DE19636902C1 - Aus übereinander gestapelten Einzelzellen aufgebauter Brennstoffzellenstapel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, beste­ hend aus übereinander gestapelten Einzelzellen mit dazwi­ schen angeordneten, die Einzelzellen elektrisch verbindenden bipolaren Verbindungselementen, die hohle, die Einzelzellen kontaktierende Kühlelemente bilden.

Brennstoffzellen sind üblicherweise modular aufgebaut. Das bedeutet, daß viele Einzelzellen zu Zellenstapeln überein­ ander angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden, um eine möglichst hohe verfügbare Spannung zu erhalten. Durch jede Einzelzelle fließt dann der gleiche Strom. Zwi­ schen die Einzelzellen werden bipolare Platten gelegt, die elektrisch gut leitend sind und jeweils die Anodenseite einer Einzelzelle mit der Kathodenseite der nächsten Zelle verbinden.

Die Einzelzellen oder zumindest Gruppen von Einzelzellen sind brennstofftechnisch parallel angeordnet und werden durch große Gas- bzw. Flüssigkeitszuführungsleitungen und davon abzweigende Kanäle mit den Reaktanten, z. B. Wasser­ stoff und Sauerstoff bzw. Luft versorgt. Die Abführung der nicht umgesetzten Reaktanten und der Reaktionsprodukte, z. B. Brenngas und Produktwasser, geschieht ebenfalls über groß dimensionierte Gasabführungsleitungen.

Jede Einzelzelle produziert abhängig von ihrer aktuellen Betriebsspannung eine bestimmte Abwärme. Beim Betrieb der Brennstoffzelle muß diese Abwärme ständig aus den Einzel­ zellen abgeführt werden. Bei Brennstoffzellen mit flüssigem Elektrolyten, z. B. bei der alkalischen Brennstoffzelle mit Kalilauge, ist der Elektrolyt selber der Wärmeträger, der die Wärme aus dem Zellenstapel transportiert und in der Peripherie der Einzelzellen an einen Wärmetauscher abgibt. Bei Brennstoffzellen mit Festelektrolyt, wie z. B. der Mem­ branbrennstoffzelle, sind zusätzliche Kühlzellen erforder­ lich, weil keine Elektrolyt-Flüssigkeit als Wärmeträger zur Verfügung steht. Hierzu werden die zwischen die Einzelzellen gelegten bipolaren, z. B. plattenförmigen Verbindungsele­ mente genutzt, indem diese teilweise als Kühlplatten ausge­ führt werden. Derartige Kühlplatten sind z. B. aus DE 42 34 093 A1, DE 39 07 819 A1 oder aus EP 0 295 629 A1 bekannt. Die Kühlplatten sind hohl ausgebildet und werden von einem Kühl­ medium durchströmt. Meistens wird Wasser, seltener wird Luft verwendet. Die Abwärme wird dann vom Kühlmedium an einen Wärmetauscher abgegeben. Zur Zu- und Abführung des Kühlme­ diums müssen ebenfalls genügend groß dimensionierte Leitun­ gen vorhanden sein.

Es sind, z. B. aus DE 39 03 261 A1 oder EP 0 128 023 A1, wei­ tere nach dem gleichen Prinzip arbeitende, plattenförmige Kühlelemente bekannt, die nicht mit einem Hohlraum versehen sind. Vielmehr dienen dort vom Kühlmittel durchflossene Rohre, die in einen plattenförmigen Körper eingebettet sind, zur Wärmeaufnahme.

Die Leitungen für das Kühlmedium sowie die nötigen Pumpen und Wärmetauscher stellen einen erheblichen technologischen Aufwand dar und verursachen entsprechend hohe Kosten. Zum anderen muß das Kühlmedium im Betrieb bei einem erheblichen Druckverlust durch die einzelnen Kühlplatten gepumpt werden, was relativ hohe Pumpleistungen und damit einen Energiever­ lust bedeutet, der den Energiegewinn der Brennstoffzelle verringert.

Aus EP 0 473 540 A2 ist darüber hinaus eine Lösung bekannt, bei der die den Sauerstoff für den Prozeß liefernde Luft gleichzeitig als Kühlmittel dient. Hierbei muß einmal mit einem erheblichen Luftüberschuß gearbeitet werden, zum ande­ ren sind spezielle Temperaturausgleichskörper erforderlich, über die die Luft die Wärme aufnehmen kann. Ein Temperatur­ gradient entlang der chemisch aktiven Zonen ist bei dieser Lösung nicht zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brenn­ stoffzellenstapel der eingangs genannten Art anzugeben, des­ sen Kühlelemente mit technologisch verringertem Aufwand und verringerten Kosten herstellbar sind und der mit weniger Energieverlusten arbeitet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die geschlossenen Kühlelemente mindestens teilweise mit einem während des Betriebes des Brennstoffzellenstapels in zwei Aggregatzuständen vorliegenden Wärmetransportmedium gefüllt sind, wobei die Wärmeabfuhr über mindestens einen Abschnitt, der über mindestens eine Außenseite des Brenn­ stoffzellenstapels hinausragt und einen Wärme­ austragsabschnitt bildet, mittels Konvektion erfolgt.

