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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenseparator und einen Brennstoffzellenstapel mit demselben, und insbesondere einen Brennstoffzellenseparator, der eine lokale Kühleffizienz durch Verbessern der Wärmeübertragungseffizienz darin verbessern kann, und einen Brennstoffzellenstapel mit demselben.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Ein Brennstoffzellenstapel umfasst typischerweise einen Brennstoffzellenstapel zum Erzeugen von elektrischer Energie, eine Brennstoffversorgungseinheit zum Zuführen von Brennstoff (Wasserstoff) an den Brennstoffzellenstapel, eine Luftversorgungseinheit zum Zuführen von Luft (insbesondere Sauerstoff, der ein für elektrochemische Reaktionen erforderliches Oxidationsmittel darstellt) an den Brennstoffzellenstapel und eine Wärme-und-Wasser-Steuereinheit zum Abführen der von dem Brennstoffzellenstapel emittierten Reaktionswärme aus dem Brennstoffzellensystem und demgemäß Steuern/Regeln der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels.
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In dem Brennstoffzellenstapel des oben ausgeführten Brennstoffzellensystems wird durch die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff (Brennstoff) mit dem Sauerstoff in der Luft Elektrizität erzeugt und Wärme und Wasser werden als Nebenprodukte der Reaktion abgeführt. Der Brennstoffzellenstapel wird durch kontinuierliches Stapeln einer Mehrzahl von Elementarzellen gebildet und jede der Elementarzellen umfasst Membranelektrodenanordnungen (membrane electrode assemblies – MEAs) und Separatoren, die jeweils nahe an einer Seite von jeder der Membranelektrodenanordnungen angeordnet sind.
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Hierbei ist jede der Elementarzellen mit einer Dichtung zwischen der Membranelektrodenanordnung und dem Separator zum Aufrechterhalten einer Abdichtung und Luftdichtigkeit dort dazwischen vorgesehen. Ferner ist jeder der Separatoren mit einer Mehrzahl von Verteilern zum Zuführen oder Abführen von Brennstoff und Luft an oder von der Membranelektrodenanordnung, Ableiten von Wasser (ein Nebenprodukt der Reaktion) und Zirkulieren eines Kühlmediums darin (z. B. Wasser) vorgesehen.
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1 zeigt eine schematische Ansicht, die ein Kühlströmungsmuster eines Separators eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels mit einer Mehrzahl von Verteilern, die dort dazwischen Kanäle bilden, darstellt, und 2 zeigt eine schematische Ansicht, die die Temperaturabweichung zwischen einem Kühlwassereinlass und einem Kühlwasserauslass eines Separators während des Betriebs eines Brennstoffzellenstapels darstellt. Aus 2 kann es bestimmt werden, dass die Temperatur der am weitesten links liegenden Seite des Separators am niedrigsten ist, sich die Temperatur in Richtung des Kühlwasserauslasses allmählich erhöht und die Temperatur des elliptischen Bereichs des Separators am höchsten ist. Das heißt, während des Betriebs eines Brennstoffzellenstapels treten die Temperaturabweichungen sowohl in Längs- als auch in Breitenrichtung auf. Eine solche lokale Temperaturerhöhung verschlechtert den Brennstoffzellenstapel, wodurch eine Lösung des Problems erforderlich ist.
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Es soll verstanden werden, dass die vorhergehende Beschreibung lediglich zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, und nicht heißen soll, dass die vorliegende Erfindung innerhalb des Umfangs des Standes der Technik liegt, der einem Durchschnittsfachmann bereits bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung gemacht worden, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brennstoffzellenseparator, der die Kühlleistung unter Verwendung einer geteilten Rippe und eines porösen leitenden Materials lokal verbessern kann, und einen Brennstoffzellenstapel mit demselben bereitzustellen.
