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Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen. Jede Brennstoffzelle umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung, welche zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet ist. Jede Bipolarplatte umfasst eine erste Platte und eine zweite Platte, welche miteinander verbunden sind und ein Kühlmittel-Strömungsfeld zwischen den beiden Platten bilden. Das Kühlmittel-Strömungsfeld umfasst eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen, welche einen Winkel mit Reaktandenkanälen bilden, welche durch die Bipolarplatte bereitgestellt sind. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Brennstoffzellensystem mit solch einem Brennstoffzellenstapel und ein Fahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem.
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In einem Brennstoffzellensystem erzeugen Brennstoffzellen elektrischen Strom durch die elektrochemische Reaktion, welche stattfindet, wenn ein Brennstoff wie etwa Wasserstoff und ein Oxidationsmittel wie etwa Sauerstoff über einander gegenüberliegende Seiten der Membran-Elektroden-Anordnung geführt werden. In einem Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzellen(PEMFC)-System ist die Membran eine Polymer-Elektrolytmembran (PEM) oder Protonenaustauschmembran. Katalysatorschichten und Gasdiffusionslagen bilden die Elektroden der Membran-Elektroden-Anordnung, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche auf jeder Seite der Membran angeordnet sind.
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In der Brennstoffzelle ist die Membran-Elektroden-Anordnung zwischen zwei Separatorplatten angeordnet, wobei eine Separatorplatte Kanäle für die Verteilung des Brennstoffs umfasst und die andere Separatorplatte Kanäle für die Verteilung des Oxidationsmittels umfasst. Die jeweiligen Kanäle, welche der Membran-Elektroden-Anordnung zugewandt sind, bilden eine Kanalstruktur, welche als Strömungsfeld bezeichnet wird.
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In einem Brennstoffzellenstapel sind oft eine Vielzahl solcher Einheitszellen, welche die beiden Separatorplatten und die zwischen den Separatorplatten angeordnete Membran-Elektroden-Anordnung umfassen, in Reihe verbunden. In solch einem Brennstoffzellenstapel können anstelle von monopolaren Separatorplatten Bipolarplatten verwendet werden, welche elektrisch leitfähig sind und die Anode einer ersten Einheitszelle und die Kathode der angrenzenden Einheitszelle kontaktieren. Eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte der Bipolarplatte können miteinander verbunden sein, zum Beispiel durch Schweißen. In einem Zwischenraum zwischen den beiden Platten sind die Kühlmittelkanäle vorgesehen, welche das Kühlmittel-Strömungsfeld bilden. Auf diese Weise kann ein Kühlmittel durch die Bipolarplatten zirkuliert werden, um die Wärme abzuführen, welche während der elektrochemischen Reaktion erzeugt wird.
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Dokument
US 2006/0046117 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel mit Membran-Elektroden-Anordnungen, welche zwischen Bipolarplatten angeordnet sind. Die Bipolarplatten stellen Reaktanden-Strömungsfelder mit sich in eine erste Richtung erstreckenden Reaktandenkanälen bereit. Die Bipolarplatten bestehen aus zwei Platten, welche miteinander verbunden sind, wobei Rillen innerhalb jeder der beiden Platten im Zusammenwirken miteinander Kühlmittelkanäle bilden. Die Kühlmittelkanäle erstrecken sich in eine Richtung, welche zu der ersten Richtung senkrecht ist. Eine Dichte oder eine Breite der Kühlmittelkanäle kann in die erste Richtung variieren. Eine erhöhte Abfuhr von Wärme, welche durch die elektrochemische Reaktion innerhalb des Brennstoffzellenstapels erzeugt wird, kann so in zentralen Bereichen der Membran-Elektroden-Anordnungen erreicht werden.
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Dokument
WO 2012/131267 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, welche Bipolarplatten mit internen Kühlmittelkanälen umfassen. Jeder Kühlmittelkanal ist mit einem Mikroventil ausgestattet, welches es ermöglicht, einen Kühlmittelstrom durch den jeweiligen Kühlmittelkanal zu behindern. Die Kühlmittelkanäle innerhalb jeder Bipolarplatte sind durch zwei miteinander verbundene Platten gebildet.
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Die Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellenstapels hängt in hohem Maße von den thermodynamischen Parametern der jeweiligen Brennstoffzellen innerhalb des Stapels ab. In dieser Hinsicht ist es vergleichsweise herausfordernd, einen homogenen Temperaturbereich innerhalb jeder Brennstoffzelle beizubehalten.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brennstoffzellenstapel der eingangs genannten Art, ein Brennstoffzellensystem mit solch einem Brennstoffzellenstapel und ein Fahrzeug mit solch einem Brennstoffzellensystem bereitzustellen, wobei der Brennstoffzellenstapel eine verbesserte Kühlleistung aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche jede eine Membran-Elektroden-Anordnung umfassen, welche zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet ist. Jede Bipolarplatte umfasst eine erste Platte und eine zweite Platte, welche miteinander verbunden sind. Die erste und zweite Platte bilden ein Kühlmittel-Strömungsfeld zwischen den beiden Platten, und das Kühlmittel-Strömungsfeld umfasst eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen. Die Kühlmittelkanäle bilden einen Winkel mit Reaktandenkanälen, welche durch die Bipolarplatte bereitgestellt sind. Jeder Kühlmittelkanal ist fluidisch mit einer Kühlmitteleinlassöffnung verbunden, welche in der Bipolarplatte bereitgestellt ist. Jeder Kühlmittelkanal ist des Weiteren fluidisch mit einer Kühlmittelauslassöffnung verbunden. Benachbarte Auslassöffnungen sind durch eine Abtrennungseinrichtung mit wenigstens einer Öffnung voneinander getrennt. Die Abtrennungseinrichtung umfasst Mittel, welche dazu ausgebildet sind, einen Kühlmittelstrom durch die wenigstens eine Öffnung zu ermöglichen. Auf diese Weise kann das Kühlmittel, welches einem Kühlmittelkanal über eine korrespondierende Einlassöffnung zugeführt wird, durch mehr als eine Auslassöffnung abgeführt werden. Daher kann eine höhere Durchflussrate des Kühlmittels durch solch einen Kühlmittelkanal realisiert werden. Des Weiteren kann der Kühlmitteldurchfluss durch jeden einzelnen der verschiedenen Kühlmittelkanäle an die Kühlerfordernisse des Brennstoffzellenstapels angepasst werden. Auf diese Weise kann eine besonders homogene Wärmeverteilung innerhalb jeder Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels erreicht werden, und die Kühlleistung innerhalb jeder Einheits-Brennstoffzelle kann besonders exakt an die spezifischen Erfordernisse und die verschiedenen Bereiche jeder Einheits-Brennstoffzelle angepasst werden. Die verbesserte Kühlleistung führt zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels.
