DE10007763A1

DE10007763A1 - Brennstoffzellenanordnung

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Publication number: DE10007763A1
Application number: DE10007763A
Authority: DE
Inventors: Werner Lehnert; Martin Woehr; Stephan Fell; Jim Lee
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2000-02-20
Filing date: 2000-02-20
Publication date: 2001-08-23
Anticipated expiration: 2020-02-21
Also published as: CA2335441A1; US6663992B2; DE10007763B4; US20010023035A1

Abstract

Eine Brennstoffzellenanordnung, bestehend aus mehreren, zumindest im wesentlichen parallel zueinander ausgebildeten Brennstoffzellen mit zwischen benachbarten Zellen ausgebildeten, sich zwischen einem Eingang und einem Ausgang erstreckenden und von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlspalten, zeichnet sich dadurch aus, daß die spezifische Oberfläche, d. h. der Flächenanteil der Wärme an das Kühlmittel abgebenden Kühlflächen, in Richtung vom Eingang zum Ausgang steigt und/oder daß der örtliche Wärmeübergangskoeffizient der Wärme an das Kühlmittel abgebenden Kühlflächen in Strömungsrichtung vom Eingang zum Ausgang steigt und/oder daß die Trägermaterialien der Brennstoffzellen, d. h. der Membran-Elektroden-Einheiten, einen Wärmeleitwert oberhalb von 200 W/(m.K.) aufweisen. Hierdurch kann eine gleichmäßige Temperatur in den Brennstoffzellen sichergestellt werden, wodurch die Leistungsdichte durch die Vermeidung von heißen Stellen und/oder die Lebensdauer erhöht werden kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung beste hend aus mehreren zumindest im wesentlichen parallel zueinander ange ordneten Brennstoffzellen mit zwischen benachbarten Zellen ausgebilde ten sich zwischen einem Eingang und einem Ausgang erstreckenden und von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlungsspalten.

Niedertemperaturbrennstoffzellen (PEMFC) wandeln chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Als Brenngas kommt Wasserstoff zum Einsatz. Oxidationsmittel ist reiner Sauerstoff bzw. der in der Luft enthal tenen Sauerstoff. Einzelne Zellen werden mechanisch und elektrisch zu sogenannten Stacks oder Stapeln zusammengeschaltet.

Brennstoffzellen haben einen lastabhängigen Wirkungsgrad von etwa 50%. Die Verlustwärme muß durch eine entsprechende Kühlung ab transportiert werden. In den meisten Fällen geschieht dies durch einen Wasserkreislauf mit externem Kühler. Auch luftgekühlte Zellen bzw. Stacks sind bekannt. Aufgrund fehlender Wasserpumpen, Wasserkühler etc. ist ein solches System deutlich einfacher als ein vergleichbares was sergekühltes System. Die Zellen haben Abmessungen von typischerweise 10 × 10 cm² bis 30 × 30 cm². Die Dicke der Zellen ist 1 mm bis 2.5 mm. Der Luftspalt, bzw. Kühlspalt durch den das Kühlmittel, üblicherweise in Form von Luft, strömt ist ca. 1-4 mm breit.

Eine Analyse der bestehenden Technologie von luftgekühlten PEMFC- Stacks hat gezeigt, daß in der Membran-Elektroden-Einheit (MEA) eine bedeutende Temperaturdifferenz herrscht. Diese Temperaturdifferenz führt zu einer ungleichmäßigen Stromdichteverteilung innerhalb der Zelle mit der Folge einer verringerten möglichen Maximalleistung der Zellen.

Für den Einsatz in PKW werden typischerweise 50-100 kW elektrische Leistung gefordert. Daraus ergeben sich je nach Größe und Leistungs dichte (ca. 0.6 W/cm²) der Einzelzellen Stapelgrößen von 100 bis 400 Zel len.

Zur Kühlung des Stacks ist es notwendig mit einen Gebläse Luft durch die Kühlspalte zu blasen. Als Wärmeübergangsfläche dienen sowohl die Au ßenseiten der Zellen als auch Abstandhalter zwischen den Zellen, die in Form von Kühlrippen gleichmäßig über die Zellfläche verteilt sind. Die notwendige Leistung des Kühlgebläses zur Kühlung eines 50 kW Stacks sollte die Größenordnung von 1-2 kW nicht übersteigen. Größere Leistun gen würden den Wirkungsgrad des gesamten Systems im Auto zu stark erniedrigen. Die Erfahrung zeigt, daß die Kühlluft unter diesen Bedingun gen innerhalb des Stacks deutlich aufgewärmt wird. Hieraus ergibt sich ein deutlicher Temperaturunterschied in der MEA zwischen Kühlluftein tritt und Kühlluftaustritt der gleichen Größenordnung bspw. von etwa 30°C. Daraus folgt, aufgrund der Temperaturabhängigkeit der in der Zelle ablaufenden Reaktionen und Transportphänomene (Elektrochemie, Elek trokatalyse, Verdampfung, Kondensation, Stofftransport von Gasen und Flüssigkeiten in porösen Medien in Kanälen etc.) eine Inhomogenität der Stromdichteverteilung innerhalb der einzelnen Zellen. Bei einer geforder ten mittleren Stromdichte pro Zelle kann dies lokal zu sehr hohen Strom dichten führen, die eine Zerstörung der Zelle bewirken können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Kühlung der Zellen derart zu gestalten, daß der Temperaturunterschied in der MEA deutlich kleiner als bisher bleibt, beispielsweise auf 10°C oder weniger reduziert wird, wo bei die Kühlluft trotzdem eine Temperaturdifferenz von bspw. 30°C haben kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß nach einer ersten Vari ante eine Brennstoffzellenanordnung der eingangs genannten Art vorgese hen, bei der die spezifische Oberfläche, d. h. der Flächenanteil der Wärme an das Kühlmittel abgebenden Kühlflächen in Richtung vom Eingang zum Ausgang steigt.

