DE102012206459A1

DE102012206459A1 - Brennstoffzellen-Stack, insbesondere für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102012206459A1
Application number: DE201210206459
Authority: DE
Inventors: Stefan Haase; Andreas Buchner; Michael Bauer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2013-10-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellen-Stack, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit zwischen den Elektroden-Elektrolyt-Einheiten vorgesehenen Bipolarplatten, in denen Kanäle für die Zufuhr von Reaktionsluft und Brenngas zur jeweiligen Elektrode vorgesehen sind, wobei zumindest eine Bipolarplatte aus einer ersten die Kanäle für die Reaktionsluft bildenden Teilstruktur und einer zweiten die Kanäle für das Brenngas bildenden Teilstruktur besteht, die durch Distanzelemente voneinander beabstandet gehaltenen sind, so dass zwischen den beiden Teilstrukturen ein Strömungsraum für ein Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, gebildet ist. Als Distanzelement(e) zwischen den beiden Teilstrukturen einer Bipolarplatte ist eine aus Blech geformte Trennstruktur vorgesehen, die mit diesen beiden Teilstrukturen in wärmeübertragender Verbindung steht und solchermaßen geformt ist, dass hierdurch mehrere Kanäle für das Kühlmedium gebildet sind, deren sich zwischen den besagten Teilstrukturen erstreckende Kanalwände von beiden Seiten mit dem Kühlmedium in Kontakt stehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellen-Stack, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit zwischen den Elektroden-Elektrolyt-Einheiten vorgesehenen Bipolarplatten, in denen Kanäle für die Zufuhr von Reaktionsluft und Brenngas zur jeweiligen Elektrode vorgesehen sind, wobei zumindest eine Bipolarplatte aus einer ersten die Kanäle für die Reaktionsluft bildenden Teilstruktur und einer zweiten die Kanäle für das Brenngas bildenden Teilstruktur besteht, die durch Distanzelemente voneinander beabstandet gehaltenen sind, so dass zwischen den beiden Teilstrukturen ein Strömungsraum für ein Kühlmedium, insbesondere Kühlluft, gebildet ist. Zum Stand der Technik wird neben der DE 100 15 360 B4 und der DE 10 2010 013 003 A1 insbesondere auf die DE 10 2005 046 795 A1 verwiesen.
Da der in Brennstoffzellen ablaufende elektrochemische Energiewandlungsprozess exotherm abläuft, muss jedenfalls ein Brennstoffzellen-Stack, der durch einen Stapel mehrerer PEM-Brennstoffzellen (PEM = Proton Exchange Membrane oder Polymer Electrolyte Membrane) inclusive eines Gasverteilers und weitere periphere Systeme gebildet ist, gekühlt werden. Hierfür können die Bipolarplatten, auch Seperatoreinheiten genannt, mit Wärmeabfuhr-Rippen versehen sein, vgl. bspw. die DE 10 2010 023 021 A1 . Alternativ kann ein Wärmeträgermittel in geeigneten Kanälen, die zumeist innerhalb der Bipolarplatten vorgesehen sind, quasi durch den Brennstoffzellen-Stack geführt werden, vgl. bspw. die o. g. DE 100 15 360 B4 . Während die erstgenannte Ausführungsform einen relativ geringen Kühl-Wirkungsgrad besitzt, verursacht die zweitgenannte Ausführungsform einen hohen Herstellungsaufwand und ist wegen nur relativ kleiner möglicher Kühlkanalquerschnitte praktisch nur für ein flüssiges Wärmeträgermittel (mit einem höheren Wärmeübergangskoeffizienten) geeignet.
Eine andere Ausführungsform, die insbesondere auch für die Verwendung von Umgebungsluft als Wärmeträgermittel bzw. Kühlmedium (mit einem relativ geringeren Wärmeübergangskoeffizienten) geeignet ist und die zur Bildung des Oberbegriffs des vorliegenden Anspruchs 1 herangezogenen ist, ist in der DE 10 2005 046 795 A1 gezeigt. In einem Strömungsraum zwischen zwei Teilstrukturen, die zusammenwirkend eine Bipolarplatte bilden, kann ein relativ großer Luftmassenstrom hindurchgeführt werden, wodurch dann ein ausreichend hohes Wärmeabfuhr-Potential gegeben ist.
Vorliegend soll eine Maßnahme aufgezeigt werden, wie der Kühl-Wirkungsgrad an einem solchen Brennstoffzellen-Stack nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 weiter gesteigert werden kann (= Aufgabe der vorliegenden Erfindung).
Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, dass als Distanzelement(e) (zwischen den beiden Teilstrukturen einer Bipolarplatte) eine aus Blech geformte Trennstruktur vorgesehen ist, die mit diesen beiden Teilstrukturen in wärmeübertragender Verbindung steht und solchermaßen geformt ist, dass hierdurch mehrere Kanäle für das Kühlmedium gebildet sind, deren sich zwischen den besagten Teilstrukturen erstreckende Kanalwände von beiden Seiten mit dem Kühlmedium in Kontakt stehen.
Eine erfindungsgemäße Trennstruktur zwischen den beiden Teilstrukturen der Bipolarplatte, in welche aus diesen Teilstrukturen Wärme abgeführt werden kann, erhöht die wärmeübertragende Fläche zum Kühlluftstrom signifikant, wenn letzterer in mehreren Kanälen geführt ist, deren Wände durch diese Trennstruktur gebildet sind und wobei diese Wände beidseitig mit Kühlluft beaufschlagt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Trennstruktur einen zick-zack-förmigen Querschnitt auf und greift somit eine bspw. für Kühler von Fahrzeug-Brennkraftmaschinen bekannte Bauweise auf. Vorzugsweise ist die Trennstruktur zur einfachen Darstellung der Funktion der Bipolarplatte elektrisch leitfähig und elektrisch leitend mit den Teilstrukturen verbunden; alternativ kann die elektrische Verbindung der Teilstrukturen aber auch andersartig dargestellt sein. Nachdem die hier grundsätzlich vorgeschlagene Maßnahme geeignet ist, die Wärmeabfuhr aus dem Stack bei unverändertem Kühlluftstrom gegenüber dem Stand der Technik signifikant zu erhöhen, kann eine erfindungsgemäße Trennstruktur nur in einer Teilmenge der Bipolarplatten eines Brennstoffzellen-Stacks vorgesehen sein, wodurch sich dessen Bauraumbedarf reduziert, da einige der Bipolarplatten auch ohne bauraumintensive Luftkühlung ausgeführt werden können, d. h. zwischen einigen der Elektroden-Einheiten können auch Bipolarplatten ohne einen Strömungsraum für ein Kühlmedium vorgesehen sein.
Wenn ein erfindungsgemäßer luftgekühlter Brennstoffzellen-Stack in einem Kraftfahrzeug verbaut werden soll, empfiehlt es sich, diesen im Farrzeug-Bereich mit der größtmöglichen Luftanströmung anzuordnen. Dieser befindet sich bekanntlich im Frontbereich eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise Personenkraftwagens dort, wo die Kühler von Fahrzeug-Brennkraftmaschinen angeordnet sind. Dieser Bereich ist jedoch einem nicht zu vernachlässigenden Crash-Risiko in Folge eines Unfalls ausgesetzt. Um nicht bereits bei geringfügigeren Unfällen bzw. Aufprall-Situationen des Fahrzeugs auf ein Hindernis den dort wegen der guten Kühlmöglichkeit angeordneten Brennstoffzellen-Stack zu zerstören, kann zwischen einer eine Lufteintrittsöffnung für Umgebungsluft aufweisenden Stirnwand des Kraftfahrzeugs und einer Luftsammelvorrichtung des Brennstoffzellen-Stacks, in der eine Aufteilung des zugeführten Umgebungs-Luftstroms in einen Kühlluftstrom und einen einer Konditionierungseinheit zugeführten Reaktionsluftstrom erfolgt, eine mit einer Luftfördervorrichtung versehene Luftleitvorrichtung vorgesehen sein. Diese Luftleiteinrichtung ist ausreichend lang gestaltet, so dass der Brennstoffzellen-Stack soweit gegenüber der Stirnwand das Fahrzeugs nach hinten versetzt angeordnet sein kann, dass Aufprall-Situationen bis zu einem gewissen Ausmaß vom Vorderbau des Fahrzeugs abgefangen werden können, ohne dass hierbei der Brennstoffzellen-Stack verletzt wird.
Die beigefügte Figur zeigt perspektivisch und auf das wesentlichste beschränkt eine erfindungsgemäße Bipolarplatte eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Stacks. Zwischen zwei lediglich abstrakt dargestellten im wesentlichen ebenen Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 1a, 1b ist eine Bipolarplatte 2 angeordnet, die aus zwei jeweils im wesentlichen eine Ebene beschreibenden Teilstrukturen 2a, 2b besteht, in denen in bekannter Weise Kanäle K ausgeformt sind, durch die ein der benachbarten Elektrode einer Elektroden-Elektrolyt-Einheiten 1a bzw. 1b ein Gas zuführbar ist. Beispielsweise werde durch den Kanal K der Teilstruktur 2a gemäß dem Pfeil H₂ ein Brenngas, insbesondere Wasserstoff, der benachbarten Elektrode Elektroden-Elektrolyt-Einheit 1a zugeführt und es werde durch den Kanal K der Teilstruktur 2b gemäß dem Pfeil O₂ konditionierte Umgebungsluft und somit Sauerstoff der benachbarten Elektrode der Elektroden-Elektrolyt-Einheit 1b zugeführt.
