WO2022033994A1 - Temperiervorrichtung für einen stapelartigen energiespeicher oder -wandler sowie ein brennstoffzellenstapel mit einer solchen temperiervorrichtung - Google Patents

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temperature
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Felix HENNERSPERGER
Volker Harbusch
Matthias WÖSSNER
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Siqens Gmbh
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Tempering device for a stack-type energy store or converter and a fuel cell stack with such a tempering device
  • the present invention relates to a temperature control device for a fuel cell stack and a fuel cell stack with such a temperature control device.
  • a fuel cell is a device for generating electrical energy through the reaction of fuel (e.g. hydrogen, propane, natural gas, methanol) and oxygen.
  • fuel e.g. hydrogen, propane, natural gas, methanol
  • oxygen e.g. hydrogen, propane, natural gas, methanol
  • such a cell essentially consists of supply plates with channels for the fuel/hydrogen supply (anode) and supply plates for the supply of air/oxygen (cathode), these plates being separated and sealed from one another by an ion-conducting membrane or layer.
  • hydrogen can either be fed directly to the cell as a fuel or can be produced by conversion from another fuel, for example methane, methanol, propane or another suitable hydrocarbon, ether or alcohol.
  • a heating device for example electric heating, heating medium or burner
  • a gas-operated starting system for a reformer fuel cell system is disclosed in EP 1 703 578 A1.
  • This comprises at least one reformer, a fuel cell and a burner arranged outside the fuel cell, such as a surface burner with a low flame height, e.g. a burner with a ceramic or metallic surface or a surface made of fiber materials, such as a ceramic fiber mat coated with silicon carbide Heat reformer and fuel cell stack.
  • the heating device preferably comprises a heating element such as a catalytic burner and/or an electrical heating element and/or a reformer device.
  • a fuel cell stack During operation, on the other hand, a fuel cell stack must be cooled. Otherwise, due to the exothermic reaction taking place inside, it would heat up to such an extent that the fuel cell stack would quickly degrade.
  • DE 199 31 061 A discloses a fuel cell system with a cooling circuit.
  • a heat sink is connected to a supply line for the fuel and/or the oxidizing agent in such a way that a corresponding heat exchange can take place. It should thus be possible to heat the gas/fluid streams of the fuel cell with the waste heat from a cooling system.
  • EP 1 498 967 A2 describes a PEMFC in which cooling air is guided through cooling plates integrated into a fuel cell stack with cooling channels open to the outside.
  • US 2011 013 60 30 A1 describes cooling fins for an HT-PEMFC, which are designed as an extension of a supply plate.
  • WO 2011 154 084 A2 discloses a fuel cell stack with cooling fins, with additional cooling channels being provided as a substructure in these fins.
  • US 809 73 85 B2 discloses a combination of thermally conductive material and cooling fins to cool a fuel cell stack.
  • US Pat. No. 049,388,33 A discloses an arrangement in which a fuel cell stack is formed from cooling and supply plates made of metal. A layer of heat-conducting Grafoil is inserted between these plates.
  • US 680 88 34 B2 discloses a fuel cell stack for a polymer electrolyte fuel cell. To improve the cooling, this has cooling ribs on one longitudinal side, which consist of a foil made of expanded graphite and protruding beyond the fuel cell stack towards the longitudinal side.
  • US Pat. No. 592,8807 A describes a supply plate for a PEM fuel cell with an integrated seal. The plate itself is made of a plastically deformable material, such as graphite foil, into which the channels are pressed. The sealing effect is created by a bump on this material which is compressed during assembly.
  • Flowing through the fuel cell stack with cooling air has disadvantages such as the large installation space required due to cooling channels integrated in the fuel cell stack, increased weight, poor compatibility with internal reforming in the stack in terms of costs and space, depending on the design or complexity, high temperature difference within the individual cells (influence on performance or degradation), as well as an increased required blower power due to increased pressure loss due to the flow through the internal channels.
  • the object of the present invention is to provide an efficient device for temperature control, i.e. for heating and cooling, of a fuel cell stack, which is of simple and inexpensive construction and is safe and reliable in operation.
  • Another object is to provide a device for controlling the temperature of a fuel cell stack, which allows the most homogeneous possible temperature distribution over the individual cells of a fuel cell stack.
  • the present invention relates to a temperature control device for controlling the temperature of a stack-like energy store or converter formed from a plurality of cells, comprising a plurality of plate-shaped heat conduction elements arranged between the cells, the cells being temperature-controlled via the plate-shaped heat conduction elements by means of heat conduction, a number of temperature-control ribs arranged outside the cells for changing the direction of flow of the temperature control air flow, wherein the temperature control ribs are thermally coupled to the heat conduction elements, and wherein the temperature control of the plate-shaped temperature control ribs takes place by being subjected to a temperature control air flow by means of convection and/or via other means by means of heat conduction, the means for influencing the temperature control air flow and/or for guiding the temperature control air, the are designed for changing a flow direction and / or a flow rate of the temperature control air flow, the means structurally such au are designed and/or arranged such that several of the temperature control ribs can be subjected to a volume flow of temperature control air
  • a fuel cell in particular a fuel cell stack, an electrolyzer or a redox flow battery is understood as a stack-like energy store or converter within the scope of the present invention.
  • temperature control is understood to mean heating or cooling of the stack-like energy store or energy converter in order to operate it more efficiently and/or to reach a predetermined operating state more quickly.
  • the cells are tempered via the plate-shaped heat conduction elements arranged between the cells inside the stack-like energy store by means of heat conduction. This ensures even and efficient tempering.
  • devices of this type are only provided on the outer walls of devices to be temperature-controlled. Such an arrangement does not enable uniform temperature control, since a corresponding device can only be temperature controlled from the outside inwards.
  • foils are known as heat conduction elements, which are arranged between individual cells. However, due to their small thickness, these also do not allow efficient temperature control. Using expensive high-performance material that is difficult to process, such as pyrolytic graphite, is not economical for many applications.
  • the invention is characterized in that the plurality of plate-shaped heat conduction elements arranged between the cells are provided.
  • the heat conduction elements can have a thickness of more than 0.9 mm or 1 mm or 1.2 mm and preferably more than 1.4 mm.
  • the thickness can be 2.0 mm or 3.0 mm. The greater the thickness, the better the temperature distribution. However, a greater thickness results in a greater length of the cell stack, which is disadvantageous in terms of installation space. A maximum thickness of 3.5 mm or 3.75 mm or 4.0 mm seems reasonable for most applications.
  • the heat conduction elements Due to their thickness, the heat conduction elements have a higher and more efficient thermal conductivity compared to foils.
  • the present invention is characterized in that the several temperature control ribs arranged outside the cells are provided, with the temperature control of the plate-shaped temperature control ribs being carried out by applying a temperature control air flow in a temperature control direction by means of convection and/or other means by means of heat conduction, and wherein the temperature control -ribs are thermally coupled to the heat conduction elements.
  • a first cell of a stack-like energy store for example a fuel cell stack
  • a last cell as the end row
  • the temperature control direction is preferably a main flow direction of the temperature control air flow or a temperature control air volume flow.
  • the temperature control direction can be directed from an initial row to an end row, approximately parallel to one or more side walls of the fuel cell stack and in a main flow direction of the temperature control air provided by a blower device.
  • the temperature control air flow or the temperature control direction is influenced, among other things, by structural conditions, for example lack of space in one dimension orthogonal to a surface of a component to be cooled, e.g. a fuel cell stack.
  • the fuel cell stack, including the temperature control device can thus be suitably integrated into a fuel cell system, for example with a low height in one dimension, while at the same time utilizing the advantages of the type of cooling. Accordingly, the temperature control device is extremely compact due to the combination and structural design of the means for influencing the temperature control air flow.
  • tempering ribs are not only thermally coupled to the heat conduction elements, but are also mechanically connected to them, they are referred to below as tempering elements.
  • a temperature control air duct according to the invention is provided, for example by means of the temperature control channel, then the air mass flow or air volume flow is distributed approximately uniformly and a uniform temperature distribution in the fuel cell stack is achieved.
  • the service life is then significantly longer (up to 40 percent) as is the performance of the fuel cell stack (up to 5 percent).
  • the fan power of a blower device to achieve the same average stack temperature would be lower (by up to 15 percent).
  • the service life of the cells is influenced, among other things, by the operating temperature.
  • H-PEM fuel cells high-temperature polymer electrolyte fuel cells
  • more phosphoric acid evaporates at higher temperatures.
  • cells operated 10 degrees Celsius warmer would degrade significantly faster than cells operated 10 degrees Celsius colder. Since fuel cells continue to degrade disproportionately quickly after degradation has already taken place, among other things due to low potential, one or more worst-performing cells limit the service life of the entire fuel cell stack.
  • the performance of the fuel cell stack is also influenced by the temperature distribution.
  • Colder cells of the HT-PEM fuel cell stack would have a disproportionately poorer performance due to lower phosphoric acid proton conductivity at lower temperatures (eg by 10 degrees Celsius).
  • Their sensitivity to components/impurities in the anode gas that are negative for performance, such as carbon monoxide, is increased.
  • a good temperature distribution during operation therefore significantly improves the service life of the fuel cell stack as well as its performance.
  • the temperature distribution in HT-PEM fuel cells is crucial for the heating-up process, since the fuel cell stack may only be operated when a certain minimum temperature (e.g. 105 degrees Celsius) has been reached, so that water can evaporate so that no phosphoric acid droplets are expelled from the fuel cell or So that product water formed by the fuel cell reaction immediately goes into the gas phase and the phosphoric acid is not diluted by water and its volume increases, which can lead to its discharge and result in degradation of the fuel cell.
  • the heating process must be as short as possible in order to meet market requirements, it is advantageous for the fuel cell stack to have a temperature distribution that is as uniform as possible during the heating process. The energy required for the heating process is also lower if it is distributed evenly, which would mean, for example, lower consumption of fuel when obtaining thermal heat from a combustion process or lower consumption of electrical energy from an accumulator.
  • the invention can be applied to fuel cell stacks (fuel cell stacks) as well as to galvanic elements, primary cells, batteries, secondary cells, accumulators, redox flow batteries, electrolyzers and similar assemblies/components such as microreactors, reactors, heat exchangers, mixers and burners with stacked reaction spaces (cells) and similar structures with layered or stacked functional spaces/components (cells) can be used.
  • the cells thus represent, among other things, cells in the sense of fuel cell, electrolyzer, accumulator or battery technology or functional units or spaces that fulfill one or more function(s).
  • the individual cells can be closed or open systems act. In the context of the present invention, such devices are referred to as stack-type energy stores or energy converters.
  • the cells can contain electrolyte membranes, polymer electrolytes, electrolyte foils, electrolyte layers or electrolyte plates and/or, for example, solid electrolytes or liquid electrolytes. Furthermore, the cells can contain catalysts or catalytically active substances.
  • the cells can be formed or constructed from electrically conductive and/or non-electrically conductive components.
  • the membrane electrode units or the combination of membrane electrode units with associated sealing elements and associated electrically conductive plates (for example bipolar plates) and/or any other associated components can form the cells.
  • the multiple temperature control ribs assigned to a side wall of the device can at least partially have surfaces of different sizes and/or at least partially have the same surface area and/or that the temperature control ribs have recesses of different sizes and/or the same size, the recesses being provided for passing through and influencing the temperature control air flow , and where the The size of the recesses increases or decreases in the temperature control direction and/or that the temperature control ribs and/or their recesses at least partially delimit and/or form one or more temperature control air ducts.
  • the resistance elements can be arranged in the area of two adjacent temperature control ribs and approximately orthogonally to the temperature control ribs, the resistance elements being approximately plate-shaped and preferably having one or more openings or recesses.
  • the resistance elements are also referred to as spacers or elements if they are arranged, for example, orthogonally between two adjacent tempering ribs and keep them at a predetermined distance.
  • the temperature control ribs and/or the temperature control air guide elements can form a temperature control air channel that preferably tapers in the temperature control direction and/or one or more temperature control air ramps.
  • the temperature control body or bodies can be designed as a heat exchanger device, wherein the heat exchanger device can have ribs and/or the ribs of the heat exchanger device can be at least partially the temperature control ribs.
  • One or more of the means for influencing the temperature control air flow can form one (or more) temperature control channel that tapers in the temperature control direction. Additionally and/or alternatively it is also conceivable that one or more temperature control channels widening in the temperature control direction are provided.
  • the temperature control air can be better used for cooling or heating, since the air distribution, the temperature distribution and the heat transfer are significantly improved.
  • the plate-shaped temperature control ribs are uniformly flown against by a narrowing or tapering temperature control channel and at the same time the thickness of the air boundary layer is locally reduced.
  • a flow generation device can be provided for forming the temperature control air flow and for acting on the means for influencing the temperature control air flow in the temperature control direction.
  • At least one temperature control air supply can be provided for applying a temperature control air flow to one or more of the means in a temperature control direction from a starting row of the cell stack to an end row, and/or at least one temperature control air outlet can be provided for removing the temperature control air from the temperature control device, with the Temperature control air supply and the temperature control air discharge are part of the temperature control air duct by means of the temperature control channel.
  • the temperature control ribs or the temperature control elements can be structurally designed in such a way that the flow resistance of the temperature control air duct increases in the temperature control direction via the temperature control channel, and/or that all cells can be subjected to approximately the same volume flow (or mass flow) of temperature control air, and/or that the temperature control ribs and/or the temperature control elements delimit in sections at least one temperature control channel, which essentially extends in the temperature control direction and whose cross section decreases in the temperature control direction, and/or that a cross section of the temperature control channel tapers in the temperature control direction, and/or that between the temperature control ribs and/or or the tempering elements and approximately orthogonally to these the resistance -or.
  • Spacer elements are arranged so that the heat transfer surfaces of the temperature control ribs and/or the temperature control bodies and/or the temperature control air guide means become larger in the temperature control direction, and/or that the resistance elements are arranged between the temperature control ribs and/or the temperature control elements, so that the flow against the temperature control ribs and/or the Temperature control elements with temperature control air there is a higher heat transfer from or to the temperature control ribs and/or the temperature control elements, and/or that the temperature control bodies are arranged on the temperature control ribs and/or the temperature control elements, so that a higher heat transfer surface means better heat transfer from and to the temperature control ribs.
  • the spacer elements can preferably be provided to increase the heat transfer.
  • Cross sections and/or the number of one or more temperature control air inlets and/or one or more temperature control air discharges can be matched to one another in such a way that the temperature of a cell stack is approximately evenly controlled and/or that the flow of the temperature control ribs with the temperature control air flow is automatically controlled by a control device Hand of operating parameters of the cell stack is regulated and / or controlled.
  • Sections of the temperature control channel can be delimited transversely to the temperature control direction by the temperature control air guiding elements and/or by the temperature control ribs, a side wall of a cell stack and a housing surrounding the cell stack.
  • the plate-shaped heat conduction elements can form sealing elements of the cell stack.
  • the temperature control ribs can be designed to be electrically insulating from other temperature control ribs and/or from heat conducting elements and/or from temperature control ribs and/or from resistance elements and/or from temperature control bodies.
  • the electrical insulation can be made electrically insulating by a suitable material such as micanite or by an electrically non-conductive coating such as silicone resin or electrically non-conductive means.
  • a fuel cell stack can be provided according to the invention.
  • This includes several fuel cells connected in series, which form the approximately cuboid fuel cell stack, where at least one side wall or preferably two, in particular opposing, or three or four side walls are provided with a temperature control device according to the invention.
  • the temperature control device can have one or more temperature control air inlets and one or more temperature control air outlets per side wall of the fuel cell stack.
  • a temperature sensor for measuring the temperature of the fuel cell stack can be coupled to at least one temperature control element.
  • the temperature control device is extremely cost-effective, has a simple structure and does not change the internal structures of a fuel cell stack, if at all.
  • the installation space in a fuel cell system can be used in a suitable manner by the temperature control device according to the invention if, for example, there is not enough installation space on a side surface above or below the fuel cell stack for an air supply, distribution, heating device and/or blower device.
  • a structure of a fuel cell system is therefore simpler and more space-saving.
  • the heating device can be attached to a side wall of the housing of the fuel cell stack, for example.
  • a fan can be arranged at a distance from the fuel cell stack and coupled to the temperature control device via a corresponding channel.
  • a defined temperature control air flow e.g. by means of the temperature control duct, enables an even temperature distribution (due to the air flow). Without such a temperature control air duct, there would be a large temperature difference within the fuel cell stack, since the main temperature control air flow would flow in the temperature control direction and several temperature control ribs would flow little or not at all.
  • the momentum of the gas particles plays a role.
  • Sections of the temperature control channel can be delimited transversely to the temperature control direction by the temperature control ribs and/or the resistance elements and/or the temperature control air guide elements and/or by one or more temperature control bodies and/or a side wall of a fuel cell stack and/or a housing surrounding the fuel cell stack, and the plate-shaped Temperature control ribs can be integrally formed on plate-shaped heat conduction elements and form temperature control elements, and the heat conduction elements can be arranged between individual cells of a fuel cell stack, so that the plate-shaped temperature control ribs are mechanically coupled to the fuel cell stack in such a way that the temperature of the fuel cell stack is controlled via the plate-shaped heat conduction elements by means of heat conduction, and the plate-shaped tempering ribs are tempered by means of convection.
  • the temperature control air guide elements can be formed from individual plate-shaped elements which extend approximately or essentially in the temperature control direction or parallel to the temperature control direction or are inclined at an acute angle relative to the temperature control direction. These are referred to below as longitudinal
  • the temperature control air guiding elements can be formed from individual temperature control air guiding elements which extend approximately or substantially transversely to the temperature control direction or are inclined at an obtuse angle relative to the temperature control direction. These are referred to below as transverse air guide elements.
  • the tempering air guiding elements can consist, for example, of a material such as micanite/mica, aluminum, thermally conductive ceramics, high-performance polymer or expanded graphite or, for example, of ceramic fiber boards, glass fiber boards or heat pipes.
  • a material such as micanite/mica, aluminum, thermally conductive ceramics, high-performance polymer or expanded graphite or, for example, of ceramic fiber boards, glass fiber boards or heat pipes.
  • high strength, inexpensive manufacturability, high temperature resistance (e.g. up to 250°C) and also non-electrically conductive properties the choice of material is limited, with the material micanite/mica being suitable proved.
  • the temperature control channel can be formed in one piece or from a large number of individual elements which are connected or coupled to one another.
  • the temperature control ribs In addition to the temperature control channel, which is mainly responsible for the temperature control air distribution or temperature control air duct and thus for the temperature control, the temperature control ribs also delimit a large number of temperature control distribution channels branching off from the temperature control duct, which also play a decisive role in the temperature control of a fuel cell stack and are part of the temperature control air duct .
  • the temperature control device can have one or more temperature control channels with corresponding temperature control distributor channels per side wall of the fuel cell stack.
  • a blower device can be provided for applying air to the temperature control air duct or the channels for temperature control.
  • the plate-shaped heat conduction elements of the temperature control elements can form sealing elements for functional units of a fuel cell stack.
  • manifold holes that form the gas distribution channels orthogonally to the supply plates can be sealed by the heat conduction elements.
  • webs can be formed in the supply plates, which ensure locally increased compression of the heat conduction elements in order to achieve a high sealing effect.
  • the material from which the temperature control elements are made can be made temperature-resistant up to at least 250° C. and, if necessary, resistant to phosphoric acid.
  • the temperature control element or at least its heat conduction element is preferably made of expanded graphite.
  • the tempering rib can be made of expanded graphite.
  • the additional use of the heat conduction elements as a flat gasket instead of, for example, a large number of sealing rings for sealing, can significantly reduce the number of sealing elements and thus the probability of assembly errors.
  • Graphite is well suited as a sealing material for reformer chambers contained in the stack, as other sealing materials can be problematic (e.g. FKM as a high-temperature elastomer can swell with the methanol in the reformer chambers in combination with internal methanol reforming; FFKM is expensive; silicone is converted from phosphoric acid decomposed from the HTPEM fuel cell MEAs; EPDM has too low temperature resistance for HT-PEM fuel cells).
  • the expanded graphite also serves to reduce the contact resistance of the reformer chambers (hard plate on hard plate would result in high electrical contact resistance and would therefore mean high power loss). Expanded graphite is inexpensive both as a raw material and in processing (e.g. stamping).
  • the heat transfer elements or temperature control elements can ideally be used both to seal off the reformer chambers and to cool the cells.
  • sealing the media using sealing rings on the expanded graphite is associated with disadvantages, since both elements (both the sealing ring and the expanded graphite) have a flexible character and a local plastic deformation of the expanded graphite and creep or settling of the two elements can occur over time.
  • sealing rings are used as sealing elements, they should therefore advantageously not rest on expanded graphite, which is structurally difficult or impossible, especially in connection with internal reforming, since the reformer space is designed over a large area in the supply plate and an interruption in the heat conduction element for a sealing track for the Heat conduction would be disadvantageous.
  • the temperature control element, the temperature control rib and/or the thermally conductive element can also be made of another suitable thermally conductive material, such as metal or a carbon-polymer compound.
  • the media can be sealed with elastomer or expanded graphite, for example.
  • the plate-shaped tempering ribs can be provided with tempering bodies to increase the surface area of the tempering ribs in order to increase the convective heat transfer.
  • the tempering bodies can be made of another heat-conducting material, such as graphite, ceramic or metal. These temperature control or cooling bodies can preferably be made of aluminum. The tempering bodies enlarge or increase the heat transfer from the tempering ribs to the air.
  • the temperature control bodies can be designed, for example, as aluminum heat sinks, graphite elements, heat pipes, heat-conducting ceramics, snap-in elements, rivet elements, metal clips, spring elements, metal clamps or as bent metal parts.
  • the tempering bodies can be fastened or connected to the tempering ribs, for example by spring force, gluing, clamping, screws or rivets.
