DE10310564A1

DE10310564A1 - Plattenelement für eine Brennstoffzelle, Brennstoffzellenanordnung sowie Verfahren zum Herstellen eines Plattenelements

Info

Publication number: DE10310564A1
Application number: DE10310564A
Authority: DE
Inventors: Stefan Nettesheim
Original assignee: P21 Power for the 21st Century GmbH
Current assignee: P21 Power for the 21st Century GmbH
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2003-12-11
Also published as: DE10324386B4; DE20305084U1; DE10324386A1

Abstract

Es wird unter anderem beschrieben ein Plattenelement (10) für eine Brennstoffzelle, bei dem es sich beispielsweise um eine Bipolarplatte, eine Endplatte oder dergleichen handeln kann. Das Plattenelement (10) verfügt über eine Einrichtung zum Übertragen von Wärme. Um die Wärmeverteilung innerhalb des Plattenelements (10) zu homogenisieren und eine gezielte Wärmeübertragung zu ermöglichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Wärmeübertragungseinrichtung wenigstens eine Heatpipe (20) aufweist, wobei die wenigstens eine Hetpipe (20) innerhalb des Plattenelements (10) angeordnet ist. Weiterhin wird eine verbesserte Brennstoffzellenanordnung sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Plattenelements (10) für eine Brennstoffzelle beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Plattenelement für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff von Patentspruch 12. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen eines Plattenelements für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 19.

Brennstoffzellen sind seit langem bekannt und haben in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Wege, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden.

Bei der Brennstoffzelle werden die zwischen elektrisch neutralen Molekülen oder Atomen ablaufenden Oxidations- und Reduktionsprozesse in der Regel über einen Elektrolyten räumlich getrennt. Eine Brennstoffzelle besteht grundsätzlich aus einem Anodenteil, an den ein Brennstoff zugeführt wird. Weiterhin weist die Brennstoffzelle einen Kathodenteil auf, an dem ein Oxidationsmittel zugeführt wird. Räumlich getrennt sind der Anoden- und Kathodenteil durch den Elektrolyten. Bei einem derartigen Elektrolyten kann es sich beispielsweise um eine Membran handeln. Solche Membranen haben die Fähigkeit, Ionen durchzuleiten, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten.

Als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle können beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet werden.

Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder leichter zu speichernden Brennstoff wie etwa Erdgas, Methanol, Benzin, Diesel oder anderen Kohlenwasserstoffen betreiben, muss man den Kohlenwasserstoff in einer Vorrichtung zum Erzeugen bzw. Aufbereiten eines Brennstoffs zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln.

Eine aus einer Brennstoffzelle bestehende Brennstoffzellenanordnung weist in der Regel mehrere Schichten auf, die sandwichartig übereinander angeordnet sind. Ebenso sind Brennstoffzellenanordnungen bekannt, bei denen eine Anzahl von Brennstoffzellen hintereinander angeordnet sind. Eine solche Brennstoffzellenanordnung wird dann als Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack bezeichnet.

In einer Brennstoffzelle bzw. in einer Brennstoffzellenanordnung sind in der Regel eine Reihe von Plattenelementen vorgesehen. Hierbei kann es sich um sogenannte Bipolarplatten und/oder Endplatten handeln.

Bipolarplatten sind beispielsweise auf der Anoden und/oder Kathodenseite der Brennstoffzelle vorgesehen. Sie können wenigstens einen Führungskanal für ein Medium aufweisen, beispielsweise Führungskanäle zum Zuführen des Brennstoffs und/oder des Oxidationsmittels. Zwischen den Bipolarplatten kann dann der jeweilige Elektrolyt der Brennstoffzelle angeordnet sein.

Die Endplatten einer Brennstoffzelle bzw. einer Brennstoffzellenanordnung bilden den äußeren Abschluss der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstacks. Derartige Endplatten können ebenfalls Führungskanäle für entsprechende Medien aufweisen. Weiterhin verfügen die Endplatten in der Regel über zentrale Medieneinlässe und -auslässe.

