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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffzellenstapel, umfassend:
eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, die elektrisch in Reihe geschaltet
sind und äquivalente
Querschnittsflächen
und Umfänge
des aktiven Bereichs haben, wobei jede Brennstoffzelle ein Laminat
von Schichten aufweist, die eine Elektrolytmembran und einen Katalysator
sowie Elektroden- und Gasverteilungsschichten umfassen, wobei diese
Funktionen in beliebiger Kombination in Mehrfunktionsschichten kombiniert
sein können;
End- und Separator-Platten, die jede Zelle begrenzen; und Kühlschichten,
deren Kühlfunktion
ebenfalls mit anderen Schichten in jeweiligen Mehrfunktionsschichten
kombiniert sein können,
wobei jede der Kühlschichten über die
umfangsmäßige äußere Peripherie
des Laminats der anderen Schichten übersteht, wodurch sie einen
inneren aktiven Bereich und einen peripheren Kühlplattenbereich umfassen und
das Verhältnis
des Umfangs zur aktiven Fläche
der Brennstoffzellen, definiert durch die geometrische Form des
aktiven Bereichs, größer ist
als das entsprechende Verhältnis
eines quadratischen aktiven Bereichs. Ein Stapel dieser Art ist
der
US 3 589 942 A zu
entnehmen.
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Die
Notwendigkeit eines Kühlsystems
in einer Brennstoffzelle für
Wasserstoff und Luft mit einer Protonentauschermembran (PEM) stellt
ein seit langem bestehendes Problem dar. Steigt die Wärme auf
einen sehr hohen Temperaturpegel, so ergibt sich die Gefahr eines
Austrocknens der Membran. Dies führt
zu einem Verlust von Innenleitfähigkeit
und von Leistung, da die Membran eine hohe Feuchtigkeit benötigt.
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Brennstoffzellen
mit einer beachtlichen Wärmeerzeugung
bedürfen
deshalb eines Kühlsystems.
Für bestimmte
Anwendungen ist es nützlich,
wenn das Kühlsystems
von geringem Gewicht und kompakt ist, beispielsweise für ein mobiles
System. Bei allen Brennstoffzellenanwendungen ist der Kostenfaktor
eines zusätzlichen
peripheren Systems für
das Brennstoffzellensystem beachtlich.
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In
der
US 5 595 834 A ist
ein Brennstoffzellenstapel beschrieben, der eine kreiszylindrische
Form hat. Für
die Kühlung
verwendet er Separatorplatten, die von der Peripherie des Stapels
radial nach außen
vorstehen, um die zusätzliche
Funktion von Kühlplatten
zu bieten. Jedoch ist der Wärmetransfer
zu den Kühlplatten und
weiterhin an einen Luftstrom beschränkt, was besonders für größere Zellenflächen und
hohe Temperaturgradienten und Gewichte eine erhebliche Begrenzung
darstellt. Der Grund ist, daß die
Kühlfläche der
ringförmigen
Kühlplatten
nicht ausreichend ist, außer
wenn unverhältnismäßig dicke
Schichten und breite Ringe mit der Konsequenz eines hohen Gesamtgewichts
und Gesamtvolumens verwendet werden. Die Konstruktion nach dem Stand
der Technik ergibt vielmehr da, wo Abwärme erzeugt wird, relativ große Querschnittflächen und
zum Leiten der Wärme
nach außen
nur relativ kleine Querschnittflächen
und relativ begrenzte Kühlplattenflächen. Es
wird also ein zusätzliches
Kühlsystem
benötigt,
was die peripheren Aggregate des Gesamtsystems vermehrt.