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Dies führt auch zu Energieeffizienzgewinnen für den Brennstoffzellenstapel. Des Weiteren ist ein besonders dynamischer Betrieb jeder Einheits-Brennstoffzelle und des Brennstoffzellenstapels möglich. Dies liegt an der Tatsache, dass einer Erhöhung der Wärmeerzeugung in Folge einer intensiveren elektrochemischen Reaktion innerhalb der Brennstoffzellen durch eine bessere Abfuhr der erzeugten Wärme Rechnung getragen werden kann. Auf diese Weise können die Einheits-Brennstoffzellen und der Brennstoffzellenstapel in einem Temperaturbereich betrieben werden, welcher für eine optimale Leistungsabgabe jeder Brennstoffzelle besonders vorteilhaft ist.
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Insbesondere können Hochleistungsanwendungen des Brennstoffzellenstapels realisiert werden, ohne dass die hohe Leistungsabgabe zu einer unerwünschten Überhitzung des Brennstoffzellenstapels führt. Wenn der Brennstoffzellenstapel in einem Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs verwendet wird, können so besonders dynamische Betriebsbedingungen des Fahrzeugs realisiert werden.
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Die Kühlmittelkanäle können insbesondere einen Winkel von etwa 90° mit den Reaktandenkanälen des Reaktanden-Strömungsfelds bilden. Dann ist ein Abstand zwischen der Kühlmitteleinlassöffnung und der Kühlmittelauslassöffnung jedes Kühlmittelkanals besonders gering, und Wärme kann im Betrieb gut von der Brennstoffzelle abgeführt werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Mittel dazu ausgebildet sind, den Kühlmittelstrom durch die wenigstens eine Öffnung zu variieren und/oder zu unterbinden. Auf diese Weise kann der Kühlmittelstrom durch die einzelnen Kühlmittelkanäle besonders gut gesteuert werden. Diese ermöglicht es, die einzelnen Brennstoffzellen oder Einheitszellen des Brennstoffzellenstapels in einem elektrochemisch optimalen Betriebsmodus zu betreiben, welcher zu einer besonders hohen Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels führt.
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Jede Kühlmitteleinlassöffnung kann fluidisch mit einer korrespondierenden Kühlmitteleinlassleitung verbunden sein, wobei die Kühlmitteleinlassleitung mit einer Ventileinrichtung ausgestattet ist. Auf diese Weise kann die Menge des Kühlmittels, welche jedem Kühlmittelkanal zugeführt wird, auf der Einlassseite jedes Kühlmittelkanals geregelt werden.
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Bevorzugt umfasst der Brennstoffzellenstapel eine Steuereinheit, welche dazu ausgebildet ist, die Mittel zu betreiben. Auf diese Weise kann eine sehr rasche Reaktion auf Veränderungen in den Kühlerfordernissen des Brennstoffzellenstapels auf sehr komfortable Weise vorgenommen werden, indem die Mittel betrieben werden.
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Die Steuereinheit kann insbesondere dazu ausgebildet sein, die Ventileinrichtungen zu betreiben, wenn die Kühlmitteleinlassleitungen, welche fluidisch mit den korrespondierenden Kühlmitteleinlassöffnungen verbunden sind, mit solchen Ventileinrichtungen ausgestattet sind. In diesem Fall kann die Steuereinheit auch den Kühlmittelstrom zu den Einlassöffnungen gemäß den Kühlerfordernissen der Brennstoffzellen steuern.
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Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, durch das Betreiben der Ventileinrichtung einen Volumenstrom und/oder einen Druck des Kühlmittels zu variieren, welches jedem Kühlmittelkanal zugeführt wird. Dies ermöglicht es, jedem Kühlmittelkanal Kühlmittel zuzuführen, welches unterschiedliche thermodynamische Parameter aufweist, und so den Kühlmittelstrom durch die Kühlmittelkanäle individuell zu steuern.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Mittel und/oder die Ventileinrichtung in Abhängigkeit von einer angeforderten Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels zu betreiben. Ein plötzlicher Anstieg der angeforderten Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels führt zu einem Anstieg der Menge der Reaktanden, welche dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden, und daher der Wärme, welche von dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird. Es ist daher sehr vorteilhaft, den Anstieg der Wärmeerzeugung durch das Anpassen des Kühlmittelstroms durch die einzelnen Kühlmittelkanäle zu kompensieren.