Bevorzugt kann der Brennstoffzellenstapel so ausgeführt sein, daß die Wärmeaustragsabschnitte der Kühlelemente nach oben über die Einzelzellen hinausragen und der Rückfluß des kondensierten Wärmetransportmediums durch Schwerkraft erfolgt, so daß das Wärmetransportmedium dann in den Verdampfungsbereich zurückgelangt.

Auf Pumpeinrichtungen kann, zumindest bis zu einem bestimm­ ten Leistungsbereich der Brennstoffzellen, nunmehr verzich­ tet werden.

Die Kühlelemente sind hohl ausgebildet und verschlossen und enthalten nur eine einzige Substanz, z. B. Wasser oder eine organische Flüssigkeit, die bevorzugt in definierter Menge eingefüllt wird. Diese Substanz liegt dann in zwei Phasen, flüssig und gasförmig, vor und ermöglicht durch die Stoff­ zirkulation innerhalb der Kühlelemente eine sehr gute Wärme­ übertragung von den Einzelzellen zu den Wärmeaustragsab­ schnitten. Das Wärmeübertragungsprinzip derartiger Kühlele­ mente ist als "Wärmerohr-Effekt" bekannt. Die Temperatur im Wärmeaufnahmeteil ist aufgrund des Wärmerohr-Effektes nur geringfügig höher als die Temperatur im Wärmeaustragsab­ schnitt und wird über diese eingestellt.

Der Wärmeaustragsabschnitt wird außerhalb der Einzelzellen mit Luft gekühlt. Die Luft kann entweder durch Naturkonvek­ tion vorbei geführt oder durch erzwungene Konvektion vorbeigeblasen werden.

Bevorzugt kann der Brennstoffzellenstapel auch so ausgeführt sein, daß die Kühlelemente den Konturen der Einzelzellen angepaßt sind. Da die Einzelzellen üblicherweise eine rechteckige Form haben, werden die Kühlelemente in Form von dünnen rechteckigen Platten mit der gleichen Breite wie die Einzelzellen anzufertigen sein.

Bevorzugt kann der Brennstoffzellenstapel weiterhin so ausgeführt sein, daß die Kühlelemente rohrförmig ausgebildet sind.

Eine vorteilhafte Anordnung ergibt sich auch, wenn ein oder mehrere rohrförmige Kühlelemente von einer plattenförmigen Hülle umschlossen sind. Die Hülle kann dann aus einem Mate­ rial gefertigt sein, das der aggressiven Atmosphäre inner­ halb einer Brennstoffzelle besser widersteht als das Mantel­ material der Kühlelemente, das beispielsweise aus Kupfer bestehen kann. Alternativ dazu kann das Kühlelement mit einer oder mehreren dicht verschlossenen, mit dem Wärme­ transportmedium direkt befüllten Längsbohrungen versehen sein.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt darin, daß in den einzelnen Kühlelementen eine nahezu glei­ che Temperatur über die gesamte Fläche erzielt wird. Somit wird auch die Betriebstemperatur in den Einzelzellen vergleichmäßigt. Da sowohl die Leistung als auch die Lebens­ dauer der Einzelzellen stark von der örtlichen Betriebstem­ peratur in der jeweiligen Einzelzelle abhängt, kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine optimale Betriebstemperatur und Leistung eingestellt und dennoch eine erhöhte Lebens­ dauer der Brennstoffzelle erreicht werden. Örtliche Überhit­ zungen, die leicht zum vorzeitigen Altern der Membran/Elektroden-Einheiten führen, werden vermieden.

Bei höherer Leistung sind die Brennstoffzellen ggf. mit Was­ ser zu kühlen. Das Wasser wird hierbei an den Wärmeaus­ tragsabschnitten der Kühlelemente vorbeigeführt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeich­ nungen zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kühlplatte zwischen den Ein­ zelzellen eines Brennstoffzellenstapels in schematischer Schnittdarstellung,

Fig. 2 einen herkömmlichen Brennstoffzellenstapel im Schnitt,

Fig. 3 die Perspektivdarstellung eines Brennstoff­ zellenstapels gemäß Fig. 1,

Fig. 4 die Perspektivdarstellung eines Brennstoff­ zellenstapels einer weiteren Ausführungsform und

Fig. 5 die Perspektivdarstellung eines Brennstoff­ zellenstapels einer dritten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt vier Einzelzellen 1 eines Brennstoff­ zellenstapels. Zwischen zwei der Einzelzellen 1 ist ein erfindungsgemäßes Kühlelement in Form einer Kühlplatte 2 eingelegt. Zwischen zwei Kühlplatten 2 können je nach den konkreten Betriebsbedingungen jeweils ein, zwei oder mehr Einzelzellen 1 plaziert sein. Die Kühlplatte 2 ist aus Blech und hohl ausgebildet und teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt. Als Flüssigkeit kommt Wasser oder ein anderer Stoff mit niedrigem Siedepunkt in Frage. Die Kühlplatte 2 erstreckt sich über die obere Ebene der Einzelzellen 1 hinaus und bildet dort einen Wärmeaustragsabschnitt 3.

