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Die Erfindung betrifft ein Temperiersystem für eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel über wenigstens ein flüssiges Medium gekühlt, bzw. beheizt wird.
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Stand der Technik
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Es ist bekannt, dass die Betriebstemperatur einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle sowohl die Brennstoffzellenreaktion als auch die Elektrolytleitfähigkeit über den Wassergehalt im Elektrolyten beeinflusst. Eine inhomogene Temperaturverteilung zwischen einzelnen Brennstoffzellen in einer Brennstoffzellenanordnung, insbesondere in einem Brennstoffzellenstapel, führt zu einer ungleichmäßigen Leistungserzeugung der einzelnen Brennstoffzellen.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kühlmittelversorgungen werden häufig die einzelnen Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel parallel mit Kühlmittel, Brennstoff und Oxidationsmittel versorgt, wodurch eine gewisse Temperatureinstellung der Brennstoffzellen möglich ist. Wünschenswert für einen zuverlässigen Betrieb eines Brennstoffzellenstapels wäre jedoch eine möglichst homogene Temperaturverteilung über alle Einzelzellen. Die Leistung des Brennstoffzellenstapels könnte vorteilhaft erhöht werden, da Leistungseinbrüche, die durch eine zu geringe Temperatur oder eine inhomogene Temperaturverteilung der Randzellen entstehen, regelmäßig vermieden werden können.
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Das Wärmemanagement einer Brennstoffzelle hat im Betrieb die Aufgabe, entstehende Reaktionswärme abzuführen. Während der Start- bzw. Stopphasen unterstützt es jedoch auch das schnelle Aufheizen auf die gewünschte Temperatur. Brennstoffzellenstacks mit interner Flüssigkeitskühlung werden üblicherweise konstruktiv auf verschiedene Arten ausgeführt. Aus der Literatur sind bereits unterschiedliche Konzepte bekannt, die sich unter anderem darin unterscheiden, ob die Kühlung ausschließlich außerhalb der aktiven Fläche der Brennstoffzellen erfolgt, die Kühlung über die aktive Fläche der Brennstoffzellen realisiert wird oder auch kombinierte Systeme zum Einsatz kommen.
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In einem 2012 erschienenen Übersichtartikel von Zhang et al. [1] werden die unterschiedlichen Kühlungsmethoden für Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmem-branen dargestellt. Dabei wird grundsätzlich zwischen vier Methoden unterschieden: (i) Kühlung durch Wärmeableitung (z. B. durch den Einsatz von hoch Wärme leitenden Materialien oder so genannten Heatpipes), (ii) Kühlung mit einem gasförmigen Medium (z. B. mit Luft), (iii) Kühlung mit einem flüssigen Medium (z. B. Wasser oder Frostschutzmittel) und (iv) Kühlung durch Phasenübergang (z. B. durch Verdampfung oder durch Sieden).
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Die erste Methode beschreibt die Kühlung durch Wärmeableitung. Die auch als Außenkühlung oder als passive Kühlung bekannte Methode basiert auf der Wärmeableitung innerhalb von Kühlplatten parallel zur Zellebene, wobei die Wärme aus dem Zentrum der Brennstoffzellen (aktive Flächen) in die äußeren Bereiche geleitet wird. Von dort ist eine weitere Wärmeabfuhr relativ einfach zu bewerkstelligen. Als Beispiel für eine Temperierung außerhalb der aktiven Fläche können beispielsweise Kühlrippen oder so genannte Heatpipes genannt werden, die insbesondere bei Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen (NT-PEM) und vor allem für Stacks mit einer geringen Leistungserzeugung, z. B. deutlich kleiner als 1 kW eingesetzt werden können.
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Im Fall von Kühlrippen sind diese in der Regel direkt an der Oberfläche der Bipolarplatten angeordnet. Solche Rippen lassen sich durch einfaches Verlängern der Bipolarplatten nach außen hin realisieren und erfordern keine komplizierte Herstellung, sind aber auch mit einem höheren Materialaufwand und volumetrischen, bzw. gravimetrischen Nachteilen verbunden.