  • resilient bent/pressure-formed steel, copper, brass or aluminum parts can be clamped to the tempering ribs as tempering bodies.
  • the spring force ensures good heat transfer between the air guide element and the temperature control body.
  • individual tabs of a plate-shaped temperature control body can rest alternately on one side and the other side of an air guiding element and thus create a heat-conducting connection to it with spring force and form a large heat transfer surface to the air due to the curved design.
  • extruded aluminum heat sinks can be riveted, clamped or screwed as temperature control bodies to temperature control ribs.
  • temperature control elements are designed to be electrically insulating, they can contact several temperature control elements, temperature control ribs and/or temperature control bodies arranged one after the other in the temperature control direction. In this way, heat exchange or equalization between these elements is made possible, so that more efficient temperature control of a fuel cell stack with good temperature distribution is possible.
  • Spacers or structures, in particular resistance elements, can be arranged between two adjacent tempering ribs.
  • the resistance elements or spacer structures can be provided for positioning or for aligning or for centering the tempering ribs in order to compensate for linear expansion of the fuel cell stack and/or manufacturing tolerances. This is particularly possible if the tempering ribs are made of expanded graphite, which is sufficiently flexible and can be bent easily.
  • the resistance elements or spacer structures can extend orthogonally to the temperature control ribs, can be used for positioning and/or spacing of temperature control ribs and can, for example, prevent large gaps between adjacent temperature control ribs, for example due to unintentional bending of temperature control ribs during assembly or due to thermal expansion the compo Description of the fuel cell stack in operation. Such gaps would increase the boundary layer thickness for the heat transfer and thereby possibly have a negative effect. Gaps between tempering ribs that are too small can also be avoided with the help of spacer structures.
  • the spacer structures can also serve to prevent electrical contact between adjacent temperature control ribs if the temperature control ribs are designed to be electrically conductive.
  • the resistance elements can be arranged in particular to influence the air flow between the tempering ribs.
  • the resistance elements or the spacer structures can serve or be provided to influence the flow of the temperature control air, for example in order to form a turbulent flow.
  • the spacer structures and/or resistance elements can also have recesses and/or holes for influencing the flow of the tempering air.
  • the resistance elements or the spacer structures can also serve to specifically influence the pressure loss of the air flow, so that the temperature distribution of the fuel cell stack is more uniform.
  • the resistance elements or the spacer structures for example by correspondingly smaller cutouts or openings or smaller distances to tempering ribs locally on specific cells, can aim for a higher pressure loss at a given volume flow in contrast to the cutouts on other cells.
  • the differential pressure between air supply and air discharge can also be increased overall by the spacer structures or resistance elements at a given volume flow (for example by correspondingly small flow cross sections on the spacer structures or resistance elements) in order to influence the temperature distribution of the fuel cell stack in the desired way and/or to make it less sensitive to tolerances in the air flow or other parameters that lead to a deviation in the pressure loss.
  • resistance elements or spacer structures and temperature control ribs should be approximately constant for a defined flow cross section (e.g. also when the fuel cell stack with the temperature control elements expands when heated), elements can be formed or attached to the spacer structures or resistance elements to keep the distance.
  • the resistance elements or the spacer structures can be formed, for example, from the material mica or micanite or from ceramic or glass fiber plate. Furthermore, they can be made of metal or expanded graphite, for example, and they can have an electrically insulating coating.
  • the temperature control ribs can also have the function of temperature control bodies and/or resistance elements, or temperature control bodies and/or resistance elements can be integrally formed on the temperature control ribs.
  • the tempering ribs can form a plurality of tempering channels that extend in and/or transversely to the tempering direction.
  • a fuel cell stack with such a temperature control device is provided according to the invention.
  • This comprises several fuel cells connected in series, which form the roughly cuboid fuel cell stack, wherein at least one side wall or preferably two, in particular opposing, or three or four side walls are provided with a temperature control device as described above.
  • FIG. 1 shows a schematic, perspective view of a first exemplary embodiment of a fuel cell stack with a temperature control device according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic, perspective representation of a second exemplary embodiment of a fuel cell stack with a temperature control device according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic perspective view of a third exemplary embodiment of a fuel cell stack with a temperature control device according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic, perspective view of the temperature control device according to the invention from FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a schematic, perspective representation of a further exemplary embodiment of a fuel cell stack with a temperature control device according to the invention
  • FIG. 6 shows a schematic, perspective representation of a further exemplary embodiment of a fuel cell stack with a temperature control device according to the invention
  • FIG. 7 shows a schematic, perspective illustration of a further exemplary embodiment of a fuel cell stack with a temperature control device according to the invention
  • FIG. 8 shows a schematic, perspective illustration of a further exemplary embodiment of a fuel cell stack with a temperature control device according to the invention
  • FIG. 9 shows a schematic, perspective illustration of a further exemplary embodiment of a fuel cell stack with a temperature control device according to the invention.
  • FIG. 10 shows a schematic, perspective illustration of a further exemplary embodiment of a fuel cell stack with a temperature control device according to the invention
  • FIG. 11 shows a schematic, perspective illustration of a further exemplary embodiment of a fuel cell stack with a temperature control device according to the invention
  • 12 shows a schematic, perspective illustration of a further exemplary embodiment of a fuel cell stack with a temperature control device according to the invention
  • 13 shows a schematic exploded view of plate-shaped elements of a fuel cell stack
  • FIG. 14 is a perspective detailed view of a gas distributor structure from FIG. 13.
  • a fuel cell stack 2 is described below by way of example, which is provided with a temperature control device 1 according to the invention (FIGS. 1 to 3 and 5 to 12).
  • the fuel cell stack 2 with internal reforming is designed similarly to the fuel cell stack described in WO 2015/110545 A1.
  • a fuel cell system for thermally coupled reforming with reformate processing comprises a fuel cell stack with an anode inlet, an anode outlet, a cathode inlet and a cathode outlet, and a reformer device for steam reforming thermally coupled to the fuel cell stack for providing an anode fluid comprising reformed fuel, which is upstream of the anode inlet.
  • the fuel cell stack and the reformer device are thermally coupled in such a way that the waste heat from the fuel cell stack is transferred to the reformer device by means of thermal conduction and is at least partially used to operate the reformer device, and at least one treatment device arranged between the reformer device and the anode inlet for removal and/or or reforming of non-reformed fuel and/or substances harmful to the fuel cell stack from the anode fluid is provided, wherein an operating temperature of the fuel cell stack is in the range between 140° C. and 230° C.
  • the fuel cell stack 2 is designed as an HT-PEMFC (high-temperature polymer electrolyte fuel cell). This high-temperature fuel cell works in a temperature range of 160 °C -180 °C or up to 230 °C.
  • the required hydrogen is obtained from methanol through an internal and an external reforming process and converted into electricity in the fuel cell stack.
  • the temperature control device 1 according to the invention can be used with all types of devices described above, in particular fuel cell stacks.
  • a corresponding fuel cell system (not shown) comprises the fuel cell stack 2 with an anode inlet 3 and an anode outlet 4 and a cathode inlet 5 and a cathode outlet 6.
  • a reformer device 7 thermally coupled to the fuel cell stack 2 for providing reformate or anode fluid is provided, which is connected upstream of the anode inlet 3 and a processing device (not shown) arranged outside the cell stack between the reformer device 7 and the anode inlet 3 for removal of unprocessed fuel and harmful substances from the reformate.
  • a structure of a "repetition unit” 8 is explained by way of example, which in the present case describes two cells of a fuel cell stack 2 composed of several cells.
  • a plate-shaped temperature control element 9 of the temperature control device 1 is provided.
  • This temperature control element 9 is formed from a plate-shaped temperature control rib 10 and a plate-shaped heat conduction element 11 integrally formed thereon.
  • the plate-shaped temperature control ribs 10 are mechanically coupled to the fuel cell stack 2 in such a way that the temperature of the fuel cell stack 2 is controlled via the plate-shaped heat conduction elements 11 by means of heat conduction, and the plate-shaped temperature control ribs 10 are temperature-controlled by inflow or application of tempering air by means of convection.
  • the reformer device 7 connects to the temperature control element 9 .
  • the reformer device 7 is integrated into a supply plate 17 of a fuel cell stack 2 .
  • One side of the supply plate is provided with a meandering distribution structure, called a flow field, for an anode fluid (or correspondingly for a cathode fluid).
  • a reformer chamber of the reformer device 7 is formed on the side of the supply plate opposite the distributor structure for the anode fluid.
  • a reformer monopolar plate with a reformer chamber or as a monopolar plate with a reformer space.
  • the reformer chamber has an inlet for supplying the carrier gas containing gaseous fuel and an outlet for discharging the reformate formed from the gaseous fuel and the carrier gas.
  • a reformer catalyst (not shown) is arranged in the reformer space and is distributed evenly over the entire reformer space.
  • a barrier e.g. in the form of a network made of the material PEEK or channels or webs, is formed between the inlet or outlet and the reformer chamber, which prevents the reformer catalyst from escaping from the reformer chamber into the inlet and outlet when the system is moved.
  • the reformer chamber there are, for example, cuboid bodies or webs from the supply plate in order to ensure an even distribution of the reformer catalyst and the gas. These also serve to form an electrically and thermally conductive connection between the supply plates and to ensure the mechanical stability of the supply plates and thus of the fuel cell stack.
  • the anode fluid distribution structure is followed by one or more sealing elements, gas diffusion layers, catalyst layers, and an electrolyte-containing membrane (membrane-electrode assembly, MEA).
  • sealing elements gas diffusion layers, catalyst layers, and an electrolyte-containing membrane (membrane-electrode assembly, MEA).
  • a supply plate which is provided on both sides with distribution structures that are spatially separated from one another, for example that run in a meandering manner.
  • One side has a cathode fluid manifold structure and the other side has an anode fluid manifold structure.
  • Such a plate is referred to below as a bipolar plate.
  • one or more sealing elements, gas diffusion layers and catalyst layers as well as a membrane (MEA) containing electrolyte and a supply plate 17 as a monopolar plate with cathode flow field.
  • MEA membrane
  • a fuel cell stack 2 with any number of cells, depending on the desired output, can be formed.
  • the temperature control air duct 12 comprises at least the temperature control channel 15, which essentially extends in a temperature control direction 16 and whose cross section decreases or tapers conically in the temperature control direction 16, so that individual cells of the fuel cell stack 2 are heated approximately evenly. or can be cooled.
  • a plurality of plate-shaped tempering ribs 10 are arranged approximately orthogonally to a side wall 14 of the fuel cell stack 2 and are thermally coupled to it.
  • the tempering ribs 10 have recesses 13 that are axially aligned in the tempering direction 16 .
  • plate-shaped temperature control air guide elements 10 are provided, which are arranged at a predetermined angle relative to the side wall 14 of the fuel cell stack 2 and delimit a temperature control channel 15 of the temperature control air duct 12 .
  • the angle can be, for example, at least 25° or 30° or 40° or 50° or at most 70° or 80° or 90° and preferably at most 60°
  • the temperature control channel 15 is delimited by recesses 21 formed in the temperature control air guiding elements 20, a side wall 14 of the fuel cell stack 2 and a housing (not shown) surrounding the fuel cell stack.
  • the housing can be provided with thermal insulation.
  • the temperature control device 1 with its temperature control elements 9 and a corresponding fan device (not shown) for applying a temperature control medium (preferably air) to the at least one temperature control channel 15 is provided within the scope of the present invention.
  • the temperature control device 1 has at least one or two or three or four or five or six or seven or eight or more main temperature control channels 22 .
  • the main temperature control channels 22 are preferably arranged at equal distances from one another in the lateral direction and are arranged mirror-symmetrically or symmetrically along a casing wall or along the side walls 14 of the fuel cell stack 2 .
  • a temperature control air supply 23 is provided, which is also part of the temperature control air duct 12 .
  • the temperature control elements 9 can also be designed as a thermally conductive seal in order to seal off individual components or functional units or repeat units 8 of a fuel cell stack 2 .
  • This seal can be, for example, a graphitic material with sufficient thermal conductivity, or in the case of a metallic fuel cell stack 2, a corresponding metallic seal.
  • an anode and/or cathode distributor structure into the heat conduction elements 11 or to form corresponding components (e.g. heat conduction element and cathode and/or anode monopolar plate) in one piece.
  • the temperature control element can, for example, additionally assume the functions of the supply plate(s) (among other things, the gas distribution or fluid supply of a fuel cell MEA).
  • a gas distributor structure can be pressed into a temperature control element, which is made of a deformable material and has at least one temperature control rib (FIGS. 13 and 14).
  • a temperature control element which is made of a deformable material and has at least one temperature control rib (FIGS. 13 and 14).
  • there is a lower thermal gradient since no heat transfer from a monopolar plate or bipolar plate to the temperature control element is necessary for the heat transfer. As a result, better temperature distribution and lower energy consumption for cooling can be achieved.
  • the fuel cell stack becomes shorter because fewer plates are required.
  • the temperature control element can also fulfill the function of the MEA seal.
  • a temperature control element made of a deformable material and a plate or a temperature control element made of a non-deformable material can adjoin a membrane electrode unit (MEA).
  • Two plates or temperature control elements made of a deformable material can also adjoin the MEA and thereby seal the MEA from both sides, for example.
  • Another advantage is that the plates with embossed supply channels can be produced more cheaply, since embossing channels in flat material can be cheaper than, for example, milling channels from a plate or manufacturing them by injection molding or compression molding.
  • One or more plates in which channels are pressed and which, among other things, fulfill the function of a monopolar plate or bipolar plate, can be provided in the cell stack.
  • the material of the plates, heat conduction elements, tempering ribs or tempering elements into which structures or channels are pressed can be expanded graphite, for example, which is obtained as a flat plate and into which structures or channels are introduced by rolling, hammering, embossing or pressing.
  • the embossing of the channels can also be accompanied or implemented by a stamping and forming process.
  • the material is preferably electrically conductive and can have a material thickness of, for example, 1 to 4 mm, preferably 1.5 mm, 2 mm, 2.5 mm or 3 mm, so that with high mechanical Pressure can emboss channels with channel depths of more than 0.2 mm, preferably more than 0.6 mm, and so that at the same time next to and/or opposite the embossing either no elevations or elevations with a height of less than 0.4 mm, preferably less than 0 ,1 mm.
  • the thermal conductivity of the heat conduction element or temperature control element is over 50 W/mK, preferably over 100 W/mK or over 150 W/mK.
  • the material does not necessarily have to contain a binder or plastic (eg thermoplastic or hardening resin), but can (in contrast to injection molding or compression molding) consist of more than 99 percent carbon, for example.
  • Graphite with a concentration of over 99% is chemically and thermally more stable than carbon-plastic compounds, which is advantageous for a long service life.
  • the channels or structures can be pressed in, for example, at temperatures below 100.degree. C., preferably below 40.degree.
  • the pressure for embossing structures or channels can be more than 10 MPa, preferably between 15 and 300 MPa.
  • the specific electrical resistance (in the through-plane direction) of the material of the temperature control element or heat conduction element is less than 0.1 ohm*cm, preferably less than 0.04 ohm*cm or less than 0.02 ohm*cm.
  • a conventional fuel cell bipolar plate material made of a carbon-polymer compound would be very brittle, fragile and solid with this low specific resistance, so that no channels could be embossed at temperatures below 100 °C. For this reason, a deformable material such as expanded graphite, which is commonly used for flat gaskets in flanges, must be used.
  • the structures or channels can be embossed into the plate either on one side or on both sides.
  • the plates, temperature control elements or heat conduction elements can be chemically or physically treated, impregnated or coated in order to avoid heavy absorption of electrolyte, for example from a fuel cell MEA, and the electrical resistance to the MEA must be less than 50 mOhm/cm 2 .
  • the embossing of structures in the tempering ribs can serve, for example, to increase the heat transfer to the air or to another material.
  • a metallic frame which serves as a temperature control rib, can be contacted to a heat conduction element that contains embossed channels.
  • the metallic frame or a metallic molding or a thermally conductive plate can be attached, for example by clamping, to the thermal element, which contains embossed channels.
  • Thermal contact can also be achieved by soldering or welding material to the inner edges of the metal frame, so that a positive and/or non-positive fit is created with the temperature control element or heat conduction element, and it can be provided that areas of the metal sheet are inserted into the deformable temperature control element or .Press in the heat conduction element. If a reformer chamber is adjacent to the plate with embossed supply channels, there can be better heat transfer from the MEA to the reformer chamber, since there is no monopolar plate or bipolar plate between the MEA and the reformer chamber, only a heat-conducting element, for example.
  • a fuel cell stack can thus be provided which is characterized in that one or more heat conduction elements and/or temperature control elements are made of a material, preferably "expanded graphite".
  • the material is deformable at a temperature of below 80° C.
  • the material has an electrical specific through-plane resistance of less than 0.1 Ohm*cm
  • channel structures for a fluid supply are formed in the heat conduction elements and/or the temperature control elements, which are produced by embossing in the deformable material.
  • an air flow is provided around the stack, which removes the excess heat from the system. The excess heat can also be used as waste heat.
  • the fuel cell stack can also be combined with one or more other cell stacks.
  • a reformer stack may be attached or braced to the fuel cell stack.
  • the temperature control device can be designed either on the combination of stacks or separately for each stack.
  • the plate-shaped tempering ribs 10 of the tempering elements 9 are provided with tempering bodies 19 to increase the surface area of the tempering ribs 10 in order to increase the convective heat transfer.
  • the temperature control ribs 10 are not connected in one piece to the heat conduction elements 11, but are formed separately from them.
  • tempering air guide elements 20 can also be provided at these tempering ribs 10 .
  • the temperature control ribs 10 have recesses 13 which form a temperature control channel which tapers in the temperature control direction 16 .
  • the individual temperature control ribs 10 are connected to one another via resistance elements 18 which extend transversely to the temperature control ribs 10 and run approximately in the temperature control direction.
  • the resistance elements 18 serve as spacers and have corresponding recesses 25 for the passage of the tempering air flow.
  • thermocontrol device can be attached to a side wall, for example of a fuel cell stack, in a simple manner (FIG. 4).
  • Such a temperature control device 1 is advantageous in that the narrowing flow cross sections on the temperature control ribs promote the flow towards the fins by reducing the air boundary layer.
  • the temperature control ribs 10 again have recesses 13 which taper in the temperature control direction 16 .
  • resistance elements 18 are arranged as spacers between the individual tempering ribs.
  • the edge regions of the tempering ribs 10 have passage openings 24 that increase in the tempering direction 16 .
  • the largest possible surface area of the temperature control ribs 10 can be realized in the air discharge despite the small installation space.
  • the less air has to be discharged orthogonally to the respective temperature control rib the smaller the recess in the temperature control rib and the pressure loss of the outflowing air flow is only slightly higher than if all temperature control ribs had recesses of the same size.
  • the size of the recesses can serve to distribute the volume flow.
  • resistance elements 18 are provided between the tempering ribs 10 .
  • the resistance elements 18 can be formed like a comb. Micanite (mica) can preferably be used as the material. These also serve to reduce the air boundary layer, in particular due to a narrow gap provided between the resistance elements 18 and the tempering ribs 10 . They also contribute to the formation of turbulence and vortices and thus to an increase in pressure loss. A higher pressure drop favors a more even pressure distribution over the entire fuel cell stack.
  • the tempering ribs 10 are offset from one another in the tempering direction 16 .
  • a blower device (not shown) first acts on a temperature control channel 15.1 that tapers in the temperature control direction, with the temperature control air then flowing along the temperature control ribs into a temperature control channel 15.2 that widens in the temperature control direction 16.
  • corresponding temperature control ribs 10 are provided on two opposite sides of a fuel cell stack 2 .
  • a temperature control air guide element 20 is provided that is inclined relative to the temperature control direction and forms a temperature control channel 15 that tapers in the temperature control direction.
  • the technical effect of such a temperature control channel corresponds approximately to the temperature control channels 15.1, 15.2 shown above, which taper in the temperature control direction.
  • thermocontrol ribs 10 are formed on two opposite side walls 14 of the fuel cell stack 2 .
  • 10 resistance elements 18 are provided between the tempering ribs. These have recesses 25 which extend into the temperature control channels 15 formed between the temperature control ribs 10 .
  • the diameter of the recesses 25 preferably increases from the center of a corresponding fuel cell stack 2 to the outer edge regions.
  • two tempering air guiding elements 20 are provided which are approximately roof-like or inclined relative to a side wall of the fuel cell stack 2 . These are arranged approximately centrally spaced from each other. It is provided here that a blower device (not shown) introduces the temperature control air into a free space between the two temperature control air guide elements 20 . The temperature control air is then distributed via the corresponding recesses 25 into the temperature control channels 15 formed between the temperature control ribs 10, so that a uniform temperature control of a fuel cell stack 2 is again possible.
  • temperature control ribs 10 are provided on two opposite sides 14 of the fuel cell stack 2 .
  • Two tempering air guiding elements 20 are arranged on a further side wall 14 , which essentially extend parallel to this side wall 14 and form a tempering air feed 23 and part of a tempering air duct 12 .
  • the temperature control air reaches the region of the temperature control ribs 10 via the spaced arrangement between the two temperature control air guide elements 20 . It is provided here that the temperature control ribs 10 delimit a temperature control channel 15 which tapers towards both end regions of the fuel cell stack 2 .
  • a resistance element 18 is provided for holding the temperature control ribs 10 at a distance, which is arranged transversely to the temperature control ribs 10 and has recesses 25 in the region of the temperature control ribs 10 for the passage of the temperature control air.
  • temperature control ribs 10 are again provided on two opposite side walls 14 of the fuel cell stack 2 .
  • At least one resistance element 18 or spacer element for holding the temperature control ribs 10 at a distance is provided on each side, corresponding recesses 25 being formed in the resistance elements 18 in the region of the temperature control ribs 10 .