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Wenn der Brennstoffzellenstapel als Stromquelle in einem Fahrzeug verwendet wird, führt zum Beispiel eine Beschleunigungsanforderung durch den Fahrer des Fahrzeugs zu einer Erhöhung der angeforderten Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels, welcher so Rechnung getragen werden kann. Auch kann eine Abnahme in der angeforderten Leistungsabgabe, welche aus einem Abbremsen des Fahrzeugs resultiert, berücksichtigt werden, indem die Steuereinheit den Kühlmittelstrom durch die Kühlmittelkanäle verringert.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, die Mittel und/oder die Ventileinrichtung in Abhängigkeit von wenigstens einem Umgebungsparameter zu betreiben. Zum Beispiel kann die Temperatur der Umgebungsluft einen Einfluss auf die Kühlleistung eines Wärmetauschers haben, welcher dazu verwendet wird, das Kühlmittel abzukühlen, welches von den Kühlmittelauslassöffnungen des Brennstoffzellenstapels abgeführt wird. Daher hilft es, solche Umgebungsparameter zu berücksichtigen, um die Temperatur innerhalb der einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels über den Brennstoffzellenstapel hinweg innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs zu halten.
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Weiter zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, die Mittel und/oder die Ventileinrichtung in Abhängigkeit von wenigstens einem Parameter des Brennstoffzellenstapels zu betreiben. Zum Beispiel kann die Temperatur einer einzelnen Brennstoffzelle und/oder eine Zellspannung als ein Parameter verwendet werden, um den Zustand des Brennstoffzellenstapels im Hinblick auf seine Kühlerfordernisse zu bewerten. Daher kann durch das Berücksichtigen solcher Parameter des Brennstoffzellenstapels die Steuereinheit unverzüglich auf Variationen dieser Parameter reagieren, indem der Kühlmittelstrom durch die einzelnen Kühlmittelkanäle angepasst wird.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn ein erster Kühlmittelkanal, welcher einer Reaktandenauslassseite der Bipolarplatte näher ist, eine von dem Kühlmittel durchströmbare Querschnittsfläche aufweist, welche kleiner ist als die Querschnittsfläche eines zweiten Kühlmittelkanals, welcher einer Reaktandeneinlassseite der Bipolarplatte näher ist als der erste Kühlmittelkanal. Auf diese Weise kann mehr Wärme von einem Bereich an der Reaktandenauslassseite der Bipolarplatte abgeführt werden. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass als eine Auswirkung der elektrochemischen Reaktion, welche stattfindet, wenn die Reaktanden von der Reaktandeneinlassseite zu der Reaktandenauslassseite strömen, immer mehr Wärme erzeugt wird. Durch das Entfernen von mehr Wärme von Bereichen der Bipolarplatte, welche der Reaktandenauslassseite näher sind, kann eine besonders homogene Temperaturverteilung innerhalb der Brennstoffzelle erreicht werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Anzahl der Kühlmittelkanäle pro Oberflächeneinheit der Bipolarplatte nahe der Reaktandenauslassseite der Bipolarplatte größer sein als nahe der Reaktandeneinlassseite der Bipolarplatte. Mit einer solchen höheren Dichte der Kühlmittelkanäle nahe der Auslassseite der Bipolarplatte, kann die höhere Wärmemenge an der Auslassseite einfach abgeführt werden, welche durch die elektrochemische Reaktion erzeugt wird, welche innerhalb der Brennstoffzelle stattfindet.
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Die Mittel können insbesondere eine Antriebsstange mit einem Verschlusselement umfassen, welches dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine Öffnung zu versperren, welche in einem Wandelement der Abtrennungseinrichtung vorgesehen sein kann. Hierbei hat das Verschlusselement wenigstens ein Loch, welches mit der wenigstens einen Öffnung in Überdeckung gebracht werden kann. Durch das In-Überdeckung-Bringen des Lochs mit der Öffnung kann ein Kühlmittelstrom durch das Wandelement und so durch die Abtrennungseinrichtung ermöglicht werden. Mit solch einer Abtrennungseinrichtung kann der Kühlmittelstrom durch die wenigstens eine Öffnung besonders einfach ermöglicht oder unterbunden werden. Das Loch kann insbesondere dieselbe Querschnittsfläche und dieselbe Form aufweisen wie die Öffnung, welche in dem Wandelement der Abtrennungseinrichtung vorgesehen ist.
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Das Verschlusselement kann insbesondere verschiebbar in einer Führungsschiene der Abtrennungseinrichtung aufgenommen sein. Auf diese Weise kann durch Verschieben des Verschlusselements die wenigstens eine Öffnung in dem Wandelement der Abtrennungseinrichtung nach und nach freigegeben werden, um den Kühlmittelstrom durch die wenigstens eine Öffnung zu ermöglichen. Auch kann die Menge des Kühlmittels, welches durch die wenigstens eine Öffnung strömt, besonders gut auf die Kühlerfordernisse der Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels abgestimmt werden.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem, welches insbesondere in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann, umfasst eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle. Hierbei können ein Oxidationsmitteleinlass und ein Brennstoffeinlass einem Oxidationsmittelauslass und einem Brennstoffauslass des Brennstoffzellenstapels gegenüberliegend angeordnet sein.