Nach einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Lösung wird eine Brennstoffzellenanordnung der eingangs genannten Art vorgesehen, die sich dadurch auszeichnet, daß der örtliche Wärmeübergangskoeffizient der Wärme an das Kühlmittel abgebende Kühlflächen in Strömungsrich tung vom Eingang zum Ausgang steigt.

Nach einer dritten Variante der erfindungsgemäßen Lösung wird ebenfalls bei einer Brennstoffzellenanordnung der eingangs genannten Art vorgese hen, daß die Trägermaterialien der Brennstoffzellen, d. h. der Membrane lektrodeneinheiten, einen Wärmeleitwert oberhalb von 200 W/(m.K) auf weisen, ein Wärmeleitwert, der beispielsweise von Aluminium oder Alumi niumlegierungen erreicht wird.

Nach einer vierten Variante der Erfindung können die Kühlungsspalten zur Erzeugung von Strömungsgradienten ausgelegt werden, bspw. durch eingebaute Strukturelemente, mit dem Ziel die lokale Verweilzeit entlang der Kühlspalten zu erhöhen, wodurch die Wärmeabführ zunehmend er höht wird.

Diese vier erfindungsgemäßen Lösungen bzw. Varianten können auch mit Vorteil kombiniert verwendet werden.,

Obwohl es erfindungsgemäß am günstigsten wäre, wenn die spezifische Oberfläche und/oder der örtliche Wärmeübergangskoeffizient der Wärme an das Kühlmittel abgebenden Kühlflächen in Strömungsrichtung vom Eingang zum Ausgang kontinuierlich steigen würde, kann eine gute An näherung an das erwünschte Ergebnis erreicht werden, wenn die Küh lungsspalten in Strömungsrichtung von Eingang zum Ausgang jeweils in mehrere Bereiche unterteilt sind, wobei die spezifische Oberfläche bzw. der Wärmeleitwert in jedem Bereich die spezifische Oberfläche bzw. den Wärmeleitwert im vorherigen Bereich übersteigt. Bereits eine Unterteilung in zwei Bereiche würde eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik bringen. Eine Unterteilung in drei Bereiche wird jedoch erfin dungsgemäß bevorzugt und eine Unterteilung in vier oder mehrere Berei che käme auch in Frage, wenn die Länge der Kühlspalten in Strömungs richtung eine solche Unterteilung erlaubt.

Ausgangspunkt der Erfindung war die Frage, wie eine ideale, annähernd isotherme Betriebszustand der MEA, bei ausreichender und homogener Versorgung mit Sauerstoff und Wasserstoff, realisiert werden kann. Von diesem idealen Betriebszustand der MEA ausgehend, würde sich eine konstante Stromdichteverteilung und demzufolge auch eine konstante Verlustwärme pro Fläche einstellen, welche an den luftgekühlten Feststoff (Trägermaterial) weitergeleitet wird, in dem die MEA eingebettet ist.

Mittels der Erfindung wird nun der konvektive Wärmeübergang vom Fest stoff zur Luft und die Wärmeleitung innerhalb des Trägermediums durch entsprechende Kühlrippenanordnung inklusive Materialwahl so gestaltet, daß sich in guter Näherung ein homogener Verlustwärmestrom von der MEA zum Trägermaterial einstellt.

Mittels der Erfindung gelingt es, wie nachfolgend näher erläutert wird, be reits unter Anwendung der ersten Variante der Erfindung, die maximale Temperatur der MEA um 25% und den Temperaturgradienten um 61% zu verringern. Durch Änderung des Wärmeleitwertes entsprechend der zweiten Variante der Erfindung kann eine Abnahme der Maximaltempe ratur der MEA um etwa 6% und eine Reduzierung des Temperaturgra dienten um etwa 13% erreicht werden. Wenn Aluminium als Trägermate rial in der Brennstoffzelle mit einem Wärmeleitwert von 236 W/m.K ver wendet wird, so läßt sich eine Reduktion der maximalen Temperatur der MEA um 5% und eine deutliche Reduktion des Temperaturgradienten er reichen. Kombiniert man alle drei dieser erfindungsgemäß vorgesehenen Möglichkeiten, so kann eine wesentlich effizientere Kühlung erreicht wer den, wodurch einerseits die erforderliche Antriebsleistung des verwende ten Gebläses, andererseits aber auch die Baugröße, das Gewicht und der Aufwand des Kühlsystems deutlich reduziert werden kann.

