DE60202080T2 - Brennstoffzelle mit optimierter thermischen verwaltung - Google Patents

Description

• Es handelt sich hier um eine Brennstoffzelle.
• Die Brennstoffzellen sind der Sitz einer chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel zur Erzeugung von elektrischer Energie. Die Reaktion findet in Blöcken statt, die normalerweise ein Elektrodenpaar und ein dazwischen eingefügtes festes Elektrolyt umfassen, und sie werden begleitet von einer großen Wärmeabgabe, die reguliert werden muss. Aus diesem Grund umfassen die Brennstoffzellen normalerweise Wärmeabführungseinrichtungen, die mit den Blöcken durch Wärmeschalter verbunden sind. Der exzessiven Erwärmung wird also vorgebeugt. Es scheint jedoch, dass die Leistung der Brennstoffzellen im kalten Zustand gering ist und dass die Temperaturstabilisierung lange dauert.
• Die bekannten Brennstoffzellen mittlerer Leistung (einige kW) haben manchmal ein autonomes und regelbares Kühlsystem, das aber für Brennstoffzellen von geringer Leistung (einige Watt) kaum vorstellbar ist, die heute auf großes Interesse stoßen und bei denen dieses Problem der reduzierten Leistung im kalten Zustand akuter ist, da ihr Betrieb oft diskontinuierlicher ist. Das US-Patent 5 759 712, das eine lange Beschreibung der Brennstoffzellen enthält, erwähnt die Abführung der Wärme durch wasserdurchlässige Membranen, ohne zu suggerieren, dass es sich um einen Fortschritt handelt.
• Der Gegenstand der Erfindung ist also eine verbesserte Brennstoffzelle, welche die Besonderheit aufweist, dass die Thermoverbindungseinrichtungen aus einer Formgedächtnis-Legierungen sind und zwei Hauptzustände haben: einen warmen Zustand, in dem sie als thermische Verbindungen zwischen den Blöcken und den Wärmeabführungseinrichtungen dienen, und einen kalten Zustand, in dem diese thermische Verbindung reduziert oder unterbrochen ist. Ein solcher Leitfähigkeitswechsel zwischen zwei Zuständen gewährleistet eine schnelle Erwärmung der Brennstoffzelle, bis auf die Diensttemperatur, und dann eine normale Wärmeabführung, ohne dass der Operator eingreifen muss.
• Mehrere spezielle Ausführungsarten zur Realisierung dieser Konzeption werden mit Hilfe der 1 und 2 beschrieben.
• Die Brennstoffzelle der 1, nur durch ihre Hauptteile dargestellt, umfasst Blöcke 1, angebracht auf einem Träger 2, mit einer Anode 3, einen Katode 4 und einer Festkörperelektrolyt-Membran 5 zwischen der Anode 3 und der Katode 4. Der Träger 2 (aus Silicium, aus Kunststoff, aus Keramik,...) ist eine Leitung mit einem polygonalen Querschnitt, die einen Brennstoffkanal 6 umschließt. Je nach Anwendung kann dieser Kanal unterschiedliche Formen annehmen, zum Beispiel die einer Kammer. Tatsächlich sind zwei Blöcke 1 vorhanden, die sich auf entgegengesetzten Seiten eines Querschnitts des Trägers 2 befinden. Weitere gleiche bzw. ähnliche Blöcke 1 können sich anderswo auf dem Träger 2 befinden. Der Brennstoff in dem Kanal 6 ionisiert sich auf den Blöcken 1 und reagiert mit Ionen, die von einem oxidierenden Umgebungsmedium stammen. Diese chemische Verbindungsaufbaureaktion erzeugt einen elektrischen Strom in einer nicht dargestellten Leitung, welche die Anode 3 mit der Katode 4 verbindet, und die durch diese Reaktion erzeugte Wärme strömt in den Träger 2. Die abzuführende Wärme wird durch Stäbe 8 in Wärmeradiatoren 7 geleitet, die eine große Oberfläche für den Wärmeaustausch mit dem Umgebungsmedium aufweisen. Bei der dargestellten Realisierung handelt es sich um zwei Stäbe 8, von denen jeder mit einem seiner Enden in dem Träger 2 steckt, zwischen den beiden Blöcken 1, und mit seinem anderen, entgegengesetzten Ende eingeklemmt ist zwischen einem Paar von Radiatoren 7. Die Stäbe 8 weisen in entgegengesetzte Richtungen, ausgehend von dem Träger 2, der sich folglich zwischen den Paaren von Radiatoren 7 befindet.
• Die Stäbe 8, die als Thermoverbindungseinrichtung dienen, sind in der Erfindung aus einer Formgedächtnislegierung. Diese Legierungen, von denen dem fachkundigen Publikum mehrere Zusammensetzungen gut bekannt sind, haben die Eigenschaft, jenseits einer Übergangstemperatur die Kristallstruktur zu verändern und auf natürliche Weise von einer martensitischen in eine austenitische Struktur überzugehen, wenn man sie erwärmt. Die Übergangstemperatur hängt von der Zusammensetzung der Legierung ab und kann in der Praxis fast nach Belieben gewählt werden. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Legierungen ist im austenitischen Zustand oft sehr viel höher – zum Beispiel doppelt so hoch – wie im martensitischen Zustand. Ihre bekannteste Eigenschaft ist jedoch, dass sie sich verformen können, indem sie den Zustand ändern: wenn sie im austenitischen Zustand plastisch verformt worden sind, nehmen sie, wenn sie in den martensitischen Zustand zurückkehren, ihre ursprüngliche Form wieder an, kehren aber zu der Verformung zurück, wenn sie wieder in den austenitischen Zustand zurückkehren. Die Formveränderung ist während einer großen Anzahl von Temperaturübergängen reversibel.
• Diese Eigenschaften kann man für die Zwecke der Erfindung nutzen. Die Stab 8 ist im warmen Zustand, wie dargestellt in der 1, eben und eingeklemmt zwischen den Paaren von Radiatoren 7, die sich auf ganzen Flächen von ihm abstützen. Der kalte Zustand des Stabs 8 ist in der 2 dargestellt: man sieht dass die ebene Form ersetzt ist durch Wellungen 10 zwischen den Paaren von Radiatoren 7, so dass die Verbindung mit ihnen nur noch durch Kanten 11 aufrechterhalten wird, also reduziert ist, was erwünscht ist, weil man dann in einem kalten Zustand der Brennstoffzelle ist und die zu Beginn ihres Betriebs erzeugte Wärme länger in dem Träger 2 bleibt und dazu beiträgt, die Blöcke 1 zu erwärmen, so dass sie schneller ihre Diensttemperatur erreichen, bei der ihre Effizienz am größten ist. Wenn dieser warme Zustand der Brennstoffzelle erreicht ist, ist die Übergangstemperatur der Stäbe 8 überschritten worden und sie haben wieder ihre ebene Form angenommen, die ihnen ermöglicht, die Wärme mit einem höheren Durchsatz an die Radiatoren 7 und nach außen abzugeben, was die Temperatur der Brennstoffzelle stabilisiert. Federn 12, verankert in festen Punkten 13 der Brennstoffzelle, belasten die Radiatoren 7 und drücken sie auch dann gegen den Stab 8, wenn er wieder seine ebene Form annimmt.
• Man kann feststellen, dass es nicht notwendig ist, auf den Formwechsel, den diese Legierungen anbieten, zurückzugreifen, denn auch ihre Wärmeleitfähigkeit verändert sich beim Übergang der beiden kristallinen Strukturen: da diese Leitfähigkeit im warmen Zustand größer ist, kann die Temperaturstabilisierung sich ohne Rückgriff auf eine Veränderung der Kontaktfläche mit den Radiatoren 7 entfalten. Die Vorrichtung könnte dann unveränderlich das Aussehen nach 1 haben, wobei es noch möglich wäre, die Federn 12 wegzulassen und die Wärmeabführungseinrichtungen auf die Stäbe 8 zu kleben.
• Die Verformung mit den Wellungen 10 oder ähnlich ist günstig, da sie nicht großen Verschiebungen begleitet wird. Sie ermöglicht auch, einen Radiator auf jeder Seite des Stabs 8 vorzusehen und im Wesentlichen die materielle und thermische Verbindung mit jedem von ihnen zu unterbrechen. Diese Dualität der Radiatoren 7, verbunden mit der besten Leitfähigkeit der Legierung oberhalb der Übergangstemperatur, sichert eine große Wärmeabführungskapazität im warmen Zustand der Brennstoffzelle.
• Bei allen diesen Realisierungsarten ist der Radiator 7 nicht unverzichtbar und könnte durch irgendeine Abführungseinrichtung ersetzt werden. Das freie Ende der Wärmeübertragungseinrichtung könnte in bestimmten Situationen sogar frei bleiben und die aufgenommene Wärme direkt in die sie umgebende kalte Quelle abstrahlen bzw. abgeben.

