DE102008025967A1

DE102008025967A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102008025967A1
Application number: DE102008025967A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Haufe; André Kopp; Dieter Dr. Melzner; Annette Dr. Reiche; Fabian Walter
Original assignee: Elcomax Membranes GmbH
Current assignee: Elcore GmbH
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-03
Also published as: WO2009143929A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, umfassend - einen Brennstoffzellenstapel (12), der bei Betrieb an seinem elektrischen Ausgang eine elektrische Leistung liefert und eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen (22), MEAs, aufweist, die voneinander durch elektrisch und thermisch leitfähige Bipolarplatten (24) getrennt sind, - einen elektrischen Energiespeicher (14) und - eine aus dem elektrischen Energiespeicher (14) gespeiste, elektrische Heizeinrichtung (32) in thermischem Kontakt zu dem Brennstoffzellenstapel (12). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Heizeinrichtung eine Mehrzahl elektrischer Heizelemente (32) umfasst, in mehreren Bipolarplatten (24) jeweils wenigstens ein Heizelement (32) in thermischem Kontakt zu den Oberflächen der Bipolarplatte (24) eingebettet ist und der Energiespeicher (14) über eine Leistungselektronik (16) mit dem elektrischen Ausgang des Brennstoffzellenstapels (12) verbunden und aus der von diesem gelieferten Leistung aufladbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, umfassend

– einen Brennstoffzellenstapel, der bei Betrieb an seinem elektrischen Ausgang eine elektrische Leistung liefert und eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen, MEAs, aufweist, die voneinander durch elektrisch und thermisch leitfähige Bipolarplatten getrennt sind,
– einen elektrischen Energiespeicher und
– eine aus dem elektrischen Energiespeicher gespeiste, elektrische Heizeinrichtung in thermischem Kontakt zu dem Brennstoffzellenstapel.

Stand der Technik
Derartige Brennstoffzellensysteme sind bekannt aus der DE 10 2004 061 784 A1 .
Die Gewinnung elektrischer Energie aus einer chemischen Reaktion in einer Brennstoffzelle ist allgemein bekannt. Brennstoffzellen bestehen typischerweise aus wenigstens einer Membran-Elektroden-Anordnung, kurz MEA, bestehend aus einer polymeren, ionenleitfähigen und gasdichten Elektrolytmembran, PEM, und zwei Gasdiffusionselektroden, die an den beiden Seiten der Membran flächig anliegen. Die Gasdiffusionselektroden umfassen üblicherweise in Kontakt zur Elektrolytmembran eine Elektrodenschicht aus einem Elektrokatalysator, welcher auf einem porösen Trägermaterial, üblicherweise Ruß, fein dispergiert ist und eine Gasdiffusionslage aus einem Fasermaterial, üblicherweise einem Graphitvlies, welches die MEA nach außen abschließt. Beim Betrieb der Brennstoffzelle wird anodenseitig ein wasserstoffhaltiges Gas eingeleitet. Dieses verteilt sich über die Gasdiffusionselektrode, wobei der Wasserstoff in Protonen und Elektronen aufgespalten wird. Die Elektronen werden in einem zwischen Anode und Kathode angeschlossenen Stromkreis zugeführt. Die Protonen wandern durch die PEM und werden an der kathodenseitigen Elektrode mit Sauerstoff, welcher kathodenseitig eingeleitet wird, und den über den Stromkreis rückgeführten Elektronen unter Bildung von Wasser umgesetzt. Der entstehende Elektronenfluss bildet einen elektrischen Strom, mit dem beispielsweise angeschlossene Verbraucher betrieben werden können.
Typischerweise werden Brennstoffzellen nicht einzeln sondern in Form von Brennstoffzellenstapeln eingesetzt, in denen mehrere MEAs in Reihe hintereinander geschaltet sind. Die MEAs sind jeweils durch so genannte Bipolarplatten getrennt, die der mechanischen Stabilisierung, der elektrischen Kontaktierung und der Zuführung der Reaktionsgase bzw. Abführung von Reaktionsprodukten in entsprechenden Kanalsystemen in den Bipolarplatten dienen. Die Bipolarplatten sind häufig mit einem internen, geschlossenen Kanalsystem zur Kühlung der sich bei Betrieb aufheizenden MEAs ausgestattet, welches zwischen Anoden- und Kathodenseite der Bipolarplatten liegt und räumlich von den MEAs getrennt ist.
