DE102016123649A1

DE102016123649A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102016123649A1
Application number: DE102016123649.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Harrower; Samuel Yew; Perry Campbell; Manuel F. Schneiter; Brooks Friess
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2018-06-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (150), umfassendeinen Brennstoffzellenstapel (100) mit einer Mehrzahl gestapelter Einzelzellen (11), wobei der Brennstoffzellenstapel (100) ein anodenseitiges Stapelende (24) und ein kathodenseitiges Stapelende (25) aufweist, undein Mittel (22) zum Abgeben von Wärme,Es ist vorgesehen, dass das Mittel (22) zum Abgeben von Wärme derart ausgebildet und angeordnet ist, dass bei einem Abkühlen des Brennstoffzellenstapels (150) eine Temperatur (Ta) des anodenseitigen Stapelendes (24) höher als eine Temperatur (Tc) des kathodenseitigen Stapelendes (25) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl gestapelter Einzelzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel ein anodenseitiges Stapelende und ein kathodenseitiges Stapelende aufweist. Ferner umfasst die Brennstoffzelle ein Mittel zum Abgeben von Wärme.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (Brennstoffzellenstapel) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2 H⁺ + 2 e^-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2-unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O₂ + 2 e^- → O^2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2- + 2 H⁺ → H₂O).
An Stapelenden des Brennstoffzellenstapels sind anstatt Bipolarplatten sogenannte Monopolarplatten angeordnet, welche lediglich auf einer dem Brennstoffzellenstapel zugewandten Seite ein Flussfeld aufweisen. Insgesamt können Bipolarplatten und Monopolarplatten unter dem Begriff „Polarplatten“ zusammengefasst werden.
In kalten Umgebungen kühlt die Brennstoffzelle nach dem Herunterfahren ab und kann dabei Temperaturen unter 0 Grad Celsius erreichen. Auf den Anoden- und/oder Kathodenseiten befindliches Wasser gefriert dadurch. Bei einem anschließenden Start kann zu viel Eis an der Anodenseite der Einzelzellen dazu führen, dass diese von einer Brennstoffunterversorgung betroffen ist.
Auch die WO 2009/010390 A1 kennt das Problem, dass gefrorenes Produktwasser die Ein- und/oder Ausgänge des Brennstoffzellenstapels verschließen kann. Zur Lösung des Problems offenbart sie einen Brennstoffzellenstapel, welcher von einem Phasenwechselmaterial ummantelt ist. Bei niedrigen Außentemperaturen kann der Brennstoffzellenstapel so vor einer massiven Auskühlung geschützt werden. Ferner kann der Brennstoffzellenstapel bei einer erfolgten Auskühlung durch das flächig wärmeleitend zugeordnete Element wieder in einen bestimmten Temperaturbereich gebracht werden.
DE 103 37 898 A1 offenbart einen Brennstoffzellenstapel, dessen Bipolarplatten als Latentwärmespeicher mit einem PCM-Material (phase change material) ausgeführt sein können. Ferner können Latentwärmespeicher auch zwischen einer Anoden-Einzelplatte und einer Kathoden-Einzelplatte angeordnet sein. Die Latentwärmespeicher dienen zur schnelleren Wiederherstellung einer minimalen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelle vorzuschlagen, welche beim Abkühlen auf Temperaturen von unter 0 Grad Celsius einer anodenseitigen Eisbildung entgegenwirkt.
Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Die Brennstoffzelle umfasst

- einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl gestapelter Einzelzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel ein anodenseitiges Stapelende und ein kathodenseitiges Stapelende aufweist, und
- ein Mittel zum Abgeben von Wärme.

Es ist vorgesehen, dass das Mittel zum Abgeben von Wärme derart ausgebildet und angeordnet ist, dass bei einem Abkühlen des Brennstoffzellenstapels eine Temperatur des anodenseitigen Stapelendes höher als eine Temperatur des kathodenseitigen Stapelendes ist.
Somit wird innerhalb des Brennstoffzellenstapels eine Temperaturdifferenz zwischen dem anodenseitigen Stapelende und dem kathodenseitigen Stapelende ausgebildet. Ferner wird innerhalb des Brennstoffzellenstapels insbesondere ein Temperaturgradient zwischen dem anodenseitigen Stapelende und dem kathodenseitigen Stapelende ausgebildet.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer Abkühlung des Brennstoffzellenstapels ausgehend von über 0 °C (Grad Celsius) Wasser innerhalb des Brennstoffzellenstapels noch mobil ist und dazu tendiert, in Richtung kälterer Teile des Brennstoffzellenstapels zu wandern. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß genutzt, um das Problem von Eis an der Anodenseite zu lösen. Dazu wird insbesondere ein thermischer Gradient, also ein Temperaturgradient, über dem Brennstoffzellenstapel kontrolliert, sodass eine Temperatur des anodenseitigen Stapelendes größer als eine Temperatur des kathodenseitigen Stapelendes bleibt. Der Temperaturgradient zwischen dem anodenseitigen Stapelende und dem kathodenseitigen Stapelende ist insbesondere derartig ausgestaltet, dass eine mittlere Temperatur einer Einzelzelle ausgehend von einer am kathodenseitigen Stapelende angeordneten Einzelzelle hin zu einer am kathodenseitigen Stapelende angeordneten Einzelzelle (streng) monoton abnimmt. Das bedeutet, dass je näher eine Einzelzelle am kathodenseitigen Stapelende angeordnet ist, umso niedriger ist ihre Temperatur. Der Temperaturgradient bewirkt nun einen Wärmestrom vom anodenseitigen Stapelende zum kathodenseitigen Stapelende, sodass auch die Kathodenseiten der Einzelzellen kälter sind als die Anodenseiten der jeweiligen Einzelzellen. Somit wandert auf den Anodenseiten der Einzelzellen vorhandenes Wasser zu den Kathodenseiten der Einzelzellen. Sollte der Brennstoffzellenstapel auf unter 0 °C abkühlen, so gefriert das Wasser somit auf den Kathodenseiten der Einzelzellen und nicht auf den Anodenseiten der Einzelzellen, wodurch einer Blockade der Anodenseiten und somit einer Kraftstoffunterversorgung effektiv vorgebeugt wird.
Der Brennstoffzellenstapel weist insbesondere eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen auf, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) und Bipolarplatten ausgebildet werden. Jede Einzelzelle umfasst somit typischerweise jeweils eine MEA, die insbesondere eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweisen kann sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, insbesondere Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte und der angrenzenden Anode wird somit ein Anodenraum ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte der Kathodenraum. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen und den Bipolarplatten angeordnet sein.