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Da im Inneren der Brennstoffzelle kein Kühlkreislauf vorhanden ist, kann vorteilhaft auch auf ein Pumpsystem dafür verzichtet werden. Vorteilhaft werden damit auch Probleme bezüglich der Abdichtung eines Kühlsystems in den aktiven Flächen der Brennstoffzellen vermieden und es ermöglicht eine kompakte Bauweise des Brennstoffzellenstapels. Die Ableitung der Wärme im Inneren der Brennstoffzelle macht jedoch den Einsatz sehr gut Wärme leitender Materialien, wie beispielsweise Graphite, und gegebenenfalls den zusätzlichen Einsatz von Heatpipes notwendig.
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Die üblicherweise in der Bipolarplatte angeordneten Heatpipes aus Kupfer, Titan oder anderen sehr gut Wärme leitenden Materialien sorgen für eine sehr hohe Wärmeabfuhr, benötigen jedoch einen hohen fertigungstechnischen Aufwand. Weitere Nachteile dieser Variante sind die Lageabhängigkeit und ein erhöhtes Bauvolumen des Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapels. Die Wärmeleitfähigkeit von Heatpipes ist aufgrund des Wärmetransportmechanismus (Phasenwechsel eines flüssigen Mediums im Inneren) abhängig von der Einbaulage bzw. der Gravitation. Durch die Heatpipes im Inneren des Stacks erhöht sich zudem regelmäßig das Bauvolumen.
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Damit ist bei dieser Form des Wärmemanagements der Einsatz einer passiven Kühlung ausreichend, jedoch muss eine eventuell notwendige Wärmezufuhr während der Startphase weiterhin durch eine Heizung erfolgen, da ein Start der Zelle bei Raumtemperatur auf Grund von Flüssigwassererzeugung in der Membran in der Regel bei der Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (HT-PEFC) nicht möglich ist.
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Die zweite Methode beschreibt die Kühlung durch ein gasförmiges Medium, insbesondere durch Luft. Neben der Kühlung, die durch einen zusätzlichen Luftstrom an der Kathode bewirkt werden kann, sind in der Regel bei dieser Art der Kühlung zusätzliche Luftkanäle vorgesehen, die entweder innerhalb der Bipolarplatten selbst angeordnet sind, oder in separaten Kühlzellen, die wiederum zwischen den bipolaren Platten angeordnet werden. Diese Kühlungsmethode wird in der Regel nur bei Brennstoffzellenstapel mit einer Leistung von 100 W bis 2 kW angewendet. Oberhalb reicht die Leistungsfähigkeit einer solchen Kühlung meist nicht mehr aus, bzw. ist die parasitäre Leistungsaufnahme regelmäßig zu hoch
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Die dritte Methode beschreibt die Kühlung durch ein flüssiges Medium, und ist eine Standardmethode für Brennstoffzellen in der kW-Klasse. Als Kühlmedium werden beispielsweise entionisiertes Wasser oder auch Frostschutzmittel in Form einer Mischung aus Ethylenglykol und Wasser eingesetzt. Das Kühlmedium wird typischerweise durch Kanäle innerhalb der Bipolarplatten (Kühlplatte) geleitet. Einige besondere Ausführungsformen sehen vor, dass beispielsweise nicht jede Bipolarplatte von einem Kühlmedium durchströmt wird, sondern auch mehr als eine Brennstoffzelle zwischen zwei Kühlplatten angeordnet werden können.
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Die weite Verbreitung der Kühlung mit einem flüssigen Medium hat bereits zu zahlreichen Optimierungen bezüglich des Kühlmediums, der Flowfieldgeometrie oder der Strömungskanalgeometrie geführt.
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Aus der Literatur sind auf der Rückseite einer Bipolarplatten-Halbschale eingearbeitete Kühlflowfields bekannt, die eine aktive Kühlung über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle ermöglichen. Dieses Kühlflowfield muss gegen die zweite Bipolarplatten-Halbschale abgedichtet werden. Alle im Brennstoffzellenstapel integrierten Kühlflowfields werden durch ein internes oder externes Verteiler- und Sammlermanifold versorgt. Diese Manifolds müssen ebenfalls abgedichtet werden, um ein Austreten des Kühlmediums aus dem Temperierkreislauf zu verhindern. Insgesamt kommen somit verschiedene Dichtungstypen und Dichtungsarten zum Einsatz.