Die beiden Teilstrukturen 2a, 2b sind durch eine Trennstruktur 2c, die funktional ein Bestandteil der Bipolarplatte 2 ist, voneinander beabstandet gehalten, so dass zwischen diesen beiden Teilstrukturen 2a, 2b ein Strömungsraum für Kühlluft gemäß dem Pfeil L gebildet ist. Wie ersichtlich besitzt diese Trennstruktur 2c einen zick-zack-förmigen Querschnitt, der durch Biegeformen eines metallischen Blechs dargestellt ist und es liegt diese Trennstruktur 2c mit ihren Zacken Z an den Teilstrukturen 2a, 2b an bzw. ist mit diesen verbunden, insbesondere verlötet, so dass jeweils eine wärmeleitende und elektrisch leitende Verbindung zwischen den Teilstrukturen 2a, 2b und der Trennstruktur 2c vorliegt. Die Trennstruktur 2c bildet dabei eine Vielzahl ziehharmonika-artig angeordneter und in den Zacken Z miteinander verbundener Kanalwände W, zwischen denen der zugeführte Kühlluftstrom gemäß Pfeil L geführt ist. Indem mit Ausnahme der zwei an einander gegenüberliegenden Randseiten der im wesentlichen quaderförmigen Bipolarplatte liegenden Kanalwände jede Kanalwand W beidseitig von Kühlluft (L) beaufschlagt wird, ist eine größtmögliche Wärmeabfuhr über diesen Kühlluftstrom L gewährleistet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10015360 B4 [0001, 0002]
DE 102010013003 A1 [0001]
DE 102005046795 A1 [0001, 0003]
DE 102010023021 A1 [0002]

Claims

Brennstoffzellen-Stack, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit zwischen den Elektroden-Elektrolyt-Einheiten (1a, 1b) vorgesehenen Bipolarplatten (2), in denen Kanäle (K) für die Zufuhr von Reaktionsluft (O₂) und Brenngas (H₂) zur jeweiligen Elektrode vorgesehen sind, wobei zumindest eine Bipolarplatte (2) aus einer ersten die Kanäle (K) für die Reaktionsluft (O₂) bildenden Teilstruktur (2b) und einer zweiten die Kanäle (K) für das Brenngas (H₂) bildenden Teilstruktur (2a) besteht, die durch Distanzelemente voneinander beabstandet gehaltenen sind, so dass zwischen den beiden Teilstrukturen (2a, 2b) ein Strömungsraum für ein Kühlmedium, insbesondere Kühlluft (L), gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Distanzelement(e) eine aus Blech geformte Trennstruktur (2c) vorgesehen ist, die mit den beiden Teilstrukturen (2a, 2b) der Bipolarplatte (2) in wärmeübertragender Verbindung steht und solchermaßen geformt ist, dass hierdurch mehrere Kanäle für das Kühlmedium (L) gebildet sind, deren sich zwischen den besagten Teilstrukturen (2a, 2b) erstreckende Kanalwände (W) von beiden Seiten mit dem Kühlmedium (L) in Kontakt stehen.
Brennstoffzellen-Stack nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennstruktur (2c) einen zick-zack-förmigen Querschnitt aufweist.
Brennstoffzellen-Stack nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass neben Bipolarplatten mit einem Strömungsraum für ein Kühlmedium zwischen einigen der Elektroden-Einheiten Bipolarplatten ohne Strömungsraum für ein Kühlmedium vorgesehen sind.
Kraftfahrzeug mit einem in dessen Frontbereich angeordneten Brennstoffzellen-Stack nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer eine Lufteintrittsöffnung für Umgebungsluft aufweisenden Stirnwand des Kraftfahrzeugs und einer Luftsammelvorrichtung des Brennstoffzellen-Stacks, in der eine Aufteilung des zugeführten Umgebungs-Luftstroms in einen Kühlluftstrom und einen einer Konditionierungseinheit zugeführten Reaktionsluftstrom erfolgt, eine mit einer Luftfördervorrichtung versehene Luftleitvorrichtung vorgesehen ist.