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Die Erfindung betrifft eine Heiz- und Isolierlage für einen Brennstoffzellenstapel mit einer ersten Seite, einer zweiten Seite, einem Heizelement und mindestens einem Lagenmaterial. Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel umfassend die Heiz- und Isolierlage.
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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
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Unter anderem sind Protonenaustauschmembran(Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
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Ferner sind Festoxidbrennstoffzellen, die auch als solid oxide fuel cells (SOFC) bezeichnet werden, bekannt. SOFC-Brennstoffzellen besitzen eine höhere Betriebstemperatur und Abgastemperatur als PEM-Brennstoffzellen und finden insbesondere im stationären Betrieb Anwendung.
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Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode.
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Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
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Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
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Ein Brennstoffzellenstapel weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Brennstoffzellen miteinander verpressen und dem Brennstoffzellenstapel Stabilität verleihen.
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Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zu einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zusammengefasst sein, die auch als membrane electrode assembly bezeichnet wird.
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Brennstoffzellenstapel weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Bipolarplatten weisen üblicherweise eine Oberflächenstruktur, beispielsweise kanalartige Strukturen, zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen auch zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers.
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Zusätzlich können die Bipolarplatten Strukturen zur Durchleitung eines Kühlmediums durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
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Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran.
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Ein Brennstoffzellenstapel besteht typischerweise aus bis zu einigen Hundert einzelnen Brennstoffzellen, die lagenweise als sogenannte Sandwiches aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen eine Membran-Elektroden-Anordnung sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf.
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Der Brennstoffzellenstapel wird üblicherweise durch zwei Endplatten abgeschlossen. Benachbart zu den Endplatten ist in der Regel jeweils ein Stromsammler angeordnet, der auch als Stromsammlerplatte bezeichnet werden kann. Die Stromsammler leiten den Strom, den die Brennstoffzellen erzeugen, von der letzten beziehungsweise äußeren Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels zu einem Anschluss des Brennstoffzellenstapels weiter. Der Anschluss befindet sich üblicherweise an der Endplatte.
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Auf der der äußeren Brennstoffzelle gegenüberliegenden Seite des Stromsammlers ist häufig, elektrisch isoliert, eine Heizplatte oder Heizfolie angeordnet, die den Stromsammler sowie Brennstoffzellen in der Nähe des Stromsammlers bei Bedarf, zum Beispiel beim Kaltstart, heizt. Um den Heizvorgang zu optimieren ist die Heizplatte auf ihrer dem Stromsammler abgewandten Seite häufig mit einer Isolationsplatte thermisch zu angrenzenden Bauteilen wie den Endplatten isoliert. Entsprechend sind die Funktionen Heizen und thermisch Isolieren auf verschiedene, also mehrere Bauteile aufgeteilt.
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US 2015/0180056 A1 beschreibt, dass im Bereich der Endplatten Heizelemente, wie zum Beispiel Heizfolien, vorgesehen sein können, die zwischen Stromsammler und Endplatte angeordnet sind. Um zu verhindern, dass die Heizfolie vornehmlich die Endplatte beheizt, ist eine thermische Barriere zwischen der Heizfolie und der Endplatte eingefügt, so dass ein Wärmefluss von der Heizfolie zum Stromsammler und somit in Richtung einer kalten äußeren Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels erfolgt, während ein Wärmefluss von der Heizfolie in Richtung der Endplatte unterbunden wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird eine Heiz- und Isolierlage für einen Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, wobei die, insbesondere einlagig ausgeführte, Heiz- und Isolierlage eine erste Seite, eine zweite Seite, ein Heizelement und mindestens ein Lagenmaterial umfasst und das Heizelement in dem mindestens einen Lagenmaterial angeordnet ist und wobei die Heiz- und Isolierlage, insbesondere in ihrem Querschnitt, bezüglich der ersten Seite und der zweiten Seite asymmetrisch ausgeführt ist.
