DE102013203314A1

DE102013203314A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102013203314A1
Application number: DE201310203314
Authority: DE
Inventors: Stefan Haase; Roman Hiemer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-08-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel an jedem Ende von einem Stromabnehmer begrenzt ist, an welchem eine Endplatte anliegt. Um ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das mit einfachen Mitteln relativ schnell auf eine optimale Betriebstemperatur erwärmt werden kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass an dem Stromabnehmer auf der von dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite eine Fluidkammer angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel an jedem Ende von einem Stromabnehmer begrenzt ist, an welchem eine Endplatte anliegt.
Einzelne Brennstoffzellen werden in der Regel in Reihe zu einem Brennstoffzellenstapel geschaltet, um eine höhere Spannung zu erreichen. An jedem Ende eines Brennstoffzellenstapels befindet sich eine Endplatte, welche eine gleichmäßige Flächenpressung auf die Brennstoffzellen ermöglicht, um eine Trennung der Fluidströme und eine Dichtheit nach außen zu gewährleisten. Zwischen der Endplatte und dem Brennstoffzellenstapel befindet sich ein Stromabnehmer (meist aus Kupfer), der den elektrischen Strom aller Brennstoffzellen sammelt und vom Brennstoffzellenstapel ableitet. Diese sind durch eine Isolationsschicht getrennt, welche den Stromabnehmer von der Endplatte thermisch und elektrisch isoliert.
Eine PEM-Brennstoffzelle (Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle) hat eine ideale Betriebstemperatur zwischen 60 und 80°C. Wenn die Temperatur, bei der die chemische Reaktion in den Brennstoffzellen gestartet wird, deutlich darunter liegt, sinkt die Leistung des gesamten Brennstoffzellenstapels stark ab. Um schnell akzeptable Leistungswerte zu erreichen, muss daher die Temperatur der Brennstoffzellen bei einem Kaltstart möglichst schnell angehoben werden. Die thermische Masse der in einer Brennstoffzelle vorhandenen Bipolarplatten und der Membran-Elektroden-Einheit ist sehr gering, wodurch die einzelne Brennstoffzelle an sich verhältnismäßig schnell erwärmt werden kann. Die Stromabnehmer am Ende des Brennstoffzellenstapels haben jedoch eine sehr hohe thermische Masse, so dass sehr viel Wärmeenergie notwendig ist, um diese zu erwärmen. Die thermische Energie zur Erwärmung der Stromabnehmer muss von den direkt an diesen anliegenden Brennstoffzellen aufgebracht werden, weshalb sich diese selbst ebenfalls sehr langsam erwärmen, da eine direkte Kopplung des Stromflusses über den Stromabnehmer und die Wärmekapazität des Stromabnehmers besteht. Durch die Reihenschaltung der Brennstoffzellen wirkt sich die geringe Leistungsfähigkeit der wenigen Brennstoffzellen am Ende allerdings negativ auf den gesamten Brennstoffzellenstapel aus. Dadurch ist die Leistung bei einem Kaltstart des Brennstoffzellenstapels erst nach einigen Minuten auf einem akzeptablen Level. Diese hohe Anlaufzeit ist bei einer mobilen Anwendung – beispielsweise in einem Automobil – nicht tragbar.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das mit einfachen Mitteln relativ schnell auf eine optimale Betriebstemperatur erwärmt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel an jedem Ende von einem Stromabnehmer begrenzt ist, an welchem eine Endplatte anliegt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an dem Stromabnehmer auf der von dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite eine Fluidkammer angeordnet ist.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann das Brennstoffzellensystem mit einfachen Mitteln relativ schnell auf eine optimale Betriebstemperatur erwärmt werden. Denn in der Fluidkammer kann Wärme erzeugt werden, welche zur Erwärmung der Stromabnehmer und der anliegenden Brennstoffzellen verwendet werden kann.
Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Fluidkammer in einer Ausnehmung der Endplatte angeordnet.
Um die Wärmeverluste der Fluidkammer zu reduzieren, kann die Fluidkammer auch in einer Ausnehmung einer Isolationsplatte angeordnet sein, welche zwischen der Endplatte und dem Stromabnehmer angeordnet ist.
In der Fluidkammer ist vorteilhafterweise eine Faser- oder Schaumstruktur angeordnet ist, in welcher sich eine Substanz/Fluid befindet, die bei einer Druckerhöhung Wärme abgibt. Die Faser- oder Schaumstruktur dient gleichzeitig zur Abstützung der Endplatte.
Um den Druck zu erhöhen, ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung eine Stellschraube vorgesehen. Alternativ kann auch eine Pumpe oder der im Wasserstofftank herrschende Druck zur Druckregulierung verwendet werden.
