DE102007058082A1

DE102007058082A1 - Cooling equipment for vehicle fuel cell, includes vessel containing volatile liquid in permanent, heat-transferring contact with cell electrodes

Info

Publication number: DE102007058082A1
Application number: DE102007058082A
Authority: DE
Inventors: Florian Wahl; Sebastian Maass; Uwe Limbeck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2009-06-04

Abstract

The equipment (1) cools a fuel cell stack (2). Its coolant vessel (7) has a wall (8) surrounding an interior (9) containing coolant (10a) which can be evaporated. Where the fuel cell stack is to be cooled, part of it forms a section of the wall (8) in direct, thermally-conducting contact with the interior and the liquid it contains. Heat is transferred into the liquid, which is kept in an essentially-liquid, uniform state. The coolant is introduced into the vessel (7) where a distributor achieves uniform coolant distribution. The coolant remains in the vessel. An independent claim IS INCLUDED FOR the corresponding cooling method.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur zumindest teilweisen Kühlung eines Brennstoffzellenstacks einer Brennstoffzelleneinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Kühlverfahren zur zumindest teilweisen Kühlung eines Brennstoffzellenstacks einer Brennstoffzelleneinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13. Nicht zuletzt betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstack einer Brennstoffzelleneinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 19 und eine Brennstoffzelleneinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 20.The The invention relates to a cooling device for at least partial cooling a fuel cell stack of a fuel cell device according to the The preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a Cooling method for at least partial cooling a fuel cell stack of a fuel cell device according to the The preamble of claim 13. Not least, the invention relates a fuel cell stack of a fuel cell device according to the The preamble of claim 19 and a fuel cell device according to the preamble of claim 20.

Aus dem Stand der Technik sind allgemein Brennstoffzelleneinrichtungen mit Kühlvorrichtungen, welche entsprechende Kühlverfahren anwenden, bekannt. Bei Brennstoffzelleneinrichtungen ist es insbesondere erforderlich, den Brennstoffzellenstack, genauer die einzelnen Brennstoffzellen und hier die Stellen, an welchen der Brennstoff, zum Beispiel Wasserstoff und Sauerstoff, elektrochemisch zu Energie und Wasser umgesetzt werden, wie beispielsweise die Elektroden oder Bipolarplatten, auf eine entsprechende Temperatur zu regeln, insbesondere zu kühlen. Um zum Beispiel die Bipolarplatten zu kühlen, weisen die Bipolarplatten entsprechende Leitstrukturen zum Durchleiten eines Kühlmittels auf, beispielsweise sogenannte Flowfields. Durch diese wird das Kühlmittel über entsprechende Leitungs- und Fördermittel durchgeführt, wobei eine Kühlung der Bipolarplatte erfolgt.Out The prior art is generally fuel cell devices with cooling devices, which are corresponding cooling methods apply, known. In fuel cell devices, it is particular required, the fuel cell stack, more precisely, the individual fuel cells and here are the places where the fuel, for example, hydrogen and oxygen, electrochemically converted to energy and water are, such as the electrodes or bipolar plates on to regulate a corresponding temperature, in particular to cool. For example, to cool the bipolar plates, the Bipolar plates corresponding conductive structures for passing a Coolant on, for example, so-called flowfields. Through this, the coolant is via appropriate Management and funding carried out, where a cooling of the bipolar plate takes place.

Aus der US 6,866,955 B2 ist beispielsweise ein Kühlsystem bekannt, bei welchem ein flüssiges Kühlmittel in ein Flowfield einer Bipolarplatte gefördert wird. Das Kühlmittel durchläuft das Flowfield, wobei es die Wärme der Bipolarplatte aufnimmt. Dabei wird die Bipolarplatte gekühlt und das Kühlmittel verdampft, so dass am Ende des Flowfields das Kühlmittel als Dampf das Flowfield verlässt.From the US Pat. No. 6,866,955 B2 For example, a cooling system is known in which a liquid coolant is conveyed into a flowfield of a bipolar plate. The coolant passes through the flowfield, absorbing the heat from the bipolar plate. In this case, the bipolar plate is cooled and the coolant evaporated, so that at the end of the flowfield, the coolant leaves the flowfield as steam.

Nachteilig an dieser Lösung ist, dass die Verteilung des Kühlmittels aufgrund der Verdampfung in dem Flowfield ungleichmäßig über die Bipolarplatte verteilt ist und so die Kühlung nicht optimal ausgebildet ist. Insbesondere durch die sich durch das Flowfield bewegende Verdampfungsfront, wird das Flowfield mechanisch aufgrund des dadurch hervorgerufenen thermischen Gradienten beansprucht.adversely At this solution is that the distribution of the coolant due to the evaporation in the flowfield unevenly over the bipolar plate is distributed and so the cooling is not is optimally designed. In particular, through the flowfield moving evaporating front, the flowfield is mechanically due claimed thereby caused thermal gradient.