Claims (8)

1. Brennstoffzelle mit wenigstens einem Brennstoffoxidations-Block (1) und einer Thermoverbindungseinrichtung, die den Block mit einer kalten Quelle verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoverbindungseinrichtung einen Stab (8) aus Formgedächtnislegierung umfasst, der in einem warmen Zustand eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und in einem kalten Zustand eine niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoverbindungseinrichtung an einem in der kalten Quelle befindlichen Ende einen Radiator (7) aufweist.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab im warmen Zustand mittels einer Fläche Kontakt hat mit dem Radiator und im kalten Zustand mittels einer oder mehrerer Kanten Kontakt hat mit dem Radiator.
4. Brennstoffzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (8) im warmen Zustand flach bzw. flächig ist und im kalten Zustand, dort wo er mit dem Radiator (7) Kontakt hat, wellig ist.
5. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder (12) den Radiator gegen den Stab drückt.
6. Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoverbindungseinrichtung ein beiderseits des Stabs (8) angeordnetes Paar Radiatoren (7) umfasst.
7. Brennstoffzelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoverbindungseinrichtung mit einem Ende in einen Träger (2) des Blocks (1) eingebaut sind.
8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei auf entgegengesetzten Seiten des Brennstoffkanals (6) angeordnete Blöcke (1) umfasst und zwei Thermoverbindungseinrichtungen, die zwischen den genannten entgegengesetzten Seiten in den Kanal eingebaut sind.