Vorteilhafterweise ist in der Endplatte ein Druckanschluss angeordnet, an den die Stellschraube bzw. die Pumpe bzw. den Wasserstofftank angeschlossen ist.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich folgende Vorteile:

– Die Idealleistung des Brennstoffzellenstapels wird wesentlich schneller erreicht.
– Die Temperatur für einen möglichen Kaltstart ist deutlich niedriger als ohne Fluidkammer.
– Die einzelnen Brennstoffzellen, vor allem die äußeren Brennstoffzellen, haben eine höhere Lebensdauer, da eine Eisbildung in den Poren der Membran durch die schnellere Temperaturzunahme verringert wird. Denn die gefrorenen Wassermoleküle würden durch ihre Volumenvergrößerung beim Übergang vom flüssigen zum gefrorenen Zustand die Struktur der Membran zerstören, wodurch die Leitfähigkeit der Membran stark verringert würde.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffzellenstapel,
2 ein Diagramm, welches die Enthalpie in Abhängigkeit des Druckes zeigt,
3 ein Spannungsdiagramm eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Stand der Technik ohne Fluidkammer, und
4 ein Spannungsdiagramm eines Brennstoffzellenstapels gemäß der Erfindung mit Fluidkammer.
In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile des Brennstoffzellensystems oder Brennstoffzellenstapels dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
Gemäß 1 besteht das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem aus mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel 1 zusammengefassten Brennstoffzellen 2, wobei der Brennstoffzellenstapel 1 an jedem Ende von einem Stromabnehmer 3 begrenzt ist, an welcher eine Endplatte 4 anliegt.
An dem Stromabnehmer 3 ist auf der den Brennstoffzellen 2 abgewandten Seite eine Fluidkammer 5 angeordnet, die in einer Ausnehmung einer Isolationsplatte 6 angeordnet ist, welche zwischen der Endplatte 4 und dem Stromabnehmer 3 angeordnet ist.
Alternativ – aber nicht dargestellt – kann die Fluidkammer 5 auch in einer Ausnehmung der Endplatte 4 angeordnet sein.
In der Fluidkammer 5 ist eine spezielle Faser- oder Schaumstruktur angeordnet, welche eine Substanz enthält, die bei einer Druckerhöhung ihre Phase wechselt und dadurch Wärme abgibt.
Um den Druck zu erhöhen, kann eine Stellschraube oder alternativ eine Pumpe verwendet werden. Die Stellschraube bzw. die Pumpe ist mit einem Druckanschluss 7 verbunden, der in der Endplatte 4 angeordnet ist.
Somit wird erfindungsgemäß der latente Wärmeübergang flüssig-gasförmig in der Fluidkammer 5 ausgenutzt, um den Stromabnehmer 3 und die anliegenden Brennstoffzellen 2 bei einem Kaltstart zu erwärmen. Vor dem Startvorgang befindet sich die Substanz bei Druckbedingungen, die der entsprechenden Außentemperatur angepasst wird, in gasförmigem oder gas-flüssigem Zustand. Beim Start wird der Druck durch die Stellschraube oder die Pumpe erhöht, was eine Erhöhung der Temperatur der Substanz zur Folge hat (Kompressionsphase).
Alternativ kann auch der im Wasserstofftank herrschende Druck zur Druckregulierung verwendet werden.
Das Druckniveau wird dabei so gewählt, dass ein Start möglich ist (ca. 5–10°C). Die Energie, die danach zur Verfügung steht, ist deutlich größer als die hineingesteckte Energie (Wärmepumpenprinzip). Die erzeugte Wärme wird an den Stromabnehmer 3 und die anliegenden Brennstoffzellen 2 abgegeben. Dadurch werden die äußeren Brennstoffzellen 2 so erwärmt, dass sie das gleiche Temperaturniveau wie die mittleren Brennstoffzellen aufweisen. Dies kann in Stufen oder auch kontinuierlich geschehen (s. 2).