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Solch ein Brennstoffzellensystem kann eine Vielzahl weiterer Komponenten umfassen, welche insbesondere für Brennstoffzellensysteme von Fahrzeugen üblich sind, welche vorliegend nicht im Detail erläutert zu werden brauchen.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
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Die für den erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und für das erfindungsgemäße Fahrzeug.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 in einer Perspektivansicht einen Brennstoffzellenstapel eines in einem Fahrzeug eingesetzten Brennstoffzellensystems, wobei Kühlmitteleinlassleitungen fluidisch mit korrespondierenden Kühlmitteleinlassöffnungen verbunden sind, welche in Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels vorgesehen sind, und wobei Kühlmittelauslassleitungen fluidisch mit korrespondierenden Kühlmittelauslassöffnungen verbunden sind;
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2 eine der Bipolarplatten, welche in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapel verwendet werden, wobei unterschiedliche Größen von Kühlmittelkanälen veranschaulicht sind, welche sich in eine senkrechte Richtung zu einem Reaktandenstrom über die Bipolarplatten erstrecken, und wobei Kühlmittelauslassöffnungen, welche mit den Kühlmittelkanälen korrespondieren, geschaffen sind, indem eine Öffnung in den Bipolarplatten durch eine Anzahl von Abtrennungseinrichtungen unterteilt ist;
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3 eine vergrößerte und perspektivische Ansicht eines Ausschnitts der in 2 gezeigten Bipolarplatte;
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4 schematisch den Brennstoffzellenstapel gemäß 1, wobei eine Steuereinheit gezeigt ist, welche den Strom des Kühlmittels individuell steuert, welcher jedem Kühlmittelkanal zugeführt wird, und welche eine Bewegung von Antriebsstangen der Abtrennungseinrichtungen bewirkt;
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5 schematisch eine Verbindungseinrichtung mit Ventilen, welche verwendet wird, um den Kühlmittelstrom in die Einlassleitungen zu steuern, welche mit den Kühlmitteleinlassöffnungen der Bipolarplatten in dem Brennstoffzellenstapel fluidisch verbunden sind;
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6 eine Perspektivansicht des Brennstoffzellenstapels gemäß 1, wobei die Kühlmitteleinlassöffnungen und die Kühlmittelauslassöffnungen gezeigt sind, und die Strömungsrichtung des Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel angegeben ist;
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7 eine vergrößerte Perspektivansicht einer der Abtrennungseinrichtungen, welche verwendet werden, um den Kühlmittelstrom von einer Kühlmittelauslassöffnung zu einer angrenzenden Kühlmittelauslassöffnung zu steuern;
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8 die Abtrennungseinrichtung gemäß 7 mit der Antriebsstange, welche in eine Stellung bewegt ist, in welcher Öffnungen in einer Wand der Abtrennungseinrichtung vollständig versperrt sind;
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9 die Abtrennungseinrichtung gemäß 7 mit der Antriebsstange, welche in eine Stellung bewegt ist, in welcher ein Kühlmittelstrom durch die Öffnungen in der Wand der Abtrennungseinrichtung ermöglicht ist; und
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10 die Abtrennungseinrichtung gemäß 7 mit der Antriebsstange, welche in eine Stellung bewegt ist, in welcher Löcher in einem Verschlussteil, welches mit der Antriebsstange verbunden ist, in Überdeckung mit den Öffnungen in der Wand der Abtrennungseinrichtung sind, sodass ein maximaler Kühlmittelstrom durch die Öffnungen ermöglicht ist.
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1 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 10, welcher eine Komponente eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs ist. In dem Brennstoffzellenstapel 10 sind (nicht gezeigte) Membran-Elektroden-Anordnungen zwischen Bipolarplatten 12 (vergleiche 2) angeordnet. Jede Bipolarplatte 12 umfasst eine erste Platte 14 und eine zweite Platte 16 (vergleiche 3), welche miteinander verbunden sind, zum Beispiel durch Schweißen. Die erste Platte 14 kann einer Kathode der Membran-Elektroden-Anordnung einer ersten Brennstoffzelle innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 zugewandt sein. Dann ist die zweite Platte 16 einer Anode der Membran-Elektroden-Anordnung einer angrenzenden Brennstoffzelle innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 zugewandt.
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Jede der beiden Platten 12, 16 hat eine gewellte Struktur und bildet so Reaktandenkanäle 18, 22. Eine Strömungsrichtung von zum Beispiel Luft als einem Oxidationsmittel durch Oxidationsmittelkanäle 18 ist in 3 durch einen ersten Pfeil 20 veranschaulicht. Eine Strömungsrichtung eines Brennstoffs entlang Brennstoffkanälen 22, welche durch die gewellte zweite Platte 16 gebildet sind, ist in 3 durch einen zweiten Pfeil 24 veranschaulicht. So erstrecken sich die Reaktandenkanäle 18, 22, welche durch die Bipolarplatte 12 gebildet sind, im Allgemeinen in eine Richtung, welche von einer Reaktandeneinlassseite 26 zu einer Reaktandenauslassseite 28 der Bipolarplatte 12 verläuft (vergleiche 2).
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In einem Zwischenraum zwischen den beiden Platten 14, 16 bildet die Bipolarplatte 12 des Weiteren ein Kühlmittelfeld, welches eine Vielzahl von Kühlmittelkanälen 30, 32 umfasst (vergleiche 2). Eine Breite jedes Kühlmittelkanals 30, 32 ist durch einen Abstand zwischen zwei benachbarten Schweißnähten 34 definiert, das heißt Linien, entlang welcher Schweißpunkte 36 angeordnet sind, welche die metallische Platten 14, 16 miteinander verbinden (vergleiche 2 und 3).