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Die
US 5 776 625 A und
die WO 98/11616 beschreiben gleichartige Wärmeabführschemen. Die Bipolarplatten
erstrecken sich der Länge
oder der Breite nach über
die aktive Fläche
jeder einzelnen Zelle des Brennstoffzellenstapels und bilden Kühlplatten
an gegenüberliegenden
Stapelrändern
bzw auf einer Seite des Stapels. Die damit verbundene Erhöhung der
Stapeloberfläche
ermöglicht
es, daß der
Stapel beispielsweise mit Hilfe von Luft, die durch ein Gebläse über seine
Oberfläche
geblasen wird, gekühlt
wird.
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Die
obengenannte
US 3 589
942 A zeigt in ihrer Zeichnung einen Brennstoffzellenstapel,
bei dem, aus der Perspektive des prismenförmigen Stapels gesehen, das
Verhältnis
des Umfangs zur aktiven Querschnittsfläche des Stapels, die durch
die geometrische Form der aktiven Querschnittsfläche definiert ist, das entsprechende
Verhältnis
eines Prismas mit quadratischer Basis übertrifft, also der Querschnittsfläche eines
geraden Quaders mit quadratischer Basis, mit der gleichen Querschnittsfläche. Dies
liefert eine relativ längere
Umfangslinie um jede Zelle und weiterhin eine größere Kühlplattenfläche im Verhältnis zur Kühlplattenbreite, mit der Folge
eines niedrigeren Wärmeleitwiderstands
und einer höheren
Wärmekonvektion.
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Jedoch
ist auch bei diesem Stand der Technik das Verhältnis der Wärmeableitfähigkeit zur Wärmeerzeugung
in der aktiven Fläche
nicht optimal, insbesondere bei Verwendung von dünnen wärmeleitenden Schichten geringen
Gewichts. Es besteht ein Bedarf an einem Kühlsystem für Brennstoffzellenstapel, das
billig, von geringem Gewicht und kompakt ist und die gesamte Wärme des
Reaktionsprozesses aus dem Brennstoffzellenstapel leitet.
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Zusammengefaßte Darstellung
der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellenstapel der eingangs gegebenen
Definition und vorzugsweise auf solche Brennstoffzellenstapel, die
aus luftatmenden Protonentauschermembran-Brennstoffzellen zusammengesetzt
sind, insbesondere auf Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen,
die mit Luft als Reaktionsstoff und als Kühlgas arbeiten und Kühlschichten
aufweisen, die die externen Kühlplatten
umfassen. Die Kühlschichten
können
Teil der einzelnen Brennstoffzellen sein und sich parallel zur Flächenausdehnung
der Brennstoffzellen erstrecken. Der Zweck ist es, die gesamte Wärme des
Reaktionsprozesses abzuführen,
und zwar zuerst von innerhalb des Stapels zu den Kühlplatten
und dann von den Kühlplatten
zur Umgebungsluft oder einem sonstigen Kühl-Strömungsmittel.
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Gemäß der Erfindung
ist das Material zur Verwendung in der Kühlschicht eine Folie aus expandiertem Graphit.
Dieses Material, wenn es außerdem
als Gasdiffusionsmaterial verwendet wird, kann mit Ruß gemischt sein.
Expandierter Graphit ist als nützliches
Material für
die Elektroden der Brennstoffzelle, für die Gasdiffusionsschicht
oder das Strömungsfeld
und für
die Separatorplatten (siehe z. B.
EP 0 784 352 A ) bekannt. Bei der Verwendung
als Kühlschichten
wird die Eigenschaft bedeutsam, daß eine solche Folie eine höhere spezifische Wärmeleitfähigkeit
parallel zur Ebene jeder Brennstoffzelle, bezogen auf die Dichte,
hat als Metalle, da sie ein eher leichtes Material ist. Die eher
geringe Wärmeleitfähigkeit
orthogonal zu dieser Ebene ist praktisch unbedeutend.
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Die
Kühlschicht
kann eine Erstreckung des Anoden- oder des Katodenströmungsfelds
oder der Bipolarplatte sein oder kann auch eine Verlängerung
einer der Elektroden sein. Vorzugsweise bedeckt sie die gesamte
aktive Fläche.