Das anodenseitige Stapelende bezeichnet somit jenes Ende des Brennstoffzellenstapels, in dessen Richtung die Anoden der einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen weisen (zeigen). Das kathodenseitige Stapelende bezeichnet dementsprechend das dem anodenseitigen Stapelende gegenüberliegende Stapelende des Brennstoffzellenstapels, in dessen Richtung die Kathoden der einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen weisen.
Das Mittel zum Abgeben von Wärme bezeichnet typischerweise ein Mittel, welches dazu in der Lage ist, Wärme an den Brennstoffzellenstapel abzugeben, wenn dieser abkühlt. Somit weist beim Abkühlen des Brennstoffzellenstapels das Mittel zum Abgeben von Wärme insbesondere eine höhere Temperatur als der angrenzende Brennstoffzellenstapel auf.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Mittel zum Abgeben von Wärme lediglich am anodenseitigen Stapelende des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Insbesondere weist die Brennstoffzelle also nur (ausschließlich) am anodenseitigen Stapelende das Mittel zum Abgeben von Wärme auf. Dadurch lässt sich der Temperaturgradient besonders einfach herstellen, da dabei nur das anodenseitige Stapelende einen Wärmeeintrag erfährt, während der übrige Brennstoffzellenstapel abkühlt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Brennstoffzellenstapel an seinen beiden Stapelenden Stapelendkonstruktionen aufweist, wobei an das anodenseitige Stapelende eine anodenseitige Stapelendkonstruktion und an das kathodenseitige Stapelende eine kathodenseitige Stapelendkonstruktion angrenzt. Insbesondere grenzen die Stapelendkonstruktionen an den äußersten Polarplatten des Brennstoffzellenstapels, sogenannten Monopolarplatten, an. Die Stapelendkonstruktionen umfassen insbesondere einen Stromkollektor und eine Kompressionsplattenkonstruktion, wobei der Stromkollektor näher am Brennstoffzellenstapel angeordnet ist und diesen typischerweise direkt kontaktiert. Die Kompressionsplattenkonstruktion umfasst insbesondere eine Kompressionsplatte, mittels welcher der Brennstoffzellenstapel verpresst wird. Der Stromkollektor dient zum Abführen eines von der Brennstoffzelle bereitgestellten Stroms und ist insbesondere ebenfalls als Platte ausgeführt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelle eine anodenseitige Stapelendkonstruktion aufweist, welche an das anodenseitige Stapelende angrenzt und die anodenseitige Stapelendkonstruktion eine Kompressionsplatte aufweist, wobei das Mittel zum Abgeben von Wärme zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Kompressionsplatte angeordnet ist. Somit wird erreicht, dass das Mittel zum Abgeben von Wärme möglichst nahe am anodenseitigen Stapelende angeordnet ist.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die anodenseitige Stapelendkonstruktion einen Stromkollektor umfasst, welcher zwischen dem Mittel zum Abgeben von Wärme und dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Dadurch wird sichergestellt, dass das Mittel zum Abgeben von Wärme trotz seiner Nähe zum Brennstoffzellenstapel einen elektrischen Widerstand zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Stromkollektor nicht erhöht. Diese Ausgestaltung ist übrigens unabhängig davon, ob das Mittel zum Abgeben von Wärme zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Kompressionsplatte oder auf einer dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite der Kompressionsplatte angeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelle eine thermische Isolierung umfasst, welche eine Anodenseite der Brennstoffzelle besser isoliert als eine Kathodenseite der Brennstoffzelle. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelle eine thermische Isolierung aufweist, welche das anodenseitige Stapelende auf einer dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite des Mittels zum Abgeben von Wärme bedeckt. Insbesondere umschließt die Isolierung die anodenseitige Stapelendkonstruktion.
Ferner bevorzugt umschließt die Isolierung zudem Schmalseiten der Einzelzellen umlaufend. Die Schmalseiten der Einzelzellen bilden dabei die zwischen der anodenseitigen Stapelendkonstruktion und einer kathodenseitigen Stapelendkonstruktion (welche an dem kathodenseitigen Stapelende anschließt) angeordneten Außenflächen des Brennstoffzellenstapels. Dabei umschließt die Isolierung insbesondere nicht oder nur in geringerem Maße die kathodenseitige Stapelendkonstruktion. Dadurch, dass das kathodenseitige Stapelende weniger (schlechter) isoliert ist als das kathodenseitige Stapelende, wird der Temperaturgradient weiter vergrößert.
Das Mittel zum Abgeben von Wärme ist vorzugsweise ein aktives Mittel zum Abgeben von Wärme, beispielsweise ein Mittel zur elektrischen Beheizung. Aktive Mittel sind besonders einfach regel- oder steuerbar. Das aktive Mittel ist insbesondere nur an der Anodenseite angeordnet, wodurch der thermische Gradient (Temperaturgradient) hergestellt werden kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Mittel zum Abgeben von Wärme ein passives Mittel zum Abgeben von Wärme ist. Passive Mittel sind typerweise solche Mittel, welche zum Abgeben von Wärme keine gesonderte Energiezufuhr, wie zum Beispiel elektrischen Strom, benötigen, sondern ohnehin anfallende Abwärme speichern und beim Abkühlen des Brennstoffzellenstapels wieder abgeben. Beispielsweise umfasst das passive Mittel ein Material, welches eine ausreichend hohe Wärmekapazität zur Verfügung stellt, um bei einem Abkühlen des Brennstoffzellenstapels eine Temperatur des anodenseitigen Stapelendes zu gewährleisten, welche höher als eine Temperatur des kathodenseitigen Stapelendes ist. Passive Mittel bieten den Vorteil, dass sie während des Betriebs der Brennstoffzelle Wärme speichern und diese beim Abkühlen des Brennstoffzellenstapels wieder abgeben.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das passive Mittel zum Abgeben von Wärme ein Phasenwechselmaterial umfasst. Phasenwechselmaterialien werden im deutschen Sprachgebrauch oft auch Latentwärmespeicher genannt. Phasenwechselmaterialien (englisch: phase change materials, PCM) weisen eine (latente) Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme auf, welche wesentlich größer ist als die Wärme, die sie aufgrund ihrer normalen spezifischen Wärmekapazität (ohne den Phasenumwandlungseffekt) speichern können. Beim Erwärmen des Phasenwechselmaterials wird dieses, insbesondere durch Wärme aus dem Brennstoffzellenstapel, geschmolzen. Es nimmt dabei eine relativ hohe Wärmeenergie (zum Beispiel Schmelzwärme) auf. Das Entladen findet als Erstarren statt, wobei das Phasenwechselmaterial die zuvor aufgenommene Wärmemenge als Erstarrungswärme an den Brennstoffzellenstapel abgibt.