Beim Betrieb der Brennstoffzelle wird die in den Einzel­ zellen 1 entstehende Wärme durch die Kühlflüssigkeit aufge­ nommen, die dabei verdampft und am Wärmeaustragsabschnitt 3 wieder kondensiert. Die Pfeile in Fig. 1 deuten den Wärme­ fluß an. Das Kondensat fließt anschließend wieder zurück in den Verdampfungsbereich.

Das Wärmetransportmedium liegt in zwei Phasen (flüssig und gasförmig) vor und ermöglicht durch die Stoffzirkulation innerhalb der Kühlplatte 2 eine sehr gute Wärmeübertragung vom Inneren der Brennstoffzelle nach außen. Die Temperatur in der Brennstoffzelle ist aufgrund des Wärmerohr-Effektes nur geringfügig höher als die Temperatur im Wärmeaustrags­ abschnitt 3.

Der Wärmeaustragsabschnitt 3 wird außerhalb der Einzelzellen 1 mit Luft gekühlt, wie hier nicht näher gezeigt ist.

Fig. 2 zeigt dagegen einen herkömmlichen Brennstoff­ zellenstapel, dessen Einzelzellen 1 zwischen zwei Endplatten 4 eingespannt und durch bipolare Platten 5 miteinander ver­ bunden sind. Die bipolaren Platten 5 werden über hier nicht gezeigte Zu- und Ableitungen von einem Kühlmedium, in der Regel Wasser, durchströmt und fungieren als Kühlplatten. Die Abwärme wird dann vom Kühlmedium an einen hier ebenfalls nicht gezeigten Wärmetauscher abgegeben.

Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Brenn­ stoffzellenstapels entsprechend Fig. 1.

Fig. 4 zeigt eine Variante mit einer Kühlplatte 2 zwischen Einzelzellen 1, die in diesem Fall nur eine Hülle für rohr­ förmige Kühlelemente 8 darstellt, die in Längsbohrungen 7 der Kühlplatte 2 eingebracht sind. Die Kühlelemente 8 sind an der Oberseite 6, z. B. durch Verschweißen, dicht ver­ schlossen.

Eine bessere Wärmeübertragung zum Wärmetransportmedium wird mit einer Anordnung gemäß Fig. 5 erzielt. Hier sind in die Kühlplatte 2 Längsbohrungen 9 eingearbeitet, die, analog der Variante nach Fig. 1, direkt mit einem Wärmetransportmedium gefüllt sind. Die Längsbohrungen 9 sind jeweils mit einem Stopfen 10 verschlossen.

Claims (8)

1. Brennstoffzellenstapel, bestehend aus übereinander gestapelten Einzelzellen (1) mit dazwischen angeordneten, die Einzelzellen (1) elektrisch verbindenden bipolaren Verbindungselementen, die hohle, die Einzelzellen (1) kontaktierende Kühlelemente (2) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossenen Kühlelemente (2) mindestens teilweise mit einem während des Betriebes des Brennstoffzellenstapels in zwei Aggregatzuständen vorliegen­ den Wärmetransportmedium gefüllt sind, wobei die Wärmeabfuhr über mindestens einen Abschnitt, der über mindestens eine Außenseite des Brennstoffzellenstapels hinausragt und einen Wärmeaustragsabschnitt (3) bildet, mittels Konvektion erfolgt.

2. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustragsabschnitte (3) nach oben über die Einzelzellen (1) hinausragen und der Rückfluß des kondensierten Wärmetransportmediums durch Schwerkraft erfolgt.

3. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (2) mit einer definierten Menge Wasser als Wärmetransportmedium gefüllt sind.

4. Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (2) den Konturen der Einzelzellen (1) angepaßt sind.

5. Brennstoffzellenstapel nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (2) plattenförmig ausgebildet sind.

6. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (2) rohrförmig ausgebildet sind.

7. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere rohrförmige Kühlele­ mente (8) von einer plattenförmigen Hülle umschlossen sind.

8. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlelemente (2) mit einer oder meh­ reren dicht verschlossenen, mit dem Wärmetransportmedium direkt befüllten Längsbohrungen (9) versehen sind.