkühlung aufweisen,
  • 4 eine weitere Brennstoffzelleneinheit mit die Polplatten durchziehenden Kühlkanälen,
  • 5 einen Ausschnitt aus einer weiteren Brennstoffzelleneinheit mit einem Kühlkanal in einem Stromabgriff,
  • 6 eine Draufsicht auf eine Polplatte mit einem aufgebrachten und einem eingearbeiteten Kühlkanal in einem Außenbereich,
  • 7 eine weitere Polplatte mit einem den Außenbereich und einen Rumpfbereich großflächig durchziehenden Kühlkanalsystem,
  • 8 einen Querschnitt durch die Polplatte aus 7,
  • 9 einen Stromabgriff mit einem aufgebrachten S-förmigen Kühlkanal und
  • 10 einen Stromabgriff mit einem aufgebrachten Peltierelement.
  • 1 zeigt eine Brennstoffzelleneinheit 2 mit einem Stapel 4 von Brennstoffzellen 6, die jeweils eine Membran-Elektroden-Einheit 8 und eine als Bipolarplatte ausgeführt Kühlplatte 10 umfassen. Die Brennstoffzellen 6 sind so hintereinander angeordnet, dass sich Membran-Elektroden-Einheiten 8 und Kühlplatten 10 im Stapel 4 abwechseln. Benachbart dem Stapel 4 ist ein Reaktantenbefeuchter 12 mit baugleich zu den Kühlplatten 10 ausgeführten Heizplatten 14 und zwischen ihnen angeordneten Befeuchtungszellen 16.
  • Der Stapel 4 der Brennstoffzellen 6 wird von zwei Polplatten 18, 20 begrenzt, die jeweils an der äußersten Kühlplatte 10 des Stapels 4 anliegen und das dort anliegende elektrische Potential abgreifen. Die Polplatten 18, 20 sind aus Metall gefertigt, beispielsweise aus Stahl, und sind elektrochemisch inaktiv, also nicht an der Spannungserzeugung der Brennstoffzelleneinheit 2 beteiligt. Der Deutlichkeit halber sind sie in 1 dicker als notwendig dargestellt. Zwei Endplatten 22 pressen den Stapel und die Polplatten 18, 20 dichtend aufeinander. An ihrer Oberkante sind die Polplatten 18, 20 jeweils mit einem Stromabgriff 24 versehen, an den jeweils ein elektrischer Leiter 26 in Form einer Kupferschiene angeschraubt ist. Die Leiter 26 sind im Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 2 mit einem Verbraucher elektrisch verbunden, der außerhalb eines die Brennstoffzelleneinheit 2 umgebenden Gehäuses 28 angeordnet ist.
  • 2 zeigt die Polplatte 18 in einer Draufsicht. Der Stromabgriff 24 ist als Lasche an einen rechteckigen Rumpfteil 30 angeformt und ist mit Löchern 32 zur Befestigung des Leiters 26 versehen. Radial steht der Stromabgriff 24 über den Rumpfteil 30 hervor, der in seinen radialen Abmessungen den Brennstoffzellen 6 gleicht und mit ihnen einen von den Endplatten 22 zusammengehaltenen Elementenstapel bildet, in den der Rumpfteil 30 dichtend eingeklemmt ist. An seiner Peripherie ist an den Rumpfteil 30 eine Dichtung 34 angebracht zur Abdichtung des Elementenstapels nach außen.
  • Wie in 1 dargestellt ist, sind die Stromabgriffe 24 in der Nachbarschaft zu der jeweils nächsten Brennstoffzelle 6 angeordnet, so dass in einem Stromabgriff 24 erzeugte Wärme auf einem Weg, dessen Länge kleiner ist als die Abmessung des Stromabgriffs 24, in die nächste Brennstoffzelle 6 eindringen und dort zu einer Austrocknung der Membran der Membran-Elektroden-Einheit 8 führen kann.
  • Zur Abfuhr zumindest eines Teils dieser Wärme ist die Brennstoffzelleneinheit 2 mit einer Kühleinrichtung 36 ausgestattet, die zwei Kühlplatten 10 aufweist, die die Polplatten 18, 20 in Axialrichtung des Stapels 4 beidseitig umgeben und von Kühlwasser durchströmt sind. Sie sind baugleich wie die Kühlplatten 10 der Brennstoffzellen 6. Zur Endplatte 22 hin ist eine elektrische Isolierschicht 38 zwischen den Polplatten 18, 20 und den Endplatten 22 angeordnet. Zur Blockade des Wärmetransports verläuft außerdem ein Kühlkanal 40 der Kühleinrichtung 36, der im Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 2 von Kühlwasser durchströmt wird, räumlich zwischen einem Innenbereich 42 der Polplatten 18, 20, der einem aktiven Zellbereich der Brennstoffzellen 6 benachbart ist, und dem Stromabgriff 24, wie in 2 dargestellt ist. Wärme aus dem Stromabgriff 24 muss somit zunächst den Kühlkanal 40 umfließen und wird dabei zumindest weitgehend vom Kühlwasser aufgenommen.