Die zitierte DE 10 2004 061 784 A1 diskutiert die Problematik des Betriebs von Brennstoffzellenstapeln bei sehr niedrigen Temperaturen, bei denen das entstehende Wasser an kalten Bipolarplatten kondensieren oder gefrieren kann. Um Abhilfe zu schaffen wird der Einbau elektrischer Heizelemente in Endplatten, d. h. thermisch und elektrisch isolierenden Begrenzungsplatten des Brennstoffzellenstapels vorgeschlagen. Die Heizelemente sollen direkt durch den in wärmeren MEAs des Brennstoffzellenstapels erzeugten Strom gespeist werden. Nachteilig bei dieser Lösung ist die Notwendigkeit, des Betriebs wenigstens einiger MEAs zur Heizung des Brennstoffzellenstapels. Dies setzt jedoch die Verwendung von sehr reinem Brenngas voraus. Verwendet man hingegen als Brenngas für die Brennstoffzelle ein Reformatgas, d. h. ein wasserstoffhaltiges Gas mit Anteilen von Kohlenmonoxid (CO), welches in einem so genannten Reformer aus Kohlenwasserstoffen gewonnen wird, führt dies zum Zusammenbrechen der Zellspannung, da CO als Katalysatorgift für die MEAs wirkt. CO wirkt als Katalysatorgift für die MEAs. Die Verwendung von Reformatgas setzt daher entweder eine aufwendige Vorreinigung des Reformatgases oder den Betrieb der Brennstoffzelle bei einer sehr hohen Temperatur voraus, die abhängig vom CO-Anteil ist und typischer Weise über 150 Grad Celsius (°C) beträgt. Bei solchen Temperaturen wird nämlich das Gleichgewicht zwischen Desorption und Adsorption von CO auf dem Katalysator in Richtung Desorption vorschoben, so dass die Katalysatorschichten deutlich CO- toleranter sind. Das in der genannten Druckschrift offenbarte System, welches den Betrieb wenigstens einiger MEAs bei sehr niedrigen Temperaturen verlangt, ist daher für die Verwendung von Reformatgas als Brenngas ohne Vorreinigung nicht geeignet.
Dieselbe Druckschrift offenbart im Rahmen der Diskussion alternativer Lösungen auch ein gattungsgemäßes System mit einem Brennstoffzellenstapel und einem elektrischen Energiespeicher, aus dem eine nicht näher diskutierte Heizvorrichtung für den Brennstoffzellenstapel gespeist wird. Nachteilig bei diesem System ist die Notwendigkeit einer zusätzlichen Energiequelle zum Laden des Energiespeichers.
Auch die DE 10 2005 012 617 A1 offenbart einen elektrisch heizbaren Brennstoffzellenstapel. Die Druckschrift schlägt die Beaufschlagung des gesamten Stapels an seinen elektrischen Hauptanschlüssen mit einer Wechselspannung vor. Hierdurch wird ein Wechselstrom durch den gesamten Stapel verursacht. Durch den elektrischen Widerstand der MEAs und Bipolarplatten fällt eine Verlustleistung ab, die zu einer Aufheizung des Stapels führt. Nachteilig bei diesem System ist die Notwendigkeit einer gesonderten Wechselstromquelle, die einen erheblichen technischen Aufwand in einem System, in dem ansonsten nur Gleichspannungen bzw. Gleichströme wirken, bedeutet.
Aufgabenstellung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, welches mit CO-haltigem Reformatgas betreibbar ist und ohne eine zusätzliche Energiequelle auskommt.