Durch den Einsatz des Phasenwechselmaterials als Mittel zum Abgeben von Wärme kann Abwärme des Brennstoffzellenstapels, welche während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels ansonsten abgeführt werden müsste, besonders effektiv dazu genutzt werden, den Temperaturgradienten beim Abkühlen des Batteriezellenstapels herzustellen und/oder aufrechtzuerhalten. Das Mittel zum Abgeben von Wärme könnte alternativ und weniger vorteilhaft auch durch eine Vielzahl bekannter Wärmequellen ausgebildet werden, welche zum Beispiel eine beliebige Energieform in Wärmeenergie umwandeln. Es könnte ferner auch ein einfacher Wärmespeicher, welcher Wärme über seine spezifische Wärmekapazität speichert, verwendet werden, wobei dieser jedoch wesentlich schwerer wäre.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Phasenwechselmaterial bei der Abgabe von Wärme von einem flüssigen zu einem festen Zustand wechselt. Flüssige und feste (Aggregat-) Zustände sind leicht zu handhaben. Paraffinwachse weisen beispielsweise in ihrem Phasenwechselpunkt einen solchen Wechsel auf. Bei der Zuführung von Wärme wechseln diese Materialen wieder vom festen zum flüssigen Zustand (fest nach flüssig oder fest/flüssig Phasenwechselmaterial).
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Phasenwechselmaterial bei der Abgabe von Wärme von einem gelösten zu einem kristallinen Zustand wechselt. Ein solches Phasenwechselmaterial umfasst insbesondere ein Salzhydrat. Auch solche Phasenwechselmaterialien sind innerhalb einer Brennstoffzelle relativ leicht zu handhaben.
Die Phasenwechsel (Phasenübergänge) des Phasenwechselmaterials erfolgen typischerweise in einem Phasenwechselpunkt, also insbesondere zu einer Phasenwechseltemperatur. Indem ein Phasenwechselmaterial mit einer geeigneten Phasenwechseltemperatur gewählt wird, kann eine Temperatur vorbestimmt werden, bei welcher der Phasenwechsel stattfindet und somit beim Abkühlen der größte Wärmeeintrag in den Brennstoffzellenstapel erfolgt.
Vorzugsweise ist die Phasenwechseltemperatur kleiner als eine optimale Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels. Noch bevor der Brennstoffzellenstapel somit seine optimale Betriebstemperatur (eine Dauerbetriebstemperatur) erreicht hat, wird in den Brennstoffzellenstapel eingebrachte Wärme zur Regeneration des Phasenwechselmaterials verwendet. Das Phasenwechselmaterial regeneriert somit während der Aufwärmphase des Brennstoffzellenstapels.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Phasenwechseltemperatur größer als eine minimal zulässige Betriebstemperatur (für einen Dauerbetrieb) des Brennstoffzellenstapels ist. Dadurch wird erreicht, dass beim Aufwärmen des Brennstoffzellenstapels keine Wärme vor Erreichen der minimal zulässigen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels zur Regeneration des Phasenwechselmaterials aufgewendet werden muss. Das Phasenwechselmaterial verzögert ein Aufwärmen des Brennstoffzellenstapels unterhalb seiner minimal zulässigen Betriebstemperatur somit nicht wesentlich oder nur entsprechend seiner Masse und spezifischen Wärmekapazität.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Phasenwechseltemperatur zwischen 10 und 90 °C, besonders bevorzugt zwischen 40 und 70 °C, insbesondere zwischen 50 und 60 °C beträgt. Eine derartige Phasenwechseltemperatur liegt typischerweise über der minimal zulässigen Betriebstemperatur und unterhalb der optimalen Betriebstemperatur, sodass einerseits eine Aufwärmphase des Brennstoffzellenstapels nicht behindert wird und gleichzeitig das Phasenwechselmaterial während der Aufwärmung des Brennstoffzellenstapels regeneriert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Phasenwechselmaterial innerhalb einer Vielzahl von kugelförmigen Umhüllungen angeordnet ist. Wenn das Phasenmaterial beim Erwärmen eine Zustandsänderung von einem festen oder kristallinen Zustand hin zu einem flüssigen oder gelösten Zustand erfährt, bleibt die kugelförmige Umhüllung fest. Vorzugsweise sind die kugelförmigen Umhüllungen in einer Matrix eingebettet, um einen optimalen Wärmeübergang zu ermöglichen.
Ein umhülltes Phasenwechselmaterial kann äußerlich betrachtet einer Gruppe von fest nach fest (fest/fest) Phasenwechselmaterialien zugeschrieben werden. Fest/fest Phasenwechselmaterialien sind Materialien, welche eine Phase (intern) wechseln, aber nicht ihren (äußeren) Aggregatzustand (zum Beispiel nicht von fest zu flüssig) wechseln. Wenn das Phasenwechselmaterial eingekapselt ist, kann dennoch ein Wechsel des Aggregatzustands stattfinden (zum Beispiel bei Wachsperlen, welche von einem festen Harz eingekapselt sind). Alternativ kann das Phasenwechselmaterial eine Phase wechseln, ohne seinen Aggregatzustand zu ändern, wie zum Beispiel beim Lösen von Schwefelsäure von H₂SO₄ zu 2H⁺ und SO₄ unter Beibehaltung des flüssigen Aggregatzustands. Es ist eine Klasse solcher Materialien bekannt, welche eine Phasenänderung bei Energieaufnahme oder Energieabgabe ohne gleichzeitige Änderung des Aggregatzustands aufweisen.