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Die
geometrische Form der Brennstoffzellen, die die Teile des Brennstoffzellenstapels oder
einer sonstigen Konfiguration aus einer oder mehreren Zellen sein
können,
ist vorzugsweise rechteckig, wobei die Länge vorzugsweise etwa das 1,5-fache
der Breite beträgt.
Noch mehr bevorzugt, beträgt
die Länge
das 2,5- bis 3,5-fache der Breite. Die Zellen haben zumindest eine
geometrische Form, bei der der Umfang im Vergleich zur Fläche relativ
groß ist.
Bei dieser Konfiguration ist die Entfernung, die der gesamte Abwärmetransport überbrücken muß, kurz
und ist die Querschnittsfläche
in Abhängigkeit
von der Dicke und der Ausdehnung der Kühlschicht aus dem expandierten
Graphit zum Leiten der Wärme
nach außen
ausreichend hoch, selbst wenn eher dünne Kühlschichten verwendet werden.
Der geringere Abstand der rechteckigen Brennstoffzelle dient als Pfad
für den
Wärmetransport.
Das Ergebnis dieses Materials und dieser Form ist, daß die Zelle
und speziell die Kühlschicht
leichter ist als bei konventionellen Formen wie einem Kreis oder
einem Quadrat, und/oder bei Verwendung von Kühlplatten aus Metall. Und wie
erwähnt,
hat für
eine gleiche abstehende Breite die um den Umfang laufende Kühlplatte
eine größere Fläche zum
Abgeben der Wärme.
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Es
wird, wenn auch nicht als notwendig, so doch als günstig angesehen,
als Kühlplatten
die Separatorplatten zu verwenden, also die die einzelnen Zellen
des Stapels trennenden Bipolarplatten. Beim Aufbau der Bipolarplatte
gibt es jedoch eine gewisse Schwierigkeit. Die Bipolarplatte muß orthogonal
zur Ebene der Brennstoffzelle eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit
aufweisen. Dies ist einer der Gründe,
warum die meisten Brennstoffzellen eine Graphitplatte oder eine
Metallplatte als Bipolarplatte verwenden. Um jedoch die Bipolarplatte
als Kühlplatte
zu verwenden, muß die
Wärmeleitfähigkeit
(oder nahezu äquivalent
die elektrische Leitfähigkeit)
parallel zur Ebene der Brennstoffzelle erhöht sein, um die gesamte Abwärme des
Reaktionsprozesses nach außen
zu bringen. Die Erfindung verwendet deshalb die Folie, die den expandierten
Graphit enthält,
der eine extrem anisotropische Eigenschaften betreffend die Wärmeleitfähigkeit
und die elektrische Leitfähigkeit
hat. Die Wärmeleitfähigkeit
kann parallel zur Schichtebene fünfzig
(50) mal höher
sein als orthogonal zu dieser Ebene.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit
Kühlplatten;
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2 ist
eine schematische Draufsicht auf eine Kühlplatte mit Gaskanälen;
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3 ist
eine schematische Darstellung eines Wärmeableitsystems mit einer
Kühlplatte
und einem Gebläse.
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Ins einzelne
gehende Beschreibung von Ausführungsformen
der Erfindung
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Ein
Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapel 1 besteht
aus einer Serie von einzelnen Brennstoffzellen 2, die durch
Bipolarplatten 3 getrennt sind. Jede Brennstoffzelle 2 umfaßt eine
katalysierte Membran 5, auf die an beiden Seiten eine kombinierte
Gasdiffusions- und Elektrodenschicht 7 auflaminiert ist.