Darlegung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Heizeinrichtung eine Mehrzahl elektrischer Heizelemente umfasst, in mehreren Bipolarplatten jeweils wenigstens ein Heizelement in thermischem Kontakt zu den Oberflächen der Bipolarplatte eingebettet ist und der Energiespeicher über eine Leistungselektronik mit dem elektrischen Ausgang des Brennstoffzellenstapels verbunden und aus der von diesem gelieferten Leistung aufladbar ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es ist die Grundidee der Erfindung, die Heizung des Brennstoffzellenstapels einerseits aus elektrischer Energie zu speisen, die im Brennstoffzellenstapel selbst erzeugt wird, andererseits aber eine Möglichkeit zu schaffen, das Heizen bereits vor dem stromerzeugenden Betrieb des Stapels zu gewährleisten. Nur hierdurch kann erreicht werden, dass der Brennstoffzellenstapel zu jedem Zeitpunkt mit CO-haltigem Reformatgas betrieben werden kann. Diese Idee wird zum einen durch die Leistungselektronik umgesetzt, die den elektrischen Energiespeicher, z. B. einen Akkumulator, als Speicher für im Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Energie nutzbar macht. Eine externe Energiequelle zum Laden des Energiespeichers wird damit überflüssig. Zum anderen wird die Heizung in energetisch besonders günstiger Weise durchgeführt, sodass die für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels mit Reformatgas erforderliche, hohe Temperatur schnell und auf energetisch günstige Weise erreicht wird. Hierdurch wird die erforderliche Mindestkapazität des Energiespeichers reduziert, was in vorteilhafter Weise dazu führt, dass während des stromerzeugenden Betriebs des Brennstoffzellenstapels nur ein geringer Teil der erzeugten elektrischen Energie zum Laden des Energiespeichers abgezweigt werden muss. Durch die unmittelbare Einbettung der Heizelemente in die Bipolarplatten, vorzugsweise in sämtliche Bipolarplatten, wird die erforderliche Heizleistung genau dort erzeugt, wo sie ihre Wirkung entfalten soll, nämlich im Bereich der an den Bipolarplatten anliegenden MEAs, deren Katalysatorschichten vor einer Vergiftung mit CO geschützt werden müssen. Bei allen bekannten Systemen, die im Wesentlichen auf die Anhebung der Stapeltemperatur über den Gefrierpunkt bzw. über den jeweils aktuellen Taupunkt, keinesfalls aber auf die Erzielung hoher Temperaturen, wie sie für die Verwendung von CO-haltigem Reformatgas erforderlich sind, abzielen, wird die Heizwärme von außen zugeführt. Hierdurch entsteht eine Erwärmung in Bereichen des Stapels, wo sie nicht erforderlich ist. Bei einer derartigen Zufuhr von Wärmeenergie, die ausreicht, um die relevanten Bereiche des Brennstoffzellenstapels auf die für die Verwendung von Co-haltigem Reformatgas erforderlichen, hohen Temperaturen aufzuheizen, können aufgrund hoher Temperaturgradienten sogar thermische Schädigungen in äußeren Bereichen des Stapels entstehen.
Bevorzugt sind die Heizelemente als elektrische Widerstandsdrähte mit einer thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Ummantelung ausgebildet. Die Verwendung elektrischer Widerstandsdrähte ist die effizienteste Weise der Umsetzung elektrischer Energie in thermische Energie. Die Bipolarplatten, in die die Widerstandsdrähte eingebettet sind, sind jedoch, wie oben erläutert, selbst elektrisch leitfähig. Es ist daher erforderlich, die elektrischen Widerstandsdrähte elektrisch isolierend zu ummanteln. Allerdings darf diese Isolierung bzw. ihre Wandstärke einem effizienten Wärmefluss nicht entgegenstehen. Dem Fachmann sind geeignete Kunststoffmaterialien, wie z. B. Perfluoralkoxy, PFA, oder Silikon bekannt.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass wenigstens eine Bipolarplatte zwei thermisch und elektrisch leitende, flächig, direkt miteinander verbundene Kanalplatten umfasst und dass das wenigstens eine in diese Bipolarplatte eingebettete Heizelement in eine Nut eingelegt ist, die in wenigstens eine der einander berührenden Flächen der Kanalplatten eingebracht ist. Diese Ausführungsform trägt der häufig verwendeten Bauweise von Bipolarplatten Rechnung. Demnach sind Bipolarplatten aus zwei Kanalplatten aufgebaut. Jede dieser Kanalplatten weist an der im Einbauzustand der benachbarten MEA zugewandten Fläche ein offenes Kanalsystem auf, durch welches ein Reaktionsgas zu der Elektrode der MEA geleitet wird. Häufig weist wenigstens eine der Kanalplatten ein zusätzliches, offenes Kanalsystem an der der anderen Kanalplatte zugewandten Fläche auf, welches im Einbauzustand als Kühlmittelleitung dient. Bevorzugt sind die Nuten, in die Heizelemente eingelegt sind, in eine dieser inneren Kontaktflächen der Kanalplatten eingebracht. Die Wärmeerzeugung erfolgt zentral zwischen zwei benachbarten MEAs, sodass beide benachbarten MEAs mit etwa dergleichen Wärmeenergie beaufschlagt werden können. Dies erlaubt eine Reduzierung der Anzahl beheizter Bipolarplatten im Stapel.