Andererseits wird dafür gesorgt, daß die Stromdichteverteilung innerhalb der Brennstoffzellen wesentlich gleichmäßiger und näher an der maxima len Grenze betrieben werden kann, ohne daß ein frühzeitiges Versagen der Brennstoffzellen durch erhöhte Stromdichten an bestimmten, nicht vor hersehbaren Stellen eintritt. Insgesamt lassen sich die Brennstoffzellen für eine bestimmte Leistung kleiner bauen, was insgesamt Gewicht, Platzbe darf und Kosten spart.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert vom Standpunkt des technologischen Hintergrundes und anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung, die zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer Brennstoffzellenanordnung mit zwischen benachbarten Brennstoffzellen ausgebildeten Kühlspalten, wobei Fig. 1 eine senkrechte Anordnung der nebeneinander gestapelten Brenn stoffzellen zeigt, eine waagerechte oder gar geneigte Anordnung der Brennstoffzellen jedoch auch in Frage käme,

Fig. 2 eine Draufsicht einer kompletten Zelle zur Darstellung einer möglichen Geometrie, wobei in Fig. 2 der Darstellung halber die Kühlrippen weggelassen sind,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des aktiven Bereiches der Brenn stoffzelle der Fig. 2, auf der dem Kühlspalt zugewandten, Wär me abführenden Seite,

Fig. 4A-4C jeweils ein repräsentativer Streifen der Wandung eines Kühlspaltes, wobei der Streifen sich vom Eingang bis zum Aus gang sich erstreckt wobei die ortliche Variation der Temperatur unter Anwendung von mit Kennbuchstaben gekennzeichneten Konturlinien dargestellt wird, wobei Fig. 4A die Temperatur verteilung für eine herkömmliche Brennstoffzelle zeigt, während Fig. 4B und 4C die Temperaturverteilung für zwei erfindungs gemäße Varianten zeigen,

Fig. 4D eine Temperaturskala zur Erläuterung der Zuordnung der in Fig. 4A-4C und 5A-5C verwendeten Kennbuchstaben zu den jeweils herrschenden Temperaturen,

Fig. 5A-5C Temperaturdiagramme, aus denen die Temperaturverteilung entlang dreier Streifen der MEA hervorgehen, die jeweils eines der in Fig. 4A bis 4C dargestellten Streifen entsprechen, d. h. bei horizontaler-Anordnung der Brennstoffzellen unmittelbar unterhalb (oder oberhalb) des entsprechenden Streifens liegt,

Fig. 6 eine normierte Darstellung des Temperaturunterschiedes der Kühlluft entlang der Länge L des Kühlspaltes im Verhältnis zur Eingangstemperatur gesehen,

Fig. 7 eine normierte Darstellung der Temperaturverteilung in der MEA entlang der Länge des Kühlspaltes L, d. h. als Funktion des Abstandes zum Lufteintritt, wobei T₁ die Temperatur am Anfang des Festkörpers der MEA angibt,

Fig. 8A einen Streifen der Wandung des Kühlspaltes einer Brennstoff zellenanordnung, sich in Strömungsrichtung vom Eingang zum Ausgang erstreckend und entsprechend der zweiten Variante der Erfindung ausgelegt, mit steigendem Wärmeübergangs koeffizient in verschiedenen Bereichen, wobei die ortliche Va riation des Wärmeübergangskoeffizients unter Anwendung von mit Kennbuchstaben gekennzeichneten Konturlinien dargestellt wird,

Fig. 8B eine vergrößerte Darstellung des mit dem Quadrat der Fig. 8A gezeichneten Bereiches des Streifens,

Fig. 8C die Zuordnung der Wärmeübergangskoeffizienten zu den in Fig. 8A und 8B verwendeten Kennbuchstaben,

Fig. 9A einen Streifen der Wandung des Kühlspaltes einer Brennstoff zellenanordnung, sich, in Strömungsrichtung vom Eingang zum Ausgang erstreckend und entsprechend der dritten Variante der Erfindung ausgelegt, mit steigendem Wärmeübergangs koeffizient in verschiedenen Bereichen,

Fig. 9B eine vergrößerte Darstellung des mit dem Quadrat der Fig. 8A gezeichneten Bereiches des Streifens zur Darstellung der örtli chen Variation des Wärmeübergangskoeffizients unter Anwen dung von mit Kennbuchstaben gekennzeichneten Konturlinien, wobei das Trägermaterial aus Stahl gebildet ist, und wobei

Fig. 9C die Zuordnung der Wärmeübergangskoeffizienten zur verwen deten Kennbuchstaben angibt und

Fig. 10 eine grafische Darstellung der Temperaturverteilung der MEA entlang der Länge L des Kühlspaltes in Strömungsrichtung bei Verwendung unterschiedlicher Trägermaterialien in Form von Stahl und Aluminium.

Bezug nehmend auf Fig. 1 wird in höchst schematischer Form ein Ab schnitt einer Brennstoffzellenanordnung 10 gezeigt, hier bestehend aus drei Niedertemperatur-Brennstoffzellen 12, d. h. Membranelektrodenein heiten, die in einem Abstand von einander angeordnet sind, so daß jeweilige Kühlspalten 14 jeweils zwischen zwei parallel zueinander angeordne ten benachbarten Zellen 12 ausgebildet sind. Die Pfeile 16 zeigen eine Kühlluftströmung an, die von einem Gebläse erzeugt durch die Kühlspal ten 14 hindurchgeblasen wird, von einer Eingangsseite 18 bis zu einer Ausgangsseite 20, wobei die Strömungsrichtung der Kühlluft parallel zu den oberen und unteren Seiten 22 bzw. 24 der Brennstoffzellen 12 ge richtet ist und diese Richtung nachfolgend als X-Richtung bezeichnet wird. Die Strömung des Wasserstoffs und des Sauerstoffs innerhalb der einzelnen Brennstoffzellen 10 kann auch in der X-Richtung oder in einer anderen Richtung, bspw. senkrecht oder schräg zur X-Richtung gerichtet werden. Die genaue Strömungsrichtung für diese Gase ist für die vorlie gende Erfindung unerheblich.