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Um die obige Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzelle bereit, umfassend: eine Mehrzahl von Membranelektrodenanordnungen (MEAs); einen ersten Strömungskanal, der Brennstoff an eine der Membranelektrodenanordnungen zuführt, wobei der erste Strömungskanal durch eine Mehrzahl von Kanalplatten zwischen den Membranelektrodenanordnungen gebildet ist; einen zweiten Strömungskanal, der Luft zu einer anderen der Membranelektrodenanordnungen zuführt; und einen Kühlkanal, der ein Kühlmedium zum Kühlen des ersten Strömungskanals und des zweiten Strömungskanals zirkuliert. Insbesondere ist der Kühlkanal darin mit einer geteilten Rippe ausgerüstet, die den Kühlkanal dementsprechend aufteilt.
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In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die geteilte Rippe aus einem porösen Material hergestellt werden, das eine höhere thermische Leitfähigkeit als die Kanalplatten aufweisen kann. Zum Beispiel kann die geteilte Rippe aus einer Kohlenstofffaser oder einem Metall hergestellt werden. Zusätzlich kann die geteilte Rippe dünner als die Kanalplatten sein. Als solches, wenn der Kühlkanal einen polygonalen Querschnitt aufweist, kann die geteilte Rippe mit zumindest einem Eckpunkt/Scheitelpunkt des Kühlkanals verbunden werden.
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Darüber hinaus können die geteilten Rippen ebenfalls den Innenraum des Kühlkanals in eine Mehrzahl von Räumen aufteilen. In dem obigen Ausführungsbeispiel können die Innenwände der den Kühlkanal umgebenden Kanalplatten Unebenheiten aufweisen. Diese Unebenheiten können durch Ritzen, Nanobeschichtung, Plasmabehandlung, Pulveraufbringung oder Kürzen/Stauchen gebildet werden.
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Soweit es die Anordnung erlaubt, kann die geteilte Rippe in dem Kühlkanal in dem Bereich des Brennstoffzellenseparators mit einer relativ hohen Temperatur auf der Grundlage der Temperaturverteilung des gesamten Brennstoffzellenseparators vorgesehen werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung stellt einen Brennstoffzellenstapel mit dem Brennstoffzellenseparator bereit.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher. In den Figuren zeigen:
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1 eine schematische Ansicht, die das Kühlströmungsmuster einer Elementarzelle eines typischen Brennstoffzellenstapels darstellt;
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2 eine schematische Ansicht, die das Temperaturabweichungs-Phänomen darstellt, das während des Betriebs eines Brennstoffzellenstapels auftritt;
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3 eine schematische Ansicht, die die Position eines Brennstoffzellenseparators mit einer Wärmeableitungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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4 eine vergrößerte Ansicht eines Brennstoffzellenseparators mit einer Kanalteilungs-Wärmeableitungsanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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5 eine vergrößerte Ansicht eines Brennstoffzellenseparators mit einer porösen Material-gefüllten Wärmeableitungsanordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es ist zu beachten, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen ”ein”, ”eine/einer” und ”der/die/das” dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”aufweisen” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
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Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff ”ungefähr”, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. ”Ungefähr” kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff ”ungefähr” verändert.
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Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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3 zeigt eine schematische Ansicht, die die Position eines Brennstoffzellenseparators mit einer Wärmeableitungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt, 4 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Brennstoffzellenseparators mit einer Kanalteilungs-Wärmeableitungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Brennstoffzellenseparators mit einer porösen Material-gefüllten Wärmeableitungsanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Unter Bezugnahme auf 3 bis 5 zeigt 3 eine schematische Ansicht, die die Position darstellt, an welcher der in 4 oder 5 gezeigte Brennstoffzellenseparator in einer mit einer Membranelektrodenanordnung (MEA) versehenen Elementarbrennstoffzelle eingesetzt ist. Das heißt, wie in 2 gezeigt, wird während des Betriebs eines Brennstoffzellenstapels ein Niedrigtemperaturbereich in der Nähe eines Kühlwassereinlasses gebildet und wird ein Hochtemperaturbereich an der Mitte der Elementarbrennstoffzelle um einen Kühlwasserauslass gebildet. Daher wird auf der Grundlage der Temperaturverteilung in der Elementarbrennstoffzelle der in 4 oder 5 gezeigte Brennstoffzellenseparator in dem relativ hohen Temperaturbereich der Elementarbrennstoffzelle verwendet.