  • Several such resistance elements 18 can also be provided.
  • the resistance elements have recesses 25 that increase in size in the direction of the edge regions of the fuel cell stack and a temperature control air guide element is provided, which is inclined relative to a side wall of the fuel cell stack 2 in such a way that there is a larger spacing between the temperature control air guide element 20 and the fuel cell stack in the area of a temperature control air inlet is formed, a temperature control channel 15 that tapers transversely to the temperature control direction 16 is formed, with the temperature control channel 15 or a corresponding temperature control air duct 12 also comprising the corresponding intermediate spaces between the temperature control ribs.
  • a temperature control device 1 according to the invention (FIG. 11) no individual temperature control ribs 10 are provided.
  • a large temperature control body 19 which extends essentially over the entire side wall 14 of a fuel cell stack 2 and includes the temperature control ribs 10 is provided for contacting the heat conduction elements.
  • a shaft-like temperature control channel 15 which tapers in the temperature control direction 16 and also forms the temperature control air feed 23 is formed by means of a plurality of temperature control air guide elements 20 connected to one another.
  • the temperature control body 19 which is designed, for example, as an aluminum heat sink, from the fuel cell stack by means of a thermally conductive film in order to avoid short circuits.
  • temperature control ribs 10 are provided on two opposite sides 14 of the fuel cell stack 2 .
  • Two tempering air guiding elements 20 are arranged on a further side wall 14 , which essentially extend parallel to this side wall 14 and form a tempering air feed 23 and part of a tempering air duct 12 .
  • the front tempering air guide element primarily serves to distribute the hot air when heating up the cell stack.
  • air does not flow through the front tempering air guiding element, or only slightly, but primarily the cooling air flows through the rear tempering air guiding element.
  • the front tempering air guide element is primarily used to distribute the hot air (larger recesses in the area of the edge cells due to higher heat requirements at the edge cells due to the high heat capacity of the end plates/bracing components and heat dissipation there if necessary).
  • the rear tempering air guide element primarily serves to distribute the cooling air.
  • the hot air flows in before the front tempering air guide element.
  • the cooling air flows in between the front and rear tempering air guide elements.
  • resistance elements 18 are provided for holding the temperature control ribs 10 at a distance, which are arranged transversely to the temperature control ribs 10 and have recesses 25 in the region of the temperature control ribs 10 for the passage of the temperature control air, whereby the resistance elements lead the air to the temperature control ribs and/or create turbulence in the serve to increase the heat transfer.
  • the present invention can be combined with a burner system for providing thermal energy.
  • a burner system for providing thermal energy comprises an evaporator device for evaporating a liquid fuel, a burner air supply device, a burner device for burning a fuel mixture comprising evaporated fuel and burner air in order to provide an exhaust gas flow, a functional device for regulating the thermal energy of the exhaust gas flow, the burner device being in operation provides the thermal energy for the complete evaporation of the fuel in the evaporator device.
  • the burner system also includes the tertiary air device and a measuring orifice.
  • the tertiary air device includes a PWM (pulse width modulation) capable centrifugal fan.
  • the PWM enables precise adjustment of the fan speed and thus a controlled flow of the tertiary air.
  • a sensor line provides information about the current fan speed and can indicate a fan failure by means of a logic check.
  • the tertiary fan heats the fuel cell with the hot exhaust air (hot gas flow comprising exhaust gas flow and tertiary air) from the burner device.
  • the fan enables sufficient cooling of a fuel cell stack at every operating point (different power levels).
  • the fuel cell stack can be formed from structurally identical units, with a unit for example comprising the following components,
  • Temperature control element switching element
  • monopolar plate separator plate with anode flow field
  • MEA bipolar plate with anode and cathode flow field
  • MEA monopolar plate with cathode flow field
  • Temperature control element (sealing element), reformer monopolar plate with reformer chamber and anode flow field, MEA, bipolar plate with anode and cathode flow field, MEA, monopolar plate with cathode flow field, or temperature control element (sealing element), monopolar plate with anode flow field, MEA, monopolar plate with cathode flow field), or
  • Temperature control element (sealing element), monopolar plate (separator plate) with anode flow field, MEA, bipolar plate with anode and cathode flow field, MEA, bipolar plate with anode and cathode flow field, MEA, monopolar plate with cathode flow field, or
  • Temperature control element reformer monopolar plate with reformer chamber and anode flow field
  • MEA bipolar plate with anode and cathode flow field
  • MEA reformer monopolar plate with reformer chamber and cathode flow field
  • Temperature control element reformer monopolar plate with reformer chamber and cathode flow field
  • MEA bipolar plate with anode and cathode flow field
  • MEA monopolar plate with anode flow field
  • the supply plates, monopolar plates, bipolar plates, heat conduction elements or temperature control elements can be made, for example, from a carbon-polymer compound (formed by injection molding, compression molding, extrusion, rolling, embossing), expanded graphite, flexible carbon-containing material or metal be. These can optionally be connected to one another and/or to other components, for example by welding.
  • the fuel cell stack can also contain bracing elements (e.g. end plates) as well as gas and power connection elements and insulation plates/foils (e.g. for electrical insulation).
  • bracing elements e.g. end plates
  • gas and power connection elements e.g. for electrical insulation
  • the temperature control elements can be designed as sealing elements. However, a sealing effect is not absolutely necessary. If the heat conduction elements are made of metal, for example, then separate seals or sealing frames can also be used.
  • Corresponding reformer spaces can therefore be integrated in the stack in a regularly recurring sequence instead of the cooling plates normally used.
  • a good temperature distribution of the fuel cell stack (e.g. plus/minus 5 Kelvin) is particularly important when internal reforming takes place in the fuel cell stack.
  • a deviation in the temperature of different reformer spaces within the fuel cell stack of more than 5 Kelvin would result in a significant deviation (for example by more than 10 percent) in the reformer conversion of the internal reforming in the respective reformer space or in the respective reformer chamber.
  • a deviation in conversion of far more than plus/minus 10 percent would lead to high inefficiency of the internal reforming in some reformer spaces and the reformer spaces or reformer catalyst quantity would have to be designed larger.
  • the internal reformer spaces or the amount of reformer catalyst would therefore have to be designed significantly larger (e.g. by more than 50 percent) if the temperature distribution was uneven than if the temperature distribution of the fuel cell stack was uniform, which would have a significantly negative impact on the costs and/or the required installation space.
  • the reformer chambers are connected to one another by an inlet and outlet which is integrated into the fuel cell stack but is spatially separate from the anode port and cathode port and must be sealed off from the outside.
  • the temperature control elements or their plate-shaped heat conduction elements can preferably be used to seal the reformer chambers.
  • a suitable reaction accelerator is used to accelerate the reaction taking place in them.
  • this is a copper catalyst which is in the form of pellets or one or more shaped bodies.
  • the endothermic reaction described above contributes to the cooling of the stack if heat exchange takes place as a result of the integration of the reaction spaces into the stack.
  • cooling the stack by such a process alone is not sufficient. Therefore, the temperature control device according to the invention is required.
  • the temperature control device can also be used for fuel cell stacks without internal reforming.
  • One or more temperature sensors can be provided in the fuel cell stack. These can be located, for example, in the middle of the fuel cell stack as well as at the start row and at the end row.
  • the temperature sensors can be, for example, thermocouples that are positioned centrally adjacent to the respective cell.
  • the temperature sensor can be integrated into a heat conduction element, for example it can be pressed into a slot in the heat conduction element.
  • the temperature sensors can also be located in the outer area, i.e. not in the area of the center of the cell, in order to be able to approximately map the minimum temperature of the fuel cell stack during heating.
  • the setpoint temperature of the fuel cell stack during fuel cell operation can be regulated, for example, using the temperature sensor in the middle of the fuel cell stack or using the mean value of the measured values of several temperature sensors in and/or on the fuel cell stack or using a temperature sensor that makes thermal contact with a temperature control element from the fuel cell system via the blower device.
  • thermocouple for measuring the temperature of the fuel cell stack can be coupled to at least one temperature control element.
  • the temperature of the fuel cell stack can be measured in any operating state using the thermocouple.
  • the temperature control device can be regulated accordingly in order to set the desired temperature in the fuel cell stack.
  • the gas flow of the media within the fuel cell stack can also have a minor influence on the heat flows and/or the temperature distribution.
  • the cathode air in the manifold warms up from the first to the last cell or from the last to the first cell. This can be taken into account with the airflow.
  • the transfer (e.g. via thermal radiation, convection, thermal conduction) of heat from the fuel cell stack to the air outside the temperature control device or to components that are not part of the temperature control device can, as far as it makes sense, be taken into account by the air flow of the temperature control device.
  • the removal or supply of heat from individual cells or to individual cells of the fuel cell stack can take place either through direct thermal contact of the respective cells to one or more heat conduction elements) or indirectly via heat conduction through one or more adjacent cells and/or via components (e.g. spacer structures , Resistance elements, heat sinks, temperature control bodies, air guiding elements) from or to one or more temperature control element(s) or temperature control ribs.
  • components e.g. spacer structures , Resistance elements, heat sinks, temperature control bodies, air guiding elements
  • the outer cells e.g. the start row and the end row
  • the outer cells would have to be cooled somewhat less (less heat flow to the cooling air) than cells in the middle of the fuel cell stack, since heat transfer (e.g. by convection or radiation) from the components required for bracing, such as aluminum end plates, to the air, which affects the temperature of the outer cells of the fuel cell stack.
  • the end plates can be provided with insulating plates directed towards the cells and/or with insulating material directed towards the surrounding or surrounding air.
  • Hot air for heating and cooling air for cooling the cell stack can be supplied via the same blower (or fan) (e.g. heating device between blower and cell stack).
  • one or more separate fans are used to supply the hot air and one or more separate fans are used to supply the cooling air.
  • the hot air from one or more separate fans and the cooling air from one or more separate fans can be mixed at least partially before reaching the tempering ribs.
  • the advantage of using separate blowers for supplying the hot air to the cell stack is that when the cell stack is heated up, the edge cells (e.g. first and last cell) require more heat output and thus more hot air volume flow and/or temperature than the central areas of the cell stack (due to higher heat capacity of the end plates of the cell stack and/or high heat dissipation at the end plates, e.g. due to insufficient insulation), the edge cells usually require less heat dissipation during fuel cell operation during cooling than the middle areas of the cell stack and thus during the heating-up phase via separate blowers for the supply of hot air the areas of the cell stack that require more heat (e.g. edge cells) can be heated more (e.g. higher temperature and/or higher hot air volume flow).
  • the edge cells e.g. first and last cell
  • the edge cells usually require less heat dissipation during fuel cell operation during cooling than the middle areas of the cell stack and thus during the heating-up phase via separate blowers for the supply of hot air the areas of the cell stack that require
  • Another advantage of the separate design of fans for heating and fans for cooling the cell stack can be that the cooling air volume flow required for fuel cell operation does not have to flow through the heating device, resulting in a lower pressure loss and thus a lower power requirement of one or more during fuel cell operation active fan can be achieved.
  • other tempering air guide elements, resistance elements, perforated plates or guide plates are primarily flown with air than for cooling the cell stack.
  • One or more blowers for heating the cell stack can flow against specific temperature control air guide elements (e.g. plates with larger recesses in the area of the edge cells of the cell stack) and another one or more blowers for cooling the cell stack can flow against certain other temperature control air guide elements (e.g.
  • the air can flow through the tempering air guide elements, which are provided for heating or cooling, one after the other.
  • the air for heating the cell stack can first flow through the temperature control air guide element, which primarily serves to distribute the hot air, and then flow through the temperature control air guide element, which primarily serves to distribute the cooling air.
  • the tempering air guiding element that flows later can have recesses with a larger total cross section than the tempering air guiding element that flows earlier, in order to influence the flow distribution on the tempering air guiding element that flows earlier as little as possible.
  • the tempering air guiding element which is flown against later its function can also be fulfilled by the resistance elements on the tempering ribs.
  • the different volumetric flow rates to certain areas of the cell stack can also be controlled/regulated by one or more Air routing elements such as flaps, valves or sliders (e.g. two perforated plates with holes of different sizes that can move on top of each other) can be implemented.
  • Air routing elements such as flaps, valves or sliders (e.g. two perforated plates with holes of different sizes that can move on top of each other) can be implemented.
  • one or more blowers or fans can be preceded or followed by non-return flaps or corresponding devices that prevent hot air from flowing into the blower or fan.
  • the blower or fan in question can be operated at a specific speed (formation of back pressure and/or slight cooling air volume flow) in order to prevent hot air from flowing into the blower. This can be monitored by a temperature sensor (e.g.
  • thermocouple which is connected downstream of the blower, for example, so that the maximum permissible temperature at the blower is never exceeded and damage to the blower is avoided.
  • one of the measures described must be used to prevent the hot air from flowing into the fan that is used to supply cooling air to the temperature control device.
  • the air which flows in the temperature control direction in the temperature control channel can already heat up somewhat during operation of the fuel cell stack due to heat transfer from the temperature control elements to the air flowing past (for example by five degrees Celsius). In fuel cell operation in equilibrium, it is therefore possible that warmer cooling air arrives at the temperature control element near the last cell than at the temperature control element near the first cell.
  • the design of the duct within the fan device or the heating device can have a significant influence on the air distribution on the fuel cell stack. This can be the case, for example, if the air flow at the outlet from the blower device or heating device is not directed exactly in the temperature control direction of the fuel cell stack. Furthermore, the speed distribution of the gas particles within the channel or the flow pattern (turbulent, laminar) can play a role.
  • the flow guidance within the fan device or heating device or, for example, flow breakers or deflections can also have an influence on the air distribution to the cells of the fuel cell stack or cell stack.
  • cooling bodies In order to ensure good removal of the heat generated, it is possible for cooling bodies to be attached to one or more side surfaces of the stack or fuel cell stack in order to increase the exchange surface.
  • These heat sinks can be, for example, prefabricated heat exchangers or cooling profiles/heat sinks.
  • the temperature control elements can, for example, end flush with one or more side surfaces of the fuel cell stack, with one or more large-area aluminum heat sinks being in thermal contact with the fuel cell stack.
  • the ribs of the aluminum heat sink can serve as temperature control ribs.
  • the heat sinks can be thermally connected to the stack or fuel cell stack with heat-conducting foil.
  • bent aluminum sheets tapering at an acute angle can serve as air ducts.
  • the thermally conductive foil and/or anodizing of the aluminum can serve here, among other things, for electrical insulation in order to possibly avoid a short circuit across several cells.
  • Channels and/or lines for conducting one or more fluids can be provided in the heat exchanger or heat sink. Lines that carry a fluid can contact the means for influencing the temperature control air flow of a fuel cell stack or be thermally connected to them.
  • BT operating temperatures
  • PEMFC Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell
  • BT Low Temperature PEMFC: 60°C - 110°C
  • High-temperature PEM FC 120 °C -190 °C or up to approx. 230 °C;
  • DMFC Direct Methanol Fuel Cell
  • PAFC - Phosphoric Acid Fuel Cell
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • the temperature control device can have one or more temperature control air inlets and one or more temperature control air outlets per side wall of the fuel cell stack.
  • the tempering air inlet or inlets are provided for feeding tempering air into the tempering air duct and in particular the tempering channel.
  • the tempering air outlet or outlets are provided accordingly for discharging the tempering air.
  • the temperature control air inlet(s) and the temperature control air outlet(s) can also be formed by appropriately designed temperature control elements.
  • temperature control device fuel cell stack anode inlet anode outlet cathode inlet cathode outlet reformer device repeating unit temperature control element temperature control rib heat conduction element temperature control air duct cutout side wall, 15.1, 15.2 temperature control channel temperature control direction supply plate resistance element (spacer) temperature control body temperature control air guide element recess main temperature control channel temperature control air supply passage opening recess

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung zum Temperieren eines aus mehreren Zellen ausgebildeten stapelartigen Energiespeichers oder -Wandlers umfassend mehrere zwischen den Zellen angeordnete plattenförmige Wärmeleitungselemente, wobei das Temperieren der Zellen über die plattenförmigen Wärmeleitungselemente mittels Wärmeleitung erfolgt, mehrere außerhalb der Zellen angeordnete Temperierrippen zum Verändern der Strömungsrichtung des Temperierluftstromes, wobei die Temperierrippen mit den Wärmeleitungselementen thermisch gekoppelt sind, und wobei das Temperieren der plattenförmigen Temperierrippen durch Beaufschlagung mit einem Temperier-luftstrom mittels Konvektion und/oder über weitere Mittel mittels Wärmeleitung erfolgt, die Mittel zum Beeinflussen des Temperierluftstromes und/oder zur Temperierluftführung, die zum Verändern einer Strömungsrichtung und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit des Temperierluftstromes ausgebildet sind, wobei die Mittel baulich derart ausgestaltet und/oder angeordnet sind, dass mehrere der Temperierrippen mit einem Temperierluft-Volumenstrom derart beaufschlagbar sind, dass eine Mehrheit der Zellen in einer Zell mitte in etwa gleichmäßig beheiz- oder kühlbar sind, und wobei die Mittel zum Beeinflussen des Tempe¬ rierluftstromes und/oder zur Temperierluftführung ein und vorzugsweise zwei oder mehrere der folgenden Komponenten um-fassen zumindest eine weitere Temperierrippe, deren Form und oder Anordnung sich von der Form und/oder der Anordnung der anderen Temperierrippen unterscheidet, und/oder zumindest ein Widerstandselement, um den Temperierluftstrom durch lokale Verteilung von Druckverlusten und/oder durch Wirbelbildung zu verändern, und/oder zumindest ein Temperierluftleitelement zum weiteren Verändern der Strömungsrichtung und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des Temperierluftstromes gegenüber dem Verändern der Strömungsrichtung und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des Temperierluftstromes durch die Temperierrippen und/oder zumindest einen Temperierkörper, der als Wärmetauscher ausgebildet ist.

Description

Temperiervorrichtunq für einen stapelartiqen Enerqiespeicher oder -wandler sowie ein Brennstoffzellenstapel mit einer solchen Temperiervorrichtunq
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel sowie einen Brennstoffzellenstapel mit einer solchen Temperiervorrichtung.
Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie durch die Reaktion von Brennstoff (z.B. Wasserstoff, Propan, Erdgas, Methanol) und Sauerstoff. In ihrer einfachsten Ausführung besteht eine solche Zelle im Wesentlichen aus Versorgungsplatten mit Kanälen zur Brennstoff-/Wasserstoffversorgung (Anode) und Versorgungsplatten zur Versorgung mit Luft/Sauerstoff (Kathode), wobei diese Platten durch eine ionenleitende Membran bzw. Schicht getrennt und voneinander abgedichtet sind. Beispielsweise kann Wasserstoff der Zelle als Brennstoff entweder direkt zugeführt werden, oder aber durch Umwandlung aus einem anderen Brennstoff, beispielsweise Methan, Methanol, Propan oder einem anderen in Frage kommenden Kohlenwasserstoff, Ether oder Alkohol, erzeugt werden. Um die Leistung zu erhöhen, werden in der Praxis mehrere aus Anode und Kathode bestehende Einheiten, sogenannte Zellen, zu einem Brennstoffzellenstapel hinterei- nandergeschaltet. Die Einteilung der verschiedenen Arten von Brennstoffzellen erfolgt einerseits durch den Elektrolyten (z.B. Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle, PEMFC) und andererseits anhand des verwendeten Brennstoffs (z.B. Direktmethanolbrennstoffzelle, DMFC).
Damit ein Brennstoffzellenstapel seine Betriebstemperatur erreicht, muss dieser beim Starten eines entsprechenden Brennstoffzellensystems mittels einer Heizeinrichtung (zum Beispiel elektrische Heizung, Heizmedium oder Brenner) erwärmt werden.
In der EP 1 703 578 Al ist ein gasbetriebenes Startsystem für ein Reformer-Brennstoffzellensystem offenbart. Dieses umfasst zumindest einen Reformer, eine Brennstoffzelle und einen außerhalb der Brennstoffzelle angeordneten Brenner, wie z.B. ein Flächenbrenner mit niedriger Flammhöhe, z.B. ein Brenner mit keramischer oder metallischer Oberfläche bzw. einer Oberfläche aus Faserwerkstoffen, wie z.B. eine mit Siliziumkarbid beschichtete Keramik-Fasermatte, um Reformer und Brennstoffzellenstapel aufzuheizen.
Aus der DE 199 10 387 Al geht eine Brennstoffzellenbatterie mit einem Stack und einer Heizeinrichtung hervor. Die von der Heizeinrichtung bereitgestellte Wärme soll zum Aufheizen des Brennstoffzellenstapels nutzbar sein. Die Heizeinrichtung umfasst bevorzugt ein Heizelement wie einen katalytischen Brenner und/oder ein elektrisches Heizelement und/oder eine Reformereinrichtung.
Beim Betrieb hingegen muss ein Brennstoffzellstapel gekühlt werden. Andernfalls würde er sich auf Grund der im Inneren ablaufenden exothermen Reaktion derart aufheizen, dass der Brennstoffzellenstapel rasch degradiert.
In der DE 199 31 061 A ist ein Brennstoffzellensystem mit Kühlkreislauf offenbart. Dabei ist eine Wärmesenke mit einer Zuleitung des Brennstoffes und/oder des Oxidationsmittel derart verbunden, dass entsprechender Wärmeaustausch stattfinden kann. Somit soll es möglich sein, die Gas-/Fluidströme der Brennstoffzelle mit der Abwärme eines Kühlsystems zu heizen.
Eine Ausführung einer HTPEM Brennstoffzelle mit Flüssigkühlung ist in DE 10 2007 044 634 B4 beschrieben.