Besonders bevorzugt ist das fest nach fest Phasenwechselmaterial ein Material, welches eine Umkristallisation von einer Kristallordnung in eine andere vollzieht. Es erfolgt also ein Wechsel einer kristallinen Struktur von einer Gitterkonfiguration zur anderen bei der Phasenwechseltemperatur. Die dabei gespeicherte oder freigesetzte Latentwärme kann mit jenen der effektivsten fest nach flüssig Phasenwechselmaterialien vergleichbar sein. Solche Materialien sind nützlich, weil sie, anders als fest nach flüssig Phasenwechselmaterialien, keine Keimbildung erfordern, um eine Unterkühlung zu verhindern. Da es sich um eine fest / fest Phasenänderung handelt, gibt es keine sichtbare Änderung im Erscheinungsbild des PCM (mit Ausnahme einer leichten Expansion oder Kontraktion), und es gibt keine Probleme im Zusammenhang mit der Handhabung von Flüssigkeiten, also Eindämmung, potentielle Leckagen oder ähnliches. Derartige fest nach fest Phasenwechselmaterialien werden zum Beispiel von der Firma PCM Products Ltd unter der Typenbezeichnung „PlusICE PCM SOLID-SOLID (X) RANGE“ mit den Typen X25 bis X180 angeboten. Die Phasenwechseltemperatur dieser Materialien liegt zwischen 25 und 180 °C.
Ferner wird ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, welches einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel umfasst. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie dient.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
2 einen Teilbereich der Brennstoffzelle gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
3 eine Temperatur des anodenseitigen Stapelendes, aufgetragen über der Zeit;
4 Temperaturen innerhalb des Brennstoffzellenstapels, aufgetragen über der Stapelrichtung; und
5 Temperaturdifferenzen über den äußersten Einzelzellen am anodenseitigen und kathodenseitigen Stapelende, aufgetragen über der Zeit.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine insgesamt mit 150 bezeichnete Brennstoffzelle gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Die Brennstoffzelle 150 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch die Brennstoffzelle 150 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Die Brennstoffzelle 150 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 100, welcher wiederum eine Vielzahl von abwechselnd an deren Flachseiten aneinandergereihten (gestapelten) Membran-Elektroden-Anordnungen 10 und Polarplatten 12 umfasst. Insgesamt bilden also mehrere gestapelte Einzelzellen 11 den Brennstoffzellenstapel 100, wobei jede der Einzelzellen 11 eine Membran-Elektroden-Anordnung 10 umfasst.
Die Polarplatten 12 sind als Bipolarplatten 14 ausgebildet, sofern sie zwischen Membran-Elektroden-Anordnungen 10 angeordnet sind. Die zwei Polarplatten 12, welche zwischen Membran-Elektroden-Anordnungen 10 und Stapelendkonstruktionen 18, 19 der Brennstoffzelle 150 angeordnet sind, werden Monopolarplatten 15 genannt. Zwischen den Polarplatten 12 und den jeweiligen Membran-Elektroden-Anordnungen 10 sind (nicht dargestellte) Anoden- und Kathodenräume angeordnet, welche von umlaufenden Dichtungen 20 begrenzt werden. Die Anodenräume sind dabei auf Anodenseiten 16 und die Kathodenräume auf Kathodenseiten 17 der zugehörigen Membran-Elektroden-Anordnungen 10 angeordnet. Durch die Anordnung der Anodenseiten 16 und Kathodenseiten 17 der Einzelzellen 11 definieren sich auch die Anodenseite 16 und die Kathodenseite 17 des gesamten Brennstoffzellenstapels 100.
Unter anderem, um die Dichtfunktion der Dichtungen 20 herzustellen, wird der Brennstoffzellenstapel 100 in der Stapelrichtung S mittels Zugelementen 21, zum Beispiel Zugstangen, verspresst. Dazu weisen die Stapelendkonstruktionen 18, 19 je eine Kompressionsplatte 26 auf, über welche die Zugelemente 21 den Brennstoffzellenstapel 100 verpressen. Ferner weisen die Stapelendkonstruktionen 18, 19 jeweils einen Stromkollektor 13 auf, welcher dazu dient, einen von der Brennstoffzelle 150 produzierten Strom abzuführen. Dazu kontaktiert der Stromkollektor 13 den Brennstoffzellenstapel 100 direkt.
Der Brennstoffzellenstapel 100 wird in der Stapelrichtung S von mehreren Hauptversorgungskanälen 102-112 durchdrungen, welche innerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 von Versorgungsöffnungen der Membran-Elektroden-Anordnungen und Polarplatten ausgebildet werden.
Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 strömt durch einen einlassseitigen Kühlmittel-Hauptversorgungskanal 110 das Kühlmittel ein und gelangt in Kühlmittelhohlräume (nicht dargestellt) innerhalb der Polarplatten 12. Nachdem das Kühlmittel die Kühlmittelhohlräume durchströmt hat, tritt es durch einen auslassseitigen Kühlmittel-Hauptversorgungskanal 112 wieder aus dem Brennstoffzellenstapel 100 aus.
Ein Anodengas, auch Anodenbetriebsgas (also Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff) tritt durch einen einlassseitigen Anoden-Hauptversorgungskanal 102 in den Brennstoffzellenstapel 100 ein und gelangt auf die Anodenseiten 16 der Membran-Elektroden-Anordnungen 10. Dort tritt es durch Gasdiffusionslagen (nicht dargestellt) und nimmt an Elektroden, den Anoden, der Membran-Elektroden-Anordnungen 12 an der Brennstoffzellenreaktion teil. Rest-Anodengas verlässt durch einen auslassseitigen Anoden-Hauptversorgungskanal 104 den Brennstoffzellenstapel 100. Auf den Anodenseiten 16 der Membran-Elektroden-Anordnungen 10 erfolgt eine Abdichtung der Anodenräume zur Umgebung des Brennstoffzellenstapels 100 und zu den Hauptversorgungskanälen 102-112 hin durch die Dichtungen 20, welche innerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 auf die angrenzenden Membran-Elektroden-Anordnungen 10 gepresst werden.
