Der
Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem
zuerst beschriebenen Stand der Technik erheblich vereinfachtes und
billiger herzustellendes Kühlsystem
für Brennstoffzellenstacks zu
entwickeln, welches den Vorteil eines geringen Platzbedarfs bei
niedrigem Ge wicht mit dem einer hinreichend effektiven Kühlung auch
bei hohen Leistungsdichten im Stack verbindet.
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs. Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich mit
den Merkmalen der Unteransprüche.
Erreicht
wird damit eine sehr effektive passive Kühlung des Brennstoffzellenstacks.
Die auf eine durch die Ränder
der Bipolarplatten und der Brennstoffzellen gebildete Seitenfläche aufgebrachte Schicht,
welche bei guter thermischer Leitfähigkeit elektrisch isoliert,
erlaubt die Anordnung eines Kühlkörpers oder
eines Wärmeableiters
auf dieser Seitenfläche
des Stacks, der dann einen guten thermischen Kontakt zu allen Bipolarplatten
hat, ohne aber einen Kurzschluss der Brennstoffzellen zu bewirken. Erreicht
wird damit eine sehr einfache und effektive thermische Kopplung
der einzelnen Bipolarplatten jeweils im Bereich ihres Randes an
den Kühlkörper oder
den Wärmeableiter.
Bei einem erfindungsgemäßen Aufbau
kann überschüssige Reaktionswärme also
von den Bipolarplatten in Plattenebene nach außen transportiert werden. Die
damit beschriebene passive Kühlung
setzt allerdings eine hinreichend gute thermische Leitfähigkeit
der Bipolarplatten in einer Richtung in Plattenebene voraus. Insbesondere bei
Kleinstbrennstoffzellen (Leistungen einer Einzelzelle von zwischen
0,1 W und 100 W) sind einfache Bipolarplatten ausreichender thermischer
Leitfähigkeit
aufgrund entsprechend kleiner lateraler Ausdehnungen ohne großen Aufwand
realisierbar. Gerade bei Kleinst- oder Mikrobrennstoffzellensystemen aber
fallen die Vorteile der beschriebenen Erfindung be sonders ins Gewicht,
weil auf eine Reduzierung von Abmessungen und Gewicht eines Stacks
besonderen Wert gelegt wird und eine aktive Kühlung des Stacks unzweckmäßig, sehr
aufwendig und schwer realisierbar ist. Die hier vorgeschlagene Kühlung ist wesentlich
unkomplizierter als herkömmliche
Kühlsysteme
für Brennstoffzellenstacks,
bei denen die Bipolarplatten mit zusätzlichen Kanälen für eine aktive Kühlung mit
einem eigenen Kühlkreislauf
versehen sind, und verbindet den Vorteil einer wesentlich preisgünstigeren
Herstellung mit erheblichen Platz- und Gewichtseinsparungen.
Einen
bevorzugten Einsatzbereich für
die beschriebene Technologie bilden also Mikrobrennstoffzellensysteme,
neben Stacks aus PEM-Brennstoffzellen (Polymermembran-Brennstoffzellen)
sind auch erfindungsgemäße Brennstoffzellenstacks
aus Direkt-Methanolbrennstoffzellen besonders viel versprechend.
Besonders gute Resultate erzielt man bei Brennstoffzellenstacks
mit Brennstoffzellen, die eine aktive Fläche von weniger als 200 cm2, vorzugsweise zwischen 1 und 50 cm2 pro Einzelzelle haben. Bei Brennstoffzellen
dieser Größe lässt sich
durch ein mit der vorliegenden Erfindung beschriebenes Kühlsystem
eine besonders effektive Kühlung
und besonders große
Vorteile durch Einsparungen an Abmessungen und Gewicht erreichen.