  • Der Kühlkanal 40 verläuft von einem Eingang in die Brennstoffzelleneinheit 2 an einer Endplatte 22 durch die Endplatte 22 und die Polplatte 20 hindurch und zu den Brennstoffzellen 6, so dass kühles Kühlwasser zunächst die Polplatte 20 im oberen Bereich kühlen und dann durch die Kühlplatten 10 nach unten fließen und Wärme aus den Brennstoffzellen 6 aufnehmen kann. Durch die beiden Kühlplatten 10 beidseitig der Polplatte 20 wird diese großflächig gekühlt. In einem weiteren Verlauf führt der Kühlkanal 40 in einem unteren Randbereich der Brennstoffzellen 6 zum Reaktantenbefeuchter 12, um das Kühlwasser dort durch die Heizplatten 14 strömen zu lassen. Von diesen führt der Kühlkanal 40 durch Durchbrüche der Polplatten 18, 20 durch diese hindurch zu einem Ausgang, der durch eine entsprechende Verrohrung mit einer Temperier- und Umwälzeinheit verbunden ist. Zur besseren Darstellbarkeit des Verlaufs des Kühlkanals 40 ist dieser im oberen Bereich übereinander verlaufend dargestellt, wobei es kompakter ist, ihn nebeneinander, also in Sichtrichtung der 1 hintereinander, zu führen.
  • Durch beide Polplatten 18, 20 ist der Kühlkanal 40 mit kühlendem Wasser geführt, zunächst durch die Polplatte 20 mit von der Temperiereinheit gekühltem Wasser und dann durch die Polplatte 18 mit vom Reaktantenbefeuchter 12 abgekühltem Was ser. Die Kühleinrichtung 36 zur Kühlung der Stromabgriffe 24 ist somit in eine Kühleinrichtung zur Kühlung der Brennstoffzellen 6 eingebunden.
  • In 3 ist ein Ausschnitt einer Brennstoffzelleneinheit 44 mit einer Polplatte 46 dargestellt. Die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele beschränkt sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel in den 1 und 2, auf das bezüglich gleich bleibender Merkmale und Funktionen verwiesen wird. Im Wesentlichen gleich bleibende Bauteile sind grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen beziffert.
  • Zur besseren Kühlung des Stromabgriffs 24 ist die Brennstoffzelleneinheit 44 mit einer Kühleinrichtung 48 versehen, die zwei der Polplatte 46 benachbarte und mit dem Kühlmittelkreislauf des Kühlkanals 40 verbundene Kühlplatten 50, 52 aufweist. Die Kühlplatten 50, 52 sind jeweils mit einer Abgriffkühlung 54, 56 radial über den Rumpfteil 30 der Polplatte 46 hinaus geführt. Die Abgriffkühlungen 54, 56, die ebenfalls von Kühlwasser durchströmt sein können, stehen somit jeweils über den Stapel 4 der Brennstoffzellen 6 über. Beide Abgriffkühlungen 54, 56 liegen direkt am Stromabgriff 24 an uns sind zur Kühlung thermisch mit ihm verbunden, insbesondere mit einem Leitmittel. Im Stromabgriff 24 gebildete Wärme wird hierdurch bereits auf seinem Weg innerhalb des Stromabgriffs 24 teilweise aufgenommen und an das Kühlwasser abgegeben.
  • 4 zeigt eine weitere Brennstoffzelleneinheit 58 mit einer Kühleinrichtung 60, die einen Kühlkanal 62 eines Kühlmittelkreislaufs aufweist, der in zwei Zweigen im Innern von Polplatten 64 – und zwar in der Fläche der Polplatten 64 – geführt ist, beispielsweise analog zu der in den 7 und 8 dargestellten Kühlmittelführung. Auf diese Weise werden die Polplatten gründlich gekühlt, so dass ein Wärmetransport von den Stromabgriffen 24 zu den Brennstoffzellen 6 zumindest weitgehend unterbunden wird. Auch eine Kombination der Kühl mittelführung durch die Polplatten 64 mit der Kühlmittelführung aus 1 ist vorteilhaft.