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Wie aus 2 ersichtlich ist, sind die Schweißnähte 34 senkrecht zu einer Längsrichtung der Reaktandenkanäle 18, 22. Auf diese Weise bilden die Kühlmittelkanäle 30, 32, welche in dem Zwischenraum zwischen den beiden Platten 14, 16 ausgebildet sind, einen Winkel, in dem in 2 und 3 gezeigten Beispiel einen Winkel von 90°, mit den Reaktandenkanälen 18, 22. Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, ist eine Breite eines ersten Kühlmittelkanals 32, welcher der Reaktandenauslassseite 26 der Bipolarplatte 12 näher ist, geringer als eine Breite 38 eines zweiten Kühlmittelkanals 30, welcher der Reaktandeneinlassseite 26 der Bipolarplatte 12 näher ist (vergleiche 3).
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Dieser Unterschied in der Breite 38 der Kühlmittelkanäle 30, 32 geht mit einem Unterschied in einer von dem Kühlmittel durchströmbaren Querschnittsfläche einher. Auf diese Weise kann für einen gegebenen Druck an einer Einlassseite jedes Kühlmittelkanals 30, 32 eine höhere Kühlmittel-Strömungsgeschwindigkeit in einem Bereich der Bipolarplatte 12 realisiert werden, welcher der Reaktandenauslassseite 28 der Bipolarplatte 12 näher ist, als in einem Bereich, welcher der Reaktandeneinlassseite 26 der Bipolarplatte 12 näher ist. Eine Längsrichtung der Reaktandenkanäle 18, 22 ist in 2 durch einen weiteren Pfeil 40 veranschaulicht. Die Breitenrichtung der Kühlmittelkanäle 30, 32 ist parallel zu der Längsrichtung, welche durch den Pfeil 40 angegeben ist.
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Durch Verändern der Position der Schweißnähte 34 kann die Verteilung des Kühlmittels innerhalb jeder Bipolarplatte 12 gesteuert werden. Zum Beispiel können die Breite 38 und somit die von dem Kühlmittel durchströmbare Querschnittsfläche verändert werden, indem auf geeignete Weise die Abstände zwischen den Schweißnähten 34 gewählt werden. Auch kann die Anzahl der Kühlmittelkanäle 30, 32 entlang der Längsrichtung der Bipolarplatte 12 variiert werden, wobei die Längsrichtung in 2 durch den Pfeil 40 angeben ist.
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Der Kühlmittelstrom entlang der Kühlmittelkanäle 30, 32 ist in 3 durch einen weiteren Pfeil 42 angegeben. Im Hinblick auf 2 ist der Kühlmittelstrom daher von einer Kühlmitteleinlassöffnung 44, welche in der Bipolarplatte 12 vorgesehen ist, zu einer Kühlmittelauslassöffnung 46 hin orientiert. Die Kühlmitteleinlassöffnungen 44 sind Öffnungen in der Bipolarplatte 12, welche Kühlmittel-Sammelleitungen bilden, wenn die Vielzahl der Bipolarplatten 12 in dem Brennstoffzellenstapel 10 zusammengestapelt sind. In gleicher Weise bilden die Brennstoffauslassöffnungen 46 Kühlmittel-Sammelleitungen.
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Die Anzahl der Kühlmitteleinlassöffnungen 44, welche in der jeder Bipolarplatte 12 vorgesehen sind, korrespondiert mit der Anzahl der Kühlmittelkanäle 30, 32, welche in jeder Bipolarplatte 12 vorgesehen sind. Auch die Anzahl der Kühlmittelauslassöffnungen 46 korrespondiert mit der Anzahl der Kühlmittelkanäle 30, 32. Jedoch sind die Kühlmittelauslassöffnungen 46 nicht durch separate Öffnungen innerhalb der Bipolarplatte 12 gebildet. Vielmehr ist eine große Öffnung, welche in der Bipolarplatte 12 vorgesehen ist, unterteilt oder in separate Kammern getrennt, welche die Kühlmittelauslassöffnungen 46 bilden. Um dies zu erreichen, sind Abtrennungseinrichtungen 48 in die große Öffnung oder die große Kühlmittelauslass-Sammelleitung eingesetzt, welche durch die gestapelten Bipolarplatten 12 bereitgestellt ist (vergleiche 6).
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Obwohl dies in 2 nicht explizit gezeigt ist, trennen diese Abtrennungseinrichtungen 48 eine erste Auslassöffnung 46, welche mit einem Kühlmittelkanal 30, 32 korrespondiert, von einer zweiten Auslassöffnung 46, welche mit dem benachbarten Kühlmittelkanal 30, 32 korrespondiert. Auf diese Weise hat jeder Kühlmittelkanal 30, 32 eine individuelle Einlassöffnung 44 und eine individuelle Auslassöffnung 46.