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Die Querschnittsstruktur von jedem der in 4 und 5 gezeigten Brennstoffzellenseparatoren wird beschrieben. 4 zeigt die Querschnittsstrukturen von vier Brennstoffzellenseparatoren. Jede der in 4 und 5 gezeigten Querschnittsstrukturen stellt eine Querschnittsstruktur entlang der Linie A-A' in 3 dar.
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Ein Brennstoffzellenstapel umfasst: eine Mehrzahl von Membranelektrodenanordnungen (MEA), in denen eine elektrochemische Reaktion an beiden Seiten einer Wasserstoffionen übertragenenden Elektrolytmembran durchgeführt wird; Gasdiffusionsschichten (GDL), die ein Reaktionsgas gleichmäßig verteilen und elektrischen Strom übertragen; Dichtungen zum Aufrechterhalten einer Abdichtung und Luftdichtheit von Reaktionsgas und Kühlwasser; und Separatoren, die Kanäle zum Zuführen und Beseitigen von Reaktionsgas und Kühlwasser bilden.
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Innerhalb des Brennstoffzellenstapels ist eine Mehrzahl von Elementarbrennstoffzellen vorhanden. Jede Elementarbrennstoffzelle umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 21 und einen Separator 30, und solche Elementarbrennstoffzellen sind gestapelt, um so einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Jede der in 4 gezeigten Elementarbrennstoffzellen kann eine Membranelektrodenanordnung (MEA) 21 und einen Separator 30 mit einer ersten Kanalplatte 40, einem ersten Strömungskanal 41, einer zweiten Kanalplatte 50, einem zweiten Strömungskanal 51, einem Kühlkanal 60 und einer geteilten Rippe 70 umfassen.
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Als solches ist der zwischen den MEAS 21 angeordnete Separator 30 mit einem ersten Strömungskanal 41 zum Zuführen von Brennstoff an eine MEA 21, einem zweiten Strömungskanal 51 zum Zuführen von Luft an eine weitere MEA 21 und einem Kühlkanal 60 zum Zirkulieren eines Kühlmediums zum Kühlen des ersten Strömungskanals 41 und des zweiten Strömungskanals 51 versehen.
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Die erste Kanalplatte 40 ist an einer Seite davon mit dem ersten Strömungskanal 41 versehen und die zweite Kanalplatte 50 ist an einer Seite davon mit dem zweiten Strömungskanal 51 versehen. Der erste Strömungskanal 41 ist entlang der Längsrichtung der ersten Kanalplatte 40 gebildet und der zweite Strömungskanal 51 ist entlang der Längsrichtung (in Richtung der Länge) der zweiten Kanalplatte 50 gebildet. Die erste Kanalplatte 40 und die zweite Kanalplatte 50 können aus einer dünnen Metallplatte hergestellt werden und können durch Schweißen aneinander befestigt werden.
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Der erste Strömungskanal 41 und der zweite Strömungskanal 51 können zum Beispiel eine Trapezform aufweisen und die Verbindungsteile der ersten Kanalplatte 40 und der zweiten Kanalplatte 50 können eine obere Seite (Oberseite) des ersten Strömungskanals 41 beziehungsweise eine untere Seite (Unterseite) des zweiten Strömungskanals 51 sein. Ferner kann das Verbindungsteil der ersten Kanalplatte 40 und der MEA 21 eine untere Seite (Unterseite) des ersten Strömungskanals 41 sein und kann ein Verbindungsteil der zweiten Kanalplatte 50 und der MEA 21 eine untere Seite (Unterseite) des zweiten Strömungskanals 51 sein.