Nicht gezeigt in Fig. 1, jedoch im Stand der Technik vorhanden, sind Ab standshalter zwischen den einzelnen Membranzellen, die auch für eine Wärmeabgabe an die Kühlluft sorgen. Im Stand der Technik sind weder die Kühlspalten noch solche Abstandshalter entsprechend der Erfindung ausgelegt, um eine gleichmäßige Stromdichte in den Brennstoffzellen und eine reduzierte Gesamttemperatur der Brennstoffzellen sowie eine gerin gen Temperaturgradienten entlang der Strömungsrichtung sicherzustel len.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine mögliche Geometrie einer kompletten Brenn stoffzelle 12 gemäß der Erfindung auf der einem Kühlspalt 14 zugewand ten Seite. Wärme, die im elektrochemisch aktiven Gebiet 26 der jeweiligen Brennzelle (d. h. in der MEA) erzeugt wird (hier als Rechteck mit Abmes sungen von 25 cm × 8,5 cm vorgesehen), wird mittels der Kühlluft 16 ab geführt, die in Fig. 2 von der Eingangsseite 18 kommt und zur Ausgangs seite 20 strömt. Die Bezugszeichen 28 deuten auf in den Brennstoffzellen integrierte Kanäle hin, mittels denen ein wasserstoffreiches Synthesegas einerseits und Luft andererseits entlang der Brennstoffzellenanordnung und in die einzelnen Brennstoffzellen zwecks Stromerzeugung eingeführt werden. D. h. in diesem Beispiel die Kühlluftströmung 16 erfolgt senkrecht zu der Strömungsrichtung des Wasserstoffs und des Sauerstoffs durch die Brennstoffzellen, bspw. von unten nach oben in Fig. 2 bzw. 3.

Die vergrößerte Darstellung der Fig. 3 zeigt, daß der Kühlspalt 14 in drei Bereiche I, II und III unterteilt ist, und zwar derart, daß der Bereich I frei von Kühlrippen ist, d. h. eine planare Oberfläche aufweist, der Bereich II mit durchgehenden Kühlrippen 30 versehen ist, die in regelmäßigen Ab ständen zueinander über die Höhe des Kühlspaltes gemäß Fig. 3 verteilt sind, und daß im Bereich III zwar die Rippen 30 fortgesetzt sind, jede zweiter Zwischenraum jedoch durch eine kürzere Kühlrippe 32 weiter un terteilt ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit sämtliche Zwischenraume mit einer kürzeren Kühlrippe zu unterteilen oder gar die Unterteilung an ders vorzunehmen. Es handelt sich hier um ein praktisches Beispiel das ein derzeitiges Optimum darstellt.

Aus der Darstellung der Fig. 3 ist leicht ersichtlich, daß die spezifische Oberfläche, die zur Übertragung von Wärme von der Brennstoffzelle 12 an die Kühlluft zur Verfügung steht, im Bereich I am kleinsten ist (da nur die planare Oberfläche 29 dort vorhanden ist, im Bereich II bedingt durch die Kühlrippen 30 zunimmt und im Bereich III aufgrund der zusätzlichen Kühlrippen 32 weiter zunimmt. Das heißt, die spezifische Oberfläche der Wärme an das Kühlmittel abgebenden Kühlflächen steigt in Richtung vom Eingang 18 zum Ausgang 20. Mit anderen Worten steigt die spezifische Oberfläche der Wärme an das Kühlmittel abgebenden Kühlfläche pro Längeneinheit in Strömungsrichtung und über eine konstante Breite gemes sen in Richtung vom Eingang zum Ausgang 20.

Die Bereiche I, II und III sind in diesem Beispiel alle gleich lang, sie haben nämlich eine Gesamtlänge von 10,5 cm (= 3 × 3,5 cm).

Die Aspekte, nach denen ein solche Kühlrippenanordnung gestaltet wer den muß, können den nachfolgend angegebenen Gleichungen (1) und (2) entnommen werden:

Gleichung (1) beschreibt den an das Kühlmedium durch Konvektion abge gebenen Wärmefluß (q), der über die gesamte wärmeübertragende Flächen (A) nahezu konstant gehalten werden muß. Wichtig ist, daß bei einer sol chen homogenen Wärmeflußverteilung innerhalb des Trägermediums der jeweiligen Membran-Elektroden-Einheit 12, das Trägermedium selbst auch eine nahezu konstante Temperatur (T_Träger) annehmen würde.

Mit
q Wärmefluß [W/m²]
α örtlicher Wärmeübergangskoeffizient [W/m²/K]
T_FIuid örtliche Temperatur des Kühlmediums [K1]
T_träger örtliche Temperatur des Trägermaterials [K]
ΔT örtliche Temperaturdifferenz zwischen Trägermaterial und Kühlmedium [K]
A gesamte Wärmeübergangsfläche [m²].