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Ein Beispiel für die aktive Kühlung einer Brennstoffzelle mit einem flüssigen Kühlmedium kann der
DE 103 23 647 A1 entnommen werden. Hier ist eine Kühlmittelzuführung zu einer Gruppe von benachbarten Brennstoffzellen in einem mittleren Bereich entfernt von Randzellen eines Brennstoffzellenstapels vorgesehen. Eine Kühlmittelweiterleitung führt von dem mittleren Bereich zu den Randzellen, die folglich mit vorgewärmtem Kühlmittel gekühlt werden. Ein Vorteil hierbei ist, dass eine unerwünscht starke Wärmeabfuhr in den Randzellen ausgeglichen werden kann. In einer Ausführungsform wird das Kühlmittel im Inneren des Brennstoffzellenstapels durch separate, zwischen den Brennstoffzellen angeordnete Kühlplatten geleitet.
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Bei der Assemblierung eines Brennstoffzellenstapels müssen viele Einzelkomponenten möglichst exakt positioniert verbaut werden. Nachteilig bei diesen vorgenannten Arten der Kühlung ist, dass die vollständige Kühlstruktur erst durch das Aufeinanderlegen mehrerer Komponenten bei der Brennstoffzellenstapelmontage entsteht. Die Dichtheit der Kühlstruktur kann erst durch das Verpressen des Brennstoffzellenstapels nach der Gesamtassemblierung erreicht werden. Aufgrund der Anzahl und unterschiedlichen Materialeigenschaften der Komponenten ist eine vollständige Abdichtung der Flüssigkeits- und Gasführenden Bereiche schwierig realisierbar.
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Eine Herausforderung dabei ist, dass eine gute elektrische Kontaktierung der beiden Bipolarplatten-Halbschalen sichergestellt werden muss. Gleichzeitig muss eine vollständige Abdichtung der Kühlmitttel-Flowfields und -Manifolds gegenüber einem Kühlflüssigkeitsübertritt dauerhaft sichergestellt werden. Beim Übertritt der Kühlflüssigkeit in den Gasverteilerbereich kann es zu Schädigungen der MEA und damit Leistungsverlusten des Brennstoffzellenstapels kommen. Ebenfalls kann der Übertritt auch direkt in die Membran-Elektroden-Einheit(MEA)-Bereiche erfolgen. Ein Verlust von Kühlflüssigkeit aus dem Kühlkreislauf kann zu verminderten Kühlleistungen bis hin zu einem Ausfall des Brennstoffzellensystems führen.
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Aus der Literatur sind weiterhin in einen Brennstoffzellenstapel integrierte, vollständig gekapselte Kühlzellen bekannt, die zwischen zwei Bipolarplatten-Halbschalen mit glatt geschliffenen Kontaktflächen beispielsweise nach jeder n-ten Zelle eingebaut werden.
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Eine ähnliche Ausgestaltung von Kühlzellen wurde bereits in
DE 10 2007 021 462 B3 beschrieben. Die Grundlage der dort genannten Erfindung ist ein monolithischer Kühlkörper für den Einsatz in einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC), insbesondere für eine Hochtemperatur-PEFC. Die Aufgaben des Kühlkörpers ist es, im Betrieb der Hochtemperatur-PEFC eine ausreichende Kühlung der Einzelzellen zu gewährleisten. Ferner kann über den Kühlkörper optional die elektrische Kontaktierung der Brennstoffzellen sowie die Zuführung der Betriebsmittel sichergestellt werden. Der monolithische Kühlkörper weist dazu eine kammartige Ausgestaltung mit mehreren Rippen auf, wobei die Aussparungen zwischen diesen Rippen für die Aufnahme von Brennstoff-Einzelzellen vorgesehen sind.
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Nachteilig an dieser Ausgestaltung ist auch hier der große Platzbedarf, den der separate Kühlkörper einnimmt.
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Bei der vierten im Übersichtsartikel von Zhang et al. [1] erwähnten Methoden handelt es sich um eine Kühlung, die durch einen Phasenübergang des Kühlmediums erfolgt. Vorteilhaft wird bei dieser Art der Kühlung keine Kühlmittelpumpe benötigt, und neben der Kühlung kann gleichzeitig auch eine interne Befeuchtung stattfinden.