In der EP 1 498 967 A2 ist eine PEMFC beschrieben, bei der Kühlluft durch in einen Brennstoffzellenstapel integrierte Kühlplatten, mit nach außen offenen Kühlkanälen geführt wird. In der US 2011 013 60 30 Al sind Kühlrippen für eine HT-PEMFC beschrieben, die als Verlängerung einer Versorgungsplatte ausgeführt sind. Aus der WO 2011 154 084 A2 geht ein Brennstoffzellenstapel mit Kühlfinnen hervor, wobei in diesen Finnen zusätzliche Kühlkanäle als Unterstruktur vorgesehen sind. Die US 809 73 85 B2 offenbart eine Kombination aus wärmeleitfähigem Material und Kühlfinnen, um einen Brennstoffzellenstapel zu kühlen. Aus der US 049 388 33 A geht eine Anordnung hervor, bei der ein Brennstoffzellenstapel aus Kühl- und Versorgungsplatten ausgebildet ist, die aus Metall hergestellt sind. Zwischen diesen Platten ist eine Schicht aus wärmeleitendem Grafoil eingebracht. Die US 680 88 34 B2 offenbart einen Brennstoffzellenstapel für eine Polymerelektrolyt Brennstoffzelle. Zur Verbesserung der Kühlung weist dieser an einer Längsseite Kühlrippen auf, welche aus einer zur Längsseite hin über den Brennstoffzellenstapel hinausragenden Folie aus expandiertem Graphit bestehen. In der US 592 88 07 A ist eine Versorgungsplatte für eine PEM Brennstoffzelle mit integrierter Dichtung beschrieben. Die Platte selbst ist aus einem plastisch deformierbaren Material, beispielsweise Graphitfolie ausgebildet, in welches die Kanäle eingedrückt sind. Die Dichtwirkung wird durch eine Erhebung auf diesem Material erzeugt, welche im Zusammenbau komprimiert wird.
Bei Brennstoffzellenstapeln besteht häufig die Herausforderung, eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den Brennstoffzellenstapel zu erreichen, da die während des Betriebs entstehende Hitze gleichmäßig abgeführt werden muss. Derzeit wird dies häufig über eine zusätzliche, in den Brennstoffzellenstapel integrierte Öl- oder Wasserkühlung realisiert, welche allerdings fehleranfällig, aufwendig und teuer ist. Des Weiteren werden hierfür Kühlplatten im Brennstoffzellenstapel benötigt, welche einen zusätzlichen Gewichts- und Kostenfaktor darstellen, und oftmals auch speziell abgedichtet werden müssen. Mit einer internen Reformierung im Brennstoffzellenstapel in separaten Kammern sind diese Varianten zudem wirtschaftlich schwer vereinbar, da zu den Kühlplatten noch separate Reformerräume mit separater Versorgung nötig wären. Auch ein Durchströmen des Brennstoffzellenstapels mit Kühlluft, wie dies manchmal realisiert wird, ist mit Nachteilen wie großem nötigen Bauraum durch im Brennstoffzellenstapel integrierte Kühlkanäle, erhöhtem Gewicht, einer kostenmäßig und platzmäßig schlechten Vereinbarkeit mit einer internen Reformierung im Stack, einer je nach Ausgestaltung bzw. Komplexität hohen Temperaturdifferenz innerhalb der einzelnen Zellen (Einfluss auf Leistung bzw. Degradation), sowie einer erhöhten benötigten Gebläseleistung durch erhöhten Druckverlust aufgrund der Strömung durch die innenliegenden Kanäle verbunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine effiziente Vorrichtung zum Temperieren, d.h. zum Erwärmen und zum Kühlen, eines Brennstoffzellenstapels bereitzustellen, die einfach und kostengünstig aufgebaut ist sowie sicher und zuverlässig im Betrieb ist.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zum Temperieren eines Brennstoffzellenstapels bereitzustellen, die eine möglichst homogene Temperaturverteilung über die einzelnen Zellen eines Brennstoffzellenstapels ermöglicht.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen davon sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung zum Temperieren eines aus mehreren Zellen ausgebildeten stapelartigen Energiespeichers oder -Wandlers umfassend mehrere zwischen den Zellen angeordnete plattenförmige Wärmeleitungselemente, wobei das Temperieren der Zellen über die plattenförmigen Wärmeleitungselemente mittels Wärmeleitung erfolgt, mehrere außerhalb der Zellen angeordnete Temperierrippen zum Verändern der Strömungsrichtung des Temperierluftstromes, wobei die Temperierrippen mit den Wärmeleitungselementen thermisch gekoppelt sind, und wobei das Temperieren der plattenförmigen Temperierrippen durch Beaufschlagung mit einem Temperierluftstrom mittels Konvektion und/oder über weitere Mittel mittels Wärmeleitung erfolgt, die Mittel zum Beeinflussen des Temperierluftstromes und/oder zur Temperierluftführung, die zum Verändern einer Strömungsrichtung und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit des Temperierluftstromes ausgebildet sind, wobei die Mittel baulich derart ausgestaltet und/oder angeordnet sind, dass mehrere der Temperierrippen mit einem Temperierluft-Volumenstrom derart beaufschlagbar sind, dass eine Mehrheit der Zellen in einer Zellmitte in etwa gleichmäßig beheiz- oder kühlbar sind, und wobei die Mittel zum Beeinflussen des Temperierluftstromes und/oder zur Temperierluftführung ein und vorzugsweise zwei oder mehrere der folgenden Komponenten umfassen zumindest eine weitere Temperierrippe, deren Form und oder Anordnung sich von der Form und/oder der Anordnung der anderen Temperierrippen unterscheidet, und/oder zumindest ein Widerstandselement, um den Temperierluftstrom durch lokale Verteilung von Druckverlusten und/oder durch Wirbelbildung zu verändern, und/oder zumindest ein Temperierluftleitelement zum weiteren Verändern der Strömungsrichtung und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des Temperierluftstromes gegenüber dem Verändern der Strömungsrichtung und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des Temperierluftstromes durch die Temperierrippen und/oder zumindest einen Temperierkörper, der als Wärmetauscher ausgebildet ist.
Als ein stapelartiger Energiespeicher oder -wandler wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle, insbesondere ein Brennstoffzellenstapel, ein Elektrolyseur oder eine Redoxflowbatterie verstanden. Unter dem Begriff „Temperieren" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Heizen oder Kühlen des stapelartigen Energiespeichers oder Energiewandlers verstanden, um diesen effizienter zu Betreiben und/oder einen vorbestimmten Betriebszustand schneller zu erreichen.
Das Temperieren der Zellen erfolgt über die plattenförmigen, zwischen den Zellen im Inneren des stapelartigen Energiespeichers angeordneten Wärmeleitungselemente mittels Wärmeleitung. Auf diese Weise erfolgt ein gleichmäßiges und effizientes Temperieren. Zumeist werden derartige Vorrichtungen lediglich an Außenwandungen von zu temperierenden Vorrichtungen vorgesehen. Eine solche Anordnung ermöglicht kein gleichmäßiges Temperieren, da eine entsprechende Vorrichtung nur von außen nach innentemperiert werden kann. Zudem sind Folien als Wärmeleitungselemente bekannt, die zwischen einzelnen Zellen angeordnet sind. Diese ermöglichen jedoch auf Grund ihrer geringen Dicke ebenfalls kein effizientes Temperieren. Eine Verwendung von teurem schwer verarbeitbarem Hochleistungs-Material, wie beispielsweise pyrolytischem Grafit, ist für viele Anwendungen nicht wirtschaftlich.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die mehreren zwischen den Zellen angeordneten plattenförmigen Wärmeleitungselemente vorgesehen sind.
Die Wärmeleitungselemente können eine Dicke von größer 0,9 mm oder 1 mm oder 1,2 mm und vorzugsweise größer 1,4 mm aufweisen. Beispielsweise kann die Dicke 2,0 mm oder 3,0 mm betragen. Je größer die Dicke ist, desto besser ist die Temperaturverteilung. Jedoch hat eine größere Dicke eine höhere Länge des Zellstapels zur Folge, was hinsichtlich Bauraum nachteilig ist. Für die meisten Anwendungen erscheint eine Dicke bis maximal 3,5 mm oder 3,75 mm oder 4,0 mm für sinnvoll.
Auf Grund ihrer Dicke haben die Wärmeleitungselemente eine höhere und effizientere Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Folien.
Zudem zeichnet sich die vorliegende Erfindung dadurch aus, dass die mehreren außerhalb der Zellen angeordnete Temperierrippen vorgesehen sind, wobei das Temperieren der plattenförmigen Temperierrippen durch Beaufschlagung mit einem Temperierluftstrom in einer Temperierrichtung mittels Konvektion und/oder über weitere Mittel mittels Wärmeleitung erfolgt, und wobei die Temperier-rippen mit den Wärmeleitungselementen thermisch gekoppelt sind.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann eine erste Zelle eines stapelartigen Energiespeichers, bspw. eines Brennstoffzellenstapels, als Anfangszeile und eine letzte Zelle als Endzeile bezeichnet werden.
Die Temperierrichtung ist vorzugsweise eine Hauptströmungsrichtung des Temperierluftstromes bzw. eines Temperierluft-Volumenstroms. Die Temperierrichtung kann von einer Anfangszeile zu einer Endzeile, in etwa parallel zu einer oder mehreren Seitenwa nd ungen des Brennstoffzellenstapels und in einer Hauptströmungsrichtung der von einer Gebläseeinrichtung bereitgestellten Temperierluft gerichtet sein.
Der Temperierluftstrom bzw. die Temperierrichtung, wird unter anderem beeinflusst durch bauliche Gegebenheiten, beispielsweise Platzmangel in einer Dimension orthogonal zu einer Fläche eines zu kühlenden Bauteils, bspw. eines Brennstoffzellenstapels. Der Brennstoffzellenstapel inklusive Temperiervorrichtung lässt sich dadurch geeignet in ein Brennstoffzellensystem beispielsweise mit geringer Höhe in einer Dimension integrieren bei gleichzeitiger Nutzung der Vorteile der Kühlungsart. Demgemäß ist die Temperiervorrichtung durch die Kombination und bauliche Ausgestaltung der Mittel zum Beeinflussen des Temperierluftstromes äußerst kompakt ausgebildet.
Sofern die Temperierrippen mit den Wärmeleitungselementen nicht nur thermisch gekoppelt, sondern auch mechanisch mit diesen verbunden sind, werden sie im Folgenden als Temperierelemente bezeichnet.
Würde man beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel, der gleichartig ausgebildete und aus dem Stapel herausragende Platten zur Wärmeübertagung aufweist mit einem Temperierluftstrom beaufschlagen, dann würde dies zu einer sehr ungleichmäßigen Verteilung des Luft-Massenstroms bzw. Luft-Volumenstroms und somit zu einer ungleichmäßigen Temperierung des Brennstoffzellenstapels führen. Unter anderem gemäß der Impulserhaltung bzw. Trägheit der Gasteilchen würde ein Großteil des Luft-Volumenstroms an den hinteren aus dem Brennstoffzellenstapel herausragenden Plattenströmen, während an den vorderen herausragenden Platten ein geringer Luft-Volumenstrom strömen würde. Die Temperaturverteilung des Brennstoffzellenstapels wäre dadurch ungleichmäßig und würde nicht ausreichend, um eine möglichst lange Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels bei einer vorbestimmten Solltemperatur zu erreichen.
Ist hingegen eine erfindungsgemäße Temperierluftführung bspw. mittels des Temperierkanals vorgesehen dann erfolgt die Verteilung des Luft-Massenstroms bzw. Luft-Volumenstroms in etwa gleichmäßig und eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Brennstoffzellenstapels wird erreicht. Die Lebensdauer ist dann signifikant höher (bis zu 40 Prozent) ebenso wie die Leistung des Brennstoffzellenstapels (bis zu 5 Prozent). Zudem wäre die Lüfterleistung einer Gebläseeinrichtung zum Erreichen derselben Stapel-Durchschnittstemperatur geringer (um bis zu 15 Prozent).
Da Brennstoffzellensysteme in der Regel in der Anschaffung hochpreisiger sind als beispielsweise Dieselgeneratoren, ist aus Marktsicht eine hohe Lebensdauer bedeutend, um geringe Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership) zu erreichen.
Die Lebensdauer der Zellen ist unter anderem durch die Betriebstemperatur beeinflusst. Bei Hochtemperatur-Polymerelektrolytbrennstoffzellen (HT-PEM Brennstoffzellen) beispielsweise verdampft bei höherer Temperatur mehr Phosphorsäure. Beispielsweise würden um 10 Grad Celsius wärmer betriebene Zellen deutlich schneller degradieren als um 10 Grad Celsius kälter betriebene Zellen. Da Brennstoffzellen nach bereits erfolgter Degradation unter anderem aufgrund niedrigem Potential überproportional schnell weiter degradieren, begrenzen eine oder mehrere schlechteste Zellen die Lebensdauer des gesamten Brennstoffzellenstapels.
Auch die Performance des Brennstoffzellenstapels wird durch die Temperaturverteilung beeinflusst. Kältere Zellen des HT-PEM Brennstoffzellenstapels hätten beispielsweise eine überproportional schlechtere Performance aufgrund geringerer Phosphorsäure-Protonenleitfähigkeit bei (z.B. um 10 Grad Celsius) geringeren Temperaturen. Auch ist deren Sensitivität auf für die Leistung negative Bestandteile/Verunreinigungen im Anodengas, wie Kohlenmonoxid, erhöht. Eine gute Temperaturverteilung während des Betriebs begünstigt somit unter anderem die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels erheblich als auch dessen Leistung.
Für den Aufheizvorgang ist die Temperaturverteilung beispielsweise bei HT-PEM Brennstoffzellen insofern entscheidend, da der Brennstoffzellenstapel erst betrieben werden darf, wenn eine bestimmte Mindesttemperatur (zum Beispiel 105 Grad Celsius) erreicht wurde, sodass Wasser verdampfen kann, um keine Phosphorsäuretropfen aus der Brennstoffzelle auszutreiben bzw. sodass sich durch die Brennstoffzellenreaktion bildendes Produkt- Wasser sofort in die Gasphase übergeht und die Phosphorsäure nicht durch Wasser verdünnt wird und deren Volumen zunimmt, was zu deren Austrag führen kann und eine Degradation der Brennstoffzelle zur Folge hätte. Da der Aufheizvorgang möglichst kurz erfolgen muss, um Marktanforderungen zu erfüllen, ist eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung des Brennstoffzellenstapels während des Aufheizens vorteilhaft. Auch die Energie, die für den Aufheizvorgang nötig ist, ist bei einer gleichmäßigen Verteilung geringer, was beispielsweise einen geringeren Verbrauch von Brennstoff bei Gewinnung der Heizwärme aus einem Verbrennungsvorgang oder einen geringeren Verbrauch von elektrischer Energie aus einem Akkumulator bedeuten würde.
Die Erfindung kann an Brennstoffzellenstapeln (Brennstoffzellenstacks) sowie auch an galvanischen Elementen, Primärzellen, Batterien, Sekundärzellen, Akkumulatoren, Redoxflow-Batterien, Elektrolyseuren sowie ähnlichen Baugruppen/Bauteilen wie Mikroreaktoren, Reaktoren, Wärmetauschern, Mischern und Brennern mit gestapelten Reaktionsräumen (Zellen) und an ähnlichen Aufbauten mit geschichteten oder gestapelten funktionellen Räumen/Komponenten (Zellen) verwendet werden. Die Zellen stellen somit unter anderem Zellen im Sinne der Brennstoffzellen-, Elektrolyseur-, Akku- bzw. Batterietechnik oder Funktionseinheiten oder Räume, die eine oder mehrere Funktion(en) erfüllen, dar. Bei den einzelnen Zellen kann es sich um geschlossene oder um offene Systeme handeln. Derartige Vorrichtungen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als stapelartige Energiespeicher oder Energiewandler bezeichnet.
Die Zellen können Elektrolyt-Membranen, Polymerelektrolyte, Elektrolyt-Folien, Elektrolytschichten oder Elektrolytplatten und/oder beispielsweise Feststoffelektrolyte oder flüssige Elektrolyte enthalten. Weiterhin können die Zellen Katalysatoren oder katalytisch aktive Stoffe enthalten. Die Zellen können aus elektrisch leitenden und/oder nicht elektrisch leitenden Komponenten ausgebildet oder aufgebaut sein.
Im Folgenden werden vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung an Hand eines Brennstoffzellenstapels erläutert. Im Fall eines Brennstoffzellenstapels können beispielsweise die Membranelektrodeneinheiten bzw. die Kombination aus Membranelektrodeneinheiten mit zugehörigen Dichtungselementen sowie zugehörigen elektrisch leitenden Platten (beispielsweise Bipolarplatten) und/oder eventuell weiteren zugehörigen Komponenten die Zellen ausbilden.
Die mehreren einer Seitenwandung der Vorrichtung zugeordneten Temperierrippen können zumindest teilweise unterschiedlich große Flächen und/oder zumindest teilweise gleich große Flächen aufweisen und/oder dass die Temperierrippen unterschiedlich große und/oder gleich große Ausnehmungen aufweisen, wobei die Ausnehmungen zum Hindurchführen und Beeinflussen des Temperierluftstromes vorgesehen sind, und wobei die Größe der Ausnehmungen in Temperierrichtung zu- oder abnimmt und/oder dass die Temperierrippen und/oder deren Ausnehmungen einen oder mehrere Temperierluftkanäle zumindest bereichsweise begrenzen und/oder ausbilden.
Die Widerstandselemente können im Bereich zweier benachbarter Temperierrippen und in etwa orthogonal zu den Temperierrippen angeordnet sein, wobei die Widerstandselemente in etwa plattenförmig ausgebildet sind und vorzugsweise eine oder mehrere Öffnungen bzw. Ausnehmungen aufweisen.
Die Widerstandselemente werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Abstandshalter bzw. -ele- mente bezeichnet, wenn diese bspw. orthogonal zwischen zwei benachbarten Temperierrippen angeordnet sind und diese in einem vorbestimmten Abstand halten.
Die Temperierrippen und/oder die Temperierluftleitelemente können einen, sich vorzugsweise in Temperierrichtung verjüngenden, Temperierluftkanal und/oder eine oder mehrere Temperierluftrampen ausbilden.
Der oder die Temperierkörper können als Wärmetauschereinrichtung ausgebildet sein, wobei die Wärmetauschereinrichtung Rippen aufweisen kann und/oder wobei die Rippen der Wärmetauschereinrichtung zumindest teilweise die Temperierrippen sein können.
Ein oder mehrere der Mittel zum Beeinflussen des Temperierluftstromes können einen (oder mehrere) sich in der Temperierrichtung verjüngenden Temperierkanal ausbilden. Zusätzlich und/oder alternativ ist auch vorstellbar, dass ein oder mehrere in Temperierrichtung aufweitende Temperierkanäle vorgesehen sind.
Durch das Vorsehen eines Temperierkanals kann die Temperierluft besser zum Kühlen oder Heizen genutzt werden, da die Luftverteilung, die Temperaturverteilung und der Wärmeübergang erheblich verbessert sind.
Durch einen sich verengenden bzw. verjüngenden Temperierkanal werden die plattenförmigen Temperierrippen gleichmäßig angeströmt und zugleich wird die Dicke der Luft-Grenzschicht lokal verringert.
Weiterhin kann eine Strömungserzeugungseinrichtung zum Ausbilden des Temperierluftstromes und zum Beaufschlagen der Mittel zum Beeinflussen des Temperierluftstromes in der Temperierrichtung vorgesehen sein.
Zudem kann zumindest eine Temperierluftzuführung zum Beaufschlagen eines oder mehrerer der Mittel mit einem Temperierluftstrom in einer Temperierrichtung von einer Anfangszeile des Zellstapels bis zu einer Endzeile vorgesehen sein, und/oder es kann zumindest eine Temperierluftabführung zum Abführen der Temperierluft aus der Temperiervorrichtung vorgesehen sein, wobei die Temperierluftzuführung und die Temperierluftabführung Bestandteil der Temperierluftführung mittels des Temperierkanals sind.
Die Temperierrippen oder die Temperierelemente können baulich derart ausgestaltet sein, dass der Strömungswiderstand der Temperierluftführung über den Temperierkanal in Temperierrichtung zunimmt, und/oder dass alle Zellen in etwa mit dem gleichen Volumenstrom (oder Massenstrom) an Temperierluft beaufschlagbar sind, und/oder dass die Temperierrippen und/oder die Temperierelemente abschnittsweise zumindest einen Temperierkanal begrenzen, der sich im Wesentlichen in Temperierrichtung erstreckt und dessen Querschnitt in Temperierrichtung abnimmt, und/oder dass ein Querschnitt des Temperierkanals sich in Temperierrichtung verjüngt, und/oder dass zwischen den Temperierrippen und/oder den Temperierelementen und in etwa orthogonal zu diesen die Widerstands -bzw. Abstandselemente angeordnet sind, sodass Wärmeübertragungsflächen der Temperierrippen und/oder der Temperierkörper und/oder der Temperierluftleitmittel in Temperierrichtung größer werden, und/oder dass zwischen den Temperierrippen und/oder den Temperierelementen die Widerstandselemente angeordnet sind, sodass durch die Anströmung der Temperierrippen und/oder den Temperierelementen mit Temperierluft eine höhere Wärmeübertragung von oder zu den Temperierrippen und/oder den Temperierelementen erfolgt, und/oder dass an den Temperierrippen und/oder den Temperierelementen die Temperierkörper angeordnet sind, sodass durch eine höhere Wärmeübertragungsfläche eine bessere Wärmeübertragung von und zu den Temperierrippen erfolgt.
Die Abstandselemente können vorzugsweise zur Erhöhung der Wärmeübertragung vorgesehen sein.