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Ferner wird ein Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen umfassend mindestens folgende Lagen in angegebener Reihenfolge: eine Endplatte, eine erfindungsgemäße Heiz- und Isolierlage, einen Stromsammler und eine Brennstoffzelle, wobei die Heiz-und Isolierlage so zwischen dem Stromsammler und der Endplatte angeordnet ist, dass die erste Seite der Heiz- und Isolierlage zu der Endplatte zeigt und die zweite Seite der Heiz- und Isolierlage zu dem Stromsammler zeigt.
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Der Querschnitt der Heiz- und Isolierlage ist insbesondere senkrecht zu der ersten Seite und der zweiten Seite und insbesondere parallel zu einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet.
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Der Brennstoffzellenstapel umfasst bevorzugt zwei Endplatten, zwei Heiz- und Isolierlagen und zwei Stromsammler, wobei eine der Heiz- und Isolierlagen bevorzugt jeweils zwischen einer Endplatte und einem Stromsammler angeordnet ist. Der Stromsammler ist insbesondere ein flächiges Bauteil.
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Die Heiz- und Isolierlage ist bevorzugt einstückig ausgeführt, wobei die Funktionen Heizen und thermisch Isolieren gleichzeitig in dem einen Bauteil der Heiz- und Isolierlage integriert sind. Insbesondere weist der Brennstoffzellenstapel keine separate Isolationsplatte oder Isolationsfolie auf.
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Das Lagenmaterial kann auch als Trägermaterial bezeichnet werden, das bevorzugt Wärme, die von dem Heizelement abgegeben wird, asymmetrisch verteilt.
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Durch die Heiz- und Isolierlage werden der zu dieser benachbart angeordnete Stromsammler sowie zum Stromsammler benachbarte Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels geheizt, während eine dem Stromsammler an der Heiz-und Isolierlage gegenüberliegende Anschlusskomponente, insbesondere die Endplatte, thermisch isoliert wird.
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Das Lagenmaterial umfasst bevorzugt einen Kunststoff, mehr bevorzugt Polyamidimid und/oder einen Polyamid-Compound wie PA66 GF, der insbesondere einen Füllstoff wie Glasfasern enthält.
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Das Heizelement kann elektrisch, hydraulisch und/oder induktiv ausgeführt sein. Bevorzugt ist das Heizelement als Widerstandheizer, insbesondere als Draht oder Netz, das auch als Mesh bezeichnet wird, ausgeführt. Eine Materialstärke des Drahtes beziehungsweise des Netzes beträgt bevorzugt 1 mm bis 5 mm. Mehr bevorzugt umfasst das Heizelement mindestens ein elektrisch leitendes Metall wie Kupfer und/oder Aluminium.
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Die Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden und/oder sich ergänzen.
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In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist das Heizelement asymmetrisch in der Heiz- und Isolierlage angeordnet, wobei das Heizelement einen ersten Abstand von der ersten Seite und einen zweiten Abstand von der zweiten Seite aufweist und der erste Abstand verschieden von dem zweiten Abstand ist. Weiter bevorzugt ist der erste Abstand größer als der zweite Abstand.
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Bevorzugt beträgt ein Verhältnis zwischen dem ersten Abstand und dem zweiten Abstand mindestens 1,5, weiter bevorzugt von 1,5 bis 7,5. Der erste Abstand wird insbesondere zwischen einem Punkt auf einer Oberfläche des Heizelements, der der ersten Seite der Heiz- und Isolierlage am nächsten liegt, und der ersten Seite bestimmt. Der zweite Abstand wird insbesondere zwischen dem Punkt auf der Oberfläche des Heizelements, der der ersten Seite der Heiz-und Isolierlage am nächsten liegt, und der zweiten Seite bestimmt.
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Der erste Abstand und damit eine erste Dicke eines Isolierbereichs der Heiz- und Isolierlage beträgt bevorzugt von 5 mm bis 15 mm. Der zweite Abstand und damit eine zweite Dicke eines Heizbereichs der Heiz- und Isolierlage beträgt bevorzugt von 2 mm bis 10 mm.
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Durch diese Position des Heizelements nah an der zweiten Seite liegt eine asymmetrische Heiz- und Isolierlage vor. Das Heizelement ist derart in der Heiz-und Isolierlage, insbesondere in dem mindestens einen Lagenmaterial positioniert, dass die Heiz- und Isolierlage in Richtung der Endplatte isolierend und in Richtung des Stromsammlers heizend wirkt.