Die volumetrische Leistungsdichte des Brennstoffzellenstacks liegt
für eine
besonders vorteilhafte Ausführung
zwischen 0,01 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 4 mm. Diese Leistungsdichten,
welche nach dem Stand der Technik nur mit aktiv gekühlten Stacks
erreichbar wären, mit
der vorliegenden Erfindung aber auch für wesentlich einfacher aufgebaute,
passiv gekühlte
Brennstoffzellensysteme möglich
werden, erlauben eine Konstruktion von Brennstoffzellenstacks gewünschter
Kom paktheit, wie sie insbesondere für mobile oder portable Anwendungen
von großem
Vorteil sind. Um eine für
die beschriebene Kühlung
hinreichende thermische Leitfähigkeit
der Bipolarplatten zu gewährleisten,
gleichzeitig aber sowohl die Abmessungen als auch das Gewicht des
Brennstoffzellenstacks so gering wie möglich zu halten, sind die Bipolarplatten
vorteilhafterweise mit einer Dicke von zwischen 0,01 und 10 mm,
vorzugsweise zwischen 0,1 und 4 mm auszulegen. Für die Herstellung der Bipolarplatten
sind dabei möglichst
(thermisch wie elektrisch) leitfähige
Materialien zu verwenden, beispielsweise Graphit, kohlenstoffgefüllte, leitfähige Polymer,
vorzugsweise mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von 10 bis 50 W/mK
oder auch Metalle wie beispielsweise Titan, beschichtetes Aluminium,
Stahl, insbesondere mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von 50 bis 250 W/mK.
Dadurch lässt
sich eine vorteilhaft gute Wärmeleitfähigkeit
der Bipolarplatten von zwischen 1 und 300 W/mK, vorzugsweise zwischen 10
und 100 W/mK realisieren. Die günstigste
Wärmeleitfähigkeit
lässt sich
hierbei in Abhängigkeit
von weiteren Parametern auch wie folgt abschätzen, wobei folgende Variablen
gelten
- PV:
- Gesamtleistung des
Stacks, W
- λ:
- Wärmeleitfähigkeit, W/mK
- b:
- Breite des Stacks,
m
- l:
- Länge des Stacks in Richtung
der Luftkanäle (senkrecht
zur Bildebene), m
- d:
- Dicke der Bipolarplatten,
m
Für eine akzeptabel
geringe Temperaturvariation über
die Breite der Bipolarplatte ergibt sich die Wärmeleitfähigkeit als Funktion der anderen
Abmessungen: λ =
PV·b/(20n·l·d)
Die
thermisch leitfähige
und elektrisch isolierende Schicht, welche die für einen verbesserten Kontakt
plan gearbeitete Seitenfläche
des Brennstoffzellenstacks von dem Kühlkörper oder dem Wärmeableiter
trennt, hat vorteilhafterweise eine Dicke von zwischen 1 μm und 1 mm,
vorzugsweise zwischen 10 und 100 μm.
Eine Schicht dieser Dicke gewährleistet
eine gute thermische Ankopplung der Bipolarplatten an den Kühlkörper bzw.
den Wärmeableiter
bei gleichzeitig hinreichend guter elektrischer Isolation. Besonders
einfache und zweckmäßige Ausführungen
der Erfindung sehen vor, dass die Schicht aus Klebstoff oder einer
thermischen Leitpaste besteht oder durch eine zwischen der Seitenfläche des
Stacks und dem Kühlkörper oder
dem Wärmeableiter
angeordnete Folie gebildet wird. Besonders geeignete Materialien
für die
Schicht sind Al2O3,
Aluminiumnitrid (ALN), Bornitrid (BN), Siliziumkarbid (SiC), diamantgefüllte Polymere.
Die Wärmeleitfähigkeit der
Verbindungsschicht liegt vorzugsweise zwischen 1 und 50 W/mK, besonders
vorzugsweise zwischen 1 und 10 W/mK.
Eine
zweckmäßige Ausgestaltung
der Erfindung sieht vor, dass der Kühlkörper oder der Wärmeableiter
durch eine an der Schicht anliegende Kühlplatte gebildet ist. Der
Kühlkörper oder
der Wärmeableiter
kann zur Luftkühlung
Kühlrippen,
Stifte (etwa in "pin-fin"-Anordnung) oder Lamellen aufweisen.