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In
US 6,866,955 B2 wird beispielsweise ein Kühlsystem für einen Brennstoffzellenstack offenbart, bei dem ein flüssiges Kühlmittel durch ein separates Flowfield für ein Kühlmittel gepumpt wird, und somit die Kühlung ebenfalls über die aktive Fläche erfolgt. Eine Drucksteuerung bewirkt, dass das Kühlmittel innerhalb des Brennstoffzellenstacks einen Phasenwechsel von flüssig nach gasförmig durchläuft. Dadurch wird einerseits die Menge an einzusetzendem Kühlmittel reduziert und andererseits die Menge an Energie, die für das Durchpumpen des Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel erforderlich ist. Zur Durchführung werden entsprechende Bipolarplatten eingesetzt, die auf einer ersten Seite ein Flowfield für ein Betriebsmittel aufweisen, und auf der anderen Seite ein Flowfield für das Kühlmittel sowie einen Ein- und Auslass. Auch hier erfolgt die Abdichtung des Kühlsystems erst bei der Assemblierung des Brennstoffzellenstapels.
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Aufgabe und Lösung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein gegenüber dem bekannten Stand der Technik verbessertes Temperiersystem für einen Brennstoffzellenstapel bereit zu stellen, bei dem die Integration und Abdichtung von Strömungskanälen für eine Flüssigkeitskühlung in die Bipolarplatte eines Brennstoffzellenstacks im Vordergrund steht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Hauptanspruchs für eine Kühlanordnung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung finden sich in den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen.
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Gegenstand der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem und ist insbesondere für Brennstoffzellen geeignet, welche mit einem flüssigen Kühlmedium gekühlt werden sollen. Besonders bevorzugt sind die Niedertemperatur-Brennstoffzellen, so genannte PEM-Brennstoffzellen (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen), die bei relativ niedriger Temperatur bis ca. 100°C betrieben werden. Es können jedoch auch Hochtemperatur-Polymerelektrolyt-Brenstoffzellen (so genannte HT-PEFC), phosphorsaure Brennstoffzellen und dergleichen mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager (Kühlsystem) ausgestattet werden, die bei etwas höheren Temperaturen von ca. 140–180°C betrieben werden.
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Ein Brennstoffzellenstack besteht aus vielen funktionellen Einzelteilen, die aufeinandergestapelt und miteinander verspannt werden. Die Verspannung muss im Wesentlichen zwei Anforderungen gewährleisten: zum einen muss eine elektrische Kontaktierung der leitfähigen Bauteile (MEA, Bipolarplatten) sichergestellt werden, zum anderen müssen die Betriebsmittel (Reaktandengase, Kühlmedien) leckagefrei den Stapel durchströmen. Bei Brennstoffzellenstacks mit einem zur Temperierung (Kühlung/Erwärmung) durchströmenden Medium ist dessen Abdichtung nach Außen und innerhalb des Brennstoffzellenstapels regelmäßig sehr schwierig. Kühlmedien können im Leckagefall die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle verringern.
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Wesentliches Ziel der Erfindung ist eine robuste und langlebige Abdichtung der Strömungsstruktur für ein Kühlmedium innerhalb einer Brennstoffzelle, bzw. eines Brennstoffzellenstapels, sowie eine verbesserte Handhabung des Kühlsystems auch bereits vor einer Assemblierung. Durch die Vorabfertigung einer erfindungsgemäßen in sich geschlossenen, gekapselten Strömungsstruktur (Einlegeteil) wird dieses Ziel erreicht und zudem die Anforderung an die Genauigkeit beim Assemblieren der Stapelkomponenten mit Dichtungsrelevanz im Kühlbereich deutlich reduziert.
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Das erfindungsgemäße Kühlsystem nutzt die Wärmeübertragung über die aktive Fläche einer Brennstoffzelle, indem es vorteilhaft über vorhandenen Bipolarplatten oder Endplatten umgesetzt wird. Dazu wird wenigstens eine eigenständig gekapselte Strömungsstruktur (Einlegeteil) verwendet, welches in wenigstens eine auf der Oberfläche einer Bipolarplatten-Halbschale angeordnete Aufnahmestruktur (Aussparung) eingebaut wird. Im Unterschied zu den bisherigen Kühlstrukturen ist die erfindungsgemäße Strömungsstruktur komplett gekapselt, dass heißt, sie bildet, von einem Zulauf und einem Ablauf für das Kühlmedium abgesehen, ein in sich abgeschlossenes Strömungssystem aus, welches lediglich in die Bipolarplatte integriert wird und somit zu einem effektiven Wärmeübertrager für die Brennstoffzelle wird.