Gleichung (2) beschreibt die Leitung des Wärmeflusses q innerhalb des isotropen, wärmeleitenden Trägermaterials der MEA:

q = - k.∇T (2)

mit
q Wärmefluß [W/m²]
k Wärmeleitfähigkeit [W/m/K]
∇T örtlicher Temperaturgradient des Trägermaterials [K].

Wenn man zur Kenntnis nimmt, daß die örtliche Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen Trägermaterial und Kühlmedium in Strömungsrichtung mit zu nehmender Aufheizung des Kühlmediums abnimmt, so kann man aus Gleichung (1) schließen, daß zwei Eingriffsmöglichkeiten zur Auswahl ste hen, um den Wärmestrom (q) dennoch konstant zu halten:

1. Steigerung des wärmeübertragenden Flächenanteiles ΔA/A in Strö mungsrichtung
2. Steigerung des örtlichen Wärmeübergangskoeffizienten α in Strömungs richtung.

Aufgrund der Tatsache, daß sich durch die Steigerung des Flächenanteils oder durch die Steigerung des örtlichen Wärmeübergangskoeffizienten in Strömungsrichtung kleine Inhomogenitäten des Wärmeflusses und dem zufolge auch Temperaturschwankungen der MEA nicht vermeiden lassen, kann man weiterhin aus Gleichung (2) schließen, daß:

1. Der Wärmeleitwert (k) des Trägermaterials sollte so groß wie möglich gewählt werden. Je größer der Wärmeleitwert, desto kleiner sind die sich ausbildenden Temperaturgradienten bei auftretenden Inhomoge nitäten des Wärmeflusses.

Alle drei zu berücksichtigenden Gestaltungsaspekte zur Realisierung des idealen, isothermen Betriebszustandes der MEA eines luftgekühlten Brennstoffzellenstapels werden nun im folgenden getrennt beschrieben und ihre Funktionalität durch gekoppelte dreidimensionale Strömungs- und Wärmeübertragungsberechnungen belegt. Eine Kombination aller drei Gestaltungsaspekte ist möglich.

a) Beschreibung einer Geometrie zur Steigerung des wärmeübertragenden Flächenanteiles in Strömungsrichtung 1. Variante der Erfindung

Die Skizze der Fig. 3 zeigt beispielhaft eine mögliche Anordnung von Kühl rippen 30, 32. Im Eintrittsbereich T der Kühlluft befinden sich keine Kühl rippen. Der Wärmeübergang vom Festkörper zur Kühlluft findet nur über die Zelloberfläche 29 statt. Die Erhöhung der Wärmeübergangsfläche in Strömungsrichtung der Kühlluft wird durch Kühlrippen realisiert. In die sem Beispiel werden nach 33% der Lauflänge Kühlrippen 30 in der ge zeigten Form im Bereich II angeordnet. Nach 66% der Lauflänge werden weitere Kühlrippen 32 in der gezeigten Form im Bereich III angeordnet.

Wie sich eine solche Kühlrippenanordnung auf die Temperaturunterschie de innerhalb der MEA auswirkt, kann den Fig. 4 und 5 entnommen wer den. Die Fig. 4A bis 4C zeigen die dreidimensionale Verteilung der Ober flächentemperatur des Trägermaterials der MEA 12 und der MEA 12 selbst. Die Fig. 5A bis 5C zeigen die entsprechende auf die Lufteintritts temperatur (T_in) bezogene Temperaturverteilung der MEA in Längsrichtung (X-Richtung). Diese Darstellungen gelten für einen repräsentativen, sich in X-Richtung erstreckenden Streifen 33 entlang des Kühlspaltes bzw. für einen entsprechenden benachbarten Streifen 35 der MEA 26.

Bei dieser Untersuchung wurden drei verschiedene Kühlrippenanordnun gen mit jeweils konstanten Materialeigenschaften des Stacks und jeweils gleichen Randbedingungen für den Kühlluftstrom untersucht. Der erste Fall (Fig. 4A) bestand aus einer Anordnung ohne Kühlrippen. Der zweite und dritte Fall (Fig. 4B bzw. 4C) bestanden aus einer Anordnung mit un terschiedlichen abständen der Kühlrippen in Y-Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung X, und zwar von 2,50 mm bei Fig. 4B (d. h. der klein ste Abstand gemessen im Bereich III beträgt 2.50 mm) und 1,25 mm bei Fig. 4C (auch hier ist dieser Abstand der kleinste Abstand (gemessen im Bereich III)).

In den Fig. 4 und 5 sind die Temperatur Verteilungen dadurch beschrie ben, daß Isotherme dort als Linien eingetragen und mit Kennbuchstaben gekennzeichnet sind. Die Temperaturskala in Fig. 4D gibt die Zuordnung zwischen den verwendeten Kennbuchstaben und den entsprechenden Temperaturen an. Den in Fig. 4 und 5 dargestellten dreidimensionalen Temperaturverteilungen ist deutlich zu entnehmen, daß mit Zunahme des wärmeübertragenden Flächenanteils in Strömungsrichtung sowohl die ab solute Temperatur der Wandung des Kühlspaltes und der MEA, als auch der Gradient des Temperaturverlaufs der MEA in Strömungsrichtung (x- Richtung) deutlich gesenkt werden kann. In den hier dargestellten Fällen fällt die Maximaltemperatur um 25% und der Temperaturgradient um 61% bei der erfindungsgemäßen Ausführung gemäß Fig. 4C bzw. Fig. 5C im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel der Fig. 4A bzw. 5A.