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Jedoch umfasst jede Abtrennungseinrichtung 48 Mittel, welche einen Kühlmittelstrom von einer Auslassöffnung 46 zu der benachbarten Auslassöffnung 46 ermöglichen. Zu diesem Zweck hat ein Wandelement 50 der Abtrennungseinrichtung 48 eine Vielzahl von Öffnungen 52 (vergleiche 6 und 7). Diese Öffnungen 52 können zumindest teilweise geöffnet oder freigegeben werden, um einen Kühlmittelstrom durch das Wandelement 50 zuzulassen. Jedoch können die Öffnungen 52 auch vollständig verschlossen werden. Um dies zu erreichen, können die Mittel eine Antriebsstange 54 umfassen, welche dazu ausgebildet ist, ein Verschlussteil 56 der Mittel zu bewegen. Das Verschlussteil 56 umfasst auch eine Vielzahl von Löchern 58. Die Löcher 58 in dem Verschlussteil 56 können mit den Öffnungen 52 in Überdeckung gebracht werden, welche in dem Wandelement 50 vorgesehen sind (vergleiche 8 bis 10). Indem dies getan wird, kann ein Kühlmittelstrom durch die Öffnungen 52 variiert werden, welche in der Abtrennungseinrichtung 48 vorgesehen sind. Auch können durch das Bewegen der Antriebsstange 54 die Öffnungen 52 in der Abtrennungseinrichtung 48 vollständig verschlossen werden (vergleiche 8). So kann durch ein Beeinflussen der Mittel, welche in dem gezeigten Beispiel die Antriebsstange 54 und das Verschlussteil 56 umfassen, der Kühlmittelstrom durch die Kühlmittelkanäle 30, 32 gesteuert werden.
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Jedoch umfasst der Brennstoffzellenstapel 10 bevorzugt weitere Einrichtungen, welche eine Steuerung oder Regelung des Kühlmittelstroms durch die Kühlmittelkanäle 30, 32 zulassen. Wie aus 1 ersichtlich ist, werden die Kühlmitteleinlassöffnungen 44, welche in dem Brennstoffzellenstapel 10 miteinander fluchten, um die Kühlmitteleinlass-Sammelleitungen zu bilden, mit dem Kühlmittel durch eine korrespondierende Kühlmitteleinlassleitung 60 beaufschlagt. In der beispielhaften Ausführungsform, welche in 1 gezeigt ist, sind acht Einlassleitungen 30 vorhanden, welche mit acht Kühlmitteleinlassöffnungen 44 jeder Bipolarplatte 12 korrespondieren. Jedoch kann in Varianten des Brennstoffzellenstapels 10 eine unterschiedliche Anzahl von Kühlmitteleinlassleitungen 60 und korrespondierenden Kühlmitteleinlassöffnungen 44 vorgesehen sein.
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Die Kühlmitteleinlassleitungen 60, welche mit den korrespondierenden Kühlmitteleinlassöffnungen 44 fluidisch verbunden sind, sind mit einzelnen Ventilen 62 ausgestattet, welche schematisch in 4 und 5 gezeigt sind. Diese Ventile 62 können in einer Verbindungseinrichtung 64 bereitgestellt sein, welche einen Einlass 66 und eine Anzahl von Auslässen aufweist, welche mit der Anzahl der Kühlmitteleinlassleitungen 60 korrespondiert (vergleiche 5). Durch das Vorsehen der Ventile 62 kann ein Kühlmittelstrom in jeden der Kühlmittelkanäle 30, 32 einzeln gesteuert werden, welcher mit der korrespondierenden Kühlmitteleinlass-Sammelleitung fluidisch verbunden ist, welche durch die Einlassöffnungen 44 der gestapelten Bipolarplatten 12 gebildet ist. Durch das zusätzliche Vorsehen der Abtrennungseinrichtung 48 mit den Mitteln, welche dazu ausgebildet sind, den Kühlmittelstrom durch die Öffnungen 52 zu ermöglichen, kann der Kühlmittelstrom durch die einzelnen Kühlmittelkanäle 30, 32 alternativ oder zusätzlich gesteuert werden, indem der Strom durch die Öffnungen 52 variiert wird.
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Wie aus 1 des Weiteren ersichtlich ist, erstrecken sich die Antriebsstangen 54 der Abtrennungseinrichtungen 48 durch eine Deckelplatte 68 des Brennstoffzellenstapels 10. Des Weiteren erstrecken sich bevorzugt Kühlmittelauslassleitungen 70, welche mit jeder der Kühlmittelauslass-Sammelleitungen korrespondieren, welche durch die Kühlmittelauslassöffnungen 46 der gestapelten Bipolarplatten 12 gebildet sind, bevorzugt durch die Deckelplatte 68.
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Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst auch einen Brennstoffeinlass 72 und einen Oxidationsmitteleinlass 74 auf der Reaktandeneinlassseite 26 der Bipolarplatten 12. Entsprechend umfassen die Bipolarplatten 12 eine Brennstoffeinlassöffnung 76 und eine Oxidationsmitteleinlassöffnung 78, welche auf der Reaktandeneinlassseite 26 der Bipolarplatten 12 angeordnet sind. Die Brennstoffeinlassöffnungen 76 und die Oxidationsmitteleinlassöffnungen 78 bilden Sammelleitungen in dem Brennstoffzellenstapel 10, in welchem die Bipolarplatten 12 und die Membran-Elektroden-Anordnungen zusammengestapelt sind.