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Die erfindungsgemäße gekapselte Strömungsstruktur ist temperaturbeständig bis mindestens 200°C und gegen das eingesetzte Kühlmedium beständig, welches beispielsweise Wasser oder ein mit entsprechenden Zusätzen versetztes Wasser sein kann. Ferner sollte die gekapselte Strömungsstruktur einen möglichst hohen Wärmedurchgang gewährleisten.
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Vorteilhaft sollte sie dazu dünnwandig ausgestaltet sein, um einen möglichst effektiven Wärmedurchgang vom Kühlmedium in die angrenzende Bipolarplatte zu ermöglichen. Dies ist insbesondere wichtig, sofern die erfindungsgemäße gekapselte Strömungsstruktur aus einem Kunststoff besteht, da die meisten Kunststoffe in der Regel eine nur sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
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Die erfindungsgemäße gekapselte Strömungsstruktur sollte zudem mechanisch stabil sein und eine gewisse Elastizität aufweisen, um beim Einlegen in die Aufnahmestruktur und beim anschließenden Zusammenbau nicht beschädigt zu werden. Des Weiteren muss eine Flexibilität vorhanden sein um die Wärmeausdehnung der umliegenden Bauteile auszugleichen.
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Als Material für die gekapselte Strömungsstruktur sind beispielsweise beständige Kunststoffe, wie Fluor-Polymer-Kautschuke (FKM, FPM), Perfluoralkoxylalkane (PFA) oder auch Polytetrafluorethylene (PTFE) geeignet.
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Vorteilhaft für die Herstellung der Strömungsstruktur ist zudem ein Material, welches selbst spritzgussfähig ist, sodass die Strömungsstruktur beispielsweise über einen Spritzgussprozess hergestellt werden kann.
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Im Rahmen der Erfindung wird das Einlegen in eine Bipolar- oder Endplatte dadurch erleichtert, dass diese Platten jeweils als Halbschalen ausgebildet sind, die beim Zusammenbau stoffschlüssig verbunden werden. Diese Halbschalen weisen auf einer ihrer Seiten (Außenfläche) in der Regel eine Struktur für die Verteilung eines Betriebsmittels auf, so genannte Flowfields. Je nach Elektrode und Betriebsmittel werden daher entsprechende Anoden-Bipolarplatten-Halbschalen und Kathoden-Bipolarplatten-Halbschalen eingesetzt. Der stoffschlüssige Kontakt beider Halbschalen erfolgt über die den Außenflächen gegenüber liegenden inneren Flächen, die in der Regel planar ausgestaltet sind.
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Erfindungsgemäß werden jeweils eine Anoden-Bipolarplatten-Halbschale und eine Kathoden-Bipolarplatten-Halbschale beim Zusammenbau stoffschlüssig verbunden, und schließen bis auf wenigstens einen Einlass und einen Auslass die in die Aufnahmestruktur eingelegte gekapselte Strömungsstruktur vollständig ein, die damit in die Bipolarplatte integriert ist. An den Rändern eines Brennstoffzellenstapels können natürlich auch die Endplatten in Form von End-Halbschalen für die Aufnahme einer Strömungsstruktur ausgebildet sein. Nach dem Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels sind je nach Ausgestaltung der Erfindung nahezu nur noch die einzelnen Ein- und Auslässe der gekapselte Strömungstruktur sichtbar, die dann wie bereits bekannt über externe Verteiler- oder Sammlermanifolds mit einer Pumpe zu einem Kühlkreislauf verbunden werden können.
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Die gekapselte Strömungsstruktur weist einen Einlass und einen Auslass auf, über die der Kontakt zu dem externen Teil des Kühlkreislaufes erfolgt. Der Zwischenbereich der gekapselten Strömungsstruktur zwischen Einlass und Auslass kann je nach Anforderung sehr unterschiedlich ausgestaltet werden.