Auf der Kathodenseite 17 der Membran-Elektroden-Anordnungen 10 tritt ein Kathodengas, auch Kathodenbetriebsgas genannt (insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gemisch, vorzugsweise Luft) durch einen einlassseitigen Kathoden-Hauptversorgungskanal 106 in den Brennstoffzellenstapel 100 ein und gelangt auf die Kathodenseiten 17 der Membran-Elektroden-Anordnungen 10. Anschließend strömt das Kathodengas durch angrenzende Gasdiffusionslagen und nimmt an den Elektroden, den Kathoden, (beide nicht dargestellt) an der Brennstoffzellenreaktion teil. Reaktionsprodukte und Rest-Kathodengas strömen durch einen zugehörigen auslassseitigen Kathoden-Hauptversorgungskanal 108 aus dem Brennstoffzellenstapel 100. Auch auf den Kathodenseiten 17 der Membran-Elektroden-Anordnungen 10 erfolgt eine Abdichtung der Kathodenräume zur Umgebung des Brennstoffzellenstapels 100 und zu den Hauptversorgungskanälen 102-112 hin durch Dichtungen 20, welche innerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 auf die angrenzenden Membran-Elektroden-Anordnungen 10 gepresst werden.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle 150 umfasst nun ein Mittel 22 zum Abgeben von Wärme. Das Mittel 22 zum Abgeben von Wärme ist dazu ausgebildet und auch entsprechend angeordnet, dass beim Abkühlen des Brennstoffzellenstapels 100 eine Temperatur Ta des anodenseitigen Stapelendes 24 höher ist als eine Temperatur Tk des kathodenseitigen Stapelendes 26. Innerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 bildet sich somit beim Abkühlen des Brennstoffzellenstapels eine Temperaturdifferenz dT und ein Temperaturgradient (ein thermischer Gradient) zwischen dem anodenseitigen Stapelende 24 und dem kathodenseitigen Stapelende 26 aus.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer Abkühlung ausgehend von über 0 °C (Grad Celsius) Wasser innerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 noch mobil ist und dazu tendiert, in Richtung kälterer Teile des Brennstoffzellenstapels 100 zu wandern. Sollte also während des Abkühlens die Anodenseite 16 des Brennstoffzellenstapels 100 oder der Einzelzellen 11 kälter sein als die Kathodenseite 17, würde sich das Wasser in Richtung der Anodenseite 16 bewegen und dort bei Temperaturen unter 0 °C Eis bilden und Blockaden verursachen. Diesen Effekt macht man sich erfindungsgemäß nun umgekehrt zunutze, um das Problem von Eis an der Anodenseite 16 zu lösen. Dazu wird ein thermischer Gradient, also ein Temperaturgradient, über dem Brennstoffzellenstapel 100 kontrolliert, sodass die Anoden-Temperatur jeder Einzelzelle 11 größer als eine Kathoden-Temperatur jeder Einzelzelle 11 bleibt.
Dies könnte ansatzweise zwar auch mit einer Isolierung mit lokal unterschiedlicher Dicke geschehen, allerdings ist dies sehr platzaufwendig und die Leistung der Isolierung würde von ihrem Zustand abhängen. Beispielsweise macht es einen Unterschied, ob die Isolierung nass ist oder nicht. Außerdem schafft es die Isolierung nicht, einen thermischen Gradienten in den letzten Einzelzellen 11 des Brennstoffzellenstapels 100 aufrechtzuerhalten, da dafür eine Wärmeableitung durch die Stapelendkonstruktionen 18 zu groß ist.
Um die Wärme möglichst effektiv nutzen zu können, ist das Mittel 22 zum Abgeben von Wärme lediglich am anodenseitigen Stapelende 24 des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet. Während der Brennstoffzellenstapel 100 also insgesamt abkühlt, wird das anodenseitige Stapelende 24 mit Wärme versorgt, sodass die das anodenseitige Stapelende 24 wärmer als das kathodenseitige Stapelende 25 bleibt.
Um den Wärmeeintrag weiter zu optimieren, ist das Mittel 22 zum Abgeben von Wärme zwischen dem Stromkollektor 13 und der Kompressionsplatte 26 der anodenseitigen Stapelendkonstruktion 18 angeordnet. Um die Temperaturdifferenz dT weiter zu erhöhen, kann die anodenseitige Stapelendkonstruktion 18 eine thermische Isolierung 23 aufweisen. Die Isolierung erstreckt sich bevorzugt bis zur kathodenseitigen Stapelendkonstruktion 19 und umhüllt dabei die Brennstoffzelle 150, insbesondere ohne die kathodenseitige Stapelendkonstruktion 19 zu isolieren. Somit erfolgt die Abkühlung des Brennstoffzellenstapels 100 primär über die Kathodenseite 16 des Brennstoffzellenstapels 100.
2 zeigt einen Teilbereich der Brennstoffzelle 150 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Es ist dabei ersichtlich, dass nicht nur die Kompressionsplatte 26, welche einen Strukturkern 27 aufweisen kann, sondern auch der Stromkollektor 13 (auch Busplatte genannt) und das Mittel 22 zum Abgeben von Wärme plattenförmig ausgebildet sein können. Das Mittel 22 zum Abgeben von Wärme kann exemplarisch eine Dicke von 1 bis 5 mm aufweisen. Die Brennstoffzelle 150 kann ferner eine elektrische Isolationsfolie 28 aufweisen, welche den Brennstoffzellenstapel 100 ummantelt und elektrisch isoliert.
Das Mittel 22 zum Abgeben von Wärme kann ein passives Mittel 22 zum Abgeben von Wärme sein und umfasst insbesondere ein Phasenwechselmaterial 22. Zur Wärmespeicherung wird das Phasenwechselmaterial 22 mittels Wärmezufuhr von einer Phase in eine andere Phase überführt (regeneriert), üblicherweise von einer festen in eine flüssige Phase oder von einer kristallinen Phase in eine gelöste Phase. Beim Abkühlen des Materials kann es je nach Material seine letztgenannte Phase beibehalten. Findet eine Phasenumwandlung (ein Phasenwechsel) statt, so geht das Phasenwechselmaterial 22 unter Abgabe von Wärme beispielsweise von seiner flüssigen in eine feste oder von seiner gelösten in eine kristalline Phase über, wobei die zuvor gespeicherte Wärmeenergie freigesetzt wird. Als Phasenwechselmaterial 22 eignen sich insbesondere Paraffine oder Salzhydrate.
Das Phasenwechselmaterial 22 kann innerhalb einer Vielzahl von kugelförmigen Umhüllungen 23 angeordnet sein und zum Beispiel ein mikro-umkapseltes Phasenwechselmaterial bilden (englisch micro-encapsulated phase change material, MEPCM), welches in einer Matrix eingebettet ist.