Querschnitte und/oder Anzahl von einer oder mehreren Temperierluftzuführungen und/oder von einer oder mehreren Temperierluftabführungen können derart aufeinander abgestimmt sein, dass eine in etwa gleichmäßige Temperierung eines Zellstapels erfolgt, und/oder dass die Anströmung der Temperierrippen mit dem Temperierluftstrom automatisch mittels einer Steuereinrichtung an Hand von Betriebsparametern des Zellstapels geregelt und/oder gesteuert wird.
Der Temperierkanal kann quer zur Temperierrichtung abschnittsweise von den Temperierluftleitelementen und/oder von den Temperierrippen, einer Seitenwandung eines Zellstapels und einem den Zellstapel umgebenden Gehäuse begrenzt werden.
Die plattenförmigen Wärmeleitungselemente können Dichtelemente des Zellstapels ausbilden.
Die Temperierrippen können zu anderen Temperierrippen und/oder zu Wärmeleitungselementen und/oder zu Temperierrippen und/oder zu Widerstandselementen und/oder zu Temperierkörpern elektrisch isolierend ausgebildet sind.
Die elektrische Isolierung kann durch ein geeignetes Material, wie z.B. Mikanit oder durch eine elektrisch nichtleitende Beschichtung, wie z.B. Silikonharz, oder elektrisch nicht-leitende Mittel elektrisch isolierend ausgeführt sein.
Insbesondere kann erfindungsgemäß ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen sein. Dieser umfasst mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellen, die den in etwa quaderförmigen Brennstoffzellen-stapel ausbilden, wobei zumindest eine Seitenwandung oder vorzugsweise zwei, insbesondere einander gegenüberliegende, oder drei oder vier Seitenwandungen mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung versehen sind.
Die Temperiervorrichtung kann pro Seitenwandung des Brennstoffzellenstapels einen oder mehrere Tempe- rierlufteinlässe und einen oder mehrere Temperierluftauslässe aufweisen.
An zumindest ein Temperierelement kann ein Temperatursensor zum Messen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels gekoppelt sein.
Es ist somit möglich, eine gleichmäßige bzw. homogene Temperaturverteilung über alle Zellen eines Brennstoffzellenstapels zu erzielen, da die während des Betriebs entstehende Hitze gleichmäßig abgeführt werden kann. Derzeit wird dies häufig über eine zusätzliche, in den Zellstapel integrierte Öl- oder Wasserkühlung realisiert, welche allerdings fehleranfällig, aufwendig und teuer ist. Des Weiteren werden hierfür Kühlplatten im Stack benötigt, welche einen zusätzlichen Gewichts- und Kostenfaktor darstellen, und oftmals auch speziell abgedichtet werden müssen. Die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung hingegen ist äußerst kostengünstig, einfach aufgebaut und verändert interne Strukturen eines Brennstoffzellenstapels nicht oder nur geringfügig.
Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung der Bauraum in einem Brennstoffzellensystem in geeigneter Weise genutzt werden, wenn beispielsweise an einer Seitenfläche über oder unter dem Brennstoffzellenstapel nicht ausreichend Bauraum für eine Luftzuführung, Verteilung, Heizeinrichtung und/oder Gebläseeinrichtung ist. Ein Aufbau eines Brennstoffzellensystems ist somit einfacher und platzsparender.
Die Heizeinrichtung kann beispielsweise an einer Seitenwandung des Gehäuses des Brennstoffzellenstapels befestigt sein. Alternativ kann ein solches Gebläse beabstandet vom Brennstoffzellenstapel angeordnet sein und über einen entsprechenden Kanal mit der Temperiervorrichtung gekoppelt sein.
Eine definierte Temperierluftführung bspw. mittels des Temperierkanals ermöglicht eine gleichmäßige Temperatu rvertei lung (aufgrund Luftströmung). Ohne eine solche Temperierluftführung würde eine große Temperaturdifferenz innerhalb des Brennstoffzellenstapels vorliegen, da der hauptsächliche Temperierluftstrom in Temperierrichtung strömen würde und mehrere Temperierrippen wenig bis gar nicht angeströmt würden. Hierbei spielt unter anderem der Impuls der Gasteilchen eine Rolle.
Der Temperierkanal kann quer zur Temperierrichtung abschnittsweise von den Temperierrippen und/oder den Widerstandselementen und/oder dem Temperierluftleitelementen und/oder von einem oder mehreren Temperierkörpern und/oder einer Seitenwandung eines Brennstoffzellenstapels und/oder einem den Brennstoffzellenstapel umgebenden Gehäuse begrenzt sein, und wobei die plattenförmigen Temperierrippen an plattenförmige Wärmeleitungselemente einstückig angeformt sein können und Temperierelemente ausbilden, und wobei die Wärmeleitungselemente zwischen einzelnen Zellen eines Brennstoffzellenstapels anordbar sein können, sodass die plattenförmigen Temperierrippen mit dem Brennstoffzellenstapel derart mechanisch gekoppelt sind, dass das Temperieren des Brennstoffzellenstapels über die plattenförmigen Wärmeleitungselemente mittels Wärmeleitung erfolgt, und ein Temperieren der plattenförmigen Temperierrippen mittels Konvektion erfolgt. Die Temperierluftleitelemente können aus einzelnen sich in etwa bzw. im Wesentlichen in Temperierrichtung bzw. parallel zur Temperierrichtung erstreckenden oder in einem spitzen Winkel gegenüber der Temperierrichtung geneigten plattenförmigen Elementen ausgebildet sein. Diese werden im Folgenden als Längsluftleitele- mente bezeichnet.
Die Temperierluftleitelemente können aus einzelnen sich in etwa bzw. im Wesentlichen quer zur Temperierrichtung erstreckenden oder in einem stumpfen Winkel gegenüber der Temperierrichtung geneigten Temperierluftleitelemente ausgebildet sein. Diese werden im Folgenden als Querluftleitelemente bezeichnet.
Die Temperierluftleitelemente können beispielsweise aus einem Material wie z.B. Mikanit/Glimmer, Aluminium, wärmeleitender Keramik, Hochleistungspolymer oder expandiertem Grafit oder beispielsweise aus Keramikfaserplatten, Glasfaserplatten oder Heatpipes bestehen. Um die für die Temperierluftleitelemente einer HT-PEM Brennstoffzelle geltenden Anforderungen hohe Festigkeit, preisgünstige Fertigbarkeit, hohe Temperaturbeständigkeit (z.B. bis 250°C) bei zudem nicht elektrisch leitenden Eigenschaften zu erfüllen, ist die Materialwahl eingeschränkt, wobei sich das Material Mikanit/Glimmer als geeignet erwies.
Der Temperierkanal kann einstückig oder aus einer Vielzahl von einzelnen miteinander verbundenen oder gekoppelten Elementen ausgebildet sein.
Neben dem Temperierkanal, der hauptsächlich für die Temperierluftverteilung bzw. Temperierluftführung und somit für die Temperierung verantwortlich ist, werden durch die Temperierrippen auch eine Vielzahl von vom Temperierkanal abzweigende Temperierverteilerkanäle begrenzt, die ebenfalls eine entscheidende Rolle bei der Temperierung eines Brennstoffzellenstapels spielen und Bestandteil der Temperierluftführung sind.
Die Temperiervorrichtung kann pro Seitenwandung des Brennstoffzellenstapels einen oder mehrere Temperierkanäle mit entsprechenden Temperierverteilerkanälen aufweisen.
Weiterhin kann eine Gebläseeinrichtung zum Beaufschlagen der Temperierluftführung bzw. der Kanäle mit Luft zur Temperierung vorgesehen sein.
Die plattenförmigen Wärmeleitungselemente der Temperierelemente können Dichtelemente für Funktionseinheiten eines Brennstoffzellenstapels ausbilden.
Insbesondere können Manifold-Löcher, die die Gasverteilungskanäle orthogonal zu den Versorgungsplatten ausbilden, durch die Wärmeleitungselemente abgedichtet sein. Hierfür können Stege in den Versorgungsplatten ausgebildet sein, die eine lokal erhöhte Kompression der Wärmeleitungselemente zur Erreichung hoher Dichtwirkung gewährleisten.
Weiterhin kann das Material, aus dem die Temperierelemente ausgebildet sind, temperaturbeständig bis mind. 250°C und ggf. phosphorsäurebeständig ausgebildet sein. Um die notwendigen Dichtungseigenschaften bereitzustellen, ist das Temperierelement bzw. zumindest dessen Wärmeleitungselement vorzugsweise aus expandiertem Grafit ausgebildet. Ebenso kann die Temperierrippe aus expandiertem Grafit ausgebildet sein.
Durch die zusätzliche Nutzung der Wärmeleitungselemente als Flachdichtung, anstatt beispielsweise einer Vielzahl an Dichtringen zur Abdichtung, kann die Anzahl an Dichtelementen und damit die Wahrscheinlichkeit von Assemblierungsfehlern deutlich reduziert werden. Grafit eignet sich gut als Dichtungsmaterial für im Stapel enthaltene Reformerkammern, da sonstige Dichtungsmaterialien problematisch sein können (z.B. FKM als Hochtemperatur-Elastomer kann in Kombination mit interner Methanol-Reformierung mit dem in den Reformerkammern befindlichen Methanol aufquellen; FFKM ist teuer; Silikon wird von Phosphorsäure aus den HT- PEM Brennstoffzellen-MEAs zersetzt; EPDM hat für HT-PEM Brennstoffzellen zu geringe Temperaturbeständigkeit). Der expandierte Grafit dient zudem zur Herabsetzung des Kontaktwiderstands der Reformerkammern (harte Platte auf harte Platte hätte hohen elektrischen Kontaktwiderstand zur Folge und würde somit hohen Leistungsverlust bedeuten). Expandierter Grafit ist sowohl als Rohmaterial als auch in der Bearbeitung (z.B. Stanzen) kostengünstig.
Im Falle der Nutzung einer internen Reformierung in Reformerkammern in einem Brennstoffzellenstapel können die Wärmeübertragungselemente bzw. die Temperierelemente in idealer Weise sowohl zur Abdichtung der Reformerkammern als auch zur Kühlung der Zellen verwendet werden.
Sofern die Wärmeübertragungselemente aus expandiertem Grafit ausgebildet sind (z.B. zur Herabsetzung des Kontaktwiderstandes), ist eine Abdichtung der Medien durch Dichtringe auf dem expandiertem Grafit mit Nachteilen verbunden, da beide Elemente (sowohl der Dichtring als auch der expandierte Grafit) flexiblen Charakter haben und eine lokale plastische Deformation des expandierten Grafits sowie ein Kriechen bzw. Setzen der beiden Elemente mit der Zeit eintreten kann. Sofern Dichtringe als Dichtelemente eingesetzt werden, sollen diese deshalb vorteilhafterweise nicht auf expandiertem Grafit aufliegen, was insbesondere in Verbindung mit einer internen Reformierung konstruktiv schwierig oder unmöglich ist, da der Reformerraum großflächig in der Versorgungsplatte ausgestaltet ist und eine Unterbrechung des Wärmeleitungselements für eine Dichtspur für die Wärmeleitung nachteilig wäre.
Somit ist die zusätzliche Funktion des Wärmeleitungselements bzw. des Temperierelements als Dichtelement mit vielen Vorteilen verbunden.
Das Temperierelement, die Temperierrippe und/oder, das Wärmeleitungselement kann auch aus einem anderen geeigneten wärmeleitenden Material, wie z.B. Metall oder Kohlenstoff-Polymer-Compound, ausgebildet sein. In diesem Fall können die Medien beispielsweise mit Elastomer oder expandiertem Grafit abgedichtet werden.
Die plattenförmigen Temperierrippen können mit Temperierkörpern zur Oberflächenvergrößerung der Temperierrippen versehen sein, um die konvektive Wärmeübertragung zu erhöhen. Die Temperierkörper können aus einem anderen wärmeleitenden Material, wie z.B. Grafit, Keramik oder Metall, ausgebildet sein. Diese Temperier- bzw. Kühlkörper können vorzugsweise aus Aluminium ausgebildet sein. Die Temperierkörper vergrößern bzw. erhöhen die Wärmeübertragung von den Temperierrippen auf die Luft.
Die Temperierkörper können beispielsweise als Aluminiumkühlkörper, Grafitelemente, Heatpipes, wärmeleitende Keramik, Schnappelemente, Nietelemente, Metall-Klipse, Federelemente, Metallklammern oder als metallische Biegeteile ausgebildet sein.
Die Temperierkörper können an den Temperierrippen beispielsweise durch Federkraft, Kleben, Klemmen, Schrauben oder Nieten befestigt oder mit diesen verbunden sein.
Beispielsweise können federnde gebogene/druckumgeformte Stahl-, Kupfer-, Messing- oder Aluminiumteile als Temperierkörper an die Temperierrippen geklemmt werden. Durch die Federkraft kann ein guter Wärmeübergang zwischen Luftleitelement und Temperierkörper gewährleistet werden.
In einer Ausführung können einzelne Laschen eines plattenförmigen Temperierkörpers (zum Beispiel aus kupferhaltigem Metall) abwechselnd auf der einen und auf der anderen Seite eines Luftleitelements aufliegen und dadurch mit Federkraft eine wärmeleitende Verbindung zu diesem herstellen sowie durch gebogenes Design eine hohe Wärmeübertragungsfläche zur Luft ausbilden.
In einer weiteren Ausführung können beispielsweise stranggepresste Aluminiumkühlkörper als Temperierkörper an Temperierrippen genietet, geklemmt oder geschraubt werden.
Sofern die Temperierelemente, Temperierrippen und/oder Temperierkörper elektrisch isolierend ausgebildet sind, können diese mehrere in Temperierrichtung nacheinander angeordnete Temperierelemente, Temperierrippen und/oder Temperierkörper kontaktieren. Auf diese Weise wird ein Wärmeaustausch bzw. -ausgleich zwischen diesen Elementen ermöglicht, so dass eine effizientere Temperierung eines Brennstoffzellenstapels mit guter Temperaturverteilung möglich ist.
Zwischen zwei benachbarten Temperierrippen können Abstandshalter bzw. -Strukturen, insbesondere Widerstandselemente angeordnet sein.
Die Widerstandselemente bzw. Abstandsstrukturen können zur Positionierung bzw. zur Ausrichtung bzw. zur Zentrierung der Temperierrippen vorgesehen sein, um Längenausdehnung des Brennstoffzellenstapels und/oder Fertigungstoleranzen auszugleichen. Dies ist insbesondere gut möglich, wenn die Temperierrippen aus expandiertem Grafit ausgebildet sind, welcher ausreichend flexibel ist und sich leicht biegen lässt.
Die Widerstandselemente bzw. Abstandsstrukturen können sich orthogonal zu den Temperierrippen erstrecken, können zur Positionierung und/oder Abstandshaltung von Temperierrippen dienen und können beispielsweise verhindern, dass es zu großen Spalten zwischen benachbarten Temperierrippen kommt, beispielsweise durch unbeabsichtigtes Verbiegen von Temperierrippen bei der Montage oder durch Wärmeausdehnung der Kompo- nenten des Brennstoffzellenstapels im Betrieb. Derartige Spalten würden die Grenzschichtdicke für den Wärmeübergang vergrößern und diesen dadurch möglicherweise negativ beeinflussen. Auch zu kleine Spalte zwischen Temperierrippen können mithilfe von Abstandsstrukturen vermieden werden.
Die Abstandsstrukturen können des Weiteren zur Vermeidung eines elektrischen Kontakts zwischen benachbarten Temperierrippen dienen, wenn die Temperierrippen elektrisch leitend ausgebildet sind.
Die Widerstandselemente können insbesondere zum Beeinflussen der Luftströmung zwischen den Temperierrippen angeordnet sein.
Die Widerstandselemente bzw. die Abstandstrukturen können zur Beeinflussung der Strömung der Temperierluft dienen bzw. vorgesehen sein, bspw. um eine turbulente Strömung auszubilden. Zu diesem Zweck können die Abstandstrukturen und/oder Widerstandselemente auch Ausnehmungen und/oder Löcher zum Beeinflussen der Strömung der Temperierluft aufweisen.
Die Widerstandselemente bzw. die Abstandsstrukturen können auch dazu dienen, den Druckverlust der Luftströmung gezielt zu beeinflussen, sodass die Temperaturverteilung des Brennstoffzellenstapels gleichmäßiger ist.
Hierfür können die Widerstandselemente bzw. die Abstandsstrukturen beispielsweise durch entsprechend kleinere Ausschnitte bzw. Öffnungen oder kleinere Abstände zu Temperierrippen lokal an bestimmten Zellen einen höheren Druckverlust bei gegebenem Volumenstrom im Gegensatz zu den Ausschnitten an anderen Zellen bezwecken. Auch kann insgesamt der Differenzdruck zwischen Luftzuführung und Luftabführung durch die Abstandsstrukturen oder Widerstandselemente bei gegebenem Volumenstrom erhöht werden (beispielsweise durch entsprechend kleine Strömungsquerschnitte an den Abstandsstrukturen oder Widerstandselementen), um die Temperaturverteilung des Brennstoffzellenstapels in gewünschter Weise zu beeinflussen und/oder um diese unempfindlicher auf Toleranzen in der Luftführung oder anderen Parametern, die zu einer Abweichung des Druckverlusts führen, zu machen.
Sofern der Abstand zwischen Widerstandselementen bzw. Abstandsstrukturen und Temperierrippen für einen definierten Strömungsquerschnitt etwa konstant sein soll (beispielsweise auch bei Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels mit den Temperierelementen bei Erwärmung), können an den Abstandsstrukturen bzw. Widerstandselementen angeformte oder angebrachte Elemente zur Abstandshaltung ausgebildet sein.
Die Widerstandselemente bzw. die Abstandsstrukturen können beispielsweise aus dem Material Glimmer bzw. Mikanit oder aus Keramik- bzw. Glasfaserplatte ausgebildet sein. Des Weiteren können diese beispielsweise aus Metall oder expandiertem Grafit ausgebildet sein, wobei diese elektrisch isolierend beschichtet sein können.
Die Temperierrippen können auch die Funktion von Temperierkörpern und/oder Widerstandselementen aufweisen oder Temperierkörper und/oder Widerstandselemente können einstückig an den Temperierrippen angeformt sein. Die Temperierrippen können mehrere Temperierkanäle ausbilden, die sich in und/oder quer zur Temperierrichtung erstrecken.
Auf diese Weise kann je nach Geometrie eines Brennstoffzellenstapels eine homogene Temperaturverteilung durch das Vorsehen der mehreren Temperierkanäle erzielt werden.
Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Brennstoffzellenstapel mit einer solchen Temperiervorrichtung vorgesehen. Dieser umfasst mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellen, die den in etwa quaderförmigen Brennstoffzellen-stapel ausbilden, wobei zumindest eine Seitenwandung oder vorzugsweise zwei, insbesondere einander gegenüberliegende, oder drei oder vier Seitenwandungen mit einer vorstehend beschriebenen Temperiervorrichtung versehen sind.
Die damit erzielbaren Vorteile wurden vorstehend an Hand der Temperiervorrichtung aufgezeigt und gelten analog für einen mit einer solchen Temperiervorrichtung versehenen Brennstoffzellenstapel.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen in:
Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellenstapels mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung,
Fig. 2 eine schematische, perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellenstapels mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung,
Fig. 3 eine schematische, perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellenstapels mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung,
Fig. 4 eine schematische, perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung aus Figur 3,
Fig. 5 eine schematische, perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellenstapels mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung,
Fig. 6 eine schematische, perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellenstapels mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung,
Fig. 7 eine schematische, perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellenstapels mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung,
Fig. 8 eine schematische, perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellenstapels mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung,
Fig. 9 eine schematische, perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellenstapels mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung,
Fig. 10 eine schematische, perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellenstapels mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung,
Fig. 11 eine schematische, perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellenstapels mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung,
Fig. 12 eine schematische, perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Brennstoffzellenstapels mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung, Fig. 13 eine schematische Explosionsdarstellung von plattenförmigen Elementen eines Brennstoffzellenstapels, und
Fig. 14 eine perspektivische Detailansicht einer Gasverteilerstruktur aus Figur 13.
Im Folgenden wird ein Brennstoffzellenstapel 2 beispielhaft beschrieben, der mit einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 1 versehen ist (Figuren 1 bis 3 und 5 bis 12).
Der Brennstoffzellenstapel 2 mit interner Reformierung ist ähnlich dem in der WO 2015/110545 Al beschriebenen Brennstoffzellenstapel ausgebildet. In diesem Dokument, auf das hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird, ist ein Brennstoffzellensystem zur thermisch gekoppelten Reformierung mit Reformataufbereitung beschrieben. Dieses System umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodeneinlass, einem Anodenauslass, einem Kathodeneinlass und einem Kathodenauslass, und eine mit dem Brennstoffzellenstapel thermisch gekoppelte Reformereinrichtung zur Dampfreformierung zum Bereitstellen eines Anodenfluids, das reformierten Brennstoff umfasst, die dem Anodeneinlass vorgeschaltet ist. Der Brennstoffzellenstapel und die Reformereinrichtung sind derart thermisch gekoppelt, dass die Abwärme des Brennstoffzellenstapels mittels Wärmeleitung auf die Reformereinrichtung derart übertragen wird, und zumindest teilweise zum Betrieb der Reformereinrichtung genutzt wird, und wobei zumindest eine zwischen der Reformereinrichtung und dem Anodeneinlass angeordnete Aufbereitungseinrichtung zum Entfernen und/oder Reformieren von nicht reformiertem Brennstoff und/oder für den Brennstoffzellenstapel schädlichen Stoffen aus dem Anodenfluid vorgesehen ist, wobei eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels im Bereich zwischen 140°C und 230°C liegt.