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Der Kühlkanal 60 kann einen polygonalen Querschnitt aufweisen und kann wie in 4 gezeigt insbesondere einen sechseckigen Querschnitt aufweisen. Der Kühlkanal 60 kann zu dem ersten Strömungskanal 41 benachbart angeordnet sein, wobei die erste Kanalplatte 40 dort dazwischen angeordnet ist, und kann zu dem zweiten Strömungskanal 51 benachbart angeordnet sein, wobei die zweite Kanalplatte 50 dort dazwischen angeordnet ist. Demzufolge, wenn ein Kühlmedium in dem Kühlkanal zirkuliert, können der erste Strömungskanal und der zweite Strömungskanal entsprechend gekühlt werden.
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Die geteilte Rippe kann aus einem porösen Material hergestellt werden und die Wärmeleitfähigkeit eines solchen Materials sollte vorzugsweise höher als die der ersten Kanalplatte 40 und der zweiten Kanalplatte 50 sein. Ferner kann die Dicke der geteilten Rippe dünner als die der ersten Kanalplatte 40 und der zweiten Kanalplatte 50 sein.
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Der Kühlkanal 60 kann eine Mehrzahl von geteilten Rippen 70 umfassen und, wie in 5 gezeigt, kann die Mehrzahl von geteilten Rippen 70 in dem Kühlkanal 60 nach dem Zufallsprinzip angeordnet sein. Die geteilte Rippe 70 in dem Kühlkanal 60 teilt den Innenraum des Kühlkanals 60 in eine Mehrzahl von Räumen. Insbesondere wenn der Kühlkanal 60 einen polygonalen Querschnitt aufweist, ist die geteilte Rippe mit zumindest einem Eckpunkt/Scheitelpunkt des Kühlkanals 60 verbunden, um so den Innenraum des Kühlkanals 60 zu unterteilen.
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Die geteilte Rippe 70 kann ebenfalls zum Vergrößern einer Wärmeableitungsfläche in einem Hochtemperaturbereich unter Verwendung eines Rippeneffekts vorgesehen werden. Die geteilte Rippe 70 kann die Wärmeableitungsfläche durch Erhöhen der Kontaktfläche eines Kühlmediums in dem Kühlkanal 60 vergrößern. Demzufolge kann die lokale Kühleffizienz erhöht werden. Die geteilte Rippe 70 kann aus einer Kohlenstofffaser oder einem metallischen Material hergestellt werden und ist vorzugsweise derart eingerichtet, so dass sie eine geringere Wärmeträgheit aufweist, weil ein solches Material nur die Fähigkeit benötigt, um Wärme effizient zu übertragen und um auch den Strömungswiderstand zu minimieren. Die geteilte Rippe 70 sollte ebenfalls eine große Oberfläche, ein geringes Volumen und ein minimales Gewicht aufweisen.
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Als solches können die Innenwände der ersten Kanalplatte 40 und der zweiten Kanalplatte 50, die den Kühlkanal 60 bilden, eine Unebenheit aufweisen. Die an den Innenwänden der ersten Kanalplatte 40 und zweiten Kanalplatte 50 gebildeten Unebenheiten können durch Ritzen, Nanobeschichtung, Plasmabehandlung, Pulveraufbringung oder Kürzen/Stauchen gebildet werden.
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Wie oben beschrieben, ermöglicht der Brennstoffzellenseparator gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise, dass die Temperaturabweichung in dem Separator effektiv eingestellt/angepasst werden kann. Ferner ist der Brennstoffzellenseparator insofern vorteilhaft, dass der relativ hohe Temperaturbereich in dem Separator lokal gekühlt werden kann, wodurch die Verschlechterung einer Brennstoffzelle verhindert wird. Zusätzlich kann die Wärmeübertragungsfläche in Kontakt mit einem Kühlmedium erhöht werden.
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Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für veranschaulichende Zwecke beschrieben worden sind, wird der Durchschnittsfachmann erkennen, dass verschiedenste Änderungen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Umfang und der Lehre der Erfindung, wie dies in den beigefügten Ansprüchen offenbart ist, abzuweichen.