Generell eignen sich als Phasenwechselmaterialien 22 solche Materialien, welche ihre äußere Form beibehalten, also zum Beispiel Phasenwechselmaterialen 22, welche vor und nach dem Phasenwechsel fest sind oder vollständig eingekapselte Phasenwechselmaterialien 22. Geeignete organische Phasenwechselmaterialien 22 werden beispielsweise von der Firma PCM Products Ltd, Produktgruppe PlusICE, Serienbezeichnung „A“ angeboten. Die Serie „A“ umfasst dabei insbesondere den Typ „A52“ mit einer Phasenwechseltemperatur Tp (Schmelztemperatur) von 52 °C und einer spezifischen Wärmekapazität von 2,15 kJ/kg K (Kilo Joule pro Kilogramm Kelvin) oder „A53H“ mit einer Phasenwechseltemperatur Tp von 53 °C und einer spezifischen Wärmekapazität von 2,02 kJ/kg K, wobei sich „A52“ eher eignet, da es eine latente Wärme von 222 kJ/kg anstatt 166 kJ/kg (Kilo Joule pro Kilogramm) von „A53H“ aufweist. Generell sollte darauf geachtet werden, dass die Phasenwechseltemperatur Tp zu den Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 100 passen sollten, damit sein Betrieb durch den Phasenwechsel bei der Phasenwechseltemperatur Tp nicht negativ beeinflusst wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass eine Phasenwechseltemperatur Tp des Phasenwechselmaterials kleiner als eine definierte Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels ist. Insbesondere ist die Phasenwechseltemperatur höchstens 20 °C, bevorzugt höchstens 10 °C, besonders bevorzugt höchstens 5 °C kleiner als die definierte Betriebstemperatur. Die definierte Betriebstemperatur ist insbesondere eine niedrigste Ziel-Betriebstemperatur ausgenommen einer Aufwärmphase des Brennstoffzellenstapels, also bei einem aufgewärmten Brennstoffzellenstapel. A52 und A53H sind Beispiele eines Phasenwechselmaterials, deren Phasenwechseltemperatur nahezu, aber unterhalb einer solchen niedrigsten (also minimalen) Ziel-Betriebstemperatur ist.
Eine Phasenwechseltemperatur Tp des Phasenwechselmaterials 22 kann sinnvollerweise größer als eine minimal zulässige Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 100 und kleiner als eine optimale Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 100 sein, sodass das Phasenwechselmaterial 22 beim normalen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 regeneriert wird, ohne seine Aufwärmphase negativ zu beeinflussen.
Im Betrieb der Brennstoffzelle 150 erwärmt sich das Phasenwechselmaterial 22 bis zur Temperatur des Kühlmittels und führt beim Erreichen der Phasenwechseltemperatur Tp einen Phasenwechsel hin zu seiner höher-energetischen Phase durch, das Phasenwechselmaterial 22 wird also regeneriert. Sollte die Phasenwechseltemperatur Tp nicht erreicht werden, weil die Brennstoffzelle 150 oder ein Fahrzeug in dem die Brennstoffzelle 150 verbaut ist, bereits davor abgeschaltet wird (zum Beispiel beim sogenannten „kindergarten cycle“), so kann die Brennstoffzelle 150 oder das Fahrzeug noch in Betrieb gelassen werden, bis das Phasenwechselmaterial 22 regeneriert wurde.
Wird die Brennstoffzelle 150 heruntergefahren, kühlt der Brennstoffzellenstapel 100 ab und die Temperatur der am weitesten an der Anodenseite 16 angeordneten Einzelzelle 11 (das anodenseitige Stapelende 24) fällt bis zu jenem Punkt, bis das Phasenwechselmaterial 22 seine Phasenwechseltemperatur erreicht. An diesem Punkt wird latente Energie des Phasenwechselmaterials 22 von diesem auf die anodenseitige Stapelendkonstruktion 18 und insbesondere auf das anodenseitige Stapelende 24 übertragen. Dadurch wird das anodenseitige Stapelende 24 auf der Phasenwechseltemperatur Tp gehalten, während der Rest des Brennstoffzellenstapels 100 weiter abkühlt. Dadurch wird eine ausreichende Temperaturdifferenz dT und ein ausreichender Temperaturgradient ausgebildet, welcher bestenfalls das ganze Wasser (Produktwasser) im Brennstoffzellenstapel auf die Kathodenseiten 17 der Einzelzellen 11 treibt.
Sobald die latente Wärme des Phasenwechsels 22 auf das anodenseitige Stapelende 24 und die anodenseitige Stapelendkonstruktion 18 übertragen wurde, kühlt das anodenseitige Stapelende 24) weiter ab. Jedoch erfolgt dies (verglichen mit dem kathodenseitigen Stapelende 25) ausgehend von einer erhöhten Temperatur, und somit einem entsprechend höheren Temperaturgradienten, bis das gesamte Wasser kondensiert ist.
Dadurch wird effektiv verhindert, dass flüssiges Wasser an den Anodenseiten 16 kondensiert und dort zu Eisblockaden und Brennstoffunterversorgung bei einem anschließenden Start der Brennstoffzelle 150 führt. Somit wird einer permanenten Degradation und einem ROE (englisch: Rapid Oxidation Event) vorgebeugt.
3 zeigt eine Temperatur Ta in °C des anodenseitigen Stapelendes 24, dargestellt über der Zeit in Stunden, Minuten und Sekunden, mit einem 3 mm dicken Phasenwechselmaterial 22 beim Abkühlen der Brennstoffzelle 150. Zum Vergleich ist auch eine Temperatur Ta' des anodenseitigen Stapelendes 24 dargestellt, wie sie sich ohne Phasenwechselmaterial 22 ergeben würde.
In kalten Umgebungen wird, während der Brennstoffzellenstapel 100 inaktiv ist, die Temperatur der Brennstoffzelle 150 sinken, bis unter Umständen eine Temperatur unter 0 °C erreicht ist. Es ist ersichtlich, dass durch die geringere Wärmeleitfähigkeit und höhere spezifische Wärme, welche durch das Phasenwechselmaterial 22 verursacht wird, ein Temperaturverlust reduziert wird. Somit liegt bereits kurz nach Beginn der Abkühlung die Temperatur Ta über der Temperatur Ta'.
Am Phasenwechselpunkt, also im Beispiel bei der Phasenwechseltemperatur Tp wird die Temperatur des anodenseitigen Stapelendes Ta auf der Phasenwechseltemperatur Tp gehalten, während der restliche Brennstoffzellenstapel 100 weiter abkühlt. So wird verglichen mit der Temperatur Ta' die Temperatur Ta um die Zeitspanne dt, im Beispiel 45 Minuten, länger auf der Temperatur Tp gehalten. Dadurch wird ein Temperaturgradient (ein thermischer Gradient) über der am anodenseitigen Stapelende 24 angeordneten Einzelzelle 11 aufrechterhalten und treibt vorhandenes Wasser zur Kathodenseite 17 der Einzelzelle 11, wodurch Eisblockaden auf der Anodenseite 16 der Einzelzelle 11 verhindert werden. Da sich der Temperaturgradient über den gesamten Brennstoffzellenstapel 100 fortsetzt, wird eine Eisblockade an allen Anodenseiten 16 der Einzelzellen 11 verhindert.