Bei einer zweiten Ausführungsform, die alternativ oder zusätzlich in einem Bipolarstapel verwendet werden kann, ist vorgesehen, dass wenigstens eine Bipolarplatte zwei thermisch und elektrisch leitende, flächig über eine Zentralplatte miteinander verbundene Kanalplatten umfasst und dass das wenigstens eine in diese Bipolarplatte eingebettete Heizelement in eine Nut eingelegt ist, die in die Zentralplatte eingebracht ist. Diese Variante trägt einer weiteren Bauform von Bipolarplatten Rechnung, bei der die Bipolarplatte aus drei Einzelplatten, nämlich zwei äußeren Kanalplatten und einer diese verbindenden Zentralplatte aufgebaut ist.
Günstigerweise ist wenigstens eine Bipolarplatte wenigstens teilweise aus einem gießbaren Material, z. B. einem Graphitmaterial, gefertigt und das wenigstens eine in die Bipolarplatte eingebettete Heizelement ist in das Plattenmaterial eingegossen. Diese Art der Herstellung ermöglicht den Verzicht auf das Einbringen gesonderter Nuten in die Bipolarplatten bzw. deren Teilplatten (z. B. Kanalplatte, Zentralplatte). Zudem kann unter Umständen eine bessere Wärmeübertragung erzielt werden, als dies bei in Nuten eingelegten Heizelementen der Fall ist. Allerdings gestaltet sich der Gießprozess der Platten an sich komplizierter.
Bevorzugt weist der Brennstoffzellenstapel wenigstens einen Temperatursensor auf, der eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels erfasst. Für die mit einem solchen Sensor erfassten Temperaturinformationen gibt es verschiedene, vorteilhafte Verwendungsmöglichkeiten. Bei einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Temperatursensor mit einer Brenngaszuleitungssteuerung, die eine Zuleitung von Brenngas in den Brennstoffzellenstapel steuert, verbunden ist, wobei die Brenngaszuleitungssteuerung die Zuleitung von Brenngas unterhalb einer von dem Temperatursensor erfassten Minimaltemperatur unterbindet. Hierdurch kann erreicht werden, dass das CO-haltige Reformatgas erst ab einer im Brennstoffzellenstapel erreichten Mindesttemperatur zugeleitet wird, sodass eine Vergiftung des Katalysators zuverlässig vermieden werden kann. So kann eine Vergiftung des Katalysators zuverlässig vermieden werden.
Bei einer zweiten Verwendung des Temperatursensors ist alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass der Temperatursensor mit einem Temperatur-Regelkreis verbunden ist, der die Speisung der Heizvorrichtung aus dem Energiespeicher zur Einstellung einer Zieltemperatur des Brennstoffzellenstapels regelt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Temperatur-Regelkreis die Speisung der Heizvorrichtung nach Erreichen einer oberen Grenztemperatur unterbindet. Diese obere Grenztemperatur kann, muss aber nicht identisch sein mit der oben genannten Minimaltemperatur zur Einleitung von Brenngas. Nach dem Anspringen der Brennstoffzelle heizt sich die Zelle nämlich durch die exotherme Reaktion an ihren MEAs selbst auf und muss sogar normalerweise mit einer Kühlvorrichtung gegengekühlt werden, um thermische Schäden zu vermeiden. Die Heizvorrichtung hat somit nach Anspringen der Brennstoffzelle ihre Aufgabe erfüllt und kann abgeschaltet werden.