Zwischen eine der Schichten 7 jeder Zelle 2 und
der zugeordneten Bipolarplatte 3 ist eine Kühlschicht 9 eingesetzt,
die aus expandiertem Graphit besteht und die die Abwärme aus
der Brennstoffzelle hinausleitet und sie nach außerhalb der Zelle zuerst zu
einer Kühlplatte 11 transferiert,
die ein mehr oder weniger breiter Rand der Schicht 9 außerhalb
des eigentlichen Stapels ist, und von dort an die Umgebungsluft
oder ein sonstiges Kühlströmungsmittel
ableitet, wie in 1 gezeigt ist. Endplatten 13 bilden
Schichten an gegenüberliegenden
Enden des Brennstoffzellenstapels 1.
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Die
geometrische Form der Brennstoffzellen 2, die Teile des
Brennstoffzellenstapels 1 oder einer äquivalenten Konfiguration von
einer oder mehreren Zellen ist, ist als langgestrecktes Rechteck
dargestellt und hat wenigstens eine geometrische Form, die einen
relativ großen
Umfang 14 im Vergleich zur Zellenfläche aufweist, die die aktive
Querschnittsfläche 15 des
Stapels ist. Eine weitere mögliche
Querschnittsform ist beispielsweise eine Ellipse. Bei einer solchen
Konfiguration ist die Strecke, die die gesamte Abwärme durchlaufen muß, kurz
und ist die Querschnittsfläche
innerhalb der Kühlschicht
zum Leiten der Wärme
nach außen
ausreichend groß,
selbst wenn relativ dünne
Kühlschichten 9 verwendet
werden. Der kleine Abstand vom Ort der Erzeugung der Wärme in der
aktiven Fläche 15 bis
zur Kühlplatte 11 in
der rechteckigen Brennstoffzelle wird als Transportweg für die Wärme verwendet
und das Ergebnis dieser Form ist, daß der Stapel 1 und
speziell seine Kühlschichten 9 weniger
Gewicht als bei der Anwendung konventioneller Formen wie eines Kreises
oder eines Quadrats hat/haben. Außerdem ist für eine gleiche
Breite der umlaufenden Kühlplatte 11 deren
Fläche relativ
zur aktiven Fläche 15 größer.
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Die
geometrische Form der Kühlschicht 9 ist
in 2 als Rechteck mit einer Länge 16 und einer Breite 17 dargestellt.
Die Länge 16 der
Kühlschicht 9 übertrifft
die Länge
der aktiven Fläche 15 der
Brennstoffzelle 2, wie in den 1 und 3 dargestellt
ist, und die Breite 17 der Kühlschicht 9 übertrifft
die Breite der aktiven Fläche 15,
was dazu führt,
daß die
um den Umfang laufende randartige Kühlplatte 11 sich um
den Zellenumfang 14 herum erstreckt. 2 zeigt
weiterhin, daß die
Kühlschicht 9 parallele
Kanäle 19 hat,
die zur Leitung für
das Reaktionsgas dienen, das üblicherweise
Luft ist, die in die Kanäle
durch eine (nicht dargestellte) Luftpumpe gegebenenfalls über ein
Filter gepumpt werden kann. Ein in 3 gezeigtes
Gebläse 20 dient
der Kühlung
der Kühlplatten 11 um
den Stapel 1. Das Gebläse 20 kann
an einer Verlängerung
der Platte 13 oder an nicht dargestellten Montagegliedern
montiert sein. Es transportiert die Kühlluft durch Zwischenräume 22,
die zwischen aufeinanderfolgenden Kühlplatten 11 gebildet
sind.
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1 zeigt
die Brennstoffzellen 2 mit den Kühl- und Gasverteilungsschichten 9 auf
der Katodenseite. Es können
die Anode oder die Katode oder beide Schichten in dieser Weise gestaltet
sein.
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Das
Material der Kühlschichten 9 hat
die folgenden Eigenschaften. Zum Entfernen der Wärme parallel zur Zellenfläche hat
das verwendete Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit (λ) und, um Gewicht zu sparen, eine
niedrige Dichte (ρ).