4 zeigt Temperaturprofile von Temperaturen T in °C innerhalb des Brennstoffzellenstapels 100, aufgetragen über der Stapelrichtung S in mm, während der Brennstoffzellenstapel 100 abkühlt. Die dargestellten Temperaturen T stammen wie auch in 5 aus einem eindimensionalen Finite-Differenzen-Modell. Der modellierte Brennstoffzellenstapel 100 weist dabei die thermische Masse und Dichte eines realen Brennstoffzellenstapels 100 auf, welcher nur am kathodenseitigen Stapelende 25 gekühlt wird, alle anderen Bereiche des Brennstoffzellenstapels 100 sind als thermisch isoliert modelliert. Ein Wärmeverlust über das anodenseitige Stapelende 16 und ist somit Null. Deshalb kühlt das kathodenseitige Stapelende 25 schneller als das anodenseitige Stapelende 24 ab. Dadurch kann festgestellt werden, wie das Phasenwechselmaterial 22 die Temperaturdifferenz am anodenseitigen Stapelende 24 beeinflusst. Die Wärmeleitfähigkeit wurde so festgelegt, dass das kathodenseitige Stapelende 25 nach elf Stunden auf Raumtemperatur abgekühlt ist.
Wiederum ist das Phasenwechselmaterial 22 nur an einer einzigen Seite des Brennstoffzellenstapels 100, nämlich am anodenseitigen Stapelende 24 angeordnet. Die Idee dahinter ist wiederum, einen Temperaturgradienten zu vergrößern oder zu verstärken, welcher dazu genutzt wird, Wasser von der Anodenseite 16 auf die Kathodenseite 17 zu treiben. Sollte es zu einer Beschädigung an der Isolation 30 oder einen anderen Grund für einen anodenseitigen Wärmeverlust geben, würde das Phasenwechselmaterial 22 den Wärmeverlust puffern. Dies erfolgt bei einer festgelegten Temperatur, nämlich der Phasenwechseltemperatur Tp, zum Beispiel bei 60 °C. Dabei wird die wärmere Temperatur Ta des anodenseitigen Stapelendes 24 konstant gehalten, während am kathodenseitigen Stapelende 25 weiter Wärme verloren geht. Die Idee ist es also nicht, (viel) mehr thermische Energie zu speichern, sondern nur, den thermischen Gradienten zu erhöhen.
Die gezeigten Temperaturprofile sind typische Profile mit geringem Temperaturgradienten am relativ warmen anodenseitigen Stapelende 24 und hohem Temperaturgradienten am relativ kühlen kathodenseitigen Stapelende 25. Die Profile sind nicht linear, da es sich um einen instationären Vorgang handelt.
Es ist gut erkennbar, dass die Temperatur Ta des anodenseitigen Stapelendes 24 größer ist als die Temperatur Tc des kathodenseitigen Stapelendes 25 und dass die Temperatur in Richtung des kathodenseitigen Stapelendes 25 streng monoton abnimmt. Dadurch wird gewährleistet, dass auch innerhalb einer jeden Einzelzelle 11 die Temperatur an ihrer Anodenseite 16 höher ist als an ihrer Kathodenseite 17.
Insgesamt sind vier Temperaturprofile zu unterschiedlichen Zeiten nach dem Start der Abkühlung gezeigt. So zeigt T_2h die Temperatur nach 2 stündiger Abkühlung, T_4h die Temperatur nach 4 stündiger Abkühlung, T_6h die Temperatur nach 6 stündiger Abkühlung und T_8h die Temperatur nach 8 stündiger Abkühlung.
Ferner sind in 4 jene Bereiche der Temperaturprofile gekennzeichnet, welche zu den äußersten 20 Einzelzellen A20 am anodenseitigen Stapelende 24 gehören. Zudem sind jene Bereiche der Temperaturprofile gekennzeichnet, welche zu den äußersten 20 Einzelzellen C20 am kathodenseitigen Stapelende 25 gehören.
5 zeigt nun Temperaturdifferenzen dT in °C der über den äußersten 20 Einzelzellen A20 am anodenseitigen Stapelende 24 und den äußersten 20 Einzelzellen C20 am kathodenseitigen Stapelende 25, aufgetragen über der Zeit in Minuten und startend mit Beginn der Abkühlung.
Es ist ersichtlich, dass die Temperaturdifferenz dTA20 innerhalb der äußersten 20 Einzelzellen 11 am anodenseitigen Stapelende 24 wesentlich geringer ist als die Temperaturdifferenz dTC20 innerhalb der äußersten 20 Einzelzellen 11 am kathodenseitigen Stapelende 25. Ferner ist ersichtlich, dass wenn das anodenseitige Stapelende 24 den Phasenwechselpunkt, also die Phasenwechseltemperatur Tp des Phasenwechselmaterials 22 erreicht, die Temperaturdifferenz dTA20 steigt und somit einen besseren thermischen Gradienten bewirkt.
Die Abhängigkeit dieses Effekts von einer Wärmespeicherfähigkeit des Phasenwechselmaterials 22 ist anhand der Kurven der dargestellten Temperaturdifferenzen dTA20 bei unterschiedlicher Wärmespeicherfähigkeit ersichtlich. So zeigt dTA20_0kJ die Temperaturdifferenz dTA20 bei 0 kJ, dTA20_44kJ zeigt die Temperaturdifferenz dTA20 bei 44 kJ, dTA20_88kJ zeigt die Temperaturdifferenz dTA20 bei 88 kJ und dTA20_132kJ zeigt die Temperaturdifferenz dTA20 bei 132 kJ Wärmespeicherfähigkeit (latenter Wärme im Phasenwechselpunkt) des Phasenwechselmaterials 22. Es ist ersichtlich, dass sobald die Phasenwechseltemperatur Tp erreicht ist, die Temperaturdifferenz dTA20 umso mehr steigt, je höher die Wärmespeicherfähigkeit des Phasenwechselmaterials 22 ist. Als Anhaltspunkt wird für (weitere) 44 kJ ca. ein (weiterer) Zentimeter Dicke des Phasenwechselmaterials 22 benötigt. Dies bezieht sich auf ein Phasenwechselmaterial 22, welches innerhalb einer Vielzahl von kugelförmigen Mikro-Umhüllungen 32 angeordnet ist, welche in einer Matrix 34 eingebettet sind und somit einen Verbundwerkstoff bilden.