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In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist die erste Seite der Heiz- und Isolierlage asymmetrisch zu der zweiten Seite ausgeführt, wobei die erste Seite eine strukturierte Oberfläche und die zweite Seite eine glatte Oberfläche aufweist. Dies ist dahingehend zu verstehen, dass die glatte Oberfläche zumindest weniger strukturiert ist bzw. eine weniger ausgeprägte Struktur aufweist als die strukturierte Oberfläche. Entsprechend weist die Heiz- und Isolierlage bevorzugt einseitig eine strukturierte Oberfläche auf. Insbesondere ist die Heiz- und Isolierlage ausschließlich an der ersten Seite strukturiert und weist ausschließlich an der ersten Seite die strukturierte Oberfläche auf. Das mindestens eine Lagenmaterial um das Heizelement ist also bevorzugt einseitig mit der strukturierten Oberfläche versehen, um den Wärmefluss in Richtung der strukturierten Oberfläche zu reduzieren. Die strukturierte Oberfläche kann zum Beispiel Stege mit dazwischenliegenden Zwischenräumen umfassen, wobei die Zwischenräume bevorzugt eine Tiefe in einem Bereich von 1 mm bis 8 mm aufweisen. Die Zwischenräume können Luft und/oder einen Füllschaum enthalten. Die glatte Oberfläche weist insbesondere eine Strukturtiefe von weniger als 1 mm auf.
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In einer dritten bevorzugten Ausführungsform ist das mindestens eine Lagenmaterial asymmetrisch ausgeführt, wobei die Heiz- und Isolierlage ein erstes Lagenmaterial und ein zweites Lagenmaterial umfasst, das erste Lagenmaterial an der ersten Seite der Heiz- und Isolierlage und das zweite Lagenmaterial an der zweiten Seite der Heiz- und Isolierlage angeordnet ist und das erste Lagenmaterial verschieden von dem zweiten Lagenmaterial ist. Weiter bevorzugt unterscheiden sich das erste Lagenmaterial und das zweite Lagenmaterial hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit und/oder ihrer Wärmekapazität. Insbesondere weist das zweite Lagenmaterial eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als das erste Lagenmaterial.
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Mindestens ein Lagenmaterial kann als Schaum ausgeführt sein. Bevorzugt ist das erste Lagenmaterial als Schaum ausgeführt. Entsprechend ist bevorzugt die isolierende Seite der Heiz- und Isolierlage als Schaum ausgeführt. Insbesondere kann das erste Lagenmaterial als der Füllschaum auf oder in der strukturierten Oberfläche vorliegen.
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Bevorzugt ist das Heizelement also in mindestens zwei unterschiedliche Materialien eingebettet. Weiter bevorzugt ist das Heizelement zwischen dem ersten Lagenmaterial und dem zweiten Lagenmaterial angeordnet. Mehr bevorzugt ist das Heizelement mit dem ersten Lagenmaterial und mit dem zweiten Lagenmaterial in Kontakt. Insbesondere besteht die Heiz- und Isolierlage aus dem ersten Lagenmaterial, dem zweiten Lagenmaterial und dem Heizelement. Ein Massenverhältnis von dem zweiten Lagenmaterial zum ersten Lagenmaterial in der Heiz- und Isolierlage liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,5% bis 30%, mehr bevorzugt von 0,5% bis 10% und weiter bevorzugt von 1% bis 10%. Ferner beträgt ein Flächenverhältnis von dem Heizbereich, umfassend das Heizelement, zu dem Isolierbereich bevorzugt mindestens 30%, die Flächen jeweils betrachtet im Querschnitt der Heiz- und Isolierlage.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäße Heiz- und Isolierlage beziehungsweise durch einen Brennstoffzellenstapel umfassend die Heiz- und Isolierlage können ein Stromsammler und angrenzende Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel im Bedarfsfall global oder lokal erwärmt werden, so dass der Brennstoffzellenstapel optimale Arbeitsbedingungen erreicht.
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Es kann auf zusätzliche Bauteile verzichtet werden, da die Funktionen Heizen und thermisch Isolieren in der Heiz- und Isolierlage integriert sind.