  • Wie in 5 gezeigt, ist es bei den Brennstoffzelleneinheiten 2, 44, 58 auch möglich, zusätzlich oder alternativ einen Kühlkanal 66 im Innern eines Stromabgriffs 68 einer Polplatte 70 zu führen und zwar in der Ebene der Polplatte 70. Wärme aus dem Stromabgriff 68 wird auf diese Weise sehr zuverlässig und effizient aus dem Stromabgriff 68 abgeführt. Der Kühlkanal 66 kann ein Kühlwasserkanal oder ein Reaktantenkanal sein, der eines der Betriebsgase für die Brennstoffzellen 6 führt.
  • 6 zeigt eine Polplatte 72, beispielsweise für eine Brennstoffzelleneinheit 58 anstelle einer Polplatte 64, die mit zwei gegenüberliegenden Stromabgriffen 24 und einer Kühleinrichtung 74 mit zwei jeweils in einem Außenbereich 76 angeordneten Kühlkanälen 78, 80 versehen ist. Der Außenbereich 76 bildet mit dem Innenbereich 42, der einem aktiven Zellbereich der Brennstoffzellen 6 benachbart ist, den im Stapel 4 liegenden Rumpfteil 30 der Polplatte 72. Beide Kühlkanäle 78, 80 verlaufen zwischen den Stromabgriffen 24 und dem Innenbereich 42 und riegeln die Stromabgriffe 24 von dem Innenbereich 42 ab, so dass ein Wärmestrom von den Stromabgriffen 24 zum Innenbereich 42 und somit zu den Membranen der Brennstoffzellen 6 die Kühlkanäle 78 oder 80 queren muss. Zur Darstellung mehrerer Ausführungsbeispiele in einer Figur ist der Kühlkanal 78 auf die Oberfläche der Polplatte 72 aufgebracht, während der Kühlkanal 80 in die Polplatte 72 in der Ebene der Polplatte 72 eingebracht ist.
  • Bei der in 7 in einer Draufsicht und in 8 in einer Schnittdarstellung gezeigten Abwandlung verläuft ein Kühlkanal 62 in vielen parallelen Zweigen 82 in der einer Polplatte 84 in deren Ebene. Auch hier muss Wärme aus einem der beiden Stromabgriffe 24 der Polplatte 84 – um in den Innenbereich 42 der Polplatte 84 zu gelangen – den Kühlkanal 62 queren. Zudem wird die Polplatte 84 über ihre gesamte Ausdehnung auf einer räumlich gleichmäßigen Temperatur gehalten und lokalen Erwärmungen wird entgegengewirkt.
  • Zusätzlich oder alternativ kann der Stromabgriff 24 als solcher gekühlt werden, wie in den 9 und 10 gezeigt ist. Eine Kühleinrichtung 86, 88 ist auf einen Stromabgriff 24 aufgebracht, nämlich in Form eines S-förmigen Kühlkanals 90 in einem aufgelöteten Rohr, wie in 9 dargestellt, und mit einem Peltierelement 92 in 10, das auf den Stromabgriff 24 aufgeklebt ist. Beide Kühleinrichtungen 86, 88 dienen zum unmittelbaren Kühlen der Stromabgriffe 24 und können einseitig oder – noch effektiver – beidseitig am Stromabgriff 24 angeordnet sein, bis hin zu einer Kühlummantelung. Bei der Kühleinrichtung 86 ist eine separate Zufuhr von Kühlmittel, also unabhängig von einem Kühlmittelkreislauf durch die Brennstoffzellen 6, vorteilhaft.
  • Die Kälteseite des Peltierelements 92 ist thermisch mit dem Stromabgriff 24 verbunden und die Wärmeseite strahlt die Wärme des Peltierelements 92 in die Umgebung ab. Das Peltierelement 92 ist zu seiner Stromversorgung über einen Regler mit der Ausgangsspannung des Stapels 4 der Brennstoffzellen 6 verbunden.
  • Die in den 1 bis 10 gezeigten Ausführungsbeispiele enthalten eine Reihe von Merkmalen, die der Übersichtlichkeit halber an den Ausführungsbeispielen verteilt dargestellt wurden. Eine jedwede mögliche Kombination der Merkmale in einem einzigen Ausführungsbeispiel soll hierdurch auch offenbart sein.