Der Brennstoffzellenstapel 2 ist als HT-PEMFC (High-Temperature-Polymer-Electrolyte-Fuel-Cell) ausgebildet. Diese Hochtemperaturbrennstoffzelle arbeitet in einem Temperaturbereich von 160 °C -180 °C bzw. bis 230 °C. Der benötigte Wasserstoff wird aus Methanol durch einen internen und einen externen Reformierungsprozess gewonnen und in dem Brennstoffzellenstapel verstromt.
Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 1 mit allen eingangs beschriebenen Arten von Vorrichtungen, insbesondere Brennstoffzellenstapeln, verwendbar.
Ein entsprechendes Brennstoffzellensystem (nicht dargestellt) umfasst gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel den Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Anodeneinlass 3 und einem Anodenauslass 4 und einem Kathodeneinlass 5 und einem Kathodenauslass 6.
Weiterhin ist eine mit dem Brennstoffzellenstapel 2 thermisch gekoppelte Reformereinrichtung 7 zum Bereitstellen von Reformat bzw. von Anodenfluid vorgesehen, die dem Anodeneinlass 3 vor-geschaltet ist und eine außerhalb des Zellstapels zwischen der Reformereinrichtung 7 und dem Anodeneinlass 3 angeordnete Aufbereitungseinrichtung (nicht dargestellt) zum Entfernen von nicht aufbereitetem Brennstoff und schädlichen Stoffen aus dem Reformat.
Im Folgenden wird beispielhaft ein Aufbau einer „Wiederholeinheit" 8 erläutert, die im vorliegenden Fall zwei Zellen eines aus mehreren Zellen aufgebauten Brennstoffzellenstapels 2 beschreibt. Zunächst ist ein plattenförmiges Temperierelement 9 der Temperiervorrichtung 1 vorgesehen.
Dieses Temperierelement 9 ist aus einer plattenförmigen Temperierrippe 10 und einem daran einstückig angeformten plattenförmigen Wärmeleitungselement 11 ausgebildet.
Dadurch, dass die Wärmeleitungselemente 11 zwischen einzelnen Zellen eines Brennstoffzellenstapels 2 anordbar sind, sind die plattenförmigen Temperierrippen 10 mit dem Brennstoffzellenstapel 2 derart mechanisch gekoppelt, dass das Temperieren des Brennstoffzellenstapels 2 über die plattenförmigen Wärmeleitungselemente 11 mittels Wärmeleitung erfolgt, und ein Temperieren der plattenförmigen Temperierrippen 10 durch Anströmung bzw. Beaufschlagung mit Temperierluft mittels Konvektion erfolgt.
An das Temperierelement 9 schließt sich die Reformereinrichtung 7 an.
Die Reformereinrichtung 7 ist in eine Versorgungsplatte 17 eines Brennstoffzellenstapels 2 integriert. Eine Seite der Versorgungsplatte ist mit einer mäanderförmig verlaufenden Verteilerstruktur, genannt Flowfield, für ein Anodenfluid (oder entsprechend für ein Kathodenfluid) versehen.
Auf der der Verteilerstruktur für das Anodenfluid gegenüberliegenden Seite der Versorgungsplatte ist ein Reformerraum der Reformereinrichtung 7 ausgebildet. Eine solche Platte wird im Folgenden als Reformer-Monopolarplatte mit Reformerkammer bzw. als Monopolarplatte mit Reformerraum bezeichnet.
Der Reformerraum weist einen Einlass zum Zuführen des gasförmigen Brennstoff enthaltenden Trägergases und einen Auslass zum Abführen des aus dem gasförmigen Brennstoff gebildeten Reformats und des Trägergases auf. Im Reformerraum ist ein Reformerkatalysator (nicht dargestellt) angeordnet, der gleichmäßig über den gesamten Reformerraum verteilt ist. Zwischen dem Einlass bzw. dem Auslass und dem Reformerraum ist eine Sperre, bspw. in Form von einem Netz aus dem Material PEEK oder Kanälen oder Stegen ausgebildet, die einen Austritt des Reformerkatalysators aus dem Reformerraum in den Einlass und den Auslass verhindert, wenn das System bewegt wird. Weiterhin sind im Reformerraum bspw. quaderförmige Körper oder Stege aus der Versorgungsplatte, um eine gleichmäßige Verteilung des Reformerkatalysators sowie des Gases sicherzustellen. Diese dienen außerdem dazu, eine elektrisch und thermisch leitende Verbindung zwischen den Versorgungsplatten auszubilden und um die mechanische Stabilität der Versorgungsplatten und somit des Brennstoffzellenstapels sicherzustellen.
Auf die Verteilerstruktur für das Anodenfluid folgen ein oder mehrere Dichtungselemente, Gasdiffusionsschichten, Katalysatorschichten sowie eine Elektrolyt enthaltende Membran (Membran-Elektroden-Einheit, MEA).
Darauf folgt eine Versorgungsplatte, die auf beiden Seiten mit räumlich voneinander getrennten, beispielsweise mäanderförmig verlaufenden Verteilerstrukturen versehen ist. Eine Seite weist eine Verteilerstruktur für ein Kathodenfluid und die andere Seite eine Verteilerstruktur für ein Anodenfluid auf. Eine solche Platte wird im Folgenden als Bipolarplatte bezeichnet. Es folgen ein oder mehrere Dichtungselemente, Gasdiffusionsschichten und Katalysatorschichten sowie eine Elektrolyt enthaltende Membran (MEA) und eine Versorgungsplatte 17 als Monopolarplatte mit Kathodenflow- field. Damit ist der Aufbau der Wiederholeinheit umfassend ein Temperierelement 9 und zwei Zellen abgeschlossen.
Durch Aneinanderreihung mehrerer Wiederholeinheiten 8 lässt sich ein Brennstoffzellenstapel 2 mit einer beliebigen Anzahl von Zellen, entsprechend der gewünschten Leistung, ausbilden.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel (Figur 1) umfasst die Temperierluftführung 12 zumindest den Temperierkanal 15, der sich im Wesentlichen in einer Temperierrichtung 16 erstreckt und dessen Querschnitt in Temperierrichtung 16 abnimmt bzw. sich konisch verjüngt, sodass einzelne Zellen des Brennstoffzellenstapels 2 in etwa gleichmäßig beheiz- oder kühlbar sind.
In etwa orthogonal zu einer Seitenwandung 14 des Brennstoffzellenstapels 2 sind mehrere plattenförmige Temperierrippen 10 angeordnet und mit diesem thermisch gekoppelt. Die Temperierrippen 10 weisen in Temperierrichtung 16 axial fluchtende Aussparungen 13 auf.
In den Aussparungen 13 der Temperierrippen sind plattenförmige Temperierluftleitelemente 10 vorgesehen, die in einem vorbestimmten Winkel gegenüber der Seitenwandung 14 des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet sind und einen Temperierkanal 15 der Temperierluftführung 12 begrenzen. Der Winkel kann beispielsweise zumindest 25° oder 30° oder 40° oder 50° oder maximal 70° oder 80° oder 90° und vorzugsweise maximal 60° betragen
Der Temperierkanal 15 wird von in den Temperierluftleitelementen 20 ausgebildeten Ausnehmungen 21, einer Seitenwandung 14 des Brennstoffzellenstapels 2 und einem den Brennstoffzellenstapel umgebenden Gehäuse (nicht dargestellt) begrenzt. Das Gehäuse kann mit einer thermischen Isolierung versehen sein.
Um die Wärme des Brennstoffzellenstapels 2 optimal abführen zu können, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Temperiervorrichtung 1 mit ihren Temperierelementen 9 und einer entsprechenden Gebläseeinrichtung (nicht dargestellt) zum Beaufschlagen des zumindest einen Temperierkanals 15 mit einem Temperiermedium (vorzugsweise Luft) vorgesehen.
Die Temperiervorrichtung 1 weist zumindest einen oder zwei oder drei oder vier oder fünf oder sechs oder sieben oder acht oder mehr Haupttemperierkanäle 22 auf. Die Haupttemperierkanäle 22 sind vorzugsweise in lateraler Richtung gleichbeabstandet voneinander angeordnet und spiegelsymmetrisch oder symmetrisch entlang einer Mantelwandung bzw. entlang der Seitenwandungen 14 des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet.
Zudem ist eine Temperierluftzuführung 23 vorgesehen, die ebenfalls Bestandteil der Temperierluftführung 12 ist.
Die Temperierelemente 9 können zudem als wärmeleitende Dichtung ausgebildet sein, um einzelne Komponenten bzw. Funktionseinheiten bzw. Wiederholeinheiten 8 eines Brennstoffzellenstapels 2 abzudichten. Bei dieser Dichtung kann es sich z.B. um ein graphitisches Material mit ausreichender Wärmeleitfähigkeit handeln, oder im Falle eines metallischen Brennstoffzellenstapels 2 um eine entsprechende metallische Dichtung.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, eine Anoden- und/oder Kathoden- verteilerstruktur in die Wärmeleitungselemente 11 zu integrieren bzw. entsprechende Bauteile (z.B. Wärmeleitungselement und Kathoden- und/oder Anoden-Monopolarplatte) einstückig auszubilden. Das Temperierelement kann beispielsweise zusätzlich die Funktionen der Versorgungsplatte(n) (unter anderem die Gasverteilung bzw. Fluidversorgung einer Brennstoffzellen-MEA) übernehmen.
Es kann eine Gasverteilerstruktur (Flowfield) in ein Temperierelement, welches aus einem deformierbaren Material ausgebildet ist und mindestens eine Temperierrippe aufweist, eingepresst sein (Figuren 13 und 14). Dies hat mehrere Vorteile: zum einen kann dadurch jeweils eine Monopolarplatte bzw. Bipolarplatte eingespart werden, was zu Kostenvorteilen führt (die Platten mit Kanalstruktur sind hochpreisig), andererseits können dadurch Dichtflächen eingespart werden und damit das Risiko von Undichtigkeiten und Kosten für Dichtungsmaterialien reduziert werden. Des Weiteren entsteht ein geringerer Wärmegradient, da kein Wärmeübergang von einer Monopolarplatte oder Bipolarplatte auf das Temperierelement für den Wärmetransfer nötig ist. Dadurch kann eine bessere Temperaturverteilung und ein geringerer Energieverbrauch für die Kühlung erreicht werden. Darüber hinaus wird der Brennstoffzellenstapel kürzer, da weniger Platten nötig sind. Dabei ist eine gute Wärmeleitung innerhalb des Wärmeleitungselements auch bei eingepressten Kanälen gewährleistet, was unter anderem darauf zurückzuführen ist, dass durch ein Einpressen oder Einwalzen von Kanalstrukturen in das Temperierelement die Menge an Material nicht reduziert (sondern nur stärker komprimiert) wird im Vergleich beispielsweise zu einer spanenden Bearbeitung. Außerdem ist es möglich, auf Dichtungen zu verzichten. So kann das Temperierelement zugleich die Funktion der MEA-Dichtung erfüllen. An einer Membranelektrodeneinheit (MEA) kann beispielsweise ein Temperierelement aus einem deformierbaren Material und eine Platte oder ein Temperierelement aus einem nicht deformierbaren Material angrenzen.
Auch können zwei Platten oder Temperierelemente aus einem deformierbaren Material an die MEA angrenzen und dabei die MEA beispielsweise von beiden Seiten abdichten. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Platten mit eingeprägten Versorgungskanälen günstiger produziert werden können, da das Einprägen von Kanälen in flaches Material kostengünstiger sein kann als beispielsweise das Fräsen von Kanälen aus einer Platte oder die Fertigung durch Spritzgießen oder Compression-Molding.
Es können ein oder mehrere Platten, in denen Kanäle eingepresst sind, und die unter anderem die Funktion einer Monopolarplatte oder Bipolarplatte erfüllen, im Zellstapel vorgesehen sein.
Das Material der Platten, Wärmeleitungselemente, Temperierrippen oder Temperierelemente, in die Strukturen oder Kanäle eingepresst sind, kann beispielsweise expandierter Grafit sein, der als ebene Platte bezogen wird und in die durch Walzen, Einschlagen, Einprägen oder Pressen Strukturen oder Kanäle eingebracht werden. Das Einprägen der Kanäle kann auch durch einen Stanz-Umform-Prozess begleitet oder umgesetzt werden. Das Material ist vorzugsweise elektrisch leitfähig und kann eine Materialdicke von beispielsweise 1 bis 4 mm, vorzugsweise 1,5 mm, 2 mm, 2,5mm oder 3mm aufweisen, sodass sich bei hohem mechanischem Druck Kanäle mit Kanaltiefen von über 0,2 mm, vorzugsweise über 0,6 mm einprägen lassen und sodass gleichzeitig neben und/oder gegenüber der Einprägung entweder keine Erhebungen oder Erhebungen mit einer Höhe von weniger als 0,4 mm, vorzugsweise von weniger als 0,1 mm, entstehen. Die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitungselements bzw. Temperierelements beträgt über 50 W/mK, vorzugsweise über 100 W/mK oder über 150 W/mK. Das Material muss nicht zwangsweise einen Binder oder Kunststoffe (z.B. Thermoplast oder aushärtendes Harz) beinhalten, sondern kann (im Gegensatz zum Spritzguss oder Compression Molding) beispielsweise aus über 99 prozentigem Kohlenstoff bestehen. Grafit mit einer Konzentration von über 99 % ist chemisch und thermisch beständiger als Kohlenstoff-Kunststoff-Compounds, was vorteilhaft für eine hohe Lebensdauer ist. Das Einpressen der Kanäle oder Strukturen kann beispielsweise bei Temperaturen unter 100 °C, vorzugsweise unter 40 °C, erfolgen. Der Druck für das Einprägen von Strukturen oder Kanälen kann über 10 MPa, vorzugsweise zwischen 15 und 300 MPa betragen. Der elektrische spezifische Widerstand (in through-plane Richtung) des Materials des Temperierelements bzw. Wärmeleitungselements beträgt unter 0,1 Ohm*cm, vorzugsweise unter 0,04 Ohm*cm oder unter 0,02 Ohm*cm. Ein übliches Brenn- stoffzellen-Bipolarplattenmaterial aus Kohlenstoff-Polymer-Compound wäre bei diesem geringen spezifischen Widerstand sehr spröde, brüchig und fest, sodass sich bei Temperaturen unter 100 °C keine Kanäle einprägen lassen würden. Aus diesem Grund muss ein deformierbares Material, wie beispielsweise expandierter Grafit, der üblicherweise für Flachdichtungen in Flanschen verwendet wird, verwendet werden. Die Strukturen oder Kanäle können entweder einseitig oder beidseitig in die Platte eingeprägt sein. Gegebenenfalls können die Platten, Temperierelemente bzw. Wärmeleitungselemente chemisch oder physikalisch behandelt, imprägniert oder beschichtet werden, um eine starke Aufnahme von Elektrolyt beispielsweise aus einer Brenn- stoffzellen-MEA zu vermeiden und wobei der elektrische Widerstand zur MEA unter 50 mOhm/cm2 betragen muss. In den Temperierrippen kann das Einprägen von Strukturen beispielsweise zur Erhöhung des Wärmeübergangs zur Luft oder einem anderen Material dienen. An ein Wärmeleitungselement, welches eingeprägte Kanäle enthält, kann beispielsweise ein metallischer Rahmen kontaktiert sein, der als Temperierrippe dient. Der metallische Rahmen oder ein metallisches Formteil oder eine wärmeleitende Platte kann beispielsweise durch Klemmen an dem Wärmeelement, welches eingeprägte Kanäle enthält, befestigt sein. Ein thermischer Kontakt kann auch dadurch erfolgen, dass an den inneren Kanten des Metallrahmens Material angelötet oder angeschweißt wird, sodass Formschluss und/oder Kraftschluss mit dem Temperierelement bzw. Wärmeleitungselement erzeugt wird und es kann vorgesehen sein, dass Bereiche des Metallbleches in das deformierbare Temperierelement bzw. Wärmeleitungselement eindrücken. Wenn eine Reformerkammer an die Platte mit eingeprägten Versorgungskanälen angrenzt, kann ein besserer Wärmedurchgang von der MEA zur Reformerkammer erfolgen, da sich zwischen MEA und Reformerkammer keine Monopolarplatte oder Bipolarplatte befindet, sondern beispielsweise nur ein Wärmeleitungselement.
Es kann somit ein Brennstoffzellenstapel vorgesehen sein, der sich dadurch auszeichnet, dass ein oder mehrere Wärmeleitungselemente und/oder Temperierelemente aus einem Material, vorzugsweise „expandierter Grafit", ausgebildet sind. Wobei das Material bei einer Temperatur von unter 80 °C deformierbar ist. Zudem weist das Material einen elektrischen spezifischen through-plane Widerstand von unter 0,1 Ohm*cm auf. Insbesondere sind in den Wärmeleitungselementen und/oder den Temperierelementen Kanalstrukturen für eine Fluidversorgung ausgebildet, die durch Einprägen in das deformierbare Material hergestellt sind. Um den Abtransport der entstehenden Wärme zu gewährleisten, ist eine Luftströmung um den Stack vorgesehen, die die überschüssige Wärme aus dem System entfernt. Die überschüssige Wärme kann auch als Abwärme genutzt werden.
Der Brennstoffzellenstapel kann auch mit einem oder mehreren anderen Zellstapeln kombiniert sein. Beispielsweise kann ein Reformerstapel an dem Brennstoffzellenstapel befestigt sein oder mit diesem verspannt sein. In diesem Falle kann die Temperiervorrichtung entweder an der Kombination der Stapel oder für jeden Stapel separat ausgebildet sein.
Sofern nichts anderes beschrieben ist, weisen alle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dieselben technischen Merkmale auf. Die technischen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele sind nahezu beliebig miteinander kombinierbar.
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel (Figur 2) sind die plattenförmigen Temperierrippen 10 der Temperierelemente 9 mit Temperierkörpern 19 zur Oberflächenvergrößerung der Temperierrippen 10 versehen, um die konvektive Wärmeübertragung zu erhöhen.
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel (Figur 3) der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 1 sind die Temperierrippen 10 nicht einstückig mit dem Wärmeleitungselementen 11 verbunden, sondern separat zu diesen ausgebildet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können an Stellen dieser Temperierrippen 10 auch Temperierluftleitelemente 20 vorgesehen sein.
Die Temperierrippen 10 weisen ähnlich dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel Aussparungen 13 auf, die einen sich in Temperierrichtung 16 verjüngenden Temperierkanal ausbilden.
Die einzelnen Temperierrippen 10 sind über sich quer zu den Temperierrippen 10 erstreckende und in etwa in Temperierrichtung verlaufende Widerstandselemente 18 miteinander verbunden. Die Widerstandselemente 18 dienen als Abstandshalter und weisen entsprechende Ausnehmungen 25 zum Hindurchführen des Temperierluftstromes auf.
Bei einer solchen Temperiervorrichtung ist vorteilhaft, dass diese auf einfache Weise an einer Seitenwandung, beispielsweise eines Brennstoffzellenstapels, angebracht werden kann (Figur 4).
Eine solche Temperiervorrichtung 1 ist dahingehend vorteilhaft, dass durch die sich verengenden Strömungsquerschnitte an den Temperierrippen die Anströmung der Finnen durch eine Verringerung der Luftgrenzschicht gefördert wird.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel (Figur 5) der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung weisen die Temperierrippen 10 erneut Aussparungen 13 auf, die sich in Temperierrichtung 16 verjüngen. Zudem sind zum beabstandeten Anordnen und zum Verändern der Luftströmung Widerstandselemente 18 als Abstandshalter zwischen den einzelnen Temperierrippen angeordnet. Insbesondere weisen die randseitigen Bereiche der Temperierrippen 10 sich in Temperierrichtung 16 vergrößernde Durchgangsöffnungen 24 auf.
Durch die sich in Temperierrichtung vergrößernden Durchgangsöffnungen 24 kann bei der Luftabfuhr trotz kleinem Bauraum eine möglichst große Fläche der Temperierrippen 10 realisiert werden. Je weniger Luft orthogonal zur jeweiligen Temperierrippe abgeführt werden muss, desto kleiner ist die Ausnehmung in der Temperierrippe und der Druckverlust des abströmenden Luftstroms ist nur unwesentlich höher als wenn alle Temperierrippen gleich große Ausnehmungen hätten. Des Weiteren kann die Größe der Ausnehmungen für die Volumenstromverteilung dienen.
Zudem sind Widerstandselemente 18 zwischen den Temperierrippen 10 vorgesehen. Die Widerstandselemente 18 können kammartig ausgebildet sein. Als Material kann vorzugsweise Mikanit (Glimmer) verwendet werden. Diese dienen ebenfalls zur Verringerung der Luft-Grenzschicht, insbesondere durch einen engen Spalt, der zwischen den Widerstandselementen 18 und den Temperierrippen 10 vorgesehen ist. Weiterhin tragen sie zur Bildung von Turbulenzen und Wirbel bei und somit zur Erhöhung des Druckverlusts. Ein höherer Druckverlust begünstigt eine gleichmäßigere Druckverteilung über den gesamten Brennstoffzellenstapel.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel (Figur 6) sind die Temperierrippen 10 in Temperierrichtung 16 versetzt zueinander angeordnet. Eine Gebläseeinrichtung (nicht dargestellt) beaufschlagt zunächst einen sich in Temperierrichtung verjüngenden Temperierkanal 15.1, wobei die Temperierluft dann entlang der Temperierrippen in einen sich in Temperierrichtung 16 vergrößernden Temperierkanal 15.2 strömt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Temperiervorrichtung 1 (Figur 7) sind auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten eines Brennstoffzellenstapels 2 entsprechende Temperierrippen 10 vorgesehen.