Für die konkrete Auslegung der Speisung der Heizelemente sind verschiedene Varianten denkbar. Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Heizelemente unterschiedlicher Bipolarplatten gruppenweise untereinander parallel geschaltet sind. Im einfachsten Fall sind die Heizelemente aller beheizten Bipolarplatten zu einer Gruppe zusammengefasst und parallel geschaltet, sodass sie gemeinsam bestromt werden können. Diese Variante wird im Rahmen dieser Anmeldung als Einzonenheizung bezeichnet. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Heizelemente mehrerer Gruppen untereinander parallel geschalteter Heizelemente vorgesehen sind und eine Leistungselektronik vorgesehen ist, die Heizelemente unterschiedlicher Gruppen unterschiedlich stark aus dem Energiespeicher speist. Im Rahmen dieser Anmeldung wird diese Variante als Mehrzonenheizung bezeichnet. Besonders günstig ist dabei die Variante der Dreizonenheizung, die eine schwächer bestromte Mittelzone und zwei stärker bestromte Randzonen aufweist. Auf diese Weise können die den Endplatten des Brennstoffzellenstapels nächstgelegenen und damit von besonderer Wärmeabfuhr betroffenen Bipolarplatten stärker beheizt werden als die im Zentralbereich des Brennstoffzellenstapels befindlichen Bipolarplatten, was zu einer Vergleichmäßigung des Temperaturverlaufs über die Länge des Brennstoffzellenstapels führt.
Ein ähnliches Ergebnis lässt sich auch mit einer Einzonenheizung erreichen, wenn, wie bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, die Heizelemente in Bipolarplatten, die in dem Brennstoffzellenstapel randständiger angeordnet sind, leistungsstärker ausgebildet sind als Heizelemente in zentraler angeordneten Bipolarzellen. Diese Variante hat zwar den Nachteil, dass unterschiedlich ausgebildete Bipolarplatten in einem Stapel verwendet werden müssen; ein Vorteil liegt jedoch in der einfacheren Beschaltung der Heizelemente.
In allen Fällen kann die für die Steuerung der Heizelemente verwendete Leistungselektronik dieselbe Leistungselektronik sein, mit der auch die Ladung des Energiespeichers durchgeführt wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft veranschaulicht sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1: ein schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem
2: eine perspektivische Ausschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte
3: eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit Dreizonenheizung.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10. Das System 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12, einen elektrischen Energiespeicher 14, z. B. ein Akkumulator, eine Leistungselektronik 16 und ein Reformer 18 bzw. ein Brenngasreservoir oder eine andere Brenngasquelle. Über die Leistungselektronik 16 ist ein Verbraucher 20 an das System 10 angeschlossen. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen 22, MEAs, die durch Bipolarplatten 24 voneinander getrennt sind. Jede Bipolarplatte 24 besteht bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einer Anoden-Kanalplatte 26 und einer Kathoden-Kanalplatte 28. Die Anoden-Kanalplatte 26 und die Kathoden-Kanalplatte 28 sind flächig miteinander verbunden. In einer der aneinander anliegenden Flächen, beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist dies eine Fläche der Kathoden-Kanalplatte 28, ist eine im Wesentlichen spiralförmige Nut 30 eingearbeitet, z. B. eingefräst, in die ein elektrischer Heizdraht 32 eingelegt ist. Die Heizdrähte 32 aller Bipolarplatten 24 sind untereinander parallel geschaltet. In einer zentralen Bipolarplatte 24 ist ein Temperatursensor 33 angeordnet. Dieser erfasst die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 und leitet sie an eine Temperaturregelung 34 weiter. Die Temperaturregelung 34 ist mit der Leistungselektronik 16 verbunden. Auf diese Weise können die Heizdrähte in den Bipolarplatten 24 in geregelter Weise mit Energie aus dem Energiespeicher 14 bestromt und der Brennstoffzellenstapel vor Aufnahme seines stromerzeugenden Betriebs vorgeheizt werden.
