DE10393148B4

DE10393148B4 - Thermische Beabstandung von End-Zellen für Brennstoffzellensysteme

Info

Publication number: DE10393148B4
Application number: DE10393148.1T
Authority: DE
Inventors: Carl A. Reiser; Gennady Resnick
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2002-08-21
Filing date: 2003-08-12
Publication date: 2017-03-23
Anticipated expiration: 2023-08-13
Also published as: US20040038110A1; JP4782419B2; JP2005536851A; DE10393148T5; AU2003262619A8; US6824901B2; AU2003262619A1; WO2004019431A3; WO2004019431A2

Abstract

PEM-Brennstoffzellensystem aufweisend: eine Mehrzahl von PEM-Brennstoffzellen (12), welche in einem Stapel (14) angeordnet sind, mit zwei entgegengesetzten nach außen gerichteten Endflächen (16); relativ zu den Endflächen (16) positionierte Druckplatten (18) zur Befestigung der PEM-Brennstoffzellen (12) in dem Stapel (14); und Abstandshalterelemente (20) zwischen den Endflächen (16) und den Druckplatten (18) zur thermischen Isolierung der Endflächen (16) von den Druckplatten (18), wobei die Abstandshalterelemente (20) benetzbar sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen und insbesondere auf ein System und Verfahren zur Verbesserung des Verhaltens von Brennstoffzellen während des Abschaltens, was das Anfahren nach Exposition unter Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts verbessert.
Elektrochemische Brennstoffzellenanordnungen, z. B. Protonenaustauschmembran(PEM)Brennstoffzellen sind bekannt für ihre Fähigkeit Elektrizität und ein Folgereaktionsprodukt durch die Reaktion eines Brennstoffs, welcher an eine Anode geliefert wird, und eines Oxidationsmittels, welches an eine Kathode geliefert wird, zu erzeugen, wodurch ein Potential zwischen diesen Elektroden erzeugt wird. Solche Brennstoffzellenanordnungen sind sehr nützlich und begehrt aufgrund ihrer hohen Effizienz, insbesondere verglichen mit Systemen mit interner Brennstoffverbrennung und ähnlichen. Brennstoffzellenanordnungen sind außerdem vorteilhaft aufgrund ihrer umweltfreundlichen chemischen Reaktionsnebenprodukte, welche erzeugt werden, z. B. Wasser. Um die Temperatur innerhalb der Brennstoffzellenanordnung zu steuern, ist ein Kühlmittel für die Brennstoffzellenanordnung vorgesehen, und dieses Kühlmittel kann typischerweise ebenfalls Wasser sein. Daher zirkuliert Wasser durch die Brennstoffzellenanordnung während des Betriebs derselben.
Ein besonders attraktives Anwendungsgebiet für Brennstoffzellenanordnungen sind Fahrzeuganwendungen. Ein kritisches Problem in Verbindung mit solchen Anwendungen ist jedoch die Empfindlichkeit der Brennstoffzellenanordnung gegenüber Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, und das durch die Brennstoffzellenanordnung zirkulierende Wasser ist besonders anfällig für ein Einfrieren in der Brennstoffzelle, was ernste Probleme beim folgenden Anfahren verursacht.
Eine Anzahl von Lösungen dieses Problems wurden versucht, die meisten umfassten Verfahren zum Entfernen von Wasser von der Brennstoffzellenanordnung, bevor dieses Wasser eine Gefriertemperatur erreicht. Trotz dieser Anstrengungen besteht ein Bedürfnis für ein Brennstoffzellensystem, welches ein rasches Anfahren nach Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts ermöglicht, ohne die Größe, Kosten oder Anfahrzeit der Brennstoffzelle wesentlich zu erhöhen.
Es ist daher das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein derartiges Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
Die US 2001/0 036 568 A1 offenbart einen Brennstoffzellenaufbau, der einen Brennstoffzellenstapel, eine mit dem Brennstoffzellenstapel verbundene erste Endplatte und ein erstes erhitzbares Element, das die erste Endplatte erhitzt, enthält. Die US 5 132 174 A beschreibt ein Temperaturregelsystem für die letzten Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel. Die US 5 009 968 A offenbart eine Brennstoffzellen-Endplattenstruktur. Die DE 37 79 615 T2 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel mit Enddruckplatten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die vorangehenden Ziele und Vorteile ohne Weiteres erreicht.