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Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst des Weiteren einen Brennstoffauslass 80 und einen Oxidationsmittelauslass 82 (vergleiche 1). Der Brennstoffauslass 80 und der Oxidationsmittelauslass 82 sind auf der Reaktandenauslassseite 28 der Bipolarplatten 12 angeordnet, und sie sind fluidisch mit Brennstoffauslassöffnungen 84 und Oxidationsmittelauslassöffnungen 86 verbunden, welche Sammelleitungen bilden, wenn die Bipolarplatten 12 und die Membran-Elektroden-Anordnungen in dem Brennstoffzellenstapel 10 zusammengestapelt sind.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, können die Ventile 62, welche die Menge des in die einzelnen Kühlmittelkanäle 30, 32 einzubringenden Kühlmittels steuern, durch eine Steuereinheit 88 gesteuert werden, welche die Ventile 62 betreibt. Auf diese Weise kann ein Volumenstrom und ein Druck des Kühlmittels angepasst werden, welches jedem Kühlmittelkanal 30, 32 zugeführt wird. Zum Beispiel kann jeder Kühlmittelkanal 30, 32 wie erforderlich geöffnet oder geschlossen werden. Der Druck innerhalb eines Kühlmittelkreises 90 wird durch eine Pumpeinrichtung wie etwa einen Kompressor 92 bereitgestellt. Durch das Steuern des Kompressors 92 und des Drucks, welchen dieser innerhalb des Kühlmittelkreises 90 erzeugt, berücksichtigt die Steuereinheit 88 bevorzugt Umgebungsparameter wie etwa eine Temperatur der Umgebungsluft, welche zum Beispiel durch einen Sensor 94 erfasst wird.
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Des Weiteren berücksichtigt die Steuereinheit 88 Parameter des Brennstoffzellenstapels 10, zum Beispiel eine Zellspannung und eine Temperatur der Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10. Die entsprechende Information, welche von der Steuereinheit 88 verarbeitet wird, kann der Steuereinheit 88 über eine Kommunikationsleitung 96 bereitgestellt werden.
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Die Steuereinheit 88 berücksichtigt des Weiteren ein Fahrverhalten eines Fahrers des Fahrzeugs, welches mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist. Zum Beispiel kann ein Sensor 98 erfassen, ob der Fahrer das Fahrzeug beschleunigt oder bremst. Das korrespondierende Fahrverhalten hat einen Einfluss auf die angeforderte Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 10 und so auf die Menge an Reaktanden, welche dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt werden. Dies beeinflusst die Kühlanforderungen des Brennstoffzellenstapels 10. Indem diese Parameter berücksichtigt werden, kann die Steuereinheit 88 die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 regulieren oder steuern und so den Brennstoffzellenstapel 10 in einem Temperaturbereich betreiben, welcher für eine optimale Leistungsfähigkeit aller Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 sorgt.
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Der Kühlmittelkreis 90 umfasst auch einen Wärmetauscher 100. Durch das Berücksichtigen von Umgebungsparametern wie etwa der Temperatur der Umgebungsluft, kann die Wärmeaustausch-Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers 100 von der Steuereinheit 88 berücksichtigt werden.
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Um die Antriebsstangen 54 zu beeinflussen, kann die Steuereinheit 88 zum Beispiel einzelne Motoren 102 ansteuern, welche die Antriebsstangen 54 betätigen. Durch das Öffnen und Schließen der Öffnungen 52, welche in den Abtrennungseinrichtungen 48 vorgesehen sind, welche die Kühlmittelauslassöffnungen 46 voneinander trennen, kann eine Homogenisierung und/oder eine Separierung des Kühlmittels erreicht werden, welches von dem Brennstoffzellenstapel 10 abgegeben wird. Auf diese Weise kann durch das Steuern des Kühlmittelstroms durch die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 10 eine energieeffiziente Kühlung des Brennstoffzellenstapels 10 erreicht werden, welche einen hochdynamischen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 ermöglicht.
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Aus 6 ist besonders gut ersichtlich, wie die Kühlmitteleinlassöffnungen 44, die Kühlmittelauslassöffnungen 46, die Brennstoffeinlassöffnungen 76, die Oxidationsmitteleinlassöffnungen 78, die Brennstoffauslassöffnungen 84 und die Oxidationsmittelauslassöffnungen 86 Sammelleitungen in einem Umfangsbereich der Bipolarplatten 12 bilden, welche innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 zusammengestapelt sind. Des Weiteren veranschaulicht ein Pfeil 104 die Strömungsrichtung des Kühlmittelstroms in den Brennstoffzellenstapel 10, wobei ein weiterer Pfeil 106 den Kühlmittelstrom durch die Kühlmittelkanäle 30, 32 und so eine Richtung veranschaulicht, welche im Wesentlichen senkrecht zu dem Strom der Reaktanden durch die Strömungsfelder ist, welche die Reaktandenkanäle 18, 22 umfassen. Ein weiterer Pfeil 108 in 6 gibt die Strömungsrichtung des Kühlmittels an, wenn es von dem Brennstoffzellenstapel 10 abgegeben wird.
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In der vergrößerten Perspektivansicht eines Ausschnittes des Brennstoffzellenstapels 10, welcher in 7 gezeigt ist, sind Komponenten der Abtrennungseinrichtung 48 im Detail gezeigt. Die Abtrennungseinrichtung 48 unterteilt die große Öffnung, welche in den Bipolarplatten 12 vorgesehen ist, in die verschiedenen Kühlmittelauslassöffnungen 46. Das Wandelement 50 mit den Öffnungen 52 unterteilt die große Öffnung in der Bipolarplatte 12 in eine Richtung, welche parallel zu der Orientierung der Schweißnähte 34 ist. Die Abtrennungseinrichtung 48 weist des Weiteren zwei Führungsschienen 110 auf, welche das Verschlussteil 56 führen, wenn es sich entlang einer Längsrichtung der Antriebsstange 54 bewegt. Diese gleitende Bewegung des Verschlussteils 56 in die Längsrichtung der Antriebsstange 54, welche durch eine translatorische Bewegung der Antriebsstange 54 bewirkt wird, ist in 7 durch zwei weitere Pfeile 112 veranschaulicht.