Eine Zahl, die diese Eigenschaft des Materials charakterisiert,
ist das Verhältnis λ/ρ. Die Tabelle
1 zeigt im Vergleich das verwendete Material, nämlich den expandierten Graphit,
gegenüber
verschiedenen anderen Materialien und deren Eigenschaften.
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Alkalimetalle
und speziell Lithium haben ein sehr wünschenswertes Verhältnis λ/ρ, sie sind
jedoch wegen ihrer chemischen Reaktionsfähigkeit und ihren unzureichenden
mechanischen Eigenschaften nicht als Konstruktionsmaterialen erwünscht. Auch
Beryllium hat sehr gute Eigenschaften, es ist jedoch ziemlich toxisch.
Al, Mg and expandierter Graphit sind einige der verbleibenden Materialien.
Al ist ein allgemein verfügbares
Material, es ist jedoch bei den Betriebsbedingungen einer Brennstoffzelle
chemisch unstabil.
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Das
Material mit den meisten Vorteilen ist eine Folie, die expandierten
Graphit enthält.
Zur Erhöhung der
mechanischen Stabilität
und (falls benötigt)
der Gasdichtigkeit dieses Materials kann es mit üblichen Harzen imprägniert sein
(Epoxyharz, Phenolharz, Phenoplast oder Furanharz). Die elektrische
Leitfähigkeit
des Materials ist trotz seiner anisotropen Eigenschaft ausreichend
hoch, um den elektrischen Strom der Zellen zu leiten.
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Mit
den beschriebenen vergrößerten Kühlplatten
kann die gesamte Abwärme
des Reaktionsprozesses abgeführt
werden. Mit Ausnahme des Gebläses 20 sind
keine weiteren Kühlaggregate
erforderlich. Im speziellen Fall einer sehr kleinen Brennstoffzellenfläche kann
auch das Gebläse
weggelassen werden. Dies trägt dazu
bei, die peripheren Aggregate des gesamten Systems zu reduzieren
und Kosten zu sparen.
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Beispiel 1
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Bei
der speziellen oben beschriebenen Form hat die Kühlschicht 9 auch die
Funktion einer Gasverteilungsschicht (eines Strömungsfelds). Es wird eine Folie
mit expandiertem Graphit verwendet (z. B. Sigraflex von SGL Carbon
AG), also aus einem Material mit extrem hoher Wärmeleitfähigkeit (siehe Tabelle I) in
der parallelen Richtung, bei dem es leicht möglich ist, die Gaskanäle 9 durch
Pressen oder in sonstiger Weise herzustellen, da das Material aufgrund
des niedrigen Gehalts oder des Nichtvorhandenseins von Polymerbindemitteln
weich und deformierbar ist.
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Der
Preßprozeß hat zwei
Ergebnisse. Das eine ist, daß die
Folie zum Bilden der Kanäle
gepreßt
wird. Dies bedeutet, daß die
Dichte des Materials nahe bei den Kanälen höher ist. Bei diesem speziellen
Material erhöht
sich die Wärmeleitfähigkeit
parallel zur Ebene der Brennstoffzelle mit der Dichte des Materials.
Die Kanäle 19 in
der Kühlschicht 9 haben
deshalb keinen negativen Effekt, sondern eher einen geringfügig positiven Effekt
auf die Wärmeleitfähigkeit.
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Das
zweite Ergebnis ist, daß alle
Kanalstrukturen Teile, nämlich
Vorsprünge
haben, die höher
sind als die Kanäle.
Diese Teile haben die Funktion des Leitens der Elektrizität orthogonal
zur Ebene der Zellen 2 aufgrund der Serienschaltung im
Brennstoffzellenstapel 1. Die elektrische Leitfähigkeit
nimmt in der Richtung orthogonal zur Ebene der Zellen 2 mit
der Dichte des Materials ab, jedoch wird eine hohe Leitfähigkeit
an den Teilen nur in den Teilen benötigt, in denen das Material nicht
komprimiert ist. Somit ist der Effekt auf die elektrischen Stromleitpfade
nicht negativ, und zwar aufgrund dieses Herstellungsprozesses der
Kanäle 19.