Gemäß der Erfindung wird ein PEM-Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, welches eine Mehrzahl von in einem Stapel angeordneten PEM-Brennstoffzellen mit zwei entgegengesetzten nach außen gerichteten Endflächen und Druckplatten aufweist, welche relativ zu den Endflächen positioniert sind, um die PEM-Brennstoffzellen in dem Stapel zu halten; und welches Abstandshalterelemente zwischen den Endflächen und den Druckplatten aufweist, um die Endflächen thermisch zu isolieren.
Die Abstandshalterelemente können vorzugsweise benetzbar sein und vorzugsweise porös und/oder für Wasser permeabel sein, und ferner eine thermische Leitfähigkeit haben, welche geringer als die der Druckplatten ist, wodurch (1) die Endflächen thermisch isoliert werden und (2) Wasser, das sich zu den Endflächen bewegt, in dem Abstandshalterelement aufgenommen wird.
Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Abschalten eines PEM Brennstoffzellensystems bereitgestellt, welches eine Mehrzahl von in einem Stapel angeordneten PEM-Brennstoffzellen mit zwei entgegengesetzten nach außen gerichteten Endflächen und Druckplatten aufweist, welche relativ zu den Endflächen positioniert sind, um die PEM-Brennstoffzellen in dem Stapel zu halten, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Positionieren von Abstandshalterelementen zwischen den Endflächen und den Druckplatten, um die Endflächen thermisch zu isolieren; und Kühlen des PEM-Brennstoffzellensystems, wobei die Abstandshalterelemente die Endflächen von den Druckplatten thermisch isolieren und dadurch die Bewegung von Wasser in Richtung der Endflächen verringern.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung folgt mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen:
1 und 2 stellen schematisch ein PEM-Brennstoffzellensystem in einer Seiten- bzw. Perspektivansicht dar, welches Abstandshalterelemente aufweist, gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf Protonenaustauschmembran-(PEM)Brennstoffzellen und insbesondere auf ein PEM-Brennstoffzellensystem mit einem verbesserten Aufbau, welcher Abschalten und verbessertes Anfahren nach Exposition gegenüber Bedingungen unter dem Gefrierpunkt ermöglicht.
Wie oben erwähnt und dem Fachmann bekannt, führt der Betrieb von PEM-Brennstoffzellensystemen zu Wasser, welches im gesamten Brennstoffzellensystem zirkuliert. Nach Abschalten eines Brennstoffzellensystems und Exposition (Aussetzen) des Systems unter Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts friert das Wasser, was beträchtliche Probleme während des folgenden Anfahrens verursacht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde entdeckt, dass das Problem des frierenden Wassers im Brennstoffzellensystem durch die Tatsache verschlimmert wird, dass das Brennstoffzellensystem nicht gleichmäßig abkühlt sondern tatsächlich an den End-Zellen oder -flächen, welche den typischerweise großen und thermisch leitenden Druckplatten an den Endflächen des Stapels ausgesetzt sind, schneller abkühlt. Dieses schnellere Abkühlen an solchen End-Zellen führt zu einer ungleichmäßigen Wasserkondensation im Stapel und Bewegung von Wasser von zentral positionierten Zellen zu den End-Zellen, und daher ist eine größere Konzentration an Wasser in solchen End-Zellen. Wenn dieses Wasser friert, werden die End-Zellen vollständig blockiert, und das Anfahren kann nicht durchgeführt werden, bis diese Zellen für die Fluidzirkulation wieder geöffnet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung und wie in den 1 und 2 dargestellt, ist ein Brennstoffzellensystem 10 vorgesehen, welches eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 12 aufweist, welche in einem Stapel 14 mit entgegengesetzten, nach außen gerichteten Flächen 16 angeordnet sind. Wie dem Fachmann bekannt, sind Druckplatten 18 typischerweise relativ zu den nach außen gerichteten Endflächen 16 mit verschiedenen Typen von Kupplungsstrukturen (nicht gezeigt) zum Zusammenbefestigen des Stapels 14 positioniert. Die Druckplatten 18 müssen typischerweise große und strukturell feste Elemente sein, da Drücke innerhalb des Stapels 14 während des Betriebs recht hoch werden können.