Die Erfindung kann insbesondere in allen flüssigkeitsgekühlten Brennstoffzellenstapeln 100 Verwendung finden, welche einen thermischen Gradienten für ein Wassermanagement benötigen, zum Beispiel beim Frost-Start.
Eine Dicke in Stapelrichtung S der anodenseitigen Stapelendkonstruktion 18 müsste dazu verglichen mit Stapelendkonstruktionen 18, 19 ohne Phasenwechselmaterial 22 nur geringfügig zunehmen, um das Phasenwechselmaterial 22 in der anodenseitigen Stapelendkonstruktion 18 unterzubringen. Durch die Erfindung kann nun aber weniger thermische Isolierung in einer Ummantelung der Brennstoffzelle 150 verwendet werden, oder diese sogar ganz entfallen, wodurch wiederum Platz eingespart wird. Ferner können beim Herunterfahren und Starten der Brennstoffzelle 150 vorteilhaftere Betriebsbedingungen vorliegen als gemäß dem Stand der Technik. So kann ein Kaltstart der Brennstoffzelle 100 ohne das Risiko einer Kraftstoffunterversorgung erfolgen.
Bezugszeichenliste

10: Membran-Elektroden-Anordnung
11: Einzelzelle
12: Polarplatte
13: Stromkollektor
14: Bipolarplatte
15: Monopolarplatte
16: Anodenseite / anodenseitig
17: Kathodenseite / kathodenseitig
18: anodenseitige Stapelendkonstruktion
19: kathodenseitige Stapelendkonstruktion
20: Dichtung
21: Zugelement
22: Mittel zum Abgeben von Wärme / Phasenwechselmaterial (PCM)
24: anodenseitiges Stapelende
25: kathodenseitiges Stapelende
26: Kompressionsplatte
27: Strukturkern
28: elektrische Isolationsfolie
30: thermische Isolierung
32: kugelförmige Umhüllung
34: Matrix
100: Brennstoffzellenstapel
102: einlassseitiger Anoden-Hauptversorgungskanal
104: auslassseitiger Anoden-Hauptversorgungskanal
106: einlassseitiger Kathoden-Hauptversorgungskanal
108: auslassseitiger Kathoden-Hauptversorgungskanal
110: einlassseitiger Kühlmittel-Hauptversorgungskanal
112: auslassseitiger Kühlmittel-Hauptversorgungskanal
150: Brennstoffzelle
S: Stapelrichtung
T: Temperatur
dT: Temperaturdifferenz
t: Zeit
dt: Zeitspanne
Ta: Temperatur des anodenseitigen Stapelendes mit PCM
Ta': Temperatur des anodenseitigen Stapelendes ohne PCM
Tc: Temperatur des kathodenseitigen Stapelendes
Tp: Phasenwechseltemperatur
A20: äußerste 20 Einzelzellen am anodenseitigen Stapelende
C20: äußerste 20 Einzelzellen am kathodenseitigen Stapelende
T_2h: Temperatur nach 2 stündiger Abkühlung
T_4h: Temperatur nach 4 stündiger Abkühlung
T_6h: Temperatur nach 6 stündiger Abkühlung
T_8h: Temperatur nach 8 stündiger Abkühlung
dTA20: Temperaturdifferenz innerhalb der äußersten 20 Einzelzellen am anodenseitigen Stapelende
dTA20_0kJ: dTA20 bei 0 kJ PCM
dTA20_44kJ: dTA20 bei 44 kJ PCM
dTA20_88kJ: dTA20 bei 88 kJ PCM
dTA20_132kJ: dTA20 bei 132 kJ PCM
dTC20: Temperaturdifferenz innerhalb der äußersten 20 Einzelzellen am anodenseitigen Stapelende

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/010390 A1 [0006]
DE 10337898 A1 [0007]

Claims

Brennstoffzelle (150), umfassend - einen Brennstoffzellenstapel (100) mit einer Mehrzahl gestapelter Einzelzellen (11), wobei der Brennstoffzellenstapel (100) ein anodenseitiges Stapelende (24) und ein kathodenseitiges Stapelende (25) aufweist, und - ein Mittel (22) zum Abgeben von Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (22) zum Abgeben von Wärme derart ausgebildet und angeordnet ist, dass bei einem Abkühlen des Brennstoffzellenstapels (100) eine Temperatur (Ta) des anodenseitigen Stapelendes (24) höher als eine Temperatur (Tc) des kathodenseitigen Stapelendes (25) ist.
Brennstoffzelle (150) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Abgeben von Wärme lediglich am anodenseitigen Stapelende (24) des Brennstoffzellenstapels (100) angeordnet ist.
Brennstoffzelle (150) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (150) eine anodenseitige Stapelendkonstruktion (18) aufweist, welche an das anodenseitige Stapelende (24) angrenzt und die anodenseitige Stapelendkonstruktion (18) eine Kompressionsplatte (26) aufweist, wobei dass Mittel (22) zum Abgeben von Wärme zwischen dem Brennstoffzellenstapel (100) und der Kompressionsplatte (26) angeordnet ist.
Brennstoffzelle (150) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die anodenseitige Stapelendkonstruktion (18) einen Stromkollektor (13) umfasst, welcher zwischen dem Mittel (22) zum Abgeben von Wärme und dem Brennstoffzellenstapel (100) angeordnet ist.
Brennstoffzelle (150) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (150) eine thermische Isolierung umfasst, welche eine Anodenseite (16) der Brennstoffzelle (150) besser isoliert als eine Kathodenseite (17) der Brennstoffzelle (150).
Brennstoffzelle (150) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (22) zum Abgeben von Wärme ein passives Mittel zum Abgeben von Wärme ist, welches insbesondere ein Phasenwechselmaterial (22) umfasst.
Brennstoffzelle (150) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenwechseltemperatur (Tp) des Phasenwechselmaterials (22) kleiner als eine definierte Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels (100) ist.
Brennstoffzelle (150) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (22) innerhalb einer Umhüllung, insbesondere einer Vielzahl von kugelförmigen Umhüllungen (32) angeordnet ist.
Brennstoffzelle (150) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Phasenwechselmaterial (22) bei der Abgabe von Wärme von einem flüssigen zu einem festen Zustand wechselt.
Brennstoffzelle (150) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (22) ein fest nach fest Phasenwechselmaterial (22) ist, insbesondere ein fest nach fest Phasenwechselmaterial (22) ist, welches bei der Abgabe von Wärme einen Wechsel einer kristallinen Struktur von einer Gitterkonfiguration zu einer anderen vollzieht.