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Eine erste, sehr einfache Ausgestaltung sieht vor, dass die gekapselte Strömungsstruktur zwischen Einlass und Auslass lediglich einen Kanal aufweist. Dieser Kanal kann beispielsweise in einer Mäanderform oder einer doppelten Spiralform vorliegen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die gekapselte Strömungsstruktur ähnlich wie bekannte Verteiler- und Sammlerstrukturen (Flowfileds) ausgestaltet, d. h. nach dem Einlass weitet sich die Strömungsstruktur beispielsweise in eine Vielzahl von Kanälen auf und wird vor dem Auslass wieder zu einem Strömungskanal zusammengeführt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegen die Kanäle beispielsweise nahezu parallel vor.
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Die Bipolarplatten-Halbschalen, die für die Aufnahme einer Strömungsstruktur vorgesehen sind, weisen auf ihrer inneren Oberfläche eine zur Strömungsstruktur korrespondierende Aufnahmestruktur auf. Die innere Oberfläche einer Bipolarplatten-Halbschale ist die Seite, die der Seite mit dem Betriebsmittelflowfield gegenüberliegt. Die inneren Seiten zweier benachbart angeordneter Bipolarplatten-Halbschalen werden beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels stoffschlüssig verbunden.
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Der Bereich der Strömungsstruktur, wo es zu einer Aufweitung und Sammlung von kleineren Kanälen kommt, liegt dabei bevorzugt in einer Ebene. Dies bedeutet, dass der Bereich des Einlegeteils, der für die Aufnahme in die Bipolarplatten-Halbschalen vorgesehen ist, mehr oder weniger planar ausgestaltet ist. Dies benötigt den geringsten Bauraum und ist auch fertigungstechnisch einfach zu realisieren.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Aufnahmestruktur der Bipolarplatte sieht vor, dass die Verteilung und Zusammenführung der Strömungsstruktur außerhalb der Bipolarplatte erfolgt und insoweit die Aufnahmestruktur selbst lediglich aus einer Vielzahl von parallel verlaufenden Kanälen besteht.
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Die gekapselte Strömungsstruktur (Einlegeteil) und die entsprechende Aufnahmestruktur in einer Bipolarplatten- oder Endplatten-Halbschale, nachfolgend nur noch Halbschale genannt, können verschiedene Geometrien aufweisen, von denen nachfolgend nur einige wenige exemplarisch genannt werden, ohne dass dadurch eine Einschränkung der Erfindung vorgenommen werden soll.
- – gerade, eckige Kanäle in der Halbschale mit einer entsprechenden Gegenkontur der Strömungsstruktur, kreisrunder oder eckiger Öffnungsquerschnitt in der Strömungsstruktur,
- – Variation des Höhen- zu Breitenverhältnisses der Kanäle der Strömungsstruktur; von rechteckig-hoch (dicke Halbschale, große Wärmeüberträgerfläche auf Halbschalenfläche möglich) über quadratisch bis rechteckig-flach (dünne Halbschale, kompaktere Bauform),
- – abgerundete Kanäle in der Halbschale, die Strömungsstruktur weist eine kreisrunde Rohr/Schlauchstruktur auf,
- – die Strömungsquerschnitte können über die Länge der Kanäle der Strömungstruktur und entsprechend in der Aufnahmestruktur variieren.
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Die Integration der gekapselten Strömungsstruktur (Einlegeteil) in die Halbschalen kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. Eine erste Möglichkeit sieht vor, dass die Aufnahmestruktur nur auf einer von zwei Halbschalen, vorgesehen ist, d. h. entweder in einer Anoden-Bipolarplatten-Halbschale, einer Kathoden-Bipolarplatten-Halbschale oder auch einer Endplatten-Halbschale. Die gekapselte Strömungsstruktur wird in ihrer gesamten Höhe von dieser aufgenommen, so dass die entsprechende zweite Halbschale mit einer planen Oberfläche direkt stoffschlüssig angeordnet werden kann.
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Alternativ können aber auch auf beiden Halbschalen Aufnahmestrukturen mit jeweils geringerer Höhe für das Einlegeteil vorhanden sein, die beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels stoffschlüssig verbunden werden und dabei die Strömungsstruktur in ihrer vollen Höhe aufnehmen.
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Im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Ausführung, bei der eine komplette Kühlzelle als eigenständige Einheit eingesetzt wird, wird bei der vorliegenden Erfindung nur die eigentliche Strömungsstruktur für ein Kühlmedium gekapselt.