Hierbei wird die Phasenverschiebung flüssig-gasförmig genutzt. Die Abgabe der Energie/Enthalpie erfolgt in der Zeichnung gemäß 2 von rechts nach links. Dabei nimmt ein immer größerer Teil des Mediums den flüssigen Zustand an. In der Ausgangssituation (Auto steht, tiefe Umgebungstemperatur) ist der Druck so eingestellt worden, dass die Phasenübergangstemperatur ungefähr der Umgebungstemperatur entspricht. Beim Start wird das Medium mit Druck beaufschlagt, die Phasenwechseltemperatur (beliebig, je nach Betriebsstrategie ca. 5–10°C) ist abhängig von dem Druck. Durch den Temperaturgradienten wird Energie an den Stromabnehmer 3 abgegeben und diese erwärmt sich. Dieser Wärmeeintrag sollte so groß sein, dass sich der Stromabnehmer 3 ungefähr genauso schnell erwärmt wie die mittleren Brennstoffzellen 2. Im Betrieb ist die Temperatur des Stromabnehmers 3 höher als die Phasenwechseltemperatur. Dadurch nimmt das Medium wieder Energie auf und diese kann beim nächsten Start verwendet werden. Alle Prozesse können auch in Druck-Stufen ablaufen. Die Druckregulierung beim Abstellen kann auch in Abhängigkeit der Außentemperatur geregelt sein und je nach Umgebung angepasst werden. Dies kann auch bei einem „Aufwachen” des Fahrzeuges geschehen.
Je nach Auslegung und Platzbedarf kann der Startpunkt auch bei kleinerem prozentualem Gasanteil liegen. Dies würde die Effizienz steigern, aber das Volumen vergrößern. Im kontinuierlichen Verfahren oder Stufenverfahren muss nur die erste Energie von einer Batterie gestellt werden, danach wird diese aus der schnelleren Erwärmung – entspricht mehr Leistung – zur Verfügung gestellt.
3 zeigt ein Spannungsdiagramm eines Brennstoffzellensystems ohne Fluidkammer. Dabei ist zu erkennen, dass die äußersten Brennstoffzellen eine deutlich geringere Spannung haben als die Brennstoffzellen in der Mitte. Der Gesamtstrom des Brennstoffzellenstapels wird allerdings immer an die Brennstoffzelle mit der geringsten Spannung angepasst. Dabei ist eine Spannung U_min ausschlaggebend, bei welcher der Brennstoffzellenstapel wenig lebensdauerkritisch anläuft. Diese ist in dem Diagramm gemäß 2 0,2 V. Die beiden äußersten Brennstoffzellen sind somit der limitierende Faktor des gesamten Brennstoffzellenstapels, während die hohe Spannung in den mittleren Brennstoffzellen ungenutzt bleibt. Zum Zeitpunkt t₁ fließt beim Brennstoffzellenstapel ohne Fluidkammer ein Gesamtstrom von 0,2 A/cm².
4 zeigt ein Spannungsdiagramm eines Brennstoffzellensystems mit einer Fluidkammer. Dabei wurde der Brennstoffzellenstapel kalt gestartet. Zum gleichen Zeitpunkt t₁ ist das ΔU zwischen den äußeren und mittleren Brennstoffzellen deutlich geringer. Dadurch kann mehr Strom pro Fläche abgenommen werden, in diesem Fall 0,6 A/cm². Somit ist die elektrische Leistung (P = U·I) des Brennstoffzellenstapels mit Fluidkammer in der Anlaufphase 3× so hoch wie ohne Fluidkammer.
Die entstehende Wärme (Verlustleistung) in den mittleren Brennstoffzellen ist bei Verwendung einer Fluidkammer wesentlich höher. Diese trägt entscheidend zum schnelleren Aufwärmprozess bei, welcher bis zu 5× schneller stattfindet wie bei einem Brennstoffzellensystem ohne Fluidkammer.
Das vorbeschriebene Brennstoffzellensystem findet vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug Verwendung.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenstapel
2: Brennstoffzelle
3: Stromabnehmer
4: Endplatte
5: Fluidkammer
6: Isolationsplatte
7: Druckanschluss

Claims

Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel an jedem Ende von einem Stromabnehmer begrenzt ist, an welchem eine Endplatte anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Stromabnehmer (3) auf der von dem Brennstoffzellenstapel (1) abgewandten Seite eine Fluidkammer (5) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkammer (5) in einer Ausnehmung der Endplatte (4) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkammer (5) in einer Ausnehmung einer Isolationsplatte (6) angeordnet ist, welche zwischen der Endplatte (4) und dem Stromabnehmer (3) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fluidkammer (5) eine Faser- oder Schaumstruktur angeordnet ist, in welcher sich eine Substanz befindet, die bei einer Druckerhöhung Wärme abgibt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Druckerhöhung eine Stellschraube vorgesehen ist.
Brennstoffzeilensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Druckerhöhung eine Pumpe vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Druckerhöhung der im Wasserstofftank herrschende Druck verwendet wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Endplatte (4) ein Druckanschluss (7) angeordnet ist, an den die Stellschraube bzw. die Pumpe bzw. der Wasserstofftank angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Kraftfahrzeug verwendet wird.