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Durch den asymmetrischen Aufbau der Heiz- und Isolierlage liegt ein asymmetrischer Wärmefluss in der Heiz- und Isolierlage vor, so dass dem benachbarten Stromsammler Wärme zugeführt wird, während die gegenüberliegend benachbarte Endplatte thermisch isoliert wird.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels,
- 2 eine Querschnittsansicht einer Heiz- und Isolierlage gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 3 eine Querschnittsansicht einer Heiz- und Isolierlage gemäß einer zweiten Ausführungsform und
- 4 eine Querschnittsansicht einer Heiz- und Isolierlage gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 5 mit mehreren Brennstoffzellen 3. Jede Brennstoffzelle 3 weist eine Membran 22, zwei Gasdiffusionslagen 2, eine Anodenseite 31 und eine Kathodenseite 32 auf. Die einzelnen Brennstoffzellen 3 sind durch Bipolarplatten 50, die eine Kühlplatte 45 umfassen können, voneinander abgegrenzt.
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Der Brennstoffzellenstapel 5, dem Wasserstoff 40 und Sauerstoff 42 sowie ein Kühlmittel 44 zugeführt werden, wird durch zwei Endplatten 48 abgeschlossen und weist Stromsammler 52 auf. Die verschiedenen Zuführungen sind durch Dichtungen 46 voneinander getrennt. Zwischen jeweils einer Endplatte 48 und einem Stromsammler 52 ist eine Heiz- und Isolierlage 1 angeordnet.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Heiz- und Isolierlage 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Ein Heizelement 11 ist in einem Lagenmaterial 13 der Heiz-und Isolierlage 1 asymmetrisch angeordnet.
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Die Heiz- und Isolierlage 1 weist eine erste Seite 7 und eine zweite Seite 9 auf. Das Heizelement 11 ist näher an der zweiten Seite 9 als an der ersten Seite 7 angeordnet, so dass ein erster Abstand 15 des Heizelements 11 von der ersten Seite 7 größer ist als ein zweiter Abstand 17 des Heizelements 11 von der zweiten Seite 9 der Heiz- und Isolierlage 1. Die Heiz- und Isolierlage 1 integriert die Funktionen Heizen und thermisch Isolieren, so dass die Heiz- und Isolierlage 1 als in einen Isolierbereich 27 und einen Heizbereich 29 unterteilt betrachtet werden kann. An den Heizbereich 29, also die zweite Seite 9, schließt sich in einem Brennstoffzellenstapel 5 ein Stromsammler 52 an und an den Isolierbereich 27, also die erste Seite 7, eine Endplatte 48.
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3 zeigt eine Heiz- und Isolierlage 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Hier weist die erste Seite 7 der Heiz- und Isolierlage 1 eine strukturierte Oberfläche 19 auf, die zur Isolierung dient. Hingegen weist die zweite Seite 9 der Heiz- und Isolierlage 1 eine glatte Oberfläche 21 auf. Es liegt eine einseitig strukturierte Heiz- und Isolierlage 1 vor.
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4 zeigt eine Heiz- und Isolierlage 1 gemäß einer dritten Ausführungsform. Die Heiz- und Isolierlage 1 umfasst ein erstes Lagenmaterial 23 und ein zweites Lagenmaterial 25, wobei das erste Lagenmaterial 23 an der ersten Seite 7 und das zweite Lagenmaterial 25 an der zweiten Seite 9 angeordnet ist. Das zweite Lagenmaterial 25 weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das erste Lagenmaterial 23 auf, so dass durch das zweite Lagenmaterial 25 Wärme dem Stromsammler 52 zugeführt werden kann, während das erste Lagenmaterial 23 isolierend gegenüber der Endplatte 48 wirkt.
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Das Heizelement 11 ist zwischen dem ersten Lagenmaterial 23 und dem zweiten Lagenmaterial 25 angeordnet und von diesen umschlossen, so dass das Heizelement 11 mit dem ersten Lagenmaterial 23 und dem zweiten Lagenmaterial 25 in Kontakt ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0180056 A1 [0016]