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Die elektrische Kontaktierung der einzelnen Brennstoffzellen erfolgt vorteilhaft wie bisher über die Stege zwischen den Betriebsmittel-Flowfield-Kanälen der Bipolarplatten und wird durch die Kapselung der Strömungsstruktur des Wärmeübertragers nicht beeinträchtigt. Die Abdichtung erfolgt somit unmittelbar an den Kühlflüssigkeitsführenden Bereichen und umschließt diese Strömungsführende Struktur komplett und bildet deren Strömungswand. Die Abdichtung erfolgt durch eine unmittelbare Kapselung der Strömung, bzw. des Kühlmediums, und gibt gleichzeitig den Strömungsweg vor. Weitere Dichtungen, die nicht unmittelbar an die Strömungsführenden Bereiche angrenzen sind somit nicht mehr notwendig. Die gekapselte Strömungsstruktur umschließt vollständig die Strömung des Kühlmediums innerhalb der Brennstoffzelle und ein Aus- bzw. Eintreten des Kühlmediums ist nur in den definierten Bereichen, d. h. wenigstens einem Einlass und wenigstens einem Auslass möglich.
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Der Anschluss der gekapselten Strömungsstruktur an den übrigen Kühlmittelkreislauf erfolgt ausschließlich über den Einlass und den Auslass. Somit sind für die Temperierung der gesamten Brennstoffzelle nur noch an zwei Stellen (pro Kühlzelle) die Abdichtungen zu prüfen, bzw. sicherzustellen.
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Vorteilhaft ist ein guter Verbund zwischen dem Basismaterial der Bipolarplatte und dem Material für die gekapselte Strömungsstruktur anzustreben. Um einen hohen Wärmedurchgang zwischen Bipolarplatte und der Kühlflüssigkeit zu gewährleisten, ist einerseits die Wanddicke der Strömungsstruktur selbst so gering wie möglich auszulegen. Andererseits ist ein direkter, flächiger Kontakt der gekapselten Strömungsstruktur mit dem Material der Bipolarplatte bzw. der Endplatte von Vorteil. Zudem beeinflusst auch das Material der Bipolarplatte bzw. der Endplatte selbst den Wärmeaustausch erheblich.
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Die komplette Kapselung der Strömungsstruktur bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager kann insbesondere durch zwei Ausführungsvarianten erfolgen, wobei die zweite Ausführungsform nicht Gegenstand dieser Anmeldung ist:
- 1. Die Kapselung der Strömungsstruktur wird als ein eigenständiges Einlegebauteil aus geeignetem Dichtungswerkstoff gefertigt und bei der Assemblierung des Brennstoffzellenstacks in eine, bzw. zwischen zwei bereits vorhandene Aufnahmestrukturen der Bipolarplatten- oder Endplatten-Halbschalen eingelegt.
- 2. Die Bipolarplatten- oder Endplatten-Halbschale wird als Kompositbauteil gefertigt. Dabei erfolgt die Kapselung bzw. Abdichtung des Kühlmittels mittels eines geeigneten Dichtungswerkstoffes, der fest mit dem Halbschalenmaterial durch eine geeignete Fertigungstechnik verbunden wird. Die Kapselung erfolgt somit nicht durch ein in sich gekapseltes Einlegeteil, sondern wird gebildet durch die vorhandenen Kanalwände der Halbschale und einer Art Einlegedeckel, die zusammen eine insgesamt gekapselte Einheit bilden. Als Material für den Deckel eignen sich Kleber oder Silikon, aber auch die für die bisherige Erfindung eingesetzten Kunststoffe möglicherweise in Kombination mit einem Kleber oder Silikon. Der Deckel selbst wird beispielsweise durch Aufspritzen oder Ankleben der Abdichtungsvorrichtung (Kunststoffschweißen) an der Halbschale befestigt.
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Spezielle Ausführungen zur Erfindung
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von einigen Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1: Aufbaus eines Brennstoffzellenstacks (Explosionszeichnung) mit erfindungsgemäßem Kühlsystem.
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2: Detailansicht einer Brennstoffzelle (Explosionszeichnung) mit einer erfindungsgemäßen gekapselten Strömungsstruktur.
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2a: Ausführungsform mit einer Aufnahmestruktur auf nur einer der beiden Bipolarplatten-Halbschalen.