Um sicher zu stellen, dass der stromerzeugende Betrieb des Stapels 12 nicht vor Erreichen einer hinreichend hohen Temperatur aufgenommen wird, sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei weitere Temperatursensoren 36 an randständigen Bipolarplatten 24 angeordnet, die mit einer temperaturabhängigen Zuleitungssteuerung 38 verbunden sind. Die Zuleitungssteuerung 38 steuert ein Ventil 40 in der Zuleitung des CO-haltigen Reformatgas aus dem Reformer 18 an. Das Ventil 40 wird erst geöffnet, wenn die Temperatursensoren 36 der Zuleitungssteuerung 38 das Erreichen einer hinreichend hohen Temperatur melden. Die Sensoren 36 sind bevorzugt in den randständigen Bipolarplatten vorgesehen, da diese benachbart zu den Endplatten 42 des Stapels 12 stehen und daher einem besonderen Wärmeabfluss unterworfen sind. Bei der im gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellten Einzonenheizung, die Heizelemente in jeder Bipolarplatte umfasst, ist davon auszugehen, dass bei Erreichen der erforderlichen Mindesttemperatur in den äußeren Bipolarplatten alle Bipolarplatten die erforderliche Mindesttemperatur erreicht haben.
In der Schemaskizze von 1 sind die Temperaturregelung 34 und die Zuleitungssteuerung 38 als getrennte Einheiten dargestellt, die getrennte Temperatursensoren 33, 36 verwenden. Dies erfolgt lediglich aus Gründen der Veranschaulichung. In der Praxis wird typischerweise eine kombinierte Einheit verwendet, die mit gemeinsamen Temperatursensoren verbunden ist.
Die Schemazeichnung von 1 zeigt der Anschaulichkeit halber einen Brennstoffzellenstapel 12 mit nur elf einzelnen Brennstoffzellen. Eine günstige, reale Dimensionierung kann beispielsweise wie folgt aussehen: Der Stapel 12 ist ein luftgekühlter Brennstoffzellenstapel mit 33 einzelnen Brennstoffzellen, d. h. 33 MEAs und 34 Bipolarplatten. In die Anoden-Platte jeder Bipolarplatte ist eine spiralige Nut einer Länge von 3 Metern und einem Querschnitt von 1,55 × 1,55 Millimetern eingefräst. In diese Nut ist ein PFA-ummantelter Heizdraht mit einem Außendurchmesser von 1,47 +/–0,05 Millimetern eingelegt. Der Widerstand des Heizdrahtes beträgt 4,3 Ohm pro Meter, sodass bei einer Gleichspannungsversorgung von 24 Volt eine Heizleistung von 15 Watt pro Meter bzw. 45 Watt pro Bipolarplatte abfällt. Ein NiCr/Ni-Thermoelement mit einem Außendurchmesser von 1,5 Millimetern ist durch einen auf der Anoden-Platte befindlichen Kanal von 1,5 × 1,5 Millimetern Querschnitt geschoben und misst die Oberflächentemperatur direkt am Heizleiter. Ein realisiertes Ausführungsbeispiel eines derartigen Brennstoffzellenstapels hat ein Bipolarplattengewicht von ca. 8,8 Kilogramm und eine Wärmekapazität von 0,71 Kilojoule pro Kelvin und Kilogramm (kJ/K·kg). Bei Heizung aller Bipolarplatten mit einer Heizleistung von jeweils 45 Watt kann ein derartiger Brennstoffzellenstapel in ca. 10 min von 20 Grad Celsius auf 150 Grad Celsius aufgeheizt werden. 150 Grad Celsius ist eine typischerweise geeignete Temperatur, bei der die Brennstoffzellenreaktion mit CO-haltigem Reformatgas ohne Vergiftung des Katalysators erfolgen kann.