Bei diesen Beispielen besteht das Trägermaterial aus Aluminium. Die Kühlluft tritt von unten in den Kühlspalt ein und strömt in die positive x- Richtung, die senkrecht angeordnet wurde.

Fig. 6 zeigt in einer normierten, grafischen Darstellung die Wirkung der Erfindung in bezug auf die Temperatur der MEA 12 und der insgesamt auftretenden Temperaturgradienten.

Hier wird als Ordinat die Funktion (T - T_in/T_in) als Funktion der Position entlang der x-Richtung des Kühlspaltes gezeigt, d. h. in Strömungsrich tung vom Eingang zum Ausgang des Kühlspaltes Es sind in Fig. 6 drei Kurven gezeigt: die mit einer durchgehenden Linie gezeigte Kurve ent spricht der Anordnung gemäß Fig. 4A ohne Kühlrippen, die mit Quadraten versehene Linie entspricht der Anordnung gemäß Fig. 4B, wobei der Ab stand der Rippen 2,5 mm beträgt, während die untere Kurve, die mit Rauten gekennzeichnet ist, die entsprechende Kurve für die Anordnung gemäß Fig. 4C mit einem Rippenabstand von 1,25 mm zeigt.

T deutet hier auf die örtliche Temperatur der MEA 12 entlang der Längs richtung (X-Richtung) in Fig. 5A bis 5C hin, während T_in die Lufteintritt stemperatur ist, die als konstant angenommen werden kann. Somit wird klar, daß das mittlere Temperaturniveau für die drei gezeigten Varianten unterschiedlich ist. Somit ist sofort ersichtlich, daß die Temperatur T für eine MEA 12 ohne Rippen, d. h. für einen Kühlspalt ohne Rippen, deutlich höher liegt als für die MEA gemäß Fig. 4B mit in Strömungsrichtung zu nehmender Kühlfläche und Kühlrippen im Abstand von 2,5 mm und daß diese wiederum deutlich höher liegt als für die beste Ausführung gemäß Fig. 4C mit einem Rippenabstand von 1,25 mm.

Der Unterschied zwischen dem Wert der Funktion am Eingang der MEA und der entsprechende Wert am Ausgang der MEA widerspiegelt den Temperaturgradienten in der MEA. Es ist aus Fig. 6 ersichtlich, daß der Temperaturgradient bei der Anordnung ohne Kühlrippen wesentlich höher ist als bei der Anordnung mit Kühlrippen mit einem Abstand von 2,5 mm, und daß dieser wiederum höher liegt als der Temperaturgradient gemäß der Anordnung gemäß Fig. 4C, wo der Rippenabstand 1,25 mm beträgt.

Im allgemeinen kann gesagt werden: je tiefer der Ausgangspunkt am Or dinate und je flacher die Kurve, desto niedriger die mittlere Temperatur der MEA liegt und desto kleiner der Temperaturgradient und daher die Gefahr von lokal erhöhten Stromdichten in der MEA.

Fig. 7 zeigt die gleichen Kurven wie Fig. 6, jedoch hier für eine Tempera turfunktion (T - T₍₁₎)/T_in, wo T die Temperatur des Festkörpers an den ver schiedenen Meßstellen entlang des Kühlspaltes und T₍₁₎ die Temperatur am Anfang des Festkörpers ist. Alle Kurven starten in der Darstellung von Fig. 7 am Ordinat mit dem Wert Null, da T hier gleich T₍₁₎ ist, so daß die angegebene Funktion eben den Wert Null haben muß, und zwar für alle Ausführungsformen. Durch die unterschiedliche Steilheit der Kurven kommt jedoch zum Ausdruck, daß bei der Anordnung gemäß Fig. 4A ohne Kühlrippen die Temperatur der Kühlluft am Ausgang des Kühlspaltes am höchsten ist, während eine deutliche Herabsetzung der Lufttemperatur bei der Rippenanordnung mit 2,5 mm Abstand festzustellen ist und eine noch deutlichere Temperaturherabsetzung bei der Anordnung gemäß Fig. 4C mit einem Kühlrippenabstand von 1,25 m erreicht wird.