An einer zwischen den beiden Seitenwandungen, die mit Temperierrippen versehen sind, angeordneten Wandungen des Brennstoffzellenstapels 2 ist ein gegenüber der Temperierrichtung derart geneigtes Temperierluftleitelement 20 vorgesehen, das einen sich in Temperierrichtung verjüngenden Temperierkanal 15 ausbildet. Die technische Wirkung eines derartigen Temperierkanals entspricht in etwa den vorstehend aufgezeigten sich in Temperierrichtung verjüngenden Temperierkanälen 15.1, 15.2.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 1 (Figur 8) ist ebenfalls vorgesehen, dass die Temperierrippen 10 an zwei aneinander gegenüberliegenden Seitenwandungen 14 des Brennstoffzellenstapels 2 ausgebildet sind.
Weiterhin sind zwischen den Temperierrippen 10 Widerstandselemente 18 vorgesehen. Diese weisen Ausnehmungen 25 auf, die sich in die zwischen den Temperierrippen 10 ausgebildeten Temperierkanäle 15 erstrecken. Vorzugsweise vergrößert sich der Durchmesser der Ausnehmungen 25 von einer Mitte eines entsprechenden Brennstoffzellenstapels 2 bis hin zu äußeren Randbereichen. Zudem sind zwei in etwa dachartig beziehungsweise gegenüber einer Seitenwandung des Brennstoffzellenstapels 2 geneigte Temperierluftleitelemente 20 vorgesehen. Diese sind in etwa zentral beabstandet voneinander angeordnet. Hierbei ist vorgesehen, dass eine Gebläseeinrichtung (nicht dargestellt) die Temperierluft in einen Freiraum zwischen den beiden Temperierluftleitelementen 20 einbringt. Die Temperierluft verteilt sich dann über die entsprechenden Ausnehmungen 25 in die zwischen den Temperierrippen 10 ausgebildeten Temperierkanäle 15, sodass erneut eine gleichmäßige Temperierung eines Brennstoffzellenstapels 2 möglich ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung (Figur 9) ist vorgesehen, dass auf zwei aneinander gegenüberliegenden Seiten 14 des Brennstoffzellenstapels 2 Temperierrippen 10 vorgesehen sind.
An einer weiteren Seitenwandung 14 sind zwei Temperierluftleitelemente 20 angeordnet, die sich im Wesentlichen parallel zu dieser Seitenwandung 14 erstrecken und eine Temperierluftzuführung 23 sowie einen Teil einer Temperierluftführung 12 ausbilden.
Über die beabstandete Anordnung zwischen den beiden Temperierluftleitelementen 20 gelangt die Temperierluft in den Bereich der Temperierrippen 10. Hierbei ist vorgesehen, dass die Temperierrippen 10 einen Temperierkanal 15 begrenzen, der sich zu beiden Endbereichen des Brennstoffzellenstapels 2 hin verjüngt.
Weiterhin ist ein Widerstandselement 18 zum beabstandeten Halten der Temperierrippen 10 vorgesehen, welches quer zu den Temperierrippen 10 angeordnet ist und im Bereich der Temperierrippen 10 Ausnehmungen 25 zum Hindurchführen der Temperierluft aufweist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Temperiervorrichtung (Figur 10) sind erneut an zwei einander gegenüberliegenden Seitenwandungen 14 des Brennstoffzellenstapels 2 Temperierrippen 10 vorgesehen.
Zudem ist pro Seite zumindest ein Widerstandselement 18 bzw. Abstandselement zum beabstandeten Halten der Temperierrippen 10 vorgesehen, wobei in den Widerstandselementen 18, im Bereich der Temperierrippen 10, entsprechende Ausnehmungen 25 ausgebildet sind. Es können auch mehrere derartige Widerstandselemente 18 vorgesehen sein.
Dadurch, dass die Widerstandselemente sich in Richtung der Randbereiche des Brennstoffzellenstapels hin vergrößernde Ausnehmungen 25 aufweisen und ein Temperierluftleitelement vorgesehen ist, welches gegenüber einer Seitenwandung des Brennstoffzellenstapels 2 derart geneigt ist, dass im Bereich eines Temperierlufteinlasses eine größere Beabstandung zwischen dem Temperierluftleitelement 20 und dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist, wird ein sich quer zur Temperierrichtung 16 verjüngender Temperierkanal 15 ausgebildet, wobei der Temperierkanal 15 beziehungsweise eine entsprechende Temperierluftführung 12 zudem die entsprechenden Zwischenräumen zwischen den Temperierrippen umfasst.
Durch das Vorsehen von unterschiedlich großen Ausnehmungen 21 in den Widerstandselementen 18 ist erneut eine gleichmäßige Temperierung eines Brennstoffzellenstapels 2 möglich. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 1 (Figur 11) sind keine einzelnen Temperierrippen 10 vorgesehen. Zur Kontaktierung der Wärmeleitungselemente ist ein großer sich im Wesentlichen über eine gesamte Seitenwandung 14 eines Brennstoffzellenstapels 2 erstreckender Temperierkörper 19 vorgesehen, der die Temperierrippen 10 umfasst. Mittels mehrerer miteinander verbundener Temperierluftleitelemente 20 wird ein sich in Temperierrichtung 16 verjüngender schachtartiger Temperierkanal 15 ausgebildet, der zudem die Temperierluftzuführung 23 ausbildet.
Hierbei kann es zudem erforderlich sein, den Temperierkörper 19, der beispielsweise als ein Aluminium-Kühlkörper ausgebildet ist, mittels einer wärmeleitenden Folie vom Brennstoffzellenstapel zu isolieren, um Kurzschlüsse zu vermeiden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung 1 (Figur 12) ist vorgesehen, dass auf zwei aneinander gegenüberliegenden Seiten 14 des Brennstoffzellenstapels 2 Temperierrippen 10 vorgesehen sind.
An einer weiteren Seitenwandung 14 sind zwei Temperierluftleitelemente 20 angeordnet, die sich im Wesentlichen parallel zu dieser Seitenwandung 14 erstrecken und eine Temperierluftzuführung 23 sowie einen Teil einer Temperierluftführung 12 ausbilden.
Beim Aufheizen des Zellstapels durchströmt die heiße Luft die zwei Temperierluftleitelemente. Das vordere Temperierluftleitelement dient hierbei vorrangig der Verteilung der heißen Luft beim Aufheizen des Zellstapels. Beim Kühlen des Zellstapels während dem Betrieb des Zellstapels dahingegen wird das vordere Temperierluftleitelement nicht oder nur geringfügig mit Luft durchströmt, sondern primär das hintere Temperierluftleitelement wird mit der Kühlluft durchströmt. Das vordere Temperierluftleitelement dient vorrangig der Verteilung der Heißluft (größere Ausnehmungen im Bereich der Randzellen aufgrund höherem Wärmebedarf an den Randzellen wegen hoher Wärmekapazität der Endplatten/Verspannungskomponenten und ggf. dortige Wärmeabfuhr). Das hintere Temperierluftleitelement dient vorrangig der Verteilung der Kühlluft. Die Heißluft wird vor dem vorderen Temperierluftleitelement eingeströmt. Die Kühlluft wird zwischen dem vorderen und dem hinteren Temperierluftleitelement eingeströmt.
Weiterhin sind Widerstandselemente 18 zum beabstandeten Halten der Temperierrippen 10 vorgesehen, welche quer zu den Temperierrippen 10 angeordnet sind und im Bereich der Temperierrippen 10 Ausnehmungen 25 zum Hindurchführen der Temperierluft aufweisen, wodurch die Widerstandselemente über die Heranführung der Luft an die Temperierrippen und/oder Turbulenzbildung der Erhöhung der Wärmeübertragung dienen.
Die Abstands- bzw. Widerstandselemente sowie ggf. die Temperierrippen, welche sich unterhalb des Zellstapels befinden, haben hierbei unter anderem auch die Funktion, die Gewichtskraft des Zellstapels auf die Einhausung zu übertragen. Die vorliegende Erfindung ist mit einem Brennersystem zum Bereitstellen von thermischer Energie kombinierbar. Eine derartige Vorrichtung umfasst eine Verdampfereinrichtung zum Verdampfen eines flüssigen Brennstoffes, eine Brennerl uftzuf ü hreinrichtung, eine Brennereinrichtung zum Verbrennen eines Brennstoffgemisches umfassend verdampften Brennstoff und Brennerluft, um einen Abgasstrom bereitzustellen, eine Funktionseinrichtung zum Regeln der thermischen Energie des Abgasstromes, wobei die Brennereinrichtung im Betrieb die thermische Energie zur vollständigen Verdampfung des Brennstoffes in der Verdampfereinrichtung bereitstellt.
Weiterhin umfasst das Brennersystem die Tertiärlufteinrichtung und eine Messblende.
Die Tertiärlufteinrichtung umfasst einen PWM (Pulsweitenmodulation)-fähigen Radiallüfter. Die PWM ermöglicht eine genaue Einstellung der Lüfterdrehzahl und damit einen kontrollierten Durchfluss der Tertiärluft. Eine Sensorleitung liefert Auskunft über die aktuelle Lüfterdrehzahl und kann durch eine Logiküberprüfung einen Ausfall des Lüfters anzeigen.
Neben dem Kühlen der Brennstoffzelle heizt der Tertiärlüfter die Brennstoffzelle durch die heiße Abluft (Heißgasstrom umfassend Abgasstrom und Tertiärluft) der Brennereinrichtung auf. Der Lüfter ermöglicht eine ausreichende Kühlung eines Brennstoffzellenstapels in jedem Betriebspunkt (verschiedene Leistungsstufen).
Der Brennstoffzellenstapel kann aus baugleichen Einheiten ausgebildet sein, wobei eine Einheit beispielsweise jeweils die folgenden Bauteile umfasst,
Temperierelement (Dichtelement), Monopolarplatte (Separatorplatte) mit Anodenflowfield, MEA, Bipolarplatte mit Anoden- und Kathodenflowfield, MEA, Monopolarplatte mit Kathodenflowfield, oder
Temperierelement (Dichtelement), Reformer-Monopolarplatte mit Reformerkammer und Anodenflowfield, MEA, Bipolarplatte mit Anoden- und Kathodenflowfield, MEA, Monopolarplatte mit Kathodenflowfield, oder Temperierelement (Dichtelement), Monopolarplatte mit Anodenflowfield, MEA, Monopolarplatte mit Kathodenflowfield), oder
Temperierelement (Dichtelement), Monopolarplatte (Separatorplatte) mit Anodenflowfield, MEA, Bipolarplatte mit Anoden- und Kathodenflowfield, MEA, Bipolarplatte mit Anoden- und Kathodenflowfield, MEA, Monopolarplatte mit Kathodenflowfield, oder
Temperierelement, Reformer-Monopolarplatte mit Reformerkammer und Anodenflowfield, MEA, Bipolarplatte mit Anoden- und Kathodenflowfield, MEA, Reformer-Monopolarplatte mit Reformerkammer und Kathodenflowfield, oder
Temperierelement, Reformer-Monopolarplatte mit Reformerkammer und Kathodenflowfield, MEA, Bipolarplatte mit Anoden- und Kathodenflowfield, MEA, Monopolarplatte mit Anodenflowfield.
Die Versorgungsplatten, Monopolarplatten, Bipolarplatten, Wärmeleitungselemente bzw. Temperierelemente können beispielsweise aus Kohlenstoff-Polymer-Compound (Formung etwa durch Spritzguss, Compression Molding, Extrusion, Walzen, Prägen), expandiertem Grafit, flexiblem kohlenstoffhaltigem Material oder aus Metall sein. Diese können gegebenenfalls untereinander und/oder mit anderen Komponenten z.B. durch Verschweißen verbunden sein.
Der Brennstoffzellenstapel (Stack) kann zudem unter anderem Verspannungselemente (z.B. Endplatten) sowie Gas- und Stromanschluss-Elemente und Isolationsplatten/-folien (beispielsweise zur elektrischen Isolierung) enthalten.
Die Temperierelemente können je nach Aufbau des Brennstoffzellenstapels als Dichtelemente ausgebildet sein. Eine Dichtwirkung ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Wenn die Wärmeleitungselemente beispielsweise aus Metall ausgebildet sind, dann können auch separate Dichtungen oder Dichtrahmen verwendet werden.
Bei normalen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen ist eine in den Stack (Brennstoffzellenstapel) integrierte Wasserstofferzeugung (interne Reformierung) normalerweise aufgrund der niedrigen Temperaturen nicht möglich. Durch die höheren Temperaturen bis ca. 200 °C in einer HT-PEM Brennstoffzelle wird es allerdings möglich, dieses hauptsächlich im Bereich der SOFC und MCFC bekannte Verfahren zu nutzen.
Es können daher im Stack an Stelle der normalerweise zum Einsatz kommenden Kühlplatten entsprechende Reformerräume (Reaktionsräume) in einer gleichmäßig wiederkehrenden Sequenz integriert sein.
Eine gute Temperaturverteilung des Brennstoffzellenstapels (zum Beispiel plus/minus 5 Kelvin) ist insbesondere bedeutend, wenn die interne Reformierung im Brennstoffzellenstapel abläuft. Eine Abweichung der Temperatur von verschiedenen Reformerräumen innerhalb des Brennstoffzellenstapels von mehr als 5 Kelvin hätte eine signifikante Abweichung (beispielsweise um mehr als 10 Prozent) des Reformerumsatzes der internen Reformierung in dem jeweiligen Reformerraum bzw. in der jeweiligen Reformerkammer zur Folge. Angenommen im Brennstoffzellenstapel soll ein Umsatz von 50 % erreicht werden, so würde eine Abweichung des Umsatzes von weit mehr als plus/minus 10 Prozent in einigen Reformerräumen zu einer hohen Ineffizienz der internen Reformierung führen und die Reformerräume bzw. Reformerkatalysatormenge müssten größer ausgelegt werden.
Angenommen im Brennstoffzellenstapel soll ein Umsatz von mehr als 98 % erreicht werden, um eine Nachreinigung oder Nachreformierung zu sparen, so würde eine Unterschreitung des Soll-Umsatzes um weit mehr als 10 Prozent in einigen Reformerräumen zu einer Schädigung des Brennstoffzellenstapels führen, wenn für die Brennstoffzelle schädliche Stoffe, wie Methanol, zu den Brennstoffzellenanoden der Zellen geleitet werden.
Die internen Reformerräume bzw. die Reformerkatalysatormenge müssten demzufolge bei einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung deutlich größer ausgelegt werden (zum Beispiel um mehr als 50 Prozent) als bei einer gleichmäßigen Temperaturverteilung des Brennstoffzellenstapels, was die Kosten und/oder den nötigen Bauraum erheblich negativ beeinflussen würde.
Des Weiteren hätten heißere Reformerräume eine höhere Kohlenmonoxid-Konzentration im Produktgas zur Folge, welche die Leistung der Zellen durch Vergiftung der Katalysatoroberfläche der Brennstoffzellen negativ beeinflusst. Die Reformerräume sind in einer vorteilhaften Ausführung durch einen in den Brennstoffzellenstapel integrierten, aber von Anoden- und Kathodenport räumlich getrennten Ein- und Ausgang miteinander verbunden und müssen nach außen hin abgedichtet werden.
Zur Abdichtung der Reformerräume können vorzugsweise die Temperierelemente bzw. deren plattenförmige Wärmeleitungselemente verwendet werden.
Zur Beschleunigung der in ihnen stattfindenden Reaktion wird ein geeigneter Reaktionsbeschleuniger eingesetzt. In einer vorteilhaften Ausprägung der Erfindung ist dies ein Kupferkatalysator, welcher in Form von Pellets oder einem oder mehreren Formkörpern vorliegt.
Die vorstehend beschriebene endotherme Reaktion trägt, sofern durch Integration der Reaktionsräume in den Stack Wärmeaustausch stattfindet, zur Kühlung des Stacks bei. Allerdings ist eine Kühlung des Stacks alleine durch einen solchen Vorgang nicht ausreichend. Daher ist die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung erforderlich.
Die Temperiervorrichtung kann auch für Brennstoffzellenstapel ohne interne Reformierung verwendet werden.
Es können ein oder mehrere Temperatursensoren im Brennstoffzellenstapel vorgesehen sein. Diese können sich beispielsweise in der Mitte des Brennstoffzellenstapels sowie an der Anfangszeile und an der Endzeile befinden. Bei den Temperatursensoren kann es sich beispielsweise um Thermoelemente handeln, die anliegend an der jeweiligen Zelle mittig positioniert sind. Der Temperatursensor kann in ein Wärmeleitungselement integriert sein, beispielsweise kann dieser in einen Schlitz im Wärmeleitungselement eingedrückt sein. An der ersten und letzten Zelle können sich die Temperatursensoren auch eher im äußeren Bereich, also nicht im Bereich der Zellmitte, befinden, um beim Aufheizen die Mindesttemperatur des Brennstoffzellenstapels in etwa abbilden zu können.
Die Solltemperatur des Brennstoffzellenstapels während des Brennstoffzellenbetriebs kann beispielsweise anhand des Temperatursensors in der Mitte des Brennstoffzellenstapels oder über den Mittelwert der Messwerte mehrerer Temperatursensoren im und/oder am Brennstoffzellenstapel oder anhand eines an ein Temperierelement thermisch kontaktierenden Temperatursensors vom Brennstoffzellensystem über die Gebläseeinrichtung eingeregelt werden.
An zumindest ein Temperierelement kann ein Thermoelement zum Messen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels gekoppelt sein. Mittels des Thermoelements ist die Temperatur des Brennstoffzellenstapels in jedem Betriebszustand messbar. Entsprechend kann die Temperiervorrichtung geregelt werden, um die gewünschte Temperatur im Brennstoffzellenstapel einzustellen.
Für eine etwa gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Brennstoffzellenstapels (zum Beispiel mit hundert Zellen) während des Brennstoffzellen-Betriebs ist in der Regel, insbesondere an den nicht in der Nähe der Anfangs- oder Endzeile gelegenen Zellen (zum Beispiel nicht an den ersten vier oder letzten vier Zellen), ein etwa gleich großer Wärmestrom von jeder einzelnen Zelle auf die Kühlluft oder von der Heizluft auf jede einzelne Zelle nötig. Der Wärmestrom hat die Einheit Watt.
Hierbei wird angenommen, dass alle Zellen des Brennstoffzellenstapels zum Beispiel aufgrund etwa gleichen Potentials bei gegebenem elektrischen Stromfluss durch alle Zellen (gleiche Leistung aller Zellen) während des Betriebs bei denselben Bedingungen etwa die gleiche Abwärme erzeugen. Dabei soll die Abwärme und damit der abzuführende Wärmestrom von den einzelnen Zellen bei gleichen Bedingungen um weniger als plus/minus sieben Prozent vom Mittelwert variieren. Sollte dies aufgrund höheren Leistungsschwankungen der Brennstoff- zellen-Einheiten nicht der Fall sein, so wären unterschiedliche Wärmeströme für eine gleichmäßige Temperaturverteilung der Zellen nötig (zum Beispiel mehr als plus/minus sieben Prozent Abweichung des Wärmestroms).
Darüber hinaus kann während des Brennstoffzellenbetriebs auch die Gasströmung der Medien innerhalb des Brennstoffzellenstapels (zum Beispiel in den Manifolds oder Flowfields) einen geringen Einfluss auf die Wärmeströme und/oder die Temperaturverteilung haben. Beispielsweise wärmt sich die Kathodenluft im Manifold von der ersten zur letzten Zelle oder von der letzten zur ersten Zelle auf. Dies kann mit der Luftführung berücksichtigt werden.
Auch der Übergang (z.B. über Wärmestrahlung, Konvektion, Wärmeleitung) von Wärme des Brennstoffzellenstapels an die Luft außerhalb der Temperiervorrichtung oder an Komponenten, die nicht Teil der Temperiervorrichtung sind, kann, soweit sinnvoll, durch die Luftführung der Temperiervorrichtung berücksichtigt werden.
Die Abfuhr oder Zufuhr der Wärme von einzelnen Zellen bzw. zu einzelnen Zellen des Brennstoffzellenstapels kann entweder durch direkten thermischen Kontakt der jeweiligen Zellen an ein oder mehrere Wärmeleitungselemente) erfolgen oder indirekt über Wärmeleitung durch eine oder mehrere angrenzende Zellen und/oder über Komponenten (z.B. Abstandsstrukturen, Widerstandselemente, Kühlkörper, Temperierkörper, Luftleitelemente) von bzw. zu einem oder mehreren Temperierelement(en) bzw. Temperierrippen.
Beim Aufheizen des Brennstoffzellen-Stacks wäre für die Anfangszeile und die Endzeile des Brennstoffzellenstapels in der Regel ein etwas höherer Wärmestrom zur Erreichung gleicher Temperatur wie in der Mitte des Brennstoffzellenstapels nötig, da die zur Verspannung nötigen, im Bereich der Anfangszeile und der Endzeile befindlichen Komponenten wie beispielsweise Aluminium-Endplatten eine hohe Wärmekapazität haben, die durch Wärmeleitung Einfluss auf die Temperatur der äußeren Zellen des Brennstoffzellenstapels beim Aufheizen des Zellstapels hat.
Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels bei Betriebstemperatur im Gleichgewicht dahingegen müssten die äußeren Zellen (zum Beispiel die Anfangszeile und die Endzeile) etwas weniger gekühlt werden (geringerer fließender Wärmestrom zur Kühlluft) als Zellen in der Mitte des Brennstoffzellenstapels, da durch Übergang von Wärme (beispielsweise durch Konvektion oder Strahlung) von den zur Verspannung nötigen Komponenten wie beispielsweise Aluminium-Endplatten auf die Luft, die Temperatur der äußeren Zellen des Brennstoffzellenstapels beeinflusst wird. Die Endplatten können zur Verminderung dieses Einflusses zu den Zellen gerichtet mit Isolierplatten und/oder zur umströmenden bzw. umgebenden Luft gerichtet mit Isoliermaterial versehen sein.
Diese Einflüsse (Randeffekte) auf die äußeren Zellen können im Absolutwert beim Kühlen im Betrieb anders sein als beim Aufheizen beim Starten.