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8 zeigt die Abtrennungseinrichtung 48 in einer Seitenansicht, in welcher die Löcher 58, welche in dem Verschlussteil 56 vorgesehen sind, nicht mit den Öffnungen 52 überlappen, welche in dem Wandteil 50 vorgesehen sind. Daher sind die Öffnungen 52 vollständig verschlossen, und die Auslassöffnungen 46 sind fluidisch voneinander getrennt. Auf die Bewegung des Verschlussteils 56 hin überlappen die Löcher 58, welche in dem Verschlussteil 56 vorgesehen sind, teilweise mit den Öffnungen 52, welche in dem Wandteil 50 vorgesehen sind. Auf diese Weise können die Öffnungen 52 zum Beispiel zu 30% freigegeben werden (vergleiche 9). Durch das Bewegen des Verschlussteils 56 in die korrespondierende Stellung wird daher ein entsprechend geringer Kühlmittelstrom durch die Öffnungen 52 ermöglicht. Der Kühlmittelstrom durch die Öffnungen 52 kann schrittweise oder kontinuierlich erhöht werden.
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Wenn das Verschlussteil 56 weiter bewegt wird, indem die Antriebsstange 54 geschoben oder gezogen wird, können die Löcher 58 in vollständige Überlappung mit den Öffnungen 52 gebracht werden, welche insbesondere dieselben Größen haben können wie die Löcher 58. So werden die Öffnungen 52 vollständig freigegeben oder geöffnet, und ein maximaler Kühlmittelstrom von einer Auslassöffnung 46 zu der benachbarten Auslassöffnung 46 ist ermöglicht. Da die Antriebsstangen 54 unabhängig betrieben werden, kann der Kühlmittelstrom besonders gut an die Kühlerfordernisse des Brennstoffzellenstapels 10 angepasst werden.
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Da jede Kühlmitteleinlassöffnung 44, welche als Seitenzuführöffnung bezeichnet werden kann, fluidisch mit nur einem korrespondierenden Kühlmittelkanal 30, 32 verbunden ist, kann der Kühlmittelstrom in jeden einzelnen Kühlmittelkanal 30, 32 besonders gut angepasst werden, indem die Ventile 62 betrieben werden. Des Weiteren kann der Verschiebemechanismus oder derartige Mittel für das Ermöglichen eines Kühlmittelstroms durch die Öffnungen 52 in der Abtrennungseinrichtung 48 dazu verwendet werden, den Kühlmittelstrom durch die Kühlmittelkanäle 30, 32 zu steuern. Zum Beispiel kann durch Öffnen oder Freigeben aller Öffnungen 52, welche in der Abtrennungseinrichtung 48 vorgesehen sind, eine große Kühlmittelabführöffnung an der Kühlmittelauslassseite der Bipolarplatten 12 bereitgestellt werden. Alternativ können alle Öffnungen 52 in den Abtrennungseinrichtungen 48 geschlossen werden, sodass jede Kammer oder jede Kühlmittelauslassöffnung 46 mit nur einer korrespondierenden Kühlmittelauslassleitung 70 fluidisch verbunden ist.
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Jedoch ist durch das Betreiben der Mittel zum Ermöglichen eines Kühlmittelstroms durch die Öffnungen 52 ein Kühlmittelstrom von einer Kühlmittelauslassöffnung 46 zu angrenzenden oder benachbarten Kühlmittelauslassöffnungen 46 möglich, selbst wenn die Anzahl der Kühlmitteleinlassleitungen 60 mit der Anzahl der Kühlmittelauslassleitungen 70 korrespondiert. Da der Kühlmittelstrom durch die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 10 gemäß den spezifischen Kühlerfordernissen gesteuert werden kann, kann der Brennstoffzellenstapel 10 besonders effizient und dynamisch betrieben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzellenstapel
- 12
- Bipolarplatte
- 14
- erste Platte
- 16
- zweite Platte
- 18
- Oxidationsmittelkanal
- 20
- Pfeil
- 22
- Brennstoffkanal
- 24
- Pfeil
- 26
- Reaktandeneinlassseite
- 28
- Reaktandenauslassseite
- 30
- Kühlmittelkanal
- 32
- Kühlmittelkanal
- 34
- Schweißnaht
- 36
- Schweißpunkt
- 38
- Breite
- 40
- Pfeil
- 42
- Pfeil
- 44
- Kühlmitteleinlassöffnung
- 46
- Kühlmittelauslassöffnung
- 48
- Abtrennungseinrichtung
- 50
- Wandelement
- 52
- Öffnung
- 54
- Antriebsstange
- 56
- Verschlussteil
- 58
- Loch
- 60
- Einlassleitung
- 62
- Ventil
- 64
- Verbindungseinrichtung
- 66
- Einlass
- 68
- Deckelplatte
- 70
- Auslassleitung
- 72
- Brennstoffeinlass
- 74
- Oxidationsmitteleinlass
- 76
- Brennstoffeinlassöffnung
- 78
- Oxidationsmitteleinlassöffnung
- 80
- Brennstoffauslass
- 82
- Oxidationsmittelauslass
- 84
- Brennstoffauslassöffnung
- 86
- Oxidationsmittelauslassöffnung
- 88
- Steuereinheit
- 90
- Kühlmittelkreis
- 92
- Kompressor
- 94
- Sensor
- 96
- Kommunikationsleitung
- 98
- Sensor
- 100
- Wärmetauscher
- 102
- Motor
- 104
- Pfeil
- 106
- Pfeil
- 108
- Pfeil
- 110
- Führungsschiene
- 112
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2006/0046117 A1 [0005]
- WO 2012/131267 A1 [0006]