Claims (12)

  1. Brennstoffzelleneinheit (2, 44, 58) mit einem von zwei Endplatten (22) begrenzten und zusammengehaltenen Stapel (4) aus Brennstoffzellen (6) und zumindest einer zwischen einer Endplatte (22) und dem Stapel (4) angeordneten Polplatte (18, 20, 46, 64, 70, 72, 84) mit einem Stromabgriff (24, 68) zum Anschluss eines elektrischen Leiters (26), gekennzeichnet durch eine an der Polplatte (18, 20, 46, 64, 70, 72, 84) angeordnete Kühleinrichtung (36, 48, 60, 74, 86, 88) zum Kühlen des Stromabgriffs (24, 68).
  2. Brennstoffzelleneinheit (2, 44, 58) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (36, 48, 60, 74) zumindest teilweise zwischen einem inneren Bereich (42) der Polplatte (18, 20, 46, 64, 70, 72, 84), der einem aktiven Zellbereich der Brennstoffzellen (6) benachbart ist, und dem Stromabgriff (24, 68) angeordnet ist.
  3. Brennstoffzelleneinheit (2, 44, 58) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (36, 48, 60, 74) in der Polplatte (18, 20, 46, 64, 70, 72, 84) einen Kühlkanal (40, 62, 66, 78, 80, 90) für ein Kühlmedium aufweist.
  4. Brennstoffzelleneinheit (58) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (66) innerhalb des Stromabgriffs (68) verläuft.
  5. Brennstoffzelleneinheit (44, 58) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (48, 74, 86, 88) einen außen am Stromabgriff (24) befestigten Kühlkanal (40, 78, 80, 90) für ein Kühlmedium aufweist.
  6. Brennstoffzelleneinheit (2, 44, 58) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwischen den Brennstoffzellen (6) angeordnete Kühlplatten (10), wobei die Kühl einrichtung (36, 48, 60, 74) eine unmittelbar an der Polplatte (18, 20, 46, 64, 70, 72, 84) angeordnete, baugleiche Kühlplatte (10) aufweist.
  7. Brennstoffzelleneinheit (44) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polplatte (46) mit einem Rumpfteil (30) zwischen weiteren Plattenelementen dichtend eingeklemmt ist und die Kühleinrichtung (48) eine unmittelbar an der Polplatte (46) angeordnete Kühlplatte (50, 52) mit einer Abgriffkühlung (54, 56) aufweist, die im Bereich des Stromabgriffs (24) über den Rumpfteil (30) hervorsteht.
  8. Brennstoffzelleneinheit (2, 44, 58) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen die Kühleinrichtung (36, 48, 60, 74, 86) mit einem Reaktantenbefeuchter (12) verbindenden Kühlmittelkreislauf.
  9. Brennstoffzelleneinheit (2, 44, 58) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kühlmittelkreislauf mit einem die Brennstoffzellen (6) durchziehenden Kühlkanal (40, 62, 66, 78, 80, 90), wobei die Kühleinrichtung (36, 48, 60, 74, 86) in den Kühlmittelkreislauf eingebunden ist.
  10. Brennstoffzelleneinheit (2, 44, 58) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf von einer der Endplatten (22) durch einen Durchbruch der Polplatte (18, 20, 46, 64, 70) zu dem Stapel (4) verläuft und der Durchbruch am Stromabgriff (24, 68) angeordnet ist.
  11. Brennstoffzelleneinheit (2, 44, 58) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (36, 48, 60, 74, 86) mit einem Reaktantenkanal derart verbunden ist, dass ein Reaktant der Brennstoffzellen (6) an den Stromabgriff (24, 68) zu dessen Kühlung heranführbar ist.
  12. Brennstoffzelleneinheit (58) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (88) ein Peltierelement (92) aufweist.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2011050930A1 (de) * 2009-10-29 2011-05-05 Li-Tec Battery Gmbh Elektrochemischer energiespeicher und verfahren zur thermischen stabilisierung eines elektrochemischen energiespeichers
US9410746B2 (en) 2013-03-20 2016-08-09 Basf Se Temperature-regulating element
CN114464864A (zh) * 2021-10-08 2022-05-10 东风汽车集团股份有限公司 一种应用于燃料电池的高压组件以及燃料电池

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011050930A1 (de) * 2009-10-29 2011-05-05 Li-Tec Battery Gmbh Elektrochemischer energiespeicher und verfahren zur thermischen stabilisierung eines elektrochemischen energiespeichers
US9410746B2 (en) 2013-03-20 2016-08-09 Basf Se Temperature-regulating element
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