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2b: Ausführungsform mit Aufnahmestrukturen auf beiden Bipolarplatten-Halbschalen.
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3: Ausführungsformen der gekapselten Strömungsstruktur:
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3a: Einkanalige Strömungsstruktur in Form eines Mäanders.
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3b: Einkanalige Strömungsstruktur in Form einer Doppelspirale.
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3b: Mehrkanalige Strömungsstruktur mit parallelen Kanälen.
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4: Draufsicht einer gekapselten Strömungsstruktur eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers (links), eine Bipolarplatten-Halbschale mit Aufnahmestruktur für eine gekapselten Strömungsstruktur (Mitte) sowie die Bipolarplatten-Halbschale mit der eingelegten gekapselten Strömungsstruktur (rechts).
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4a: Ausführungsform mit einer Strömungsstruktur, bei der die Verteilung und Sammelung der Einzelkanäle außerhalb der Bipolarplatte erfolgt, und die Aufnahmestruktur daher lediglich parallele Kanäle vorsieht.
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4b: Ausführungsform mit einer Strömungsstruktur, bei der die Verteilung und Sammlung der Einzelkanäle innerhalb der Bipolarplatte erfolgt.
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5: Ausgewählte Variationen der Querschnittsgeometrie von Einlegeteil (Strömungsstruktur) und Aufnahmestruktur der Bipolarplatten-Halbschalen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Endplatte, je nach Ausführung mit Aufnahmestruktur für die gekapselte Strömungsstruktur,
- 2
- Stromabnehmer und elektrische Isolierung,
- 3
- Anoden-Bipolarplatten-Halbschale, je nach Ausführung mit Aufnahmestruktur für die gekapselte Strömungsstruktur des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
- 4
- Membran-Elektroden-Einheit (MEA) mit gasseitigen Flachdichtungen (nicht eingezeichnet),
- 5
- Kathoden-Bipolarplatten-Halbschale, je nach Ausführung mit Aufnahmestruktur für die gekapselte Strömungsstruktur des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
- 6
- gekapselte Strömungsstruktur,
- 7
- Aufnahmestruktur (Aussparung, bzw. Ausfräsung auf der Oberfläche einer Halbschale).
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Ausführungsbeispiel:
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Einlegeteil in Kühlstruktur einer Bipolarplatten-Halbschale für einen HT-PEFC-Stack
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In 1 ist der Stapelaufbau inklusive der Positionen der gekapselten Strömungsstrukturen dargestellt.
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2 ist eine Detailansicht einer Zelle aus 1. Sie zeigt zwei Ausgestaltungen der Wiederholeinheit aus Bild 1 in detaillierter Form. Insbesondere sind die geschlossenen Strömungsräume in der gekapselten Strömungstruktur und die zwei beispielhafte, unterschiedliche Aufnahmestrukturen in der Kathoden-Bipolarplatten-Halbschale erkennbar.
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3 zeigt drei mögliche Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strömungsstruktur.
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In 4a und 4b sind jeweils Draufsichten für gekapselte Strömungsstrukturen (Einlegteile), Kathoden-Bipolarplatten-Halbschalen mit Aufnahmestruktur für gekapselte Strömungsstrukturen und die in die Kathoden-Bipolarplatten-Halbschalen eingelegten Strömungsstrukturen zu sehen.
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In 5 sind schematisch verschiedene Strömungsquerschnitte der gekapselten Strömungsstruktur sowie damit korrelierende Querschnitte der Aufnahmestrukturen auf der Oberfläche der Bipolarplatten- oder Endplatten-Halbschalen angedeutet.
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In der Anmeldung zitierte Literatur:
- [1] Guangsheng Zhang, Satish G. Kandlikar, „A critical review of cooling techniques in proton exchange membrane fuel cell stacks", International Journal of Hydrogen Energy, Volume 37, Issue 3, February 2012, Pages 2412–2429.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10323647 A1 [0015]
- DE 102007021462 B3 [0019]
- US 6866955 B2 [0022]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- 2012 erschienenen Übersichtartikel von Zhang et al. [0005]
- Übersichtsartikel von Zhang et al. [0021]
- Guangsheng Zhang, Satish G. Kandlikar, „A critical review of cooling techniques in proton exchange membrane fuel cell stacks”, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 37, Issue 3, February 2012, Pages 2412–2429 [0068]
