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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizelement aus leitfähigem Polymer für einen Zellenstapel, insbesondere für einen Brennstoffzellenstapel.
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Stand der Technik
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Bei Brennstoffzellensystemen wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle - in den Einzelzellen - mit Wasserstoff zu Wasser zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern.
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Insbesondere für die Effizienz des Brennstoffzellenstapels beim Kaltstartfall ist es bekannt Heizelemente am Ende des Zellenstapels einzusetzen. So zeigt die
DE 10 2016 225 651 A1 einen Zellenstapel mit mehreren als Brennstoffzellen ausgeführten Einzelzellen, welche zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Zwischen der jeweiligen Endplatte und letzten Einzelzelle des Zellenstapels ist eine Stromsammelplatte angeordnet. Die Stromsammelplatte weist eine Ausnehmung auf, in welcher ein planares Heizelement - beispielsweise ein Widerstandsheizelement - angeordnet ist.
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Damit das Heizelement nicht vornehmlich die Endplatte beheizt, ist eine Wärmedämmungsschicht zwischen dem Heizelement und der Endplatte vorgesehen, so dass der Wärmefluss vom Heizelement in Richtung der Einzelzellen des Zellenstapels erfolgt. Durch das in die Stromsammelplatte eingelegte Heizelement ist es sehr schwer die für eine Funktionsfähigkeit des Zellenstapels notwendige Verpressung als möglichst homogene Kontaktdruckverteilung von den Endplatten auf die Einzelzellen zu übertragen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit ein Heizelement für einen Zellenstapel derart zu gestalten, dass auf die benachbarten Einzelzellen eine homogene Kontaktdruckverteilung übertragen werden kann und gleichzeitig das Beheizen des Zellenstapels - insbesondere für einen Kaltstart - zu optimieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Dazu umfasst der Zellenstapel mehrere Einzelzellen, welche insbesondere als Brennstoffzellen ausgeführt sind, wobei die Einzelzellen zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Zumindest zwischen einer der Endplatten und den Einzelzellen sind eine Stromsammelplatte und ein Heizelement angeordnet. Das Heizelement ist aus leitfähigem Polymer ausgeführt.
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Idealerweise ist das Heizelement zwischen der Stromsammelplatte und der Endplatte angeordnet. Bevorzugt wirkt das Heizelement dabei in Richtung der Endplatte wärmeisolierend.
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Das leitfähige Polymer kann dabei beispielsweise flächig an die Stromsammelplatte angebunden werden, oder die Stromsammelplatte auf das leitfähige Polymer aufgetragen werden. Bevorzugt ist das Heizelement planar, vergleichsweise dünn und über die gesamte Fläche der Einzelzellen ausgeführt, so dass unter Verspannung des Zellenstapels eine homogene Kontaktdruckverteilung auf die Einzelzellen wirkt und die Einzelzellen homogen über die gesamte Fläche beheizt werden.
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Das leitfähige Polymer weist ein Grundpolymer und leitfähige Partikel auf. Bevorzugt ist dabei das Heizelement aus einem Thermoplast ausgeführt, besonders bevorzugt aus einem Wärme-induzierendem Thermoplast. Der elektrische Widerstand des Wärme-induzierenden Thermoplasten steigt mit der Temperatur, so dass nahezu unabhängig von der Stromeinkopplung in das Heizelement eine homogene Temperatur des Heizelements erreicht werden kann, und damit auch eine Zieltemperatur für die benachbarte Stromsammelplatte und somit letztlich für die äußeren Einzelzellen. Die für den Wärme-induzierenden Thermoplasten charakteristische Temperatur-Widerstands-Kurve ist somit ein Einstellungsparameter für das Aufwärmverhalten des Zellenstapels im Kaltstartfall.
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In vorteilhaften Ausführungen weist das Heizelement einen elektrischen Anschluss auf, welcher in einem elektrischen Heizstromkreis angeordnet ist. Bevorzugt ist das Heizelement im Bereich des elektrischen Anschlusses aufgeraut, um eine gute elektrische Kontaktierung zu gewährleisten.
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Die elektrischen Anschlüsse können beispielweise durch einen Metallspritzprozess auf das Polymer des Heizelements aufgebracht werden. Die Abdeckung der elektrischen Anschlüsse kann beispielsweise durch eine Schicht gleich gut leitendendes, nichtleitendes oder weniger elektrisch leitfähiges Polymer realisiert werden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist der elektrische Anschluss einen Fluidkanal des Zellenstapels zumindest teilweise umgebend angeordnet. Dadurch ist das Heizelement bzw. der elektrische Anschluss in der Lage, die den Einzelzellen zuzuführenden Medien - insbesondere Brennstoff und Oxidationsmittel - zu erwärmen. Insbesondere während einer Kaltstartphase des Zellenstapels ist dies sehr vorteilhaft, da so die Einzelzellen sehr schnell auf Betriebstemperatur gebracht und etwaige Eiskristalle sehr schnell aufgetaut werden können.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Heizstromkreis von einem Hauptstromkreis des Zellenstapels getrennt. Heizstromkreis und Hauptstromkreis sind also gegeneinander elektrisch isoliert. Das Heizelement kann somit also völlig unabhängig vom Hauptstromkreis angesteuert werden. Hierbei werden bevorzugt zwei elektrische Anschlüsse pro Heizelement verwendet. Es kann dabei zweckmäßig sein, leitfähige Strukturen bzw. Partikel in das Grundpolymer des leitfähigen Polymers einzuarbeiten, insbesondere wenn die beiden elektrischen Anschlüsse so weit auseinanderliegen, dass kein ausreichend großer Strom zur Wärmeerzeugung durch das Grundpolymer alleine geleitet werden kann.
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In einer alternativen Ausführung ist der Heizstromkreis mit dem Hauptstromkreis des Zellenstapels elektrisch verbunden, bevorzugt parallel zu einer Reihenschaltung der Einzelzellen angeordnet. Dadurch kann die Stromeinkopplung in das Heizelement in Stapelrichtung erfolgen, gegebenenfalls kann die Menge der elektrisch leitfähigen Partikel in dem Polymer reduziert bzw. auf die leitfähigen Partikel verzichtet werden. Dabei stellt bevorzugt die Stromsammelplatte den einen idealerweise flächigen elektrischen Anschluss bereit, der andere elektrische Anschluss kann auf der der Stromsammelplatte abgewandten Seite durch Linienkontakte oder Punktkontakte oder durch das Einbetten von elektrisch leitfähigen Rohren, Drähten, Leiterbahnen usw. erfolgen.
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In bevorzugten Weiterbildungen ist das Heizelement in der Kontaktfläche zu der Stromsammelplatte aufgeraut, insbesondere wenn das Heizelement mittels Spritzgießen gefertigt wurde. Dadurch wird eine gute elektrische Kontaktierung zwischen Heizelement und Stromsammelplatte erreicht. Selbstverständlich erfolgt die Aufrauhung dann nicht, wenn Heizstromkreis und Hauptstromkreis voneinander elektrisch isoliert sein sollen.
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In vorteilhaften Ausführungen ist zwischen dem Heizelement und der Endplatte eine Isolationsschicht angeordnet, welche bevorzugt als Wabenstruktur ausgeführt ist. Die Wabenstruktur wirkt dabei gut isolierend als auch mechanisch besonders steif im Verhältnis zu ihrer Dichte; die Isolation kann sowohl thermisch als auch elektrisch wirken. Ist das Heizelement als Spritzgussteil ausgeführt, so kann die Isolationsschicht auch äquivalent die Randschicht des Heizelements sein, welche keine leitfähigen Partikel aufweist. Die Abdeckung des Heizelements durch eine thermische Isolationsschicht aus einem Polymer, einer Keramik oder einer geeigneten mechanischen Struktur, wie beispielsweise eben der Wabenstruktur, in Richtung der Endplatte ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Endplatte nicht selbst eine thermische Barriere darstellt.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen eines Heizelements für einen Zellenstapel nach einer der obigen Ausführungen, wobei das Heizelement in einem Spritzgussprozess gefertigt wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird das Heizelement nach dem Spritzgießen in einer Kontaktfläche zu der Stromsammelplatte und/oder in einer Kontaktfläche zu dem elektrischen Anschluss abtragend behandelt, insbesondere mittels Kaltgasspritzen.
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Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel. Die Einzelzellen sind demzufolge als Brennstoffzellen ausgeführt. Insbesondere für mobile Anwendungen wie ein Kraftfahrzeug ist ein Kaltstartfall sehr relevant; das schnelle Erreichen der Betriebstemperatur und damit auch die durch den Brennstoffzellenstapel bereitgestellte Leistung für den Antrieb des Kraftfahrzeugs sind wichtige Anforderungen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 schematisch einen aus dem Stand der Technik bekannten Zellenstapel.
- 2 schematisch einen Schnitt eines erfindungsgemäßen Zellenstapels, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
- 3 den Schnitt A-A der 2.
- 4 schematisch einen Schnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Zellenstapels, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
- 5 den Schnitt B-B der 4.
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1 zeigt schematisch einen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel 1, wie er aus der
DE 10 2016 225 651 A1 bekannt ist. Der Brennstoffzellenstapel 1 weist eine Mehrzahl von als Brennstoffzellen ausgeführten Einzelzellen 4 auf, welche zwischen zwei Endplatten 2, 3 verspannt sind. Die Verspannung erfolgt mittels nicht dargestellter Spannvorrichtungen, die beispielsweise um die Endplatten 2, 3 geführte Spannbänder sein können. Durch die Verspannung werden die Einzelzellen 4 - bzw. deren Komponenten - unter Kontaktpressungen gesetzt, welche für die Funktionsweise des Zellenstapels 1 wichtig sind.
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Zwischen den Endplatten 2, 3 und den elektrisch in Reihe geschalteten Einzelzellen 4 ist an beiden Enden des Zellenstapels 1 jeweils eine Stromsammelplatte 5, 6 angeordnet, welche wiederum je einen Stromabnehmer 5a, 6a aufweisen; die Stromabnehmer 5a, 6a, dienen zur Stromabnahme des Zellenstapels 1 also zur Stromabnahme der in Reihe geschalteten Einzelzellen 4. In den Stromsammelplatten 5, 6 ist jeweils eine Aufnahmenut 5b, 6b ausgebildet, in welchen wiederum je ein Heizelement 7 aufgenommen ist. Zwischen dem Heizelement 7 und der Stromsammelplatte 5, 6 - bzw. dem Boden der Aufnahmenut 5b, 6b - ist eine Wärmedämmungsschicht 8 angeordnet, so dass der Wärmefluss von dem Heizelement 7 vorwiegend in Richtung der Einzelzellen 4 geleitet wird.
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Der Schnitt der 1 zeigt weiterhin Fluidkanäle 9 des Zellenstapels 1, welche durch entsprechende Öffnungen der Einzelzellen 4, der Stromsammelplatten 5, 6 und einer Endplatte 3 gebildet werden. Die Fluidkanäle 9 dienen dabei der Zufuhr oder der Abfuhr von Umgebungsluft und Wasserstoff - optional auch von Kühlmittel - in die Einzelzellen 4 bzw. aus den Einzelzellen 4.
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Erfindungsgemäß ist nun das Heizelement 7 aus leitfähigem Polymer ausgeführt. Dazu zeigen 2 einen Schnitt durch einen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel 1 und 3 den Schnitt A-A der 2. Der Zellenstapel 1 umfasst eine Vielzahl von Einzelzellen 4, welche zwischen zwei Endplatten 2, 3 verspannt sind und bevorzugt elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Ausführung der 2, 3 weist jeweils drei Fluidkanäle 9 für die Zufuhr und die Abfuhr von Medien zur Versorgung der Einzelzellen 4 auf. Zwischen den äußeren Einzelzellen 4 und der jeweiligen Endplatte 2, 3 ist jeweils die Stromsammelplatte 5, 6 angeordnet. Die beiden Stromsammelplatten 5, 6 weisen jeweils einen Stromabnehmer 5a, 6a auf, welche die Stromabgriffe für einen Hauptstromkreis 11 des Zellenstapels 1 darstellen.
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Zwischen den jeweiligen Stromsammelplatten 5, 6 und Endplatten 2, 3 ist das Heizelement 7 angeordnet. In der Ausführung der 2 weist das Heizelement 7 zwei elektrische Anschlüsse auf: einen elektrischen Anschluss 71 und einen weiteren elektrischen Anschluss 72, welche mit einem Heizstromkreis 12 des Zellenstapels 1 verbunden sind und von einer nicht dargestellten Heizstromquelle versorgt werden. In der Ausführung der 2 ist der Heizstromkreis 12 also von dem Hauptstromkreis 11 getrennt.
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Sind die Endplatten 2, 3 aus elektrisch leitfähigem Material ausgeführt, so ist es vorteilhaft zwischen dem Heizelement 7 und der jeweiligen Endplatte 2, 3 eine elektrische Isolationsschicht 17 anzuordnen, so dass kein Strom durch die Endplatten 2, 3 fließen kann. Alternativ oder ergänzend kann die Isolationsschicht 17 vorteilhaft auch als thermische Barriere wirken, so dass ein Wärmeeintrag in das Heizelement 7 vor allem in Richtung der Einzelzellen 4 wirkt und nicht auf die Endplatten 2, 3, welche potenziell eine hohe Wärmekapazität aufweisen und dementsprechend ineffizient auf das Heizelement 7 wirken könnten.
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Auch zwischen dem Heizelement 7 und der jeweiligen Stromsammelplatte 5, 6 müsste prinzipiell eine elektrische Isolationsschicht angeordnet sein, um den Heizstromkreis 12 vom Hauptstromkreis 11 elektrisch zu trennen. Diese Isolationsschicht ist aber inhärent in dem Heizelement 7 aus leitfähigem Polymer vorhanden: das leitfähige Polymer weist ein Grundpolymer und leitfähige Partikel auf. Das Einbringen der leitfähigen Partikel in das Grundpolymer - insbesondere mittels eines Spritzgussprozesses - führt dazu, dass die leitfähigen Partikel während des Fertigungsprozesses quasi in dem Grundpolymer schwimmen, bevor das Grundpolymer aushärtet. Die leitfähigen Partikel schwimmen dabei prozessbedingt nie an den Randschichten des Heizelements 7, sondern immer mehr oder weniger im Inneren des Grundpolymers, so dass die Randschichten immer frei von elektrischen Partikeln sind und somit elektrisch isolierend wirken.
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Bevorzugte Materialien für das Grundpolymer sind PE (Polyethylen), HDPE (Hochdruckpolyethylen), PPS (Polyphenylensulfid), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und PB (Polybuten). Bevorzugte Materialien für die leitfähigen Partikel sind Silizium und vor allem Kohlenstoff.
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Die Materialeigenschaften dieser leitfähigen Polymere zeigen bevorzugt eine temperaturabhängige elektrische Leitfähigkeit, bei der warme Bereiche weniger Strom leiten; derartige Materialien werden als Wärme-induzierende Thermoplaste bezeichnet. Der elektrische Widerstand der Wärme-induzierenden Thermoplaste steigt also mit der Temperatur, so dass nahezu unabhängig von der Stromeinkopplung in das Heizelement 7 eine homogene Temperatur des Heizelements 7 erreicht werden kann. Zudem ist die Maximaltemperatur je nach leitfähigem Polymer auf beispielsweise bis 200°C begrenzbar, so dass eine Überhitzung im Gegensatz zu beispielsweise elektrischen Flächenheizungen mit Widerstandsdrähten auch ohne aufwändige lokale Temperaturmessung und Regelung ausgeschlossen werden kann.
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Die elektrisch leitfähigen Polymere können durch die elektrische Kontaktierung der beiden elektrischen Anschlüsse 71, 72 aktiv beheizt werden (beispielsweise 2W/cm2). Das elektrisch leitfähige Polymer selbst stellt einen Widerstand zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen 71, 72 dar.
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Wie oben schon beschrieben ist herstellungsbedingt das durch die eingelagerten leitfähigen Partikel - wie beispielsweise Kohlenstoff - elektrisch leitfähig gemachte Polymer oberflächlich mit einer wenig leitfähigen bzw. isolierenden Polymerhaut bzw. Isolationsschicht abgeschlossen. Zur Kontaktierung muss demzufolge diese Polymerhaut durchbrochen werden. Dies kann durch abtragende Verfahren wie Fräsen, Bohren, Schleifen etc. aber auch durch Bestrahlen mit Metallpartikeln im Kontaktbereich der elektrischen Anschlüsse 71, 72 zu dem Heizelement 7 erfolgen; gleiches gilt für den Kontaktbereich des Heizelements 7 zu der Stromsammelplatte 5, 6 für den Fall, dass der Heizstromkreis 12 mit dem Hauptstromkreis 11 elektrisch verbunden sein soll. Besonders bevorzugt wird ein Verfahren wie das Kaltgasspritzen verwendet, bei dem Metallpartikel auf die Polymeroberfläche geschossen werden und dort zusammensintern oder -schmelzen, um direkt die elektrischen Anschlüsse 71, 72 zu bilden.
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Die 4 zeigt einen Schnitt durch einen weiteren als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel 1 und die 5 dazu den Schnitt B-B. Der Unterschied zu der Ausführung nach 2, 3 liegt in der elektrischen Verbindung des Heizstromkreises 12 mit dem Hauptstromkreis 11. Die beiden elektrischen Anschlüsse 71, 72 sind in dieser Ausführung demzufolge mit einem Pol des Hauptstromkreises 11 elektrisch leitend verbunden, beispielsweise über einen Metalldraht; der Heizstromkreis 12 bildet somit innerhalb des Hauptstromkreises 11 einen Parallelkreis zu der Reihenschaltung der Einzelzellen 4 mit den Endplatten 2, 3. In dieser Ausführung würde auch ein einziger elektrischer Anschluss 71 pro Heizelement 7 genügen.
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In bevorzugten Ausführungen können die elektrischen Anschlüsse 71, 72 die Fluidkanäle 9 - insbesondere für die Medienzufuhr - umgebend angeordnet sein. Dadurch ist das Heizelement 7 in der Lage, die Fluidkanäle 9 für die Medienversorgung zu den Einzelzellen 4 und damit auch die durch die Fluidkanäle 9 strömenden Fluide zu erwärmen. Bevorzugt weist die Stromsammelplatte 5, 6 sechs Fluidkanäle 9 auf, je einen Zulauf und einen Ablauf für den Brennstoff, für das Oxidationsmittel und für das Kühlmittel. Für eine Kaltstartphase des Zellenstapels 1 ist es vorteilhaft, wenn die Zuläufe - also die Fluidkanäle 9, durch welche Brennstoff und Oxidationsmittel zu den Einzelzellen 4 strömen - erwärmt werden, so dass die optimale Betriebstemperatur in den Einzelzellen 4 schneller erreicht werden kann. Weiterhin können etwaige Eiskristalle bei Umgebungstemperaturen von unter 0°C in den Fluidkanälen 9 und weiter auch in den Einzelzellen 4 schnell aufgetaut werden.
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Die erfindungsgemäßen Ausführungen der Zellenstapel 1 sind auch auf weitere Zellenstapel 1 von beispielsweise Batteriezellen oder Elektrolysezellen übertragbar. Dabei sind auch Kombinationen von mehr als einem Heizelement möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016225651 A1 [0003, 0021]