Diese Struktur verursacht das rapide Abkühlen der Zellen 12 in der Nähe der Endflächen 16 des Stapels 14.
Gemäß der vorliegenden Erfindung und vorteilhaft werden Abstandshalterelemente 20 zwischen den Druckplatten 18 und den Endflächen 16 positioniert und diese Abstandshalterelemente dienen dazu, die End-Zellen, welche die Flächen 16 definieren, von den Druckplatten 18 thermisch zu distanzieren oder isolieren, wodurch mindestens die schnellere Abkühlung dieser End-Zellen reduziert wird, welche durch die thermische Leitfähigkeit der Druckplatten 18 verursacht wird. Dies führt vorteilhaft zu gleichmäßigerem Abkühlen des Brennstoffzellensystems 10 nach Abschalten und reduziert oder verhindert dadurch die Bewegung von Wasser in Richtung der Flächen 16, was erwünscht ist. Wenn daher die Temperaturen den Gefrierpunkt des Wassers erreichen, wird Wasser immer noch im Wesentlichen gleichmäßig durch den Stapel verteilt und kann einfrieren ohne ein rasches Anfahren zu verhindern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Abstandshalterelemente 20 vorteilhaft im Wesentlichen flache benetzbare vorzugsweise poröse Elemente und können vorzugsweise poröse Graphitplatten sein. Die Benetzbarkeit, Porösität und vorzugsweise Permeabilität für Wasser der Platten 20 ist bevorzugt, da eine derartige Benetzbarkeit, Porösität und Permeabilität für Wasser ermöglicht, dass die Abstandshalterelemente 20 jegliches Wasser aufzunehmen, welches sich in Richtung der Endflächen 16 bewegt, wodurch verhindert wird, dass dieses Wasser in betreibbaren Zellen 12 innerhalb des Stapels 14 friert.
Solche Platten 20 sind ebenfalls vorteilhaft, weil sie auf keiner Weise den normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung stören.
Es wird weiter auf 1 und 2 Bezug genommen. Typische PEM-Brennstoffzellen 12 sind im Wesentlichen planare Elemente mit Ecken 22 und im Wesentlichen flachen Flächen 24, und ein Stapel 14 weist eine Mehrzahl solcher Brennstoffzellen 12 auf, die mit den flachen Flächen 24 im Wesentlichen benachbart zu flachen Flächen 24 der nächsten Zelle 12 im Stapel 14 angeordnet sind. Daher definiert, wie in 1 und 2 dargestellt, eine End-Zelle 26 des Stapels 14 Endflächen 16, welche die Flächen sind, von welchen die Druckplatten 18 thermisch erfindungsgemäß beabstandet werden sollen, was erwünscht ist.
Wie oben diskutiert, können die Abstandshalterelemente 20 vorteilhaft als im Wesentlichen planares Element vorgesehen sein, vorzugsweise mit einer thermischen Leitfähigkeit, welche geringer ist als die der Druckplatten 18. Außerdem, wie ebenfalls oben erwähnt, können die Abstandshalterelemente 20 vorteilhaft als poröse planare Elemente vorgesehen sein, und diese Porösität ist aus mehreren Gründen vorteilhaft. Erstens, und wie oben erwähnt, kann diese Porösität zu Permeabilität führen, was die Endämmung von Wasser ermöglicht, welches dennoch in Richtung der Endflächen sich bewegt. Zweitens kann die Porösität die thermische Leitfähigkeit der Abstandshalterelemente 20 weiter reduzieren und dadurch die Druckplatten 18 von den End-Zellen 26 weiter thermisch distanzieren, was erwünscht ist.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Abstandshalterelemente 20 gemäß der vorliegenden Erfindung sind poröse Graphitplatten, da solche Platten die gewünschten Funktionen erfüllen, ohne den normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 zu stören. Natürlich können andere Materialien vorgesehen sein, solange sie nicht das Ableiten von Strom von den Endflächen 16 stören und/oder in anderer Weise den normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung behindern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass Abstandshalterelemente eine Porösität von mindestens ca. 30%, vorzugsweise zwischen ca. 30% und ca. 80% und stärker bevorzugt zwischen ca. 50 und ca. 75% haben.