Bei einem bevorzugten Ansteuerungsverfahren erfolgt das Aufheizens des Stapels 12 derart, dass der Heizleiter auf eine feste Temperatur geregelt wird. Die Maximaltemperatur ist abhängig vom verwendeten Heizleiter und den eingesetzten Stapelkomponenten. Bei Bipolarplatten aus einem Graphit-Komposit beträgt die Maximaltemperatur zur Vermeidung von thermischen Schädigungen günstigerweise ca. 190 Crad Celsius. Sobald die Temperatur des Stapels die für die vergiftungsfreie Stromproduktion erforderliche Mindesttemperatur von z. B. 150 Grad Celsius erreicht hat, wird der Zustrom von Brenngas geöffnet und gleichzeitig die Reizung abgeschaltet. Die exotherme Brennstoffzellenreaktion sorgt dann für die Aufrechterhaltung der erforderlichen Mindesttemperatur. Typischerweise muss sogar eine Kühlung durchgeführt werden, um einem Überschreiten der zulässigen Maximaltemperatur des Stapels zu verhindern. Von dem im Brennstoffzellenstapel erzeugten Strom wird über die Leistungselektronik der vom Verbraucher benötigte Anteil an diesen geliefert und überschüssige Energie zum wiederaufladen des Speichers 14 verwendet.
2 zeigt schematisch einen Teil einer Bipolarplatte 24, in die (gestrichelt dargestellt) ein Heizleiter 32 spiralförmig eingebracht ist. Die in 2 dargestellte Bipolarplatte 24 ist im Gegensatz zu den Bipolarplatten 24 der 1 einteilig ausgeführt, wobei der Heizdraht 32 in das Plattenmaterial eingegossen ist. Unabhängig von der konkreten Ausführungsform der Bipolarplatte 24 erfolgt die Stromzuleitung zum Heizleiter 32 über sogenannte Kaltenden 44, die aus dem Randbereich der Bipolarplatte 24 herausragen. Diese können beispielsweise mit einer Edelstahlhülse gecrimpt und mit einem Schrumpfschlauch beispielsweise aus Silikon isoliert sein.
Während die Darstellung von 1 eine Einzonenheizung zeigt, ist in 3 eine Dreizonenheizung dargestellt. In vereinfachter Weise ist der Brennstoffzellenstapel 12 in 3 nur als Anordnung von Bipolarplatten 24 dargestellt. Während die jeweils elf randständigen Bipolarplatten der Zonen I und III miteinander parallel verschaltet sind, sind die zentralen elf Bipolarplatten der Zentralregion II nicht mit diesen sondern nur untereinander parallel geschaltet. Die Zonen I und III einerseits und die Zone II andererseits werden mit unterschiedlichen Spannungen U1 bzw. U2 gespeist. Hierzu sind keine zwei unterschiedlichen Spannungsquellen erforderlich. Vielmehr ist eine geeignete Ansteuerung der Leistungselektronik 16 hinreichend. Die Spannung U1 ist typischerweise höher als die Spannung U2. Hieraus resultiert eine höhere Heizleistung in den Bipolarplatten der Zonen I und III. Diese sind aufgrund ihrer randständigen Lage einem größeren Wärmeverlust über die in 3 nicht dargestellten Endplatten ausgesetzt. Mit der gezeigten Dreizonenheizung kann daher ein gleichmäßiges Temperaturprofil über die gesamte Länge des Brennstoffzelenstapels 12 erreicht werden. Die alleräußersten, von besonders starkem Wärmeverlust betroffen Bipolarplatten können zudem mit einem Heizleiter versehen werden, der bei gleicher Spannung eine höhere Heizleistung liefert. Hierdurch kann ein besonders gleichmäßiges Temperaturprofil auch in den äußersten Bereichen des Stapels erzielt werden.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten anhand gegeben. Insbesondere können Anzahl, Dimensionierung und Aufbau der Bipolarplatten den Bedürfnissen des Einzelfalls angepasst werden. Auch die Wahl der Materialien für die MEAs wird typischerweise im Hinblick auf die verwendeten Reaktionsgase gewählt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel zu gestalten, bei denen nicht alle sondern nur einige der Bipolarplatten geheizt werden.