Zusammengefaßt
dargestellt, ist als Folge der Kanalstruktur 19 die Wärmeleitfähigkeit
erhöht,
während
die elektrische Leitfähigkeit
konstant bleibt.
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Beispiel 2
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Bei
dieser Ausführungsform
der Erfindung erfüllen
die Kühlschichten 9 die
Anforderungen der Bipolarplatten 3, die auch Gasseparatoren
sind, und müssen
somit gasdicht sein. Diese Ausführungsform
kann mit oder ohne eine Kanalstruktur der oben beschriebenen Art
sein.
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Zum Überwinden
des Problems mit üblichen
Bipolarplattenmaterialien, die sich nicht dafür eignen, die gesamte Abwärme parallel
zur Ebene der Zelle auszubringen, da sie keine erhöhte Wärmeleitfähigkeit
in dieser Richtung haben, wird dasselbe fortschrittliche Material
wie beim Beispiel 1 verwendet. Um das Erfordernis der Gasdichtheit
zu erfüllen,
muß die
Folie mit dem expandierten Graphit imprägniert oder extrem komprimiert sein.
Als Imprägniermaterial
kann ein Polymer verwendet werden, vorzugsweise ein Epoxyharz, ein
Furanharz oder ein Phenolharz.
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Bei
diesem Beispiel haben die Brennstoffzellen
2 im Stapel
1 mit
den Bipolar-Separatorplatten
3,
die auch als Kühllagen
9 dienen,
die folgenden geometrischen Daten:
| Aktive
Fläche
jeder Zelle: | 39
mm · 120
mm |
| Ausdehnung
der Kühlplatte
1 | |
| außerhalb
des Umfangs 14 | |
| und
der aktiven Fläche
15: | 20
mm |
| Dichte
der Folie aus dem ex | |
| pandierten
Graphit: | 0,6
mm (nämlich |
| | Sigraflex
von SGL) |
| Dicke
der Folie (erzielt durch | |
| Pressung): | 1,3
g/cm3 |
| Leistungsdichte: | 0,3
W/cm2 |
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Der
Stapel 1 hat sechsunddreißig (36) dieser Zellen 2 und
hat eine Leistungsabgabe von etwa 500 W. Sofern eher tiefe Kanäle 19 erforderlich
sind, kann die Dicke der Schicht 9 im aktiven Bereich erhöht werden. Die
Dicke und die Masse der Kühlschichten 9 kann
immer noch geringer sein als bei den von Flüssigkeit gekühlten Systemen,
und alle peripheren Aggregate mit Bezug zur Flüssigkeitskühlung entfallen.
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Beispiel 3
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
hat wiederum die Kühlschicht 9 eine
Doppelfunktion. Zusätzlich dazu,
daß sie
als Kühlplatte
wirkt, hat die Kühlschicht 9 auch
die Funktion einer Elektrode. Die kombinierte Elektroden- und Kühlschicht
kann die durch Pressen hergestellten Gaskanäle 9 wie beschrieben
haben, und vorzugsweise ist die Schicht auch gasdurchlässig.
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Wiederum
wird eine aus expandiertem Graphit bestehende Folie verwendet. Die
Durchlässigkeit
kann erreicht werden durch Verwendung von expandiertem Graphit,
der eine niedrige Dichte aufweist, was bedeutet, daß bei der
Herstellung der Folie eine niedrige Preßkraft aufgewandt wurde. Diese
Gaspermeabilität
ist nur innerhalb des aktiven Bereichs 15 der Brennstoffzelle 2 erforderlich.
Zum Verhindern von Gasverlusten aufgrund der Gasdurchlässigkeit
parallel zur Folienschicht kann das Material des Kühlplattenteils 11 komprimiert sein.