Während des Betriebs der Brennstoffzelle entsteht in dieser Wärme, die entweder abgeführt werden muss, oder aber weitere Verwendung im Brennstoffzellensystem finden kann. Diesbezüglich ist in der DE 196 36 738 eine Kombinationsanlage aus Brennstoffzelle und Wärmekraftmaschine beschrieben, bei der die in der Brennstoffzelle entstehende Wärme zum Beheizen der Wärmekraftmaschine eingesetzt werden kann. Dazu ist vorgesehen, dass ein Arbeitsmedium von der Wärmekraftmaschine durch besondere Leitungsrohre strömt, wobei die Leitungsrohre entlang der Bipolarplatte oder Endplatte von der Brennstoffzelle geführt sind. Die Leitungsrohre können dabei in Rinnen der Bipolarplatten eingefügt sein. Das die Leitungsrohre durchströmende Arbeitsmedium der Wärmekraftmaschine wird über direkte Wärmeübertragung beheizt, indem Wärme vom Anoden-/Kathodenraum der Brennstoffzelle über Bipolarplatten auf die Leitungsrohre übertragen wird.

Die in der DE 196 36 738 offenbarte Lösung dient dem Zweck, das Arbeitsmedium für die Wärmekraftmaschine auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen. Allerdings ist mit dieser bekannten Lösung ein gezieltes Wärmemanagement innerhalb der Bipolarplatte und damit innerhalb der Brennstoffzelle nicht möglich.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Plattenelement für eine Brennstoffzelle der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass ein definiertes Wärmemanagement innerhalb des Plattenelements, bei gleichzeitig geringem Platzbedarf möglich wird. Weiterhin soll eine entsprechend verbesserte Brennstoffzellenanordnung sowie ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines solchen Plattenelements bereitgestellt werden.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch das Plattenelement für eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, die Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12 sowie das Verfahren zum Herstellen eines Plattenelements mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 19. Weitere Vorteile, Merkmale, Details, Aspekte und Effekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Plattenelement beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung, das erfindungsgemäße Verfahren, und umgekehrt. Analoges gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, das ein vorteilhaftes Wärmemanagement innerhalb des Plattenelements und damit auch innerhalb der Brennstoffzelle unter Einsatz einer sogenannten Heatpipe realisiert werden kann.

Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Plattenelement für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, mit einer Einrichtung zum Übertragen von Wärme, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass sie wenigstens eine Heatpipe aufweist und dass die wenigstens eine Heatpipe innerhalb des Plattenelements angeordnet ist.

Dadurch wird auf konstruktiv einfache Weise eine besonders vorteilhafte Möglichkeit des Wärmemanagements innerhalb des Plattenelements realisiert. Insbesondere wird durch den Einsatz einer Heatpipe im Plattenelement die Möglichkeit geschaffen, die Wärmeverteilung innerhalb des Plattenelements zu homogenisieren und eine Wärmeübertragung auf ein externes Medium zu ermöglichen, ohne dass dieses Medium das Plattenelement durchströmen muss.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass nunmehr die Anzahl der erforderlichen Nebenaggregate, wie Pumpen zur Kühlmittelzirkulation und dergleichen, reduziert werden kann, was neben einer Kostenersparnis auch zu einem Effizienzgewinn führt.

Die Heatpipe verfügt zunächst über einen Grundkörper mit Aufnahmeraum, in dem sich ein Arbeitsmedium befindet. Der Aufnahmeraum ist hermetisch abgeschlossen, sodass sich das Arbeitsmedium innerhalb der Heatpipe zunächst nur in einer einzigen - flüssigen Phase - befindet. Ein Bereich der Heatpipe fungiert als sogenannter Verdampfungsbereich. In diesem Bereich ist die Heatpipe der zu transportierenden Wärme ausgesetzt. Die im Verdampfungsbereich befindliche Arbeitsflüssigkeit verdampft durch die Einwirkung der Hitze. Der daraus resultierende Dampf strömt dann entlang der Heatpipe und kondensiert in einem Kondensationsbereich, der von der Wärmequelle räumlich entfernt ist. Die bei der Kondensation abgegebene Kondensationswärme kann dann auf ein weiteres Medium übertragen und über dieses abtransportiert werden. Der Vorteil dabei ist, dass der Abtransport der Wärme an einem Ort stattfinden kann, der nicht dem Ort der eigentlichen Wärmequelle entspricht. Das im Kondensationsbereich kondensierte, verflüssigte Arbeitsmedium strömt dann innerhalb der Heatpipe zurück in den Verdampfungsbereich. Wie dies im Einzelnen geschehen kann, wird im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert.

Bei dem Heatpipe-Prinzip handelt es sich um einen geschlossenen Kreislauf, der solange in Betrieb bleibt, wie der Heatpipe im Verdampfungsbereich Wärme zugeführt wird.

Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Anzahl beziehungsweise eine besondere Ausgestaltung der Heatpipe(s) innerhalb des Plattenelements beschränkt. Die Anzahl beziehungsweise geometrische Ausgestaltung der Heatpipe(s) erfolgt vielmehr nach den jeweiligen Einsatzorten und Einsatzarten für das Plattenelement. Vorteilhaft kann die wenigstens eine Heatpipe jedoch als planare Heatpipe ausgebildet sein.

Vorzugsweise kann innerhalb der wenigstens einen Heatpipe ein poröses Material vorgesehen sein. Bei Einsatz eines solchen porösen Materials innerhalb der Heatpipe entstehen in dieser Kapillarkräfte, über die das im Kondensationsbereich verflüssigte Arbeitsmedium zurück zum Verdampfungsbereich geführt werden kann.

Vorteilhaft kann die wenigstens eine Heatpipe wenigstens eine Einlassöffnung aufweisen, wobei die Einlassöffnung der Heatpipe mittels eines Verschlusselements verschließbar ist. Das bedeutet, daß die Einlaßöffnung der Heatpipe im Betriebszustand der Heatpipe mittels des Verschlusselements verschlossen ist. Über diese Einlassöffnung kann beispielsweise das Arbeitsmedium und/oder je nach Anwendungsfall auch das poröse Material in den Aufnahmeraum der Heatpipe eingefüllt werden. Anschließend wird der Aufnahmeraum bzw. die Einlassöffnung über das Verschlusselement verschlossen.

In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Plattenelement zweiteilig ausgebildet ist. In diesem Fall weist das Plattenelement ein erstes Plattensegment sowie ein zweites Plattensegment auf, wobei die Plattensegmente über zwei einander zugewandte Oberflächen miteinander verbunden sind. Vorteilhaft ist dabei vorgesehen, dass in den zwei einander zugewandten Oberflächen jeweils ein Teilbereich der wenigstens einen Heatpipe ausgebildet ist. Auf diese Weise wird das Plattenelement in Form von zwei Teilelementen hergestellt. Wie dies in vorteilhafter Weise geschehen kann, wird im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert. Jeweils ein Teil der Heatpipe kann in einer Oberfläche eines Plattensegments ausgebildet sein. Die beiden Plattensegmente werden anschließend übereinander angeordnet, wobei die die Teilbereiche der Heatpipe aufweisenden Oberflächen der Plattensegmente aufeinander zu liegen kommen. Anschließend werden die beiden Plattensegmente über ein geeignetes Verbindungsverfahren miteinander verbunden.

Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die beiden Plattensegmente mittels eines Schweißverfahrens miteinander verbunden sind. Jedoch sind auch andere Verbindungsverfahren für die Plattensegmente denkbar. Einige vorteilhafte, nicht ausschließliche Beispiele geeigneter Verbindungsverfahren sind im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben, sodass diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen weiter unten Bezug genommen und hiermit verwiesen wird.

Vorteilhaft kann das Plattenelement für die Brennstoffzelle als Bipolarplatte und/oder als Endplatte ausgebildet sein.

Das Plattenelement kann aus unterschiedlichsten Materialien hergestellt sein. Beispielsweise ist es denkbar, dass das Plattenelement aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist.

Wenn das Plattenelement beispielsweise die Funktion einer Bipolarplatte haben soll, kann dieses beispielsweise aus einem widerstandsfähigen Kunststoff hergestellt sein. Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass dieser Kunststoff elektrisch leitend ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass in dem Kunststoff Grafit oder andere elektrisch leitfähige Materialien eingelagert werden.

Wenn das Plattenelement die Funktion einer Endplatte haben soll, kann beispielsweise vorgesehen sein, dass dieses aus einem Kunststoff besteht, der eine hohe Härte sowie eine geringe Kriechneigung aufweist.

Besonders von Vorteil ist es, wenn das für das Plattenelement verwendete Kunststoffmaterial möglichst temperaturbeständig ist.

Der Einsatz von Kunststoffmaterial für die Plattenelemente hat weiterhin den Vorteil, dass diese in besonders einfacher Weise kostengünstig hergestellt werden können. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Plattenelemente in einem solchen Falle mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt werden können. Dadurch können die Plattenelemente besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden. Weiterhin ist es durch Einsatz eines Spritzgussverfahrens auch möglich, besonders feingliedrige und filigrane Konturen und Geometrien zu erzeugen, was insbesondere beim Einsatz der Plattenelemente in Form von Bipolarplatten und/oder Endplatten von besonderem Vorteil ist. Der Einsatz eines Spritzgussverfahrens macht es weiterhin möglich, auf besonders einfache und kostengünstige Weise die Teilbereiche der Heatpipe auf den entsprechenden Oberflächen der Plattensegmente auszubilden.