Eine verbesserte Kühlwirkung
lässt sich
erzielen, wenn man zusätzlich
einen angetrieben Lüfter,
vorzugsweise mit einem Ventilator vorsieht. Bei einer Verwendung
des Brennstoffzellenstacks in Verbindung mit anderen, insbesondere
vom Brennstoffzellenstack mit Strom versorgten Vorrichtungen kann
dieser Lüfter
besonders vorteilhafterweise gleichzeitig zu deren Kühlung die nen.
Eine
andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Kühlkörper oder
der Wärmeableiter
Hohlräume
für Kühlflüssigkeit
aufweist. Möglich ist
damit eine Kühlung
des Kühlkörpers oder
des Wärmeableiters
sowohl durch selbständiges,
thermisch bedingtes Zirkulieren der Kühlflüssigkeit als auch durch einen
angetriebenen Kühlkreislauf.
Unbeschadet der passiven Kühlung
des Brennstoffzellenstacks hätte
man im letztgenannten Fall eine aktive Kühlung des Kühlkörpers oder des Wärmeableiters.
Auch ein gasförmiges
Kühlmittel
wie z.B. Luft kann in Hohlräumen
oder Röhrensystem
im Kühlkörper oder
Wärmeableiter
zirkulieren.
Für einen
optimalen Betrieb des Brennstoffzellenstacks ist es wünschenswert,
dessen Betriebstemperatur zu kontrollieren und zumindest innerhalb eines
Leistungsbereichs unabhängig
vom Betrag einer abgenommenen Leistung konstant halten zu können. Das
wird mit einer Weiterbildung der Erfindung möglich, bei der der Kühlkörper oder
der Wärmeableiter
eine Kühlmittelzirkulation
für einen
regelbaren Kühlkreislauf
aufweist. Gedacht ist hier an eine temperaturabhängig steuerbare Umlaufgeschwindigkeit des
Kühlmittels
im Kühlkreislauf.
Um die optimale, üblicherweise
oberhalb einer typischen Umgebungstemperatur liegende Betriebstemperatur
bei Betriebsbeginn möglichst
schnell zu erreichen, kann in den Kühlkörper oder den Wärmeableiter
ein Heizwiderstand integriert sein. Das beschriebene Kühlsystem
fungiert in diesem Fall bei Betriebsbeginn nicht als Kühlung sondern
als Heizung für
das Brennstoffzellenstack.
Verlangt
es die Konstruktion des Gesamtsystems, dass die Verlustwärme des
Brennstoffzellenstacks zu einem weiter entfernt liegenden Bereich des
Geräts
abtransportiert werden muss, können auch
Heat-Pipes an den Seitenflächen
des Brennstoffzellenstacks angebracht werden.
Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass ein an den Seitenflächen angebrachter Kühlkörper mit
einem Wasserstofftank (Metallhydridspeicher) thermisch leitend verbunden
ist oder die seitlich ankontaktierten Kühlkörperteile des Wasserstofftanks
selbst sind, um eine gute thermische Kopplung zwischen Wasserstofftank
und Brennstoffzellenstack zu bekommen. Hierbei werden ca. 20% der Stackverlustleistung
benötigt,
um die endotherme Wasserstofffreisetzung aufrechtzuerhalten.
Einen
besonders einfachen Aufbau guter Funktion erhält man, wenn man zwei Kühlkörper oder Wärmeableiter
auf zwei gegenüberliegenden,
jeweils plan gearbeiteten und mit einer elektrisch isolierenden
und thermisch gut leitenden Schicht versehenen Seitenflächen des
Brennstoffzellenstacks anordnet. Die Bipolarplatten sind dadurch
an zwei gegenüberliegenden
Enden mit ihrem Rand an einen Kühlkörper oder
einen Wärmeableiter
thermisch gekoppelt. Das führt
zu einer besseren und gleichmäßigeren Kühlung der
Bipolarplatten und reduziert ein bei erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstacks
ohnehin geringes Temperaturgefälle
zwischen verschiedenen Bereichen der Bipolarplatten beim Betrieb
des Brennstoffzellenstacks noch weiter. Maximale Temperaturunterschiede
zwischen verschiedenen Bereichen des Brennstoffzellenstacks und
einzelner Bipolarplatten können
so bei nicht zu groß dimensionierten
Brennstoffzellen in Stacks der hier beschriebenen Art auch bei maximaler
Leistung unter 1 K gehalten werden. Bei einer Anordnung von Kühlkörpern oder Wärmeableitern
auf zwei einander gegenüberliegenden
Seitenflächen
des Stacks kann man die Kanäle für den Transport
von Reaktanden oder Reaktionsprodukten in den Bipolarplatten zweckmäßigerweise so
konzipieren, dass die Reaktanden oder die Reaktionsprodukte an den
weiteren, frei bleibenden Seitenflächen des Stacks zu- bzw. abgeführt werden. Möglich sind
auch Anordnungen, bei denen Kühlkörper oder
Wärmeableiter
auf mehr als zwei, jeweils plan gearbeiteten Seitenflächen des
Brennstoffzellenstacks angeordnet sind. Insbesondere in diesem Fall
können
die Kühlkörper oder
Wärmeableiter
auch Kanäle
für eine
Zu- und Abfuhr von Reaktanden und Reaktionsprodukten aufweisen.
Auch kann ein mit der Zufuhr von Reaktanden verbundener Gasstrom bei
entsprechender Führung
eine vorteilhaft kühlende
Wirkung auf den Kühlkörper oder
Wärmeableiter haben.
Selbstverständlich
können
auch auf einer einzigen Seitenfläche
eines Brennstoffzellenstacks mehrere Kühlkörper oder Wärmeableiter angebracht sein,
was insbesondere bei Brennstoffzellenstacks größerer Ausdehnung zweckmäßig sein
kann. Um Kosten zu sparen kann ein Lüfter verwendet werden, dessen
Luftstrom so verteilt wird, dass ein Teil der Luft zur Kühlung der
seitlichen Kühlkörper verwendet wird
und der Rest zur Versorgung des Stacks mit der kathodenseitig notwendigen
Luft dient. Auch kann die Luft hintereinander durch den Kühler und
den Stack geleitet werden, wobei sich jedoch das Kühl- und
Regelverhalten unter Umständen
verschlechtern kann.
Anhand
der 1–3 wird
ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung erläutert. Es
zeigt
1 einen
Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Stacks
von Polymermembran-Brennstoffzellen im Querschnitt,
2 in
diagrammatischer Darstellung die Temperatur des Stacks aus 1 sowie
die Stärke eines
für dessen
Betrieb erforderlichen Luftflusses durch den Stack in Abhängigkeit
von der Stärke
eines durch den Brennstoffzellenstack fließenden Stroms bei einer Verwendung
einer Temperaturregelung zur Kühlung
und
3 ein
entsprechendes Diagramm für
ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenstack
mit einer nicht regelbaren Luftkühlung.
In 1 ist
ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Stapelanordnung von Brennstoffzellen 1 zu
sehen. Derartige Stapelanordnungen bezeichnet man auch als Brennstoffzellenstacks
oder auch nur Stacks. Bei den Brennstoffzellen 1 handelt
es sich im vorliegenden Fall um PEM-Brennstoffzellen (Polymermembran-Brennstoffzellen).
Die einzelnen Brennstoffzellen 1 sind durch Bipolarplatten 2 voneinander
getrennt. Diese im vorliegenden Beispiel dreilagig ausgeführten Bipolarplatten 2 haben
eine Kanalstruktur für
eine Versorgung der Brennstoffzellen mit Reaktanden, anodenseitig
mit Wasserstoff und kathodenseitig mit Sauerstoff bzw. Luft, sowie
für einen
Abtransport kathodenseitig als Reaktionsprodukt entstehenden Wassers.
Von diesem Kanalsystem sind in der 1 nur kathodenseitige
Luftkanäle 3 zu erkennen,
welche eine Kathode oder kathodenseitige Diffusionslage der anliegenden
Brennstoffzelle 1 mit Sauerstoff versorgen. Ein beim Betrieb
des Stacks in diesen Luftkanälen 3 herrschender
Luftstrom sorgt gleichzeitig für
den Ab transport des kathodenseitig entstehenden Wassers.
Sowohl
die Brennstoffzellen 1, die ihrerseits wieder mehrlagig
sind und mit Kathode und Anode jeweils zwei Elektroden sowie eine
Polymermembran als Elektrolyt aufweisen, als auch die Bipolarplatten 2 werden
seitlich durch Ränder
begrenzt. Diese Ränder
bilden Seitenflächen 4 des
Stacks, welche so bearbeitet sind, dass sie eine plane Oberfläche bilden. Auf
den zwei einander gegenüberliegenden
Seitenflächen 4 ist
jeweils eine elektrisch isolierende Schicht 5 aus einem
thermischen Interface-Material aufgebracht, auf welchem wiederum
jeweils ein Kühlkörper 6 angeordnet
ist. Die Schicht 5 hat eine Dicke von etwa 100 μm, als Interface-Material
dient eine Leitpaste oder thermisch leitfähiger Kunststoff. Dadurch,
dass die Seitenflächen 4 plan
bearbeitet und damit eventuelle Montagetoleranzen ausgeglichen sind,
entsteht eine gute seitliche Wärmekopplung
der Bipolarplatten 2 über
ihre Ränder
an die metallischen, vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer gefertigten
Kühlkörper 6,
wobei die Schicht 5 aufgrund einer guten thermischen Leitfähigkeit
des verwendeten Interface-Materials diese Wärmekopplung nicht wesentlich
beeinträchtigt,
aber einen elektrischen Kurzschluss verhindert. Möglich wird
so eine sehr effektive passive Kühlung
des Brennstoffzellenstacks, bei der überschüssige Reaktionswärme von
den Bipolarplatten 2 in Plattenebene seitlich aus dem Stack nach
außen
transportiert wird.
Im
vorliegenden Beispiel haben die Brennstoffzellen 1 eine
ungefähr
quadratische Form bei einer Seitenlänge von etwa 5 cm. Die Bipolarplatten 2 haben
bei einer Dicke von etwa 1,5 mm und einer Herstellung aus Graphit
sowie eine spezifische Wärmeleitfähigkeit
von jeweils mehr als 20 W/mK. Auch bei Leistungen einer Einzelzelle
von 2 W bleiben Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Bereichen
der Bipolarplatte 2 und des ganzen Brennstoffzellenstacks
damit unter 1 K. Das Brennstoffzellenstacks kann so problemlos mit
einer Leistungsdichte von bis zu 0,5 W/cm3 betrieben
werden.
Würde man
anstelle der erfindungsgemäßen passiven
Kühlung
Kühlplatten
an einer jeweils durch eine Endplatte gebildeten Ober- und Unterseite
des Stacks anbringen, würden
sich Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Einzelzellen
des Stacks abhängig
von ihrer Position ergeben, die 10- bis 100-mal höher sind.
Der Grund ist eine geringe Wärmeleitfähigkeit
der Brennstoffzellen 1 mit ihren verschiedenen Lagen wie
Elektrolytmembranen und Gasdiffusionslagen, welche durch zwischen
den Lagen auftretende Kontaktwiderstände noch reduziert wird.
Die
Kühlkörper 6 können einfache
Kühlplatten
mit Kühlrippen
oder Lamellen zur Luftkühlung sein,
im vorliegenden Beispiel handelt es sich aber um Heat-Pipes mit einem regelbaren
Kühlkreislauf. Dadurch
wird es möglich,
die Temperatur des Brennstoffzellenstacks zumindest innerhalb eines
Leistungsbereichs stromstärken-
und leistungsunabhängig
konstant zu halten.
Um
gleichzeitig sowohl ein Austrocknen als auch ein so genanntes "Absaufen" der Brennstoffzellen 1 zu
verhindern, muss die Stärke
des Luftstroms in den Luftkanälen 3 in
Abhängigkeit
von der am Stack abgegriffenen Leistung bzw. der Stärke des durch
den Stack fließenden
Stroms geregelt werden. Einen im Dauerbetrieb stabilen Betrieb kann
man nur erzielen, wenn der Luftstrom entsprechend dem temperaturabhän gigen Sättigungsdampfdruck
genau so viel Wasser abführt,
wie die Brennstoffzellen 1 bei gegebener Leistung produzieren.
Aufgrund der Fähigkeit
der Gasdiffusionslagen, in begrenzten Mengen Wasser zu speichern,
ist es zwar möglich,
für einen bestimmten
Zeitraum höhere
Mengen Luft durch die Luftkanäle 3 zu
pumpen, als es für
einen Gleichgewichtswasserhaushalt nötig wäre, ein stabiler Dauerbetrieb
lässt aber
nur erzielen, wenn der Luftstrom innerhalb von sehr engen Grenzen
geregelt wird. Das ist auch der Grund, weshalb eine Kühlung des
Stacks ausschließlich
durch die Luftkanäle
nicht möglich
ist und eine zusätzliche
Kühlung
erforderlich ist.
Das
in 2 dargestellt Diagramm zeigt die Abhängigkeit
der in °C
angegebenen Temperatur T des Brennstoffzellenstacks aus der 1 (Kreise, rechte
Ordinate) sowie die Stärke
des in ml/min gemessenen Luftstroms J durch die Luftkanäle 3 desselben
Stacks (Dreiecke, linke Ordinate) für einen stabilen Betrieb in
Abhängigkeit
von der Stromstärke I
(Abszisse, dort angegeben an A) des durch die Brennstoffzellen 1 fließenden Stroms.
Diese Stromstärke
ist, abgesehen vom Effekt eines mit zunehmender Stromstärke größer werdenden
Spannungsabfalls, annähernd
proportional zur im Stack umgesetzten Leistung und dementsprechend
zur überschüssig produzierten
Wärme.
Das Diagramm zeigt, dass die Temperatur oberhalb einer Stromstärke von 0,2
A konstant auf 60°C
gehalten wird. Das wird durch einen geregelten Kühlkreislauf möglich. Die
Figur zeigt auch, dass im entsprechenden Stromstärken- bzw. Leistungsbereich die Stärke des
Luftstroms etwa proportional zur Stromstärke zunehmen muss, entsprechend
einer wachsenden Menge produzierten und abzutransportierenden Wassers.
Die Temperatur von 60°C
wird dagegen bei kleineren Stromstärken als 0,2 A noch nicht erreicht,
in diesem Stromstärkenbereich
nimmt die Temperatur mit wachsender Stromstärke und dementsprechend wachsender
Leistung zu. Aufgrund eines mit zunehmender Temperatur wachsenden
Dampfdruckes muss die Stärke
des Luftstroms in diesem Bereich oberhalb einer Betriebstemperatur
von etwa 40°C
mit zunehmender Stromstärke
abnehmen, um ein Austrocknen der Brennstoffzellen 1 zu
verhindern.
In 3 ist
ein entsprechendes Diagramm zu sehen für den Fall, dass das Brennstoffzellenstack aus 1 mit
einer einfachen, ungeregelten Luftkühlung der Kühlkörper 6 betrieben wird.
In diesem Fall nimmt die Temperatur des Brennstoffzellenstacks mit zunehmender
Stromstärke
und dementsprechend wachsender Leistung kontinuierlich zu. Um ein
Austrocknen der Brennstoffzellen 1 zu verhindern, muss, wie
in dem Diagramm zu sehen ist, die Stärke des Luftstroms oberhalb
einer Stromstärke
von in diesem Fall etwa 0,3 A mit zunehmender Stromstärke abnehmen.
Da auf andererseits eine mit zunehmender Leistung wachsende Mindeststärke des
Luftstroms erforderlich ist, um die Brennstoffzellen 1 kathodenseitig
mit Luft als Reaktand zu versorgen, ist sowohl die Betriebstemperatur
als auch die Stromstärke
und damit die Leistung des Brennstoffzellenstacks nach oben begrenzt.