Wesentlich, um die günstigen Ergebnisse der Erfindung zu erreichen ist, daß die spezifische Oberfläche der Wärme an das Kühlmittel abgebenden Kühlflächen in Richtung vom Eingang zum Ausgang steigt, was durch die zunehmende Rippenfläche erreicht wird.

b) Beschreibung einer Geometrie zur Steigerung des örtlichen Wärme übergangskoeffizienten in Strömungsrichtung (2. Variante der Erfindung)

Wie eine Kühlrippenanordnung gestaltet werden könnte, um in Strö mungsrichtung höhere mittlere Wärmeübergangskoeffizienten zu erzielen, kann Fig. 8 entnommen werden. Im Gegensatz zur Fig. 9A, welche die be reits in Fig. 4B beschriebene Kühlrippenanordnung (durchgehende Rippen ohne Versetzung) zeigt, wurden bei dieser Anordnung (versetzte Anord nung) die Kühlrippen 30 in X-Richtung mehrmals unterbrochen. Im übri gen liegt eine Unterteilung in nur zwei Bereiche vor. Diese Kühlrippenaus bildung ist demnach durch mehrere kürzere Kühlrippen bzw. Kühlungs stege 34 charakterisiert. Für beide Fälle wurden mit jeweils konstanten Materialeigenschaften des Stacks und jeweils gleichen Randbedingungen für den Kühlluftstrom Rechnungen durchgeführt. Die berechneten örtli chen Wärmeübergangskoeffizieten sind der nachfolgenden Tabelle 1 für die Anordnungen gemäß Fig. 9A und Fig. 8A zu entnehmen, wobei in bei den Fällen das Trägermaterial der MEA 12 Stahl ist und der Rippen abstand A der Fig. 9A und 9B dem der Fig. 4B (2,5 mm Rippenabstand) entspricht. Der dargestellte Wärmeübergangskoeffizient α, die mit "h" in den Zeichnungen angegeben ist (d. h. α = h), hat die folgenden Werte:

Tabelle 1

Fig. 9A Ausführung	Fig. 8A Ausführung
α_min = 0,4 W/m²/K	α_min = 0,1 W/m²/K
α_mittel = 8,04 W/m²/K	α_mittel = 7,99 W/m²/K
α_max = 86,85 W/m²/K	α_max = 122,1 W/m²/K

Den Abbildungen der Fig. 8A und 8B ist eine Steigerung des mittleren Wärmeübergangskoeffizienten der Kühlrippen in Strömungsrichtung deutlich zu entnehmen. Die Wirkungsweise der versetzten Anordnung be steht darin, daß zum einen an jedem Kühlungssteg eine neue Anlaufströ mung mit erhöhtem Wärmeübergangskoeffizienten ausbildet und zum zweiten die molekulare Wärmediffusion innerhalb des Kühlmittels durch die in x-Richtung unterbrochenen Kühlungsrippen im Vergleich zur nicht versetzten Anordnung erhöht wird.

In den hier dargestellten Fällen erhöht sich der mittlere Wärmeüber gangskoeffizient der Kühlrippen um 70% und bedingt im Vergleich zur nicht versetzten Anordnung eine Abnahme der Maximaltemperatur um 6% und des Temperaturgradienten um 13% bei einer 45% kleineren Kühlrippenfläche im Vergleich zur nicht versetzten Anordnung.

c) Beschreibung des Einflusses des Wärmeleitwertes bei Verwendung un terschiedlicher Trägermaterialien für die MEA (3. Variante der Erfindung)

Um den Einfluß des Wärmeleitwertes bei Verwendung unterschiedlicher Trägermaterialien der MEA zu verdeutlichen, wurden zwei Rechnungen mit gleicher Kühlrippenanordnung, jeweils gleichen Randbedingungen für den Kühlluftstrom, aber unterschiedlichen Trägermaterialien durchge führt. Als Trägermaterialien wurden beispielhaft die folgenden Materialien ausgewählt:
Stahl: k_Stahl = 27 W/(m.K)
Aluminium: k_Aluminium = 236 W/(m.K).

Fig. 10 zeigt die beiden berechneten Temperaturverläufe der MEA in Strö mungsrichtung (x-Richtung). Es ist deutlich zu erkennen, daß sowohl die absolute Temperatur der MEA als auch der Temperaturgradient durch die Verwendung gut wärmeleitender Trägermaterialien reduziert werden kann. In den hier dargestellten Fällen konnte die Maximaltemperatur um 5% und der Temperaturgradient um 70% gesenkt werden.

Eine Anordnung der Kühlrippen in einer der oben beschriebenen Formen (Möglichkeiten a), b) oder c)) senkt den Temperaturgradienten im Feststoff der Brennstoffzelle. Es ergeben sich folgende Vorteile:

- konstante Stromdichteverteilung
- Vermeidung von "hot spots", die zum Versagen der Zelle führen können
- höhere mittlere Zelltemperatur bei gleichbleibender Maximaltemperatur und daraus folgend eine höhere Leistungsdichte.

d) Weitere Möglichkeit

Wie oben angedeutet besteht auch die Möglichkeit die Kühlspalten mit Strukturelementen auszulegen die für die Erzeugung von Strö mungsgradienten sorgen, die so konzipiert sind, daß die lokale Verweil zeit der Kühlströmung entlang der Kühlspalten steigt und hierfür die Wärmeabführ zunehmend erhöht wird. Die Anordnung gemäß Fig. 8A und B geht bereits in dieser Richtung da die dort gezeigte Stege für eine Verwirbelung der Kühlluft und daher für eine erhöhte lokale Verweilzeit sorgt.

Claims

1. Brennstoffzellenanordnung (10) bestehend aus mehreren, zumindest im wesentlichen parallel zueinander ausgebildeten Brennstoffzellen (12) mit zwischen benachbarten Zellen ausgebildeten, sich zwischen einem Eingang (18) und einem Ausgang (20) erstreckenden und von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlspalten (14), dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Oberfläche, d. h. der Flächenanteil der Wärme an das Kühlmittel (16) abgebenden Kühlflächen (29, 30, 32; 29, 34) in Richtung vom Eingang (18) zum Ausgang (20) steigt.

2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Oberfläche zumindest im wesentlichen kontinu ierlich steigt.

3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlspalten (14) in Strömungsrichtung vom Eingang (18) zum Ausgang (20) jeweils in mehrere Bereiche (I, II, III) unterteilt sind, wobei die spezifische Oberfläche in jedem Bereich (II, III) die spezifische Oberfläche im vorherigen Bereich (I, II) übersteigt.

4. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Bereiche unterschiedlicher spezifischen Ober fläche nacheinander zwischen Eingang (18) und Ausgang (20) ange ordnet sind.

5. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß drei Bereiche (I, II, III) unterschiedlicher spezifischen Oberfläche nacheinander zwischen Eingang (18) und Ausgang (20) angeordnet sind.

6. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflächen (29, 30, 32) zumindest teilweise durch Rippen (30, 32) gebildet sind und daß die Anzahl der Rippen in jedem Be reich (II, III) höher ist als im vorausgegangenen Bereich (I, II).

7. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ortliche Wärmeübergangskoeffizient (α bzw. h) der Wärme an das Kühlmittel abgebenden Kühlflächen (29, 30, 32; 29, 34) in Strömungsrichtung vom Eingang (18) zum Ausgang (20) steigt, bzw. immer wieder erneut steigt.

8. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigerung des örtlichen Wärmeübergangskoefiizienten durch in Strömungsrichtung voneinander beabstandete Kühlrip penabschnitte bzw. Kühlstege (34, Fig. 8A, 8B) bewirkt wird, die zumindest im Strömungsbereich benachbart zum Ausgang (20) vorge sehen sind.

9. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung voneinander beabstandete Kühlrippen abschnitte bzw. Kühlstege in mehreren Bereichen vorgesehen sind und die Anzahl der Kühlrippenabschnitte bzw. Kühlstege pro Län geneinheit in Strömungsrichtung in jedem Bereich mit Kühlrippen abschnitten größer ist als im vorausgegangenen Bereich.

10. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Kühlrippenabschnitte (34) in zur Strö mungsrichtung querliegenden Reihen gegenüber einer in Strö mungsrichtung vorausgehenden Reihe in Querrichtung versetzt sind (34, Fig. 8A, 8B).

11. Brennstoffzellenanordnung (10) bestehend aus mehreren, zumindest im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Brennstoffzellen (12) mit zwischen benachbarten Zellen ausgebildeten, sich zwischen einem Eingang (18) und einem Ausgang (20) erstreckenden und von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlspalten (14), dadurch gekennzeichnet, daß der örtliche Wärmeübegangskoeffizient (α bzw. h) der Wärme an das Kühlmittel abgebenden Kühlflächen (29, 30, 32; 29, 34) in Strö mungsrichtung vom Eingang (18) zum Ausgang (20) steigt.

12. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigerung des örtlichen Wärmeübergangskoeffizienten durch in Strömungsrichtung voneinander beabstandete Kühlrip penabschnitte bzw. Kühlstege (34, Fig. 8A, 8B) bewirkt wird, die zu mindest im Strömungsbereich benachbart zum Ausgang (20) vorge sehen sind.

13. Brennstoffzellenanordnung flach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung voneinander beabstandete Kühlrippen abschnitte bzw. Kühlstege in mehreren Bereichen vorgesehen sind und die Anzahl der Kühlrippenabschnitte bzw. Kühlstege pro Län geneinheit in Strömungsrichtung in jedem Bereich mit Kühlrippen abschnitten größer ist als im vorausgegangenen Bereich.

14. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Kühlrippenabschnitte (34) in zur Strö mungsrichtung querliegenden Reihen gegenüber einer in Strö mungsrichtung vorausgehenden Reihe in Querrichtung versetzt sind (34, Fig. 8A. 8B).

15. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermaterialien der Brennstoffzellen, d. h. der Membran- Elektroden-Einheiten einen Wärmeleitwert oberhalb von 200 W/(m.K) aufweisen.

16. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Brennstoffzellen (12) um in Draufsicht quadrati sche oder rechteckige Brennstoffzellen (12) handelt, wobei der Ein gang (18) und der Ausgang (20) an einander gegenüberliegenden zu einander zumindest im wesentlichen parallelen Seiten der zwischen benachbarten Brennzellen ausgebildeten Kühlspalten (14) vorgese hen sind.

17. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Kühlmittel (16) um Luft handelt.

18. Brennstoffzellenanordnung (10) bestehend aus mehreren, zumindest im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Brennstoffzellen (12) mit zwischen benachbarten Zellen ausgebildeten, sich zwischen einem Eingang (18) und einem Ausgang (20) erstreckenden und von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlspalten (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermaterialien der Brennstoffzellen, d. h. der Membran- Elektroden-Einheiten einen Wärmeleitwert oberhalb von 200 W/(m.K) aufweisen (Fig. 10).

19. Brenstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlspalten (14) zur Erzeugung von Strömungsgradienten ausgelegt sind, mit dem Ziel die lokale Verweilzeit entlang der Kühlspalten (14) und hierdurch die Wärmeabfuhr zunehmend zu erhöhen.