Um diese Randeffekte, welche zur Erreichung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung einerseits beim Kühlen im Betrieb und andererseits beim Aufheizen gegebenenfalls durch eine unterschiedliche Luftführung zu kompensieren wären, zu berücksichtigen, können auch entsprechende Vorrichtungen, wie beispielsweise durch Bimetall, Shape Memory Alloy oder elektrisch gesteuerte Klappen, Leitbleche, Leitelemente oder Schübe vorgesehen sein, die beim Aufheizen eine andere Anströmung der Temperierelemente ermöglichen als während des Brennstoffzellenbetriebs.
Die Zuführung von Heißluft beim Heizen und Kühlluft beim Kühlen des Zellstapels kann über dasselbe Gebläse (oder Lüfter) erfolgen (z.B. Heizvorrichtung zwischen Gebläse und Zellstapel). In einer alternativen Ausführung werden für die Zuführung der Heißluft ein oder mehrere separate Gebläse sowie für die Zuführung der Kühlluft ebenso ein oder mehrere separate Gebläse verwendet. In einer weiteren Ausführung kann die Heißluft von ein oder mehreren separaten Gebläsen und die Kühlluft von ein oder mehreren separaten Gebläsen zumindest teilweise vor Erreichen der Temperierrippen vermischt werden.
Bei der Zuführung von Heißluft beim Heizen und Zuführung von Kühlluft beim Kühlen des Zellstapels über dasselbe Gebläse (oder Lüfter) ohne zusätzliche gesteuerte Elemente ergibt sich das Problem, dass bei optimaler Temperaturverteilung während des Brennstoffzellenstapel-Betriebs dahingegen während des Aufheizens des Brennstoffzellenstapels eine schlechte Temperaturverteilung vorherrscht und somit eine längere Aufheizzeit bis zur Erreichung der Mindesttemperatur der Zellen für den Start des Betriebs resultiert (negativ für Brennstoffzellensystem-Startzeit). Die Ursache liegt darin, dass beim Kühlen des Brennstoffzellenstapels bei den verschiedenen Bereichen des Zellstapels ein anderer Kühlungsbedarf als Wärmebedarf beim Heizen des Zellstapels besteht (z.B. beim Aufheizen besonders hoher Wärmebedarf an den Randzellen).
Der Vorteil bei Verwendung von separaten Gebläsen für die Zuführung der Heißluft zum Zellstapel liegt darin, dass beim Aufheizen des Zellstapels die Randzellen (z.B. erste und letzte Zelle) mehr Heizleistung und damit mehr Heißluftvolumenstrom und/oder Temperatur benötigen als mittlere Bereiche des Zellstapels (aufgrund hoher Wärmekapazität der Endplatten des Zellstapels und/oder hoher Wärmeabfuhr an den Endplatten z.B. aufgrund unzureichender Isolation), die Randzellen während des Brennstoffzellenbetriebs beim Kühlen dahingegen üblicherweise weniger Wärmeabfuhr als mittlere Bereiche des Zellstapels benötigen und somit während der Aufheizphase über separate Gebläse für die Zuführung von Heißluft gezielt die Stellen des Zellstapels, die mehr Wärmebedarf haben (z.B. Randzellen), stärker erwärmt werden können (z.B. höhere Temperatur und/oder höherer Heißluftvolumenstrom). Ein weiterer Vorteil der separierten Ausführung von Gebläsen zum Heizen und Gebläsen zum Kühlen des Zellstapels kann darin bestehen, dass der für den Brennstoffzellenbetrieb nötige Kühlluftvolumenstrom nicht durch die Heizvorrichtung durchströmen muss, wodurch ein geringerer Druckverlust und damit ein geringerer Leistungsbedarf des einen oder mehrerer während des Brennstoffzellenbetriebs aktiven Gebläse erreicht werden kann. Es kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass für das Aufheizen des Zellstapels vorrangig andere Temperierluftleitelemente, Widerstandselemente, Lochbleche oder Leitbleche mit Luft angeströmt werden als für das Kühlen des Zellstapels. Es können ein oder mehrere Gebläse zum Aufheizen des Zellstapels bestimmte Temperierluftleitelemente (beispielsweise Platte mit größeren Ausnehmungen im Bereich der Randzellen des Zellstapels) anströmen und weitere ein oder mehrere Gebläse zum Kühlen des Zellstapels bestimmte andere Temperierluftleitelemente (beispielsweise Platte mit kleineren oder gleich großen Ausnehmungen im Bereich der Randzellen des Zellstapels) anströmen. Es ist dabei auch möglich, dass die Temperierluftleitelemente, welche jeweils für das Heizen oder das Kühlen vorgesehen sind, nacheinander von der Luft durchströmt werden. Beispielsweise kann die Luft zum Aufheizen des Zellstapels zunächst das Temperierluftleitelement, welches vorrangig zur Verteilung der Heissluft dient, durchströmen und danach das Temperierluftleitelement, welches vorrangig zur Verteilung der Kühlluft dient, durchströmen. Hierbei kann beispielsweise das später angeströmte Temperierluftleitelement Ausnehmungen mit in Summe größerem Querschnitt aufweisen als das früher angeströmte Temperierluftleitelement, um die Strömungsverteilung am früher angeströmten Temperierluftleitelement möglichst wenig zu beeinflussen. Anstatt des später angeströmten Temperierluftleitelements können dessen Funktion auch die Widerstandselemente an den Temperierrippen erfüllen.
Sofern dasselbe Gebläse (oder Lüfter) sowohl zur Zufuhr von Heißluft beim Heizen und Kühlluft beim Kühlen des Zellstapels genutzt wird (z.B. um die Gebläse-Anzahl zu minimieren), kann die unterschiedliche Volumenstromzufuhr zu bestimmten Bereichen des Zellstapels auch durch eine oder mehrere gesteuerte/geregelte Luftführungselemente wie Klappen, Ventile oder Schieber (z.B. zwei mit unterschiedlich großen Löchern versehene Lochbleche beweglich aufeinander) realisiert werden.
Sind ein oder mehrere Gebläse mit der Temperiervorrichtung verbunden und befindet sich heiße Luft innerhalb der Temperiervorrichtung (beispielsweise beim Aufheizen des Zellstapels mit Heissluft oder durch Abwärme des Zellstapels), so kann ein Strömen von Heissluft in ein Gebläse zu dessen Beschädigung führen. Zur Vermeidung der Strömung von Heissluft in ein oder mehrere Gebläse können einem oder mehreren Gebläsen bzw. Lüftern Rückschlag-Klappen bzw. entsprechende Einrichtungen, die ein Einströmen von Heissluft in das Gebläse bzw. den Lüfter vermeiden, vor- oder nachgeschaltet sein. Alternativ oder unterstützend kann das betreffende Gebläse bzw. der Lüfter mit einer bestimmten Drehzahl betrieben werden (Bildung von Gegendruck und/oder leichter Kühlluftvolumenstrom), um ein Einströmen von Heissluft in das Gebläse zu vermeiden. Dies kann durch einen Temperatursensor (z.B. Thermoelement), welcher beispielsweise dem Gebläse nachgeschaltet ist, überwacht werden, sodass die maximal zulässige Temperatur am Gebläse niemals überschritten wird und somit ein Schaden des Gebläses vermieden wird. Insbesondere bei separater Zuführung von Heissluft und Kühlluft zur Temperiervorrichtung durch separate Gebläse muss durch eine der beschriebenen Maßnahmen vermieden werden, dass die Heissluft in das Gebläse, welches der Zuführung von Kühlluft zur Temperiervorrichtung dient, einströmt.
Im Verlauf der Strömung der Luft in Temperierrichtung von einer ersten Zelle des Brennstoffzellenstapels zu einer letzten Zelle des Brennstoffzellenstapels kann sich die Luft, welche in Temperierrichtung im Temperierkanal strömt, während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels durch Wärmeübergang von den Temperierelementen auf die vorbeiströmende Luft bereits etwas erwärmen (zum Beispiel um fünf Grad Celsius). Im Brennstoffzellenbetrieb im Gleichgewicht ist es also möglich, dass am Temperierelement nahe der letzten Zelle eine wärmere Kühlluft ankommt als am Temperierelement nahe der ersten Zelle.
Dementsprechend ist es beim Aufheizen möglich, dass am Temperierelement nahe der letzten Zelle (aufgrund des Wärmeübergangs von der Luft im Temperierkanal auf mehrere Temperierelemente) eine kältere Heizluft ankommt als am Temperierelement nahe der ersten Zelle.
Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Luftführung (also durch die Verteilung des Volumen- stroms/Massenstroms) oder durch die Gestaltung der Temperierelemente, Temperierkörper und/oder Widerstandselemente berücksichtigt und/oder ausgeglichen werden.
Wenn die Kühlluft oder Heizluft (Temperierluft) aus einer Gebläseeinrichtung bzw. einer Heizeinrichtung stammt, so kann die Gestaltung des Kanals innerhalb der Gebläseeinrichtung bzw. der Heizeinrichtung signifikanten Einfluss auf die Luftverteilung am Brennstoffzellenstapel haben. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Luftströmung am Auslass aus der Gebläseeinrichtung bzw. Heizeinrichtung nicht genau in Temperierrichtung des Brennstoffzellenstapels gerichtet ist. Des Weiteren kann die Geschwindigkeitsverteilung der Gasteilchen innerhalb des Kanals bzw. die Strömungsform (turbulent, laminar) eine Rolle spielen. Auch die Strömungsführung innerhalb der Gebläseeinrichtung bzw. Heizeinrichtung oder beispielsweise Strömungsbrecher oder Umlenkungen können einen Einfluss auf die Luftverteilung an die Zellen des Brennstoffzellenstapels oder Zellstapels haben.
Damit ein guter Abtransport der entstehenden Wärme gewährleistet ist, ist es möglich, dass am Stack bzw. Brennstoffzellenstapel an ein oder mehreren Seitenflächen Kühlkörper zur Vergrößerung der Austauschfläche angebracht sind. Bei diesen Kühlkörpern kann es sich beispielsweise um vorgefertigte Wärmetauscher bzw. Kühl profi le/ Kühl körper handeln. Bei dieser Variante können die Temperierelemente beispielsweise bündig mit ein oder mehreren Seitenflächen des Brennstoffzellenstapels abschließen, wobei ein oder mehrere großflächige Aluminium-Kühlkörper thermischen Kontakt zum Brennstoffzellenstapel haben. Die Rippen des Aluminium- Kühlkörpers können hierbei als Temperierrippen dienen.
Die Kühlkörper können mit Wärmeleitfolie thermisch an den Stack bzw. Brennstoffzellenstapel angebunden sein. Als Luftführung können beispielsweise im spitzen Winkel zulaufende gebogene Aluminiumbleche dienen.
Die Wärmeleitfolie und/oder ein Eloxieren des Aluminiums kann hierbei unter anderem zur elektrischen Isolation dienen, um gegebenenfalls einen Kurzschluss über mehrere Zellen zu vermeiden.
Im Wärmetauscher bzw. Kühlkörper können Kanäle und/oder Leitungen zum Führen eines oder mehrerer Fluide (zum Beispiel für einen Wärmeübertrag von oder auf dieses Fluid) vorgesehen sein. Es können Leitungen, welche ein Fluid führen, die Mittel zum Beeinflussen des Temperierluftstromes eines Brennstoffzellenstapels kontaktieren bzw. thermisch mit diesen in Verbindung stehen.
Im Folgenden werden beispielhaft verschiedene Arten von Brennstoffzellen und ihre jeweiligen Betriebstemperaturen (BT) aufgelistet, die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Temperiervorrichtung beheiz- und kühlbar (bzw. temperierbar) sind. - Alkalische Brennstoffzelle (AFC); BT: 60 °C bis 100 °C;
- Polymer Elektrolyt-Membran Brennstoffzelle (PEMFC); BT: Niedertemperatur-PEMFC: 60 °C - 110 °C; Hochtemperatu r-PEM FC: 120 °C -190 °C bzw. bis ca. 230°C;
- Direkt Methanol Brennstoffzelle (DMFC); BT: 30 °C bis 130 °C;
- Phosphorsäure Brennstoffzelle (PAFC); BT: 170 °C bis 230 °C;
- Schmelzcarbonat Brennstoffzelle (MCFC); BT: Ca. 650 °C;
- Feststoffsäure Brennstoffzelle; BT: 200 °C bis 300 °C
- Fest Oxid Brennstoffzelle (SOFC); BT: 650 °C bis 1000 °C;
Die Temperiervorrichtung kann pro Seitenwandung des Brennstoffzellenstapels einen oder mehrere Temperierlufteinlässe und einen oder mehrere Temperierluftauslässe aufweisen.
Der oder die Temperierlufteinlässe sind zum Zuführen von Temperierluft in die Temperierluftführung und insbesondere den Temperierkanal vorgesehen. Der oder die Temperierluftauslässe sind entsprechend zum Abführen der Temperierluft vorgesehen.
Der oder die Temperierlufteinlässe und der oder die Temperierluftauslässe können ebenfalls durch entsprechend ausgestaltete Temperierelemente ausgebildet werden.
Die technischen Merkmale der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind, sofern technisch sinnvoll, beleibeig miteinander kombinierbar.
Bezuqszeichenliste: Temperiervorrichtung Brennstoffzellenstapel Anodeneinlass Anodenauslass Kathodeneinlass Kathodenauslass Reformereinrichtung Wiederholeinheit Temperierelement Temperierrippe Wärmeleitungselement Temperierluftführung Aussparung Seitenwandung , 15.1, 15.2 Temperierkanal Temperierrichtung Versorgungsplatte Widerstandselement (Abstandshalter) Temperierkörper Temperierluftleitelement Ausnehmung Haupttemperierkanal Temperierluftzuführung Durchgangsöffnung Ausnehmung

Claims

Patentansprüche
1. Temperiervorrichtung zum Temperieren eines aus mehreren Zellen ausgebildeten stapelartigen Energiespeichers oder -wandlers umfassend mehrere zwischen den Zellen angeordnete plattenförmige Wärmeleitungselemente, wobei das Temperieren der Zellen über die plattenförmigen Wärmeleitungselemente mittels Wärmeleitung erfolgt, mehrere außerhalb der Zellen angeordnete Temperierrippen zum Verändern der Strömungsrichtung des Temperierluftstromes, wobei die Temperierrippen mit den Wärmeleitungselementen thermisch gekoppelt sind, und wobei das Temperieren der plattenförmigen Temperierrippen durch Beaufschlagung mit einem Temperierluftstrom mittels Konvektion und/oder über bauliche Mittel mittels Wärmeleitung erfolgt, die Mittel zum Beeinflussen des Temperierluftstromes und/oder zur Temperierluftführung vorgesehen sind, die zum Verändern einer Strömungsrichtung und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit des Temperierluftstromes ausgebildet sind, wobei die Mittel baulich derart ausgestaltet und/oder angeordnet sind, dass mehrere der Temperierrippen mit einem Temperierluft-Volumenstrom derart beaufschlagbar sind, dass eine Mehrheit der Zellen in einer Zellmitte in etwa gleichmäßig beheiz- oder kühlbar sind, und wobei die Mittel zum Beeinflussen des Temperierluftstromes und/oder zur Temperierluftführung ein und vorzugsweise zwei oder mehrere der folgenden Komponenten umfassen zumindest eine weitere Temperierrippe, deren Form und oder Anordnung sich von der Form und/oder der Anordnung der anderen Temperierrippen unterscheidet, und/oder zumindest ein Widerstandselement, um den Temperierluftstrom durch lokale Verteilung von Druckverlusten und/oder durch Wirbelbildung zu verändern, und/oder zumindest ein Temperierluftleitelement zum weiteren Verändern der Strömungsrichtung und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des Temperierluftstromes gegenüber dem Verändern der Strömungsrichtung und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des Temperierluftstromes durch die Temperierrippen und/oder zumindest einen Temperierkörper, der als Wärmetauscher ausgebildet ist.
2. Temperiervorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren einer Seitenwandung der Vorrichtung zugeordneten Temperierrippen zumindest teilweise unterschiedlich große Flächen und/oder zumindest teilweise gleich große Flächen aufweisen und/oder dass die Temperierrippen unterschiedlich große und/oder gleich große Aussparungen aufweisen, wobei die Aussparungen zum Hindurchführen und Beeinflussen des Temperierluftstromes vorgesehen sind, und wobei die Größe der Aussparungen in Temperierrichtung zu- oder abnimmt und/oder dass die Temperierrippen einen oder mehrere Temperierluftkanäle zumindest bereichsweise begrenzen und/oder ausbilden.
3. Temperiervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandselemente im Bereich zweier benachbarter Temperierrippen und in etwa orthogonal zu den Temperierrippen angeordnet sind, wobei die Widerstandselemente in etwa plattenförmig ausgebildet sind und vorzugsweise eine oder mehrere Öffnungen oder Ausnehmungen aufweisen.
4. Temperiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das bzw. die Temperierluftleitelemente Ausnehmungen aufweisen, die einen sich in Temperierrichtung verjüngenden Temperierluftkanal ausbilden.
5. Temperiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Temperierkörper als Wärmetauschereinrichtung ausgebildet sind, wobei die Wärmetauschereinrichtung Rippen aufweist und/oder wobei die Rippen der Wärmetauschereinrichtung zumindest teilweise die Temperierrippen sind.
6. Temperiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der Mittel zum Beeinflussen des Temperierluftstromes einen sich in der Temperierrichtung verjüngenden Temperierkanal ausbilden.
7. Temperiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierrippen einstückig an den Wärmeleitungselementen angeformt sind.
8. Temperiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitungselemente eine Dicke von größer 0,9 mm und vorzugsweise größer 1,4 mm aufweisen.
9. Temperiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Temperierluftzuführung zum Beaufschlagen eines oder mehrerer der Mittel mit einem Temperierluftstrom in einer Temperierrichtung von einer Anfangszeile des Zellstapels bis zu einer Endzeile vorgesehen ist, und/oder zumindest eine Temperierluftabführung zum Abführen der Temperierluft aus der Temperiervorrichtung, wobei die Temperierluftzuführung und die Temperierluftabführung Bestandteil der Temperierluftführung sind.
10. Temperiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierrippen und/oder die Temperierluftleitelemente baulich derart ausgestaltet sind, dass der Strömungswiderstand der Temperierluftführung in Temperierrichtung zunimmt, und/oder dass alle Zellen in etwa mit dem gleichen Volumenstrom (oder Massenstrom) an Temperierluft beaufschlagbar sind, und/oder dass die Temperierluftleitelemente und/oder die Temperierrippen abschnittsweise zumindest einen Temperierkanal begrenzen, der sich im Wesentlichen in Temperierrichtung erstreckt und dessen Querschnitt in Temperierrichtung abnimmt, und/oder dass ein Querschnitt der Temperierluftführung sich in Temperierrichtung verjüngt, und/oder dass zwischen den Temperierluftleitelementen und/oder den Temperierrippen und in etwa orthogonal zu diesen die Abstandselemente angeordnet sind, sodass Wärmeübertragungsflächen der Temperierrippen und/oder der Temperierkörper und/oder der Temperierluftleitmittel in Temperierrichtung größer werden, und/oder dass zwischen den Temperierluftleitelementen und/oder den Temperierrippen die Widerstandselemente angeordnet sind, sodass durch die Anströmung der Temperierluftleitelemente und/oder Temperierrippen mit Temperierluft eine höhere Wärmeübertragung von oder zu den Temperierluftleitelementen und/oder Temperierrippen erfolgt, und/oder dass an den Temperierluftleitelementen und/oder den Temperierrippen die Temperierkörper angeordnet sind, sodass durch eine höhere Wärmeübertragungsfläche eine bessere Wärmeübertragung von und zu den Temperierrippen erfolgt.
11. Temperiervorrichtung gemäß Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass Querschnitte und/oder Anzahl von einer oder mehreren Temperierluftzuführungen und/oder von einer oder mehreren Temperierluftabführungen derart aufeinander abgestimmt sind, dass eine in etwa gleichmäßige Temperierung eines Zellstapels erfolgt, und/oder dass die Anströmung der Temperierrippen mit dem Temperierluftstrom automatisch an Hand von Betriebsparametern des Zellstapels geregelt und/oder gesteuert wird,
12. Temperiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperierkanal quer zur Temperierrichtung abschnittsweise von den Temperierluftleitelementen und/oder von den Temperierrippen, einer Seitenwandung eines Zellstapels und einem den Zellstapel umgebenden Gehäuse begrenzt wird.
13. Temperiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Wärmeleitungselemente Dichtelemente des Zellstapels ausbilden.
14. Brennstoffzellenstapel umfassend, mehrere in Reihe geschaltete Brennstoffzellen, die den in etwa quaderförmigen Brennstoffzellenstapel ausbilden, wobei zumindest eine Seitenwandung oder vorzugsweise zwei, insbesondere einander gegenüberliegende, oder drei oder vier Seitenwandungen mit einer Temperiervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 versehen sind, wobei die Temperiervorrichtung pro Seitenwandung des Brennstoffzellenstapels einen oder mehrere Tem- perierlufteinlässe und einen oder mehrere Temperierluftauslässe aufweist und wobei zumindest ein plattenförmiges Temperierluftleitelement oder Widerstandselement vorrangig zur Verteilung der Heißluftströmung ausgebildet ist, sodass die Randzellen des Zellstapels beim Aufheizen stärker angeströmt werden als die Mehrheit der restlichen Zellen, und/oder dass zumindest ein plattenförmiges Temperierluftleitelement oder Widerstand- selement zur Verteilung der Kühlluftströmung dient.
15. Brennstoffzellenstapel gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Wärmeleitungselemente und/oder Temperierelemente Kanalstrukturen zur Fluidversor- gung des Brennstoffzellenstapels aufweisen, die durch Einprägen hergestellt sind.
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