10: Brennstoffzellensystem
12: Brennstoffzellenstapel
14: Akkumulator
16: Leistungselektronik
18: Brenngasreservoir
20: Verbraucher
22: MEA
24: Bipolarplatte
26: Anodenplatte
28: Kathodenplatte
30: Heizleiter
32: Temperatursensor
34: Temperaturregelung
36: Temperatursensor
38: Zuleitungssteuerung
40: Steuerventil
42: Endplatte
44: Kaltende

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004061784 A1 [0002, 0005]
- DE 102005012617 A1 [0007]

Claims

Brennstoffzellensystem, umfassend – einen Brennstoffzellenstapel (12), der bei Betrieb an seinem elektrischen Ausgang eine elektrische Leistung liefert und eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen (22), MEAs, aufweist, die voneinander durch elektrisch und thermisch leitfähige Bipolarplatten (24) getrennt sind, – einen elektrischen Energiespeicher (14) und – eine aus dem elektrischen Energiespeicher (14) gespeiste, elektrische Heizeinrichtung (32) in thermischem Kontakt zu dem Brennstoffzellenstapel (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung eine Mehrzahl elektrischer Heizelemente (32) umfasst, in mehreren Bipolarplatten (24) jeweils wenigstens ein Heizelement (32) in thermischem Kontakt zu den Oberflächen der Bipolarplatte (24) eingebettet ist und der Energiespeicher (14) über eine Leistungselektronik (16) mit dem elektrischen Ausgang des Brennstoffzellenstapels (12) verbunden und aus der von diesem gelieferten Leistung aufladbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente als elektrische Widerstandsdrähte (32) mit einer thermisch leitenden und elektrisch isolierenden Ummantelung ausgebildet sind.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Bipolarplatte (24) zwei thermisch und elektrisch leitend, flächig, direkt miteinander verbundene Kanalplatten (26, 28) umfasst und das wenigstens eine in diese Bipolarplatte (28) eingebettete Heizelement (32) in eine Nut (10) eingelegt ist, die in wenigstens eine der einander berührenden Flächen der Kanalplatten (26, 28) eingebracht ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Bipolarplatte zwei thermisch und elektrisch leitend, flächig über eine Zentralplatte miteinander verbundene Kanalplatten umfasst und dass das wenigstens eine in diese Bipolarplatte eingebettete Heizelement in eine Nut eingelegt ist, die in die Zentralplatte eingebracht ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Bipolarplatte (24) wenigstens teilweise aus einem gießbaren Material gefertigt ist und dass das wenigstens eine in die Bipolarplatte (24) eingebettete Heizelement (32) in das Plattenmaterial eingegossen ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (12) wenigstens einen Temperatursensor (33; 36) aufweist, der eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels (12) erfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (36) mit einer Brenngaszuleitungssteuerung (38), die eine Zuleitung von Brenngas in den Brennstoffzellenstapel (12) steuert, verbunden ist, wobei die Brenngaszuleitungssteuerung (38) die Zuleitung von Brenngas unterhalb einer von dem Temperatursensor (36) erfassten Minimaltemperatur unterbindet.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (33) mit einem Temperatur-Regelkreis (34) verbunden ist, der die Speisung der Heizvorrichtung (32) aus dem Energiespeicher (14) zur Einstellung einer Zieltemperatur des Brennstoffzellenstapels (12) regelt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur-Regelkreis (34) die Speisung der Heizvorrichtung (32) nach Erreichen einer oberen Grenztemperatur unterbindet.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (32) unterschiedlicher Bipolarplatten (24) gruppenweise untereinander parallel geschaltet sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gruppen (I, II, III) untereinander parallel geschalteter Heizelemente (32) vorgesehen sind und eine Leistungselektronik (16) vorgesehen ist, die Heizelemente (32) unterschiedlicher Gruppen (II; I, III) unterschiedlich stark aus dem Energiespeicher (14) speist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (32) in Bipolarplatten (24), die in dem Brennstoffzellenstapel randständiger angeordnet sind, leistungsstärker ausgebildet sind als Heizelemente (32) in zentraler angeordneten Bipolarzellen (24).