Schließlich haben aus Kunststoff hergestellte Plattenelemente auch den Vorteil, dass sie nur ein geringes Gewicht aufweisen.

In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Plattenelement wenigstens einen Führungskanal für ein Medium aufweist, beispielsweise einen Gasführungskanal für den Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel der Brennstoffzelle.

Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass das Plattenelement zwei oder mehr Heatpipes aufweist, die vorteilhaft miteinander verbunden sind. Dabei ist die Verbindung zwischen den Heatpipes vorzugsweise derart realisiert, dass ein Stoffaustausch zwischen den einzelnen Heatpipes stattfinden kann. In diesem Fall kann Arbeitsmedium aus einer Heatpipe in eine andere Heatpipe gelangen. Dadurch ist es möglich, jede Art, Länge und Geometrie des Wärmetransportmedium-Wegs zu realisieren. Vorteilhaft können die Heatpipes über ihre Einlassöffnungen miteinander verbunden sein. Dies kann etwa mittels geeigneter Verbindungselemente - etwa Verbindungsleitungen oder dergleichen - geschehen.

Neben dieser direkten Verbindung der Heatpipes ist es auch möglich, diese indirekt zu verbinden. In diesem Fall sind die Heatpipes vorteilhaft zu einem thermischen Austausch miteinander gekoppelt. Hier ist es beispielsweise möglich, daß der Kondensationsbereich einer Heatpipe im Verdampfungsbereich einer anderen Heatpipe vorgesehen ist, so dass die bei der Kondensation in der einen Heatpipe frei werdende Kondensationswärme genutzt werden kann, um das Arbeitsmedium im Verdampfungsbereich der anderen Heatpipe zu verdampfen.

In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass zum Rücktransport des kondensierten Arbeitsmediums von einem Kondensationsbereich der Heatpipe hin zu einem Verdampfungsbereich wenigstens eine Fördereinrichtung vorgesehen. Bei der Fördereinrichtung kann es sich beispielsweise um eine geeignete Pumpe oder dergleichen handeln. Eine Fördereinrichtung ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn die Geometrie zwischen Wärmequelle (im Verdampfungsbereich) und Wärmesenke (im Kondensationsbereich) dies erforderlich macht.

Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Brennstoffzellenanordnung bereitgestellt, aufweisend wenigstens eine Brennstoffzelle, mit einer als Anode ausgebildeten ersten Elektrode, über die ein Brennstoff zugeführt wird, mit einer als Kathode ausgebildeten zweiten Elektrode, über die ein Oxidationsmittel zugeführt wird und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten. Diese Brennstoffzellenanordnung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass auf der Anoden- und/oder auf der Kathodenseite ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Plattenelement vorgesehen ist.

In einem solchen Fall kann es sich bei dem Plattenelement beispielsweise um eine Bipolarplatte und/oder eine Endplatte handeln.

Vorteilhaft kann die Brennstoffzellenanordnung einen Brennstoffzellenstapel aus zwei oder mehr Brennstoffzellen aufweisen, wobei zumindest in und/oder zwischen einzelnen Brennstoffzellen ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Plattenelement vorgesehen ist. Dabei ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl bzw. Anordnungsabfolge der einzelnen Plattenelemente beschränkt. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass jeder Elektrolyt einer Brennstoffzelle jeweils von zwei Bipolarplatten in Form erfindungsgemäßer Plattenelemente eingefasst ist. Natürlich ist es auch denkbar, dass nicht jede Bipolarplatte in Form eines erfindungsgemäßen Plattenelements ausgebildet ist. Die Anzahl der eingesetzten erfindungsgemäßen Plattenelemente hängt in erste Linie von der Menge der aus der Brennstoffzellenanordnung abzuführenden Wärme ab. Ebenso ist es denkbar, dass beide, oder aber nur eine oder keine der Endplatten der Brennstoffzellenanordnung in Form eines erfindungsgemäßen Plattenelements ausgebildet ist.

Vorzugsweise können die Heatpipes von wenigstens zwei Plattenelementen miteinander verbunden sein. Wie dies im einzelnen geschehen kann, ist weiter oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Plattenelement bereits erläutert worden, so dass auch auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.

Durch die Verbindung einzelner Heatpipes von unterschiedlichen Plattenelementen ist es beispielsweise möglich, mehrere einzelne Brennstoffzellen innerhalb eines Brennstoffzellenstacks via Wärmetransportmedium (das Arbeitsmedium innerhalb der Heatpipes) zu koppeln beziehungsweise zu verbinden. Ebenso ist es möglich, verschiedene Brennstoffzellenstacks via Wärmetransportmedium zu koppeln beziehungsweise zu verbinden.

Vorteilhaft kann wenigstens eine Heatpipe eines Plattenelements mit einer Endplatte einer Brenstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels verbunden sein. Da die Endplatten immer den Abschluss einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellenstapels bilden, kann auf diese Weise die über die Heatpipe(s) transportierte Wärme aus der Brennstoffzelle beziehungsweise dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt werden.

Beispielsweise kann eine Anordnung vorgesehen sein, bei der solche Plattenelemente, in denen tiefere Temperaturen zu erwarten sind, oberhalb der im Betrieb wärmeren Plattenelemente angeordnet sind, so dass das kondensierte Arbeitsmedium mittels Schwerkraft zurückströmen kann.

In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Heatpipe eines Plattenelemets mit einer Einrichtung zum Abtransportieren von Wärme verbunden ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein externes Aggregat handeln, etwa einen Kühler, einen Wärmetauscher via Wärmetransportmedium oder dergleichen. Natürlich ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Ausgestaltung oder Anordnung der Einrichtungen beschränkt.

Vorteilhaft kann zum Transport von flüssigem Arbeitsmedium innerhalb der Verbindung von Heatpipes von wenigstens zwei Plattenelementen wenigstens eine Fördereinrichtung vorgesehen sein. Hierbei kann es sich - wie weiter oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Plattenelement bereits beschrieben, so daß diesbezüglich auch auf die obigen Ausführungen verwiesen wird - beispielsweise um eine geeignete Pumpe handeln. Diese kann beispielsweise innerhalb der Heatpipe(s), im Verbindungsereich der Heatpipes oder dergleichen vorgesehen sein. Eine derartige Fördereinrichtung ist insbesondere auch dann sinnvoll, wenn mehrere Brennstoffzellen beziehungsweise Brennstoffzellenstacks miteinander gekoppelt sind, oder wenn wenigstens eine Heatpipe mit einer externen Einrichtung zum Wärmeabtransport verbunden ist.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den Einsatz im Zusammenhang mit bestimmten Brennstoffzellentypen beschränkt. Beispielsweise kann die wenigstens eine Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanordnung als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein. Bei einer solchen Brennstoffzelle besteht der Elektrolyt aus einer protonenleitenden Membran. Ebenso ist es Möglich, dass die wenigstens eine Brennstoffzelle als alkalische Brennstoffzelle (AFC), als Direkt-Methanol- Brennstoffzelle (DMFC), als Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), als Karbonatschmelzen-Brennstoffzelle (MCFC), als Oxidkeramische-Brennstoffzelle (SOFC) oder dergleichen ausgebildet ist.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird schließlich ein Verfahren zum Herstellen eines Plattenelements für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Plattenelements bereitgestellt, wobei das Plattenelement aus zwei Plattensegmenten zusammengesetzt wird. Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Plattensegmente an ihren Stoßstellen mittels eines Verbindungsverfahrens miteinander verbunden werden.

Zu den Vorteilen, Wirkungen sowie der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens wird außerdem auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Plattenelement sowie zur erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.

Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Arten von Verbindungsverfahren beschränkt. Diese ergeben sich vielmehr nach dem Einsatzgebiet und den Betriebscharakteristika für die Plattenelemente bzw. für die Brennstoffzelle.

Beispielsweise können die beiden Plattensegmente mittels eines Klebeverfahrens, eines Lötverfahrens oder dergleichen miteinander verbunden werden. Vorteilhaft können die beiden Plattensegmente mittels eines Schweißverfahrens miteinander verbunden werden, wobei die Erfindung nicht auf bestimmte Schweißverfahren beschränkt ist. Bei einem besonders vorteilhaften Schweißverfahren handelt es sich um das sogenannte Buckel-Schweißverfahren. Dabei werden zwei flächig aufeinander liegende Werkstücke, von denen eines mit eingedrückten Buckeln oder geprägten Warzen versehen ist, durch plattenförmige Elektroden aufeinander gedrückt. Der Schweißstrom, bei dem es sich um Wechsel- oder Gleichstrom mit hoher Stromstärke bei niedriger Spannung handeln kann, erwärmt die Teile an den Führungsstellen auf die Schweißtemperatur dicht unter der Schmelztemperatur. Buckel und Warzen werden durch den Stauchdruck eingeebnet.

Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass zunächst die beiden Plattensegmente hergestellt werden, wobei in einer Oberfläche eines jeden Plattensegments ein Teilbereich der Heatpipe ausgebildet wird. Anschließend werden die beiden Plattensegmente über ihre Oberflächen, in denen jeweils ein Teilbereich der Heatpipe ausgebildet ist (Stoßflächen der beiden Plattensegmente), miteinander verbunden.

In weiterer Ausgestaltung kann das Arbeitsmedium der Heatpipe während des Verbindungsprozesses bei und/oder mit definierter Arbeitstemperatur und/oder definiertem Arbeitsdruck dicht in der Heatpipe eingeschlossen werden.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische, seitliche Querschnittsansicht eines Plattenelements gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem eine Heatpipe vorgesehen ist;
Fig. 2 die Herstellung eines Plattenelements unter Einsatz eines Buckelschweißverfahrens; und
Fig. 3 die Herstellung eines Plattenelements unter Einsatz eines weiteren Schweißverfahrens.
In Fig. 1 ist ein Plattenelement 10 für eine nicht näher dargestellte Brennstoffzelle gezeigt, wobei das Plattenelement 10 beispielsweise als Bipolarplatte oder als Endplatte ausgebildet sein kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel soll das Plattenelement 10 die Funktion einer Bipolarplatte haben. Bipolarplatten in Brennstoffzellen haben grundsätzlich die Aufgabe, dem Elektrolyten der Brennstoffzelle gasförmige Medien zuzuführen, beispielsweise den Brennstoff auf der Anodenseite bzw. das Oxidationsmittel auf der Kathodenseite. Aus diesem Grund verfügt die Bipolarplatte 10 in Fig. 1 über eine Anzahl von Führungskanälen 15, wobei im Beispiel nur ein einziger Führungskanal 15 schematisch dargestellt ist.
Die Bipolarplatte 10 ist zweiteilig ausgebildet und besteht aus einem ersten Plattensegment 11 sowie einem zweiten Plattensegment 13. Die beiden Plattensegmente 11 und 13 sind über entsprechende Oberflächen 12, 14, bei denen es sich folglich um die Stoßflächen handelt, miteinander verbunden. Diese Verbindung ist in Form einer Schweißverbindung realisiert, wie im Zusammenhang mit den Fig. 2 und 3 weiter unten noch näher erläutert wird.
Um die Wärmeverteilung innerhalb der Bipolarplatte 10 zu homogenisieren und um eine Wärmeübertragung auf ein externes Medium zu ermöglichen, ohne dass dieses Medium die Bipolarplatte 10 durchströmen müsste, ist in der Bipolarplatte 10 eine Wärmeübertragungseinrichtung vorgesehen, die wenigstens eine Heatpipe 20 aufweist.
Die Heatpipe 20 verfügt zunächst über einen Aufnahmeraum 31, der eine Einlassöffnung 21 aufweist, die im Betrieb der Heatpipe 20 über ein Verschlusselement 22 verschlossen ist. Innerhalb des Aufnahmeraums 31 der Heatpipe 20 befindet sich ein Wärmetransportmedium in Form einer Arbeitsflüssigkeit. Weiterhin ist innerhalb des Aufnahmeraums 31 der Heatpipe 20 ein poröses Material 24 vorgesehen.
In einem Verdampfungsbereich 25 der Heatpipe 20 kann die Arbeitsflüssigkeit verdampft werden, während die verdampfte Arbeitsflüssigkeit in einem Kondensationsbereich 26 der Heatpipe 20 erneut kondensiert wird.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise der Heatpipe beschrieben. Dabei wird davon ausgegangen, dass im Verdampfungsbereich 25 der Heatpipe 20 innerhalb der Bipolarplatte 10 Wärme existiert, die mittels der Heatpipe 20 aus diesem Bereich abgeführt werden soll.
Aufgrund der im Verdampfungsbereich 25 herrschenden Wärme wird die Arbeitsflüssigkeit 23 im Verdampfungsbereich 25 verdampft. Das verdampfte Arbeitsmedium 23 bewegt sich anschließend innerhalb der Heatpipe 20 in Strömungsrichtung 27.
Im Kondensationsbereich 26, der sich räumlich beabstandet vom Verdampfungsbereich 25 befindet, wird das Arbeitsmedium 23 anschließend kondensiert und somit erneut verflüssigt. Die dabei freigesetzte Wärme kann dann in der Umgebung des Kondensationsbereichs 26 in gewünschter Weise abtransportiert werden. Um zu erreichen, dass das im Kondensationsbereich 26 verflüssigte Arbeitsmedium 23 in Strömungsrichtung 28 erneut zum Verdampfungsbereich 25 zurücktransportiert werden kann, ist das poröse Material 24 vorgesehen. Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass das im Kondensationsbereich 26 erneut verflüssigte Arbeitsmedium 23 über Kapillarkräfte in Strömungsrichtung 28 hin zum Verdampfungsbereich 25 zurückgeführt werden kann.
Besonders vorteilhaft kann die Herstellung der in Fig. 1 dargestellten Bipolarplatte 10 in einer Weise erfolgen, dass zunächst die beiden Plattensegmente 11 und 13 hergestellt werden, wobei in einer Oberfläche 12, 14 eines jeden Plattensegments 11, 13 ein Teilbereich 29, 30 der Heatpipe 20 ausgebildet wird. Anschließend werden die beiden Plattensegmente 11, 13 über ihre Oberflächen 12, 14 (die sogenannten Stoßflächen), in denen jeweils ein Teilbereich 29, 30 der Heatpipe 20 ausgebildet ist, miteinander verbunden.
Dies kann beispielsweise mittels eines geeigneten Schweißverfahrens erfolgen. Ein Beispiel für ein geeignetes Schweißverfahren ist in Fig. 2 dargestellt. Bei diesem Schweißverfahren handelt es sich um das sogenannte Buckel-Schweißverfahren 40.
Wie in Fig. 2a dargestellt ist, werden die beiden zu verschweißenden Plattensegmente 11, 13 zunächst flächig aufeinander gelegt. Dabei verfügt das Plattensegment 11 über eine Anzahl von Buckeln 41 und Senken 42, wobei der besseren Übersicht halber in Fig. 2a lediglich ein Buckel-Senken-Gebilde dargestellt ist. Die beiden Plattensegmente 11, 13 werden über entsprechende Elektroden (nicht dargestellt) zusammengedrückt (Druck P) und mit dem erforderlichen Schweißstrom (Strom I) beaufschlagt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Plattensegmente 11, 13 aus einem elektrisch leitenden Material gebildet sind, beispielsweise aus einem elektrisch leitenden Kunststoff oder dergleichen. Der Schweißstrom I erwärmt die Plattensegmente 11, 13 an den Berührungsstellen im Bereich der Buckel 41 auf die erforderliche Schweißtemperatur. Die Buckel werden dadurch und durch den Stauchdruck eingeebnet, sodass eine Schweißverbindung entsteht, wie in Fig. 2b dargestellt ist.
Ein etwas anderes Schweißverfahren 50 zum Verbinden der beiden Plattensegmente 11, 13 ist in Fig. 3 dargestellt. Hier werden die beiden zu verschweißenden Plattensegmente 11, 13 zwischen zwei Druckplatten 51, 52 angeordnet. Die Druckplatten 51, 52 sind mit entsprechenden Kühleinrichtungen 53, 54 versehen.
Die beiden Plattensegmente 11, 13 werden nun verschweißt, in dem ein hoher Strom I durch die beiden als Elektroden ausgebildeten gekühlten Druckplatten 51, 52 in die Plattensegmente 11, 13 eingebracht wird. Dadurch kommt es zu einer Verschweißung der Plattensegmente 11, 13 an ihren Stoßflächen, im vorliegenden Beispiel an den Oberflächen 12 und 14. Durch das in Fig. 3 dargestellte Schweißverfahren 50 wird eine montagefreundliche Verbindung erreicht und gleichzeitig der Übergangswiderstand minimiert. Auch im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist es besonders vorteilhaft, wenn die Plattensegmente 11, 13 aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff oder dergleichen gebildet sind. Bezugszeichenliste 10 Plattenelement
11 erstes Plattensegment
12 Oberfläche
13 zweites Plattensegment
14 Oberfläche
15 Führungskanal
20 Heatpipe
21 Einlassöffnung
22 Verschlusselement
23 Wärmetransportmedium (Arbeitsmedium)
24 poröses Material
25 Verdampfungsbereich
26 Kondensationsbereich
27 Strömungsrichtung des verdampften Wärmetransportmediums
28 Strömungsrichtung des kondensierten Wämetransportmediums
29 erster Teilbereich der Heatpipe
30 zweiter Teilbereich der Heatpipe
31 Aufnahmeraum
40 Buckel-Schweißverfahren
41 Buckel
42 Senke
50 Schweißverfahren
51 Druckplatte
52 Druckplatte
53 Kühleinrichtung
54 Kühleinrichtung

Claims

1. Plattenelement für eine Brennstoffzelle, mit einer Einrichtung zum Übertragen von Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinrichtung wenigstens eine Heatpipe (20) aufweist und daß die wenigstens eine Heatpipe (20) innerhalb des Plattenelements (10) angeordnet ist.

2. Plattenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Heatpipe (20) als planare Heatpipe ausgebildet ist.

3. Plattenelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der wenigstens einen Heatpipe (20) ein poröses Material (24) vorgesehen ist.

4. Plattenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Heatpipe (20) wenigstens eine Einlaßöffnung (21) aufweist und daß die Einlaßöffnung (21) mittels eines Verschlußelements (22) verschließbar ist.

5. Plattenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zweiteilig ausgebildet ist, mit einem ersten Plattensegment (11) und einem zweiten Plattensegment (13), daß die Plattensegmente (11, 13) über zwei einander zugewandte Oberflächen (12, 14) miteinander verbunden sind und daß in den zwei einander zugewandten Oberflächen (12, 14) jeweils ein Teilbereich (29, 30) der wenigstens einen Heatpipe (20) ausgebildet ist.

6. Plattenelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Plattensegmente (11, 13) mittels eines Schweißverfahrens miteinander verbunden sind.

7. Plattenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Bipolarplatte und/oder als Endplatte für eine Brennstoffzelle ausgebildet ist.

8. Plattenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieses aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist.

9. Plattenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens einen Führungskanal (15) für ein Medium aufweist.

10. Plattenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zwei oder mehr Heatpipes (20) aufweist und daß wenigstens zwei Heatpipes (20) miteinander verbunden sind.

11. Plattenelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Rücktransport des kondensierten Arbeitsmediums von einem Kondensationsbereich (26) der Heatpipe (20) hin zu einem Verdampfungsbereich (25) wenigstens eine Fördereinrichtung vorgesehen ist.

12. Brennstoffzellenanordnung, aufweisend wenigstens eine Brennstoffzelle, mit einer als Anode ausgebildeten ersten Elektrode, über die ein Brennstoff zugeführt wird, mit einer als Kathode ausgebildeten zweiten Elektrode, über die ein Oxidationsmittel zugeführt wird und einem dazwischen angeordneten Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Anodenseite und/oder auf der Kathodenseite ein Plattenelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 vorgesehen ist.

13. Brennstoffzellenordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Brennstoffzellenstapel aus zwei oder mehr Brennstoffzellen aufweist und daß zumindest in und/oder zwischen einzelnen Brennstoffzellen ein Plattenelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 vorgesehen ist.

14. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Heatpipes (20) von wenigstens zwei Plattenelementen (10) miteinander verbunden sind.

15. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Heatpipe (20) eines Plattenelements (10) mit einer Endplatte einer Brennstoffzelle oder eines Brenstoffzellenstapels verbunden ist.

16. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Heatpipe (20) eines Plattenelements (10) mit einer Einrichtung zum Abtransportieren von Wärme verbunden ist.

17. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zu Transport von flüssigem Arbeitsmedium innerhalb der Verbindung der Heatpipes (20) von wenigstens zwei Plattenelementen (10) wenigstens eine Fördereinrichtung vorgesehen ist.

18. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Brennstoffzelle als PEM- Brennstoffzelle ausgebildet ist.

19. Verfahren zum Herstellen eines Plattenelements für eine Brennstoffzelle, insbesondere eines Plattenelements nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Plattenelement aus zwei Plattensegmenten zusammengesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Plattensegmente an ihren Stoßstellen mittels eines Verbindungsverfahrens miteinander verbunden werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Plattensegmente mittels eines Schweißverfahrens miteinander verbunden werden.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Plattensegmente mittels eines Buckel-Schweißverfahrens miteinander verbunden werden.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die beiden Plattensegmente hergestellt werden, wobei in einer Oberfläche eines jeden Plattensegments ein Teilbereich der Heatpipe ausgebildet wird und daß die beiden Plattensegmente über ihre Oberflächen, in denen jeweils ein Teilbereich der Heatpipe ausgebildet ist, anschließend miteinander verbunden werden.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium der Heatpipe während des Verbindungsprozesses bei und/oder mit definierter Arbeitstemperatur und/oder definiertem Arbeitsdruck dicht in der Heatpipe eingeschlossen wird.