Ausgehend von dem zuvor aufgeführten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kühlvorrichtung und ein Kühlverfahren zu schaffen, bei welchem eine optimierte Kühlung realisiert ist. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlvorrichtung und ein Kühlverfahren zu schaffen, welches energiesparender ausgebildet ist. Ebenso ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Brennstoffzellenstack und eine Brennstoffzelleneinrichtung zu schaffen, welche eine optimierte und einfacher aufgebaute Kühlung aufweisen.outgoing It is one of the prior art mentioned above Object of the present invention, a cooling device and to provide a cooling method in which an optimized Cooling is realized. In particular, it is an object of present invention, a cooling device and a cooling method to create, which is designed to save energy. Likewise is It is an object of the present invention to provide a fuel cell stack and to provide a fuel cell device which is an optimized one and have a simpler design cooling.

Die vorstehende(n) und weitere Aufgaben werden gelöst durch eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Kühlverfahren gemäß Anspruch 11, eine Kühlvorrichtung mit Kühlmittel gemäß Anspruch 15, einen Brennstoffzellenstack gemäß Anspruch 16 und eine Brennstoffzelleneinrichtung gemäß Anspruch 17. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2–10 und 12–14 angegeben.The The above and other tasks are solved by a cooling device according to the invention according to claim 1, a cooling method according to claim 11, a cooling device with coolant according to claim 15, a fuel cell stack according to claim 16 and a fuel cell device according to claim 17. Advantageous developments of the invention are in the dependent Claims 2-10 and 12-14 specified.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass bei einer Kühlvorrichtung zur zumindest teilweisen Kühlung eines Brennstoffzellenstacks einer Brennstoffzelleneinrichtung , umfassend einen Kühlmittelbehälter mit einer einen Behälterinnenraum definierenden Wandung, zur Bevorratung eines beim Kühlen verdampffähigen Kühlmittels, vorgesehen ist, dass mindestens ein Bereich eines zu kühlenden Teils des Brennstoffzellenstacks als Abschnitt der Wandung ausgebildet ist, der in thermisch leitender Wirkverbindung mit dem Behälterinnenraum steht, um den Brennstoffzellenstack zumindest teilweise mit einem sich in einer homogenen, flüssigen Phase befindlichen Kühlmittels direkt zu kühlen. In thermisch leitender Wirkverbindung umfasst beispielsweise Ausführungsformen, wobei die Wandung in einem direkten oder indirekten Kontakt mit dem Innenraum steht, so dass eine Wärmeleitfähigkeit nicht oder nur unwesentlich beeinflusst ist. Der Bereich kann somit ein in den Behälterinnenraum gebrachtes Kühlmittel direkt kontaktieren und gekühlt werden.The The invention includes the technical teaching that in a Cooling device for at least partial cooling a fuel cell stack of a fuel cell device, comprising a coolant reservoir with a Container interior defining wall, for storage a cooling evaporable coolant, is provided that at least one area of a part to be cooled of the fuel cell stack formed as a section of the wall is, in thermally conductive operative connection with the container interior stands to the fuel cell stack at least partially with a in a homogeneous, liquid phase coolant to cool directly. In thermally conductive active compound includes, for example, embodiments wherein the wall is in direct or indirect contact with the interior, so that a thermal conductivity is not or only is negligibly affected. The area can thus be one in the Container interior brought coolant directly Contact and be cooled.

Der Kühlmittelbehälter ist abdichtet, so dass ungewollt kein Kühlmittel entweichen kann, weder in dessen flüssiger Phase noch in dessen gasförmiger Phase. Die Wandung umfasst eine Seitenwandung, eine Bodenwandung und eine Deckelwandung, wobei die Wandung einteilig oder auch mehrteilig ausgebildet sein kann. Der Kühlmittelbehälter, genauer dessen Wandung, kann aus jedem geeigneten Material hergestellt sein. Bevorzugt ist der Kühlmittelbehälter zumindest aus einem Kohlenstoffmaterial wie einem gepressten Kohlenstoffmaterial hergestellt.Of the Coolant tank is sealed, so that unintentionally no coolant can escape, neither in its liquid Phase still in its gaseous phase. The wall includes a side wall, a bottom wall and a top wall, wherein the wall can be formed in one piece or multi-part. The coolant tank, more precisely its wall, