DE10007763B4

DE10007763B4 - Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE10007763B4
Application number: DE10007763.3A
Authority: DE
Inventors: Dr.rer.nat. Lehnert Werner; Dr.-Ing. Wöhr Martin; Dr.-Ing. Fell Stephan; Dr. Lee Jim
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2000-02-20
Filing date: 2000-02-20
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2020-02-21
Also published as: CA2335441A1; US6663992B2; DE10007763A1; US20010023035A1

Abstract

Brennstoffzellenanordnung (10) mit mehreren parallel zueinander ausgebildeten Brennstoffzellen (12) und mit zwischen benachbarten Zellen ausgebildeten, sich zwischen einem Eingang (18) und einem Ausgang (20) erstreckenden und von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlspalten (14), wobei die spezifische Oberfläche, d. h. der Flächenanteil der Wärme an das Kühlmittel (16) abgebenden Kühlflächen (29, 30, 32) in Strömungsrichtung vom Eingang (18) zum Ausgang (20) steigt, wobei drei Bereiche (I, II, III) unterschiedlicher spezifischen Oberfläche nacheinander zwischen Eingang (18) und Ausgang (20) angeordnet sind, und wobei die Kühlflächen (29, 30, 32) zumindest teilweise durch Kühlrippen (30, 32) gebildet sind, wobei die Anzahl der Kühlrippen in jedem Bereich (II, III) höher ist als im vorausgegangenen Bereich (I, II), dadurch gekennzeichnet, dass durchgehende erste Kühlrippen (30) vorgesehen sind, die jeweils sich in Strömungsrichtung über den zweiten und den dritten Bereich (II, III) erstrecken, dass durchgehende zweite Kühlrippen (32) vorgesehen sind, die jeweils sich in Strömungsrichtung nur über den dritten Bereich (III) erstrecken; und dass der erste Bereich (I) einen Strömungsquerschnitt aufweist, der frei von Kühlrippen ist, wobei der Strömungsquerschnitt des zweiten und dritten Bereichs (II, III) um die Summe der Querschnittflächen der in dem jeweiligen Bereich (II, III) vorgesehenen Kühlrippen (30, 32) kleiner ist als der Strömungsquerschnitt des ersten Bereichs (I).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1. Eine derartige Brennstoffzellenanordnung ist aus dem Dokument US 4,324,844 A bekannt.
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 enthaltenen 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 abtransportiert 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 wassergekühltes 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 Leistungsdichte (ca. 0.6 W/cm²) der Einzelzellen Stapelgrößen von 100 bis 400 Zellen.
Zur Kühlung des Stacks ist es notwendig mit einen Gebläse Luft durch die Kühlspalte zu blasen. Als Wärmeübergangsfläche dienen sowohl die Außenseiten 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 Leistungen würden den Wirkungsgrad des gesamten Systems im Auto zu stark erniedrigen. Die Erfahrung zeigt, daß die Kühlluft unter diesen Bedingungen innerhalb des Stacks deutlich aufgewärmt wird. Hieraus ergibt sich ein deutlicher Temperaturunterschied in der MEA zwischen Kühllufteintritt und Kühlluftaustritt der gleichen Größenordnung bspw. von etwa 30°C. Daraus folgt, aufgrund der Temperaturabhängigkeit der in der Zelle ablaufenden Reaktionen und Transportphänomene (Elektrochemie, Elektrokatalyse, Verdampfung, Kondensation, Stofftransport von Gasen und Flüssigkeiten in porösen Medien in Kanälen etc.) eine Inhomogenität der Stromdichteverteilung innerhalb der einzelnen Zellen. Bei einer geforderten mittleren Stromdichte pro Zelle kann dies lokal zu sehr hohen Stromdichten 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, wobei die Kühlluft trotzdem eine Temperaturdifferenz von bspw. 30°C haben kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
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 Annäherung an das erwünschte Ergebnis erreicht werden, wenn die Kühlungsspalten in Strömungsrichtung von Eingang zum Ausgang jeweils in mehrere Bereiche unterteilt sind, wobei die spezifische Oberfläche bzw. der Wärmeleitfähigkeitswert in jedem Bereich die spezifische Oberfläche bzw. den Wärmeleitfähigkeitswert 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 erfindungsgemäß bevorzugt und eine Unterteilung in vier oder mehrere Bereiche käme auch in Frage, wenn die Länge der Kühlspalten in Strömungsrichtung 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 (Träger-material) weitergeleitet wird, in dem die MEA eingebettet ist.
Mittels der Erfindung wird nun der konvektive Wärmeübergang vom Feststoff 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, die maximale Temperatur der MEA um 25% und den Temperaturgradienten um 61% zu verringern. Durch Änderung des Wärmeleitfähigkeitswertes kann zusätzlich eine Abnahme der Maximaltemperatur der MEA um etwa 6% und eine Reduzierung des Temperaturgradienten um etwa 13% erreicht werden. Wenn Aluminium als Trägermaterial in der Brennstoffzelle mit einem Wärmeleitfähigkeitswert von 236 W/m·K verwendet wird, so läßt sich eine Reduktion der maximalen Temperatur der MEA um 5% und eine deutliche Reduktion des Temperaturgradienten erreichen. Kombiniert man alle drei dieser Möglichkeiten, so kann eine wesentlich effizientere Kühlung erreicht werden, wodurch einerseits die erforderliche Antriebsleistung des verwendeten 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 maximalen Grenze betrieben werden kann, ohne daß ein frühzeitiges Versagen der Brennstoffzellen durch erhöhte Stromdichten an bestimmten, nicht vorhersehbaren Stellen eintritt. Insgesamt lassen sich die Brennstoffzellen für eine bestimmte Leistung kleiner bauen, was insgesamt Gewicht, Platzbedarf 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:
1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer Brennstoffzellenanordnung mit zwischen benachbarten Brennstoffzellen ausgebildeten Kühlspalten, wobei 1 eine senkrechte Anordnung der nebeneinander gestapelten Brennstoffzellen zeigt, eine waagerechte oder gar geneigte Anordnung der Brennstoffzellen jedoch auch in Frage käme,
2 eine Draufsicht einer kompletten Zelle zur Darstellung einer möglichen Geometrie, wobei in 2 der Darstellung halber die Kühlrippen weggelassen sind, und
3 eine vergrößerte Darstellung des aktiven Bereiches der Brennstoffzelle der 2, auf der dem Kühlspalt zugewandten, Wärme abführenden Seite.
Bezug nehmend auf 1 wird in höchst schematischer Form ein Abschnitt einer Brennstoffzellenanordnung 10 gezeigt, hier bestehend aus drei Niedertemperatur-Brennstoffzellen 12, d. h. Membranelektrodeneinheiten, die in einem Abstand von einander angeordnet sind, so daß jeweilige Kühlspalten 14 jeweils zwischen zwei parallel zueinander angeordneten benachbarten Zellen 12 ausgebildet sind. Die Pfeile 16 zeigen eine Kühlluftströmung an, die von einem Gebläse erzeugt durch die Kühlspalten 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 gerichtet 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 vorliegende Erfindung unerheblich.
Nicht gezeigt in 1, jedoch im Stand der Technik vorhanden, sind Abstandshalter 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 geringen Temperaturgradienten entlang der Strömungsrichtung sicherzustellen.
Die 2 und 3 zeigen eine mögliche Geometrie einer kompletten Brennstoffzelle 12 gemäß der Erfindung auf der einem Kühlspalt 14 zugewandten Seite. Wärme, die im elektrochemisch aktiven Gebiet 26 der jeweiligen Brennzelle (d. h. in der MEA) erzeugt wird (hier als Rechteck mit Abmessungen von 25 cm × 8,5 cm vorgesehen), wird mittels der Kühlluft 16 abgeführt, die in 2 von der Eingangsseite 18 kommt und zur Ausgangsseite 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 2 bzw. 3.
Die vergrößerte Darstellung der 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 Abständen zueinander über die Höhe des Kühlspaltes gemäß 3 verteilt sind, und daß im Bereich III zwar die Rippen 30 fortgesetzt sind, jede zweiter Zwischenraum jedoch durch eine kürzere Kühlrippe 32 weiter unterteilt ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit sämtliche Zwischenraume mit einer kürzeren Kühlrippe zu unterteilen oder gar die Unterteilung anders vorzunehmen. Es handelt sich hier um ein praktisches Beispiel das ein derzeitiges Optimum darstellt.
Aus der Darstellung der 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 gemessen 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 werden muß, können den nachfolgend angegebenen Gleichungen (1) und (2) entnommen werden:
Gleichung (1) beschreibt die an das Kühlmedium durch Konvektion abgegebene Wärmeflußdichte (q), die über die gesamte wärmeübertragende Flächen (A) nahezu konstant gehalten werden muß. Wichtig ist, daß bei einer solchen 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: Wärmeflußdichte [W/m²]
α: örtlicher Wärmeübergangskoeffizient [W/(m²·K)]
T_Fluid: örtliche Temperatur des Kühlmediums [K]
T_träger: örtliche Temperatur des Trägermaterials [K]
ΔT: örtliche Temperaturdifferenz zwischen Trägermaterial und Kühlmedium [K]
A: gesamte Wärmeübergangsfläche [m²]

Gleichung (2) beschreibt die Leitung der Wärmeflussdichte q innerhalb des isotropen, wärmeleitenden Trägermaterials der MEA: q = –λ·∇T (2) mit

q: Wärmeflußdichte [W/m²]
λ: 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 zunehmender Aufheizung des Kühlmediums abnimmt, so kann man aus Gleichung (1) schließen, daß zwei Eingriffsmöglichkeiten zur Auswahl stehen, um den Wärmestrom (q) dennoch konstant zu halten:

1. Steigerung des wärmeübertragenden Flächenanteiles ΔA/A in Strömungsrichtung
2. Steigerung des örtlichen Wärmeübergangskoeffizienten α in Strömungsrichtung.

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

3. Der Wärmeleitfähigkeitswert (λ) des Trägermaterials sollte so groß wie möglich gewählt werden. Je größer der Wärmeleitfähigkeitswert, desto kleiner sind die sich ausbildenden Temperaturgradienten bei auftretenden Inhomogenitäten der Wärmeflussdichte.

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.
Beschreibung einer erfindungsgemäßen Geometrie zur Steigerung des wärmeübertragenden Flächenanteiles in Strömungsrichtung.
Die Skizze der 3 zeigt beispielhaft eine mögliche Anordnung von Kühlrippen 30, 32. Im Eintrittsbereich T der Kühlluft befinden sich keine Kühlrippen. 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 diesem Beispiel werden nach 33% der Lauflänge Kühlrippen 30 in der gezeigten Form im Bereich II angeordnet. Nach 66% der Lauflänge werden weitere Kühlrippen 32 in der gezeigten Form im Bereich III angeordnet.
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.

Claims

Brennstoffzellenanordnung (10) mit mehreren parallel zueinander ausgebildeten Brennstoffzellen (12) und mit zwischen benachbarten Zellen ausgebildeten, sich zwischen einem Eingang (18) und einem Ausgang (20) erstreckenden und von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlspalten (14), wobei die spezifische Oberfläche, d. h. der Flächenanteil der Wärme an das Kühlmittel (16) abgebenden Kühlflächen (29, 30, 32) in Strömungsrichtung vom Eingang (18) zum Ausgang (20) steigt, wobei drei Bereiche (I, II, III) unterschiedlicher spezifischen Oberfläche nacheinander zwischen Eingang (18) und Ausgang (20) angeordnet sind, und wobei die Kühlflächen (29, 30, 32) zumindest teilweise durch Kühlrippen (30, 32) gebildet sind, wobei die Anzahl der Kühlrippen in jedem Bereich (II, III) höher ist als im vorausgegangenen Bereich (I, II), dadurch gekennzeichnet, dass durchgehende erste Kühlrippen (30) vorgesehen sind, die jeweils sich in Strömungsrichtung über den zweiten und den dritten Bereich (II, III) erstrecken, dass durchgehende zweite Kühlrippen (32) vorgesehen sind, die jeweils sich in Strömungsrichtung nur über den dritten Bereich (III) erstrecken; und dass der erste Bereich (I) einen Strömungsquerschnitt aufweist, der frei von Kühlrippen ist, wobei der Strömungsquerschnitt des zweiten und dritten Bereichs (II, III) um die Summe der Querschnittflächen der in dem jeweiligen Bereich (II, III) vorgesehenen Kühlrippen (30, 32) kleiner ist als der Strömungsquerschnitt des ersten Bereichs (I).