Das thermische Beabstanden der End-Zellen 26 von den Druckplatten 18 gemäß der vorliegenden Erfindung dient dazu, ein gleichmäßigeres Abkühlen der Endflächen 16 im Vergleich zu den Seitenflächen 14 zu ermöglichen, welche durch die Ecken bzw. Kanten 22 der Brennstoffzellen 12 darin definiert werden. Dies dient vorteilhaft dazu, ein gleichmäßigeres Abkühlen des Brennstoffzellensystems 10 nach dem Abschalten zu ermöglichen, was zu einem gleichförmigeren Wasserdampfdruck in dem gesamten Brennstoffzellensystem führt und damit zu verringerter Bewegung, welche angetrieben wird durch Unterschiede im Wasserdampfdruck, welche durch ein rascheres Abkühlen der End-Zellen 26 hervorgerufen werden.
Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße System problemloses Anfahren nach Bedingungen unterhalb des Gefrierpunkts ermöglicht, ohne teure und/oder sperrige zusätzliche Komponenten zu erfordern.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen und gezeigten Darstellungen beschränkt ist, welche lediglich beispielhaft für die besten Arten der Ausführung der Erfindung sind und welche in Form, Größe, Anordnung von Teilen und Details des Betriebs modifiziert werden können. Es ist vielmehr beabsichtigt, dass die Erfindung alle solche Modifikationen umfasst, die innerhalb ihres Umfangs, wie durch die Ansprüche definiert, sind.

Claims

PEM-Brennstoffzellensystem aufweisend: eine Mehrzahl von PEM-Brennstoffzellen (12), welche in einem Stapel (14) angeordnet sind, mit zwei entgegengesetzten nach außen gerichteten Endflächen (16); relativ zu den Endflächen (16) positionierte Druckplatten (18) zur Befestigung der PEM-Brennstoffzellen (12) in dem Stapel (14); und Abstandshalterelemente (20) zwischen den Endflächen (16) und den Druckplatten (18) zur thermischen Isolierung der Endflächen (16) von den Druckplatten (18), wobei die Abstandshalterelemente (20) benetzbar sind.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Mehrzahl von PEM-Brennstoffzellen (12) eine Mehrzahl von im Wesentlichen planaren PEM-Brennstoffzell-Elementen aufweist, welche jeweils Seitenkanten und entgegengesetzte flache Flächen haben, wobei die Elemente gestapelt werden, wobei die flachen Flächen im Wesentlichen zueinander benachbart sind, wodurch die Kanten Seiten des Stapels (14) definieren und entgegengesetzte Endelemente die Endflächen (16) definieren.
System nach Anspruch 2, bei welchem die Druckplatten (18) eine thermische Leitfähigkeit haben und wobei die Abstandshalterelemente (20) eine thermische Leitfähigkeit der Abstandshalter haben, welche geringer ist als die thermische Leitfähigkeit der Druckplatten (18), wodurch die Endflächen (16) von den Druckplatten (18) isoliert sind.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Druckplatten (18) eine thermische Leitfähigkeit haben und wobei die Abstandshalterelemente (20) eine thermische Leitfähigkeit der Abstandshalter haben, welche geringer ist als die thermische Leitfähigkeit der Druckplatten (18), wodurch die Endflächen (16) von den Druckplatten (18) isoliert sind.
System nach Anspruch 1, bei welchem die Abstandshalterelemente (20) porös sind und eine Porösität von mindestens 30% haben.
System nach Anspruch 5, bei welchem die Abstandshalterelemente (20) eine Porösität von zwischen 30% und 80% haben.
System nach Anspruch 6, bei welchem die Abstandshalterelemente (20) eine Porösität zwischen 50% und 75% haben.
PEM-Brennstoffzellensystem aufweisend: eine Mehrzahl von PEM-Brennstoffzellen (12), welche in einem Stapel (14) angeordnet sind, mit zwei entgegengesetzten nach außen gerichteten Endflächen (16); relativ zu den Endflächen (16) positionierte Druckplatten (18) zur Befestigung der PEM-Brennstoffzellen (12) in dem Stapel (14); und Abstandshalterelemente (20) zwischen den Endflächen (16) und den Druckplatten (18) zur thermischen Isolierung der Endflächen (16) von den Druckplatten (18), wobei die Abstandshalterelemente (20) für Wasser permeabel sind, wodurch Wasser, das sich zu den Abstandshalterelementen (20) bewegt, in den Abstandshalterelementen (20) verbleibt.
PEM-Brennstoffzellensystem aufweisend: eine Mehrzahl von PEM-Brennstoffzellen (12), welche in einem Stapel (14) angeordnet sind, mit zwei entgegengesetzten nach außen gerichteten Endflächen (16); relativ zu den Endflächen (16) positionierte Druckplatten (18) zur Befestigung der PEM-Brennstoffzellen (12) in dem Stapel (14); und Abstandshalterelemente (20) zwischen den Endflächen (16) und den Druckplatten (18) zur thermischen Isolierung der Endflächen (16) von den Druckplatten (18), wobei die Abstandshalterelemente (20) poröse Graphitplatten sind.
Verfahren zum Abschalten eines PEM-Brennstoffzellensystems, aufweisend eine Mehrzahl von in einem Stapel (14) angeordneten PEM-Brennstoffzellen (12) mit zwei entgegengesetzten nach außen gerichteten Endflächen (16) und relativ zu den Endflächen (16) positionierten Druckplatten (18) zum Befestigen der PEM-Brennstoffzellen (12) in dem Stapel (14), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Positionieren von Abstandshalterelementen (20) zwischen den Endflächen (16) und den Druckplatten (18) zur thermischen Isolierung der Endflächen (16) von den Druckplatten (18); und Abkühlen des PEM-Brennstoffzellensystems, wobei die Abstandshalterelemente (20) die Endflächen (16) von den Druckplatten (18) thermisch isolieren, wodurch die Bewegung von Wasser in Richtung der Endflächen (16) reduziert wird, wobei die Abstandshalterelemente (20) benetzbar sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Abstandshalterelemente (20) porös sind und eine Porösität von mindestens 30% haben.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die Abstandshalterelemente (20) eine Porösität von zwischen 30% und 80% haben.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem die Abstandshalterelemente (20) eine Porösität zwischen 50% und 75% haben.
Verfahren zum Abschalten eines PEM-Brennstoffzellensystems, aufweisend eine Mehrzahl von in einem Stapel (14) angeordneten PEM-Brennstoffzellen (12) mit zwei entgegengesetzten nach außen gerichteten Endflächen (16) und relativ zu den Endflächen (16) positionierten Druckplatten (18) zum Befestigen der PEM-Brennstoffzellen (12) in dem Stapel (14), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Positionieren von Abstandshalterelementen (20) zwischen den Endflächen (16) und den Druckplatten (18) zum thermischen Isolieren der Endflächen (16) von den Druckplatten (18); und Abkühlen des PEM-Brennstoffzellensystems, wodurch die Abstandshalterelemente (20) die Endflächen (16) von den Druckplatten (18) thermisch isolieren, wodurch die Bewegung von Wasser in Richtung der Endflächen (16) reduziert wird, wobei die Abstandshalterelemente (20) für Wasser permeabel sind, wodurch Wasser, das sich zu den Abstandshalterelementen (20) bewegt, in den Abstandshalterelementen (20) verbleibt.
Verfahren zum Abschalten eines PEM-Brennstoffzellensystems, aufweisend eine Mehrzahl von in einem Stapel (14) angeordneten PEM-Brennstoffzellen (12) mit zwei entgegengesetzten nach außen gerichteten Endflächen (16) und relativ zu den Endflächen (16) positionierten Druckplatten (18) zum Befestigen der PEM-Brennstoffzellen (12) in dem Stapel (14), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Positionieren von Abstandshalterelementen (20) zwischen den Endflächen (16) und den Druckplatten (18) zum thermischen Isolieren der Endflächen (16) von den Druckplatten (18); und Abkühlen des PEM-Brennstoffzellensystems, wobei die Abstandshalterelemente (20) die Endflächen (16) von den Druckplatten (18) thermisch isolieren, wodurch die Bewegung von Wasser in Richtung der Endflächen (16) reduziert wird, wobei die Abstandshalterelemente (20) poröse Graphitplatten sind.