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Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Einzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Einzelzellen sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Die Einzelzellen werden typischerweise zwischen Endplatten, Druckbrillen oder dergleichen verspannt, um so den Stapel auszubilden. Jede der Einzelzellen umfasst dabei eine Membranelektrodenanordnung (MEA) sowie Bipolarplatten, deren eine Seite der einen Membranelektrodenanordnung und deren andere Seite der anderen Membranelektrodenanordnung zugewandt ist. Die Bipolarplatten bestehen meist aus zwei Hälften, welche auf der einen Oberfläche die Anodenseite bzw. die Kathodenseite der benachbarten Einzelzellen tragen und welche zwischen sich ein Strömungsfeld für Kühlmedium einschließen.
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Im Endbereich eines solchen Brennstoffzellenstapels, also wenn die Einzelzelle benachbart zu der Endplatte angeordnet ist, kann dieser Aufbau so nicht unmittelbar weitergeführt werden. Einerseits fällt hier die benachbarte Zelle weg und andererseits sind die thermischen Bedingungen hier anders als im mittleren Bereich des Stapels, da über die Endplatten vergleichsweise viel Wärme abgeführt wird, sodass die Endzellen des Brennstoffzellenstapels typischerweise kühler sind als die Zellen in der Mitte des Brennstoffzellenstapels, was zu einer Auskondensation von Produktwasser führen kann und für die Performance des Brennstoffzellenstapels nachteilig ist.
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Die
WO 2004/006370 A2 beschreibt einen Niedertemperatur-Brennstoffzellenstapel mit dem oben angesprochenen Problem. Dieses wird gemäß der internationalen Anmeldung so gelöst, dass die Verteilerstrukturen der ersten und der letzten Brennstoffzelle des jeweiligen Stapels so ausgebildet sind, dass größere Volumenströme an die Einzelzelle geführt werden. Durch diese vermehrte Zufuhr von Edukten, typischerweise also Wasserstoff und Luft, wurde im Bereich dieser Zellen eine höhere Abwärme erzeugt, um die inhomogene Wärmeverteilung ausgleichen zu können.
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Die
DE 10 2006 015 247 A1 sieht in der genannten WO-Schrift das Problem, dass der Aufwand bezüglich der modifizierten Platten für die Endzelle in der Herstellung zu hoch wird, sodass eine alternative Lösung vorgeschlagen wird. Diese besteht im Wesentlichen aus einer thermischen Isolierung zwischen der letzten und der ersten Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels und der jeweiligen Endplatte.
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Auch dies ist in der Praxis für die Montage nicht ganz unkritisch, da unterschiedliche Materialien und ihre unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten innerhalb des Stapels ohnehin schon vergleichsweise komplex zu beherrschen sind, ohne die Dichtheit des Stapels zu verlieren. Zusätzliche Isolationsmaterialien vereinfachen den Aufbau des Brennstoffzellenstapels daher nicht wirklich.
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Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik kann auch auf die
DE 10 2006 016 814 A1 hingewiesen werden. In dieser Schrift ist ein Aufbau beschrieben, bei dem eine relativ flexible Platte für verschiedene Positionen innerhalb des Brennstoffzellenstapels unterschiedlich ausgeführt werden kann, wobei die Ausführungen jeweils auf einer gleichartigen Basisplatte basieren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen verbesserten Brennstoffzellenstapel anzugeben, welcher einen verbesserten Aufbau zur Bewältigung des Problems bei der ersten und letzten Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Brennstoffzellenstapel nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es ähnlich wie im eingangs genannten Stand der Technik vorgesehen, dass im Bereich der ersten und letzten Einzelzelle eines Brennstoffzellenstapels eine Zwischenplatte eingesetzt wird, welche einen im Vergleich zu den Bipolarplatten, also denen der Einzelzellen in der Mitte des Brennstoffzellenstapels, einen vergrößerten durchströmbaren Querschnitt für die Edukte und die Produkte aufweist. Zusätzlich wird gemäß der Erfindung ein verringerter durchströmbarer Querschnitt für das Kühlmedium in einer solchen Platte realisiert. Die Zwischenplatte kann also letztlich analog ausgestaltet werden wie die Bipolarplatte. Sie kann aus zwei Hälften realisiert werden, wobei bei ihrem Einsatz als Zwischenplatte oder Interfaceplatte lediglich eines der Strömungsfelder mit Edukten/Produkten in Berührung kommt und die Kanäle für das Kühlmedium zwischen den beiden Hälften entsprechend durchströmt werden. Die nicht benötigte Hälfte liegt an der Endplatte an und stellt hier den elektrischen Kontakt der Einzelzellen zu den Endplatten bzw. einem mit desen verbundenen oder von diesen ausgebildeten Stromsammler sicher.
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Der entscheidende Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Aufbau liegt nun darin, dass die durchströmbaren Querschnitte für die Edukte und die Produkte entsprechend vergrößert werden, sodass der aus dem eingangs genannten Stand der Technik bereits bekannte Effekt einer größeren Wärmeproduktion in den jeweils ersten und letzten Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels erreicht wird. Gleichzeitig wird aber auch der Querschnitt für das Kühlmedium reduziert. Dies hat dabei zwei ganz entscheidende Vorteile. Einerseits wird durch die verringerte Menge des Kühlmediums die Abfuhr von Abwärme bei der jeweils ersten und letzten Einzelzelle des Brennstoffzellenstapels verringert, was gemeinsam mit der erhöhten Zufuhr von Edukten zu dem positiven Effekt einer weniger starken Abkühlung der ersten und der letzten Einzelzelle führt. Andererseits ist es so, dass bei dem typischen Aufbau der Zwischenplatte, analog zu den Bipolarplatten mit den Kanälen für die Edukte/Produkte auf der einen Oberfläche und zumindest einen Teil der Kanäle für das Kühlmedium auf der anderen Oberfläche durch die Verringerung des Querschnitts der Kanäle für das Kühlmedium die Möglichkeit besteht, die Wandstärken zwischen den Kanälen für das Kühlmedium auf der einen Seite und den Kanälen für die Edukte/Produkte auf der anderen Seite weitgehend konstant zu halten, sodass keine mechanische Schwächung einer solchen Zwischenplatte gegenüber den üblicherweise eingesetzten Bipolarplatten auftritt.
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Der Aufbau kann insgesamt also so realisiert werden, dass die Zwischenplatte, gemäß einer sehr vorteilhafter Ausgestaltung, dieselben äußeren Abmessungen wie die Bipolarplatten aufweist, was hinsichtlich des Stapelns des Brennstoffzellenstapels von ganz entscheidendem Vorteil ist.
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Dementsprechend kann es dann auch vorgesehen sein, dass alle Strömungsquerschnitte in der Zwischenplatte im Vergleich zu den Bipolarplatten vergrößert oder verkleinert sind, sodass also insgesamt eine homogene Verteilung der Größenänderungen über alle verfügbaren Strömungsquerschnitte der Platte erfolgt und eben nicht nur einzelne Bereiche verändert werden. Dies führt zu einer weiterhin sehr homogenen Verteilung der Medien einerseits und einer aus den oben bereits beschriebenen Gründen hohen mechanischen Stabilität der Platte andererseits führt. Der Aufbau kann insgesamt dieselben äußeren Abmessungen haben, wie die Bipolarplatte, was oben schon als besonders günstige Ausführungsvariante erwähnt worden ist.
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Die Zwischenplatte selbst kann dabei vorzugsweise, und auch dies ist oben ja bereits angedeutet worden, eine kathodenseitige und eine anodenseitige Hälfte aufweisen, also im Wesentlichen analog zu der Bipolarplatte aufgebaut sein. Dies macht dann zwar besondere Werkzeuge für die beiden Hälften der Zwischenplatte erforderlich, erlaubt es aber, die Zwischenplatten am einen Ende des Stapels und am anderen Ende des Stapels gleich auszuführen und lediglich entsprechend mit der anodenseitigen Hälfte einerseits und der kathodenseitigen Hälfte andererseits mit den Endplatten zu kontaktieren, sodass der Gesamtaufwand hinsichtlich der Werkzeuge immer noch überschaubar bleibt.
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Die Strömungsquerschnitte können sich dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung vorzugsweise sowohl in der Breite als auch in der Höhe von durchströmbaren Kanälen für Edukte und Produkte vergrößern als auch sowohl in der Höhe und der Breite für durchströmbare Kanäle für das Kühlmedium entsprechend verringern. Die gleichmäßige Verteilung der Vergrößerung bzw. Verringerung der durchströmbaren Querschnitte in dem in beide im Querschnitt vorliegenden Dimensionen die Vergrößerung oder Verringerung stattfindet, erhält die Gesamtgeometrie der Platte bezüglich der Verteilung der Medien weitgehend gleich und kann zur homogenen Verteilung der Medien und einer mechanisch weiterhin hoch belastbaren Platte beitragen.
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Typischerweise haben solche Platten einen Übergangsbereich mit einer offenen Noppen umfassenden Strömungsverteilstruktur. In diesem Bereich kann es nun vorgesehen sein, dass nur die Höhe des durchströmbaren Querschnitts vergrößert wird, um die in diesem Bereich, im Vergleich zu den Stegen zwischen den Kanälen relativ weit beabstandet voneinander angeordneten Noppen nicht unnötig zu schwächen und die mechanische Belastung nicht zu sehr in eine Punktbelastung bei der Berührung der benachbarten Membranelektrodenanordnung zu verändern. Dies könnte nämlich zu einem übermäßigen Einsinken des typischerweise relativ flexiblen Materials der Gasdiffusionslage der Membranelektrodenanordnung, welche benachbart zu den Strömungsfeldern liegt, begünstigen. Diese Variante, bei welcher der Querschnitt der einzelnen Noppen also nicht verändert wird, dient auch dazu, die Tragfähigkeit des Aufbaus nicht zu gefährden.
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Sowohl die Bipolarplatten als auch die Zwischenplatten können vorzugsweise in der gleichen Herstellungstechnologie realisiert werden. Sie können dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels als sogenannte Graphit-Platten ausgebildet sein, welche aus einem aushärtenden Harz mit einem elektrisch leitenden Füllstoff, welcher meist in Form von Graphit gewählt wird, hergestellt sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellenstapels;
- 2 eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte/Zwischenplatte;
- 3 eine Schnittdarstellung des Bereichs III-III in 2;
- 4 eine Schnittdarstellung des Bereichs IV-IV in 2;
- 5 eine Schnittdarstellung des Bereichs V-V in 2; und
- 6 eine Schnittdarstellung des Bereichs VI-VI in 2.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Brennstoffzellenstapel 1 dargestellt. Er besteht im Wesentlichen aus Einzelzellen, welche als Kern jeweils eine Membranelektrodenanordnung 2 aufweisen. Zwischen diesen Membranelektrodenanordnungen befinden sich mit 3 bezeichnete Bipolarplatten, welche abwechselnd mit den Membranelektrodenanordnungen 2 aufgestapelt werden. Die Membranelektrodenanordnung der ersten und der letzten Einzelzelle sind in der Darstellung der Figur jeweils mit 2' bezeichnet. Auf der einen Seite ist ihnen eine reguläre Bipolarplatte 3 benachbart, was hier durch die Punkte entsprechend angedeutet ist. Auf der anderen Seite befindet sich eine spezielle Zwischenplatte 4 gefolgt von jeweils einer Endplatte 5 des Brennstoffzellenstapels 1.
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Die Bipolarplatten 3 sind nun im Wesentlichen so aufgebaut, wie es sich schematisch in einer Draufsicht auf eine solche Bipolarplatte 3 in der Darstellung der 2 ergibt. Rein beispielhaft ist hier die sogenannte Kathodenseite gezeigt, also die Seite, welche mit der zu ihr benachbarten Membranelektrodenanordnung 2 jeweils die Kathode der jeweiligen Einzelzelle ausbildet. Der wesentliche Teil der Bipolarplatte 3 ist dabei ein sogenanntes Strömungsfeld 6, welches aus abwechselnd angeordneten Kanälen 7 und dazwischen angeordneten Stegen 8 besteht. In Richtung der Durchströmungsrichtung F des Mediums, hier der Luft, sind vor und nach dem Strömungsfeld 7 jeweils mit 9 bezeichnete Verteilbereiche gezeigt, in welchen einzelne Noppen 10 angeordnet sind, die dafür sorgen, dass die Strömung sich möglichst gleichmäßig auf die Kanäle 7 verteilt bzw. aus den Kanälen 7 heraus sammelt. Über einen Durchbruch 11 durch die Platte, welcher auch als Backfeed Slot bezeichnet wird, gelangen die Produkte dann auf die Rückseite der in der Darstellung der 2 oberen Plattenhälfte bzw. strömen von dieser aus in den Verteilbereich 9 ein. Auf dieser hier nicht explizit dargestellten Rückseite sind die Durchbrüche 11 jeweils über sogenannte Vias 12 mit Medienzufuhr/- abfuhröffnungen 13 verbunden, welche auch als Ports bezeichnet werden. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche ist der Aufbau im Wesentlichen gleich, wobei das Zuströmen und Abströmen der Medien durch die hier mit 14 bezeichneten Ports, welche sich diagonal gegenüberliegen, erfolgt. Auch hier wird über hier nicht erkennbare Durchbrüche das Medium von den Ports 14 über angedeutete Vias 15 und hier nicht dargestellte Durchbrüche zu einem Strömungsverteilbereich, welcher wiederum durch ein Strömungsfeld verbunden ist, strömen oder aus diesem entsprechend abströmen. Zwischen den beiden Plattenhälften befinden sich zusätzlich zu den Vias 12, 15 ein hier nicht erkennbares Strömungsfeld mit Kühlkanälen 16 und dazwischen angeordneten Stegen 17 (vgl. 3) sowie entsprechenden Vias 18, die die Ports 19 zur Zufuhr und Abfuhr von Kühlmedium mit dem Kühlmedienströmungsfeld verbinden.
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Dieser Aufbau kann nun bei den Bipolarplatten 3 und bei den Zwischenplatten 4 grundsätzlich identisch aufgebaut sein. Der einzige Unterschied besteht nun darin, dass die durchströmbaren Querschnitte der einzelnen Bereiche unterschiedlich realisiert sind. In den folgenden 3 bis 6 werden daher beispielhaft anhand der in 2 mit III bis VI bezeichneten Bereiche diese Strömungsquerschnitte anhand von Schnittdarstellungen näher erläutert. Der mit durchgezogener Linie dargestellte und mit (4) bezeichnete Aufbau zeigt dabei den Aufbau, der in den Zwischenplatten 4 realisiert ist. Mit gestrichelter Linie und mit (3) gekennzeichnet ist zum Vergleich der Aufbau bei einer herkömmlichen Bipolarplatte 3, welche sich weiter innen in dem Brennstoffzellenstapels 1 befindet, dargestellt.
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In der 3 ist nun ein Ausschnitt aus dem Bereich des Strömungsfeldes 6 zu erkennen. In der Darstellung der 3 oben ist die kathodenseitige Hälfte 41 der Zwischenplatte 4 dargestellt, in der unteren Hälfte die der anodenseitigen Hälfte 42 der Zwischenplatte 4. Die kathodenseitige Hälfte 41 ist mit breiter, unregelmäßiger Schraffur dargestellt, die anodenseitige Hälfte 42 mit enger, regelmäßiger Schraffur, was sich über die nachfolgenden 3 bis 6 so fortsetzt. Vom Strömungsfeld 6 sind nun die Kanäle 7 und die dazwischen angeordneten Stege 8 zu erkennen. Darunter sind die oben bereits angesprochenen Kanäle 16 und Stege 17 für das Kühlmedienströmungsfeld zu erkennen. Diese sind hier in die anodenseitige Hälfte 42 eingebracht, auf deren gegenüberliegender Oberfläche sich Kanäle 20 und Stege 21 des anodenseitigen Strömungsfeldes befinden.
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Der entscheidende Designaspekt ist nun durch die gestrichelten Linien angedeutet. Diese symbolisieren den mit (3) gekennzeichneten Aufbau, wie er bei einer herkömmlichen Bipolarplatte 3 wäre. Im Gegensatz dazu ist nun sowohl die Breite als auch die Tiefe bzw. Höhe der Kanäle 7, 20 sowohl in der anodenseitigen Hälfte 42 als auch in der kathodenseitigen Hälfte 41 entsprechend vergrößert. Hierdurch kann mehr Edukt zu der jeweiligen Membranelektrodenanordnung geführt werden. Gleichzeitig ist der durchströmbare Querschnitt der Kanäle 16 für das Kühlmedium entsprechend verringert, indem sowohl die Breite als auch die Höhe bzw. Tiefe der Kühlmedienkanäle 16 gegenüber dem gestrichelt eingezeichneten Aufbau bei einer herkömmlichen Bipolarplatte 3 verringert wird. Hierdurch wird also einerseits eine vermehrte Versorgung der durch die in Stapelrichtung erste und letzte Membranelektrodenanordnung 2` gebildeten Einzelzelle mit Edukten auf der jeweils der Endplatte 5 zugewandten Seite dieser Membranelektrodenanordnung 2' erreicht. Gleichzeitig wird durch die geringeren durchströmbaren Querschnitte der Kanäle 16 für das Kühlmedium die Kühlung verringert, sodass insgesamt der vermehrten Wärmeabfuhr von dieser letzten Zwischenplatte 4 durch ihren unmittelbaren Kontakt mit der Endplatte 5 Rechnung getragen wird. Durch die veränderte Geometrie der Strömungsquerschnitte sowohl für die Edukte/Produkte als auch für das Kühlmedium kann so ein entscheidender Vorteil erzielt werden.
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In der Darstellung der 4 ist nun der Strömungsverteilbereich 9 näher dargestellt. Die Noppen 10 sind in ihrer Geometrie unverändert, um die Tragfähigkeit des Aufbaus nicht zu verringern und die Gefahr eines Einsinkens des Materials der Membranelektrodenanordnung 2`, und hier insbesondere ihrer Gasdiffusionslage, welche die Membranelektrodenanordnung 2, 2`, gegenüber den Bipolarplatten 3 und Zwischenplatten 4 entsprechend begrenzt, zu verhindern. Die Vergrößerung des durchströmbaren Querschnitts einerseits und die Verringerung des durchströmbaren Querschnitts der Kanäle 16 für das Kühlmedium andererseits wird hier lediglich durch eine Variation in der Höhe bzw. Tiefe erreicht.
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5 zeigt nun am Beispiel der Vias 12 für die Luft die Veränderung des durchströmbaren Querschnitts im Bereich dieser Vias. Dies lässt sich so unmittelbar auf die Vias 15 für den Wasserstoff übertragen. Auch hier ist es so, dass sowohl die Breite als auch die Höhe der Vias 15 entsprechend vergrößert wird. Im Gegensatz dazu werden die Vias 18 für das Kühlmedium, wie es in der abschließenden 6 dargestellt ist, in ihrem Querschnitt verringert, indem sowohl die Höhe als auch die Breite des durchströmbaren Querschnitts reduziert wird.
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Insgesamt lässt sich so ein homogener Betrieb aller Einzelzellen in dem Brennstoffzellenstapel 1 gewährleisten, sodass also auch die den beiden Endplatten 5 zugewandte erste und letzte Einzelzelle weitgehend homogen im Vergleich zu den anderen Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels betrieben werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2004006370 A2 [0004]
- DE 102006015247 A1 [0005]
- DE 102006016814 A1 [0007]