Ein anderer Weg zum Erreichen der Gasundurchlässigkeit am Kühlplattenteil 11 (oder
zumindest beim Übergang
zwischen der aktiven Fläche 15 und
der Kühlplatte 11,
also am Umfang 14) ist es, diesen Teil mit einem Polymer
zu imprägnieren,
vorzugsweise mit einem Epoxyharz, einem Furanharz oder einem Phenolharz.
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Zum
Erzielen einer höheren
Gasdurchlässigkeit
im aktiven Bereich der Folie kann beim Schritt vor der Herstellung
der Folie aus dem Kohlenstoffpulvergemisch das Pulver des expandierten
Graphits mit Ruß eines hohen
Porenvolumens gemischt werden. Die Mischungsrate kann 90 Teile des
expandierten Graphits oder weniger und 10 Teile des Rußes oder
mehr betragen, bevorzugt wird ein Verhältnis von 60 :40.
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Zum
Verbessern des Kontakts zwischen der Elektroden-/Kühlschicht
und der Membran 5 kann auf der Seite der Elektrode angrenzend
an die Membran eine mikroporöse
Schicht angebracht werden. In 1 ist der
Ort einer solchen mikroporösen
Schicht bei 27 gezeigt. Eine solche mikroporöse Schicht
kann aus Ruß oder
einem hydrophoben Material, nämlich
Polytetrafluorethylen (PTFE), bestehen. Die Verbindung zwischen der
Elektroden-/Kühlschicht
und der mikroporösen
Schicht kann durch ein beliebiges bekanntes Beschichtungsverfahren
erhalten werden, vorzugsweise durch Sprühen einer Suspension auf die
Oberfläche
der Elektroden-/Kühlschicht.
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Beispiel 4
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
sind ein oder mehrere der Gebläse 20 an
den Brennstoffzellenstapel 1 angefügt. Sie erfüllen die Aufgabe, die Wärme von
den Kühlplatten 11 abzuführen, wobei
Luft durch die Zwischenräume 22 zwischen
aufeinanderfolgenden Kühlplatten 11 strömt. Von
Bedeutung ist die geometrische Anordnung der Gebläse 20.
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Aufgrund
der rechteckigen Querschnittsform des Brennstoffzellenstapels 1 ist
der Weg der Kühlluft 25 parallel
zur Länge
eher lang. Dies führt
zu einem relativ hohen Druckabfall innerhalb des Kühlluftwegs,
wodurch eine hohe Leistung erforderlich wird. Um dieses Problem
zu überwinden,
wird der Strom der Kühlluft 25 in
wenigstens zwei Richtungen von Strömungswegen 28 und 29 für jede Langseite 16 des
Rechteckquerschnitts geteilt, wobei jeder der Strömungswegflüsse verschiedene
Teile der Kühlplatten 11 kühlt. Die
Strömungsmenge
und die Strömungsrate
sind in nerhalb jedes zwischen den aufeinanderfolgenden Kühlplatten
gebildeten Zwischenraums 22 reduziert. Der Druckabfall
ist deshalb als Funktion der Zahl der Strömungswege 28 und 29 im
Quadrat reduziert. 3 zeigt eine solche Ausführungsform
des Wärmeableitsystems,
wobei die Kühlplatten 11 zusammen
mit den Gebläsen 20 verwendet
werden, die auch an den Breitenseiten 17 des Rechtecks
angeordnet sein können.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
des Beispiels 4 ist das Gebläse 20 durch den Luftstrom
ersetzt, der durch die Fahrt eines Fahrzeugs erzeugt wird.
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Wiederum
bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung kann das Gebläse
weggelassen werden. Bei dieser Ausführungsform resultiert der Kühlluftstrom
nur aus der Konvektion. Dies ist nur für eher kleine Stapel oder für Stapel
mit niedriger Leistungsabgabe pro Einheitsfläche des aktiven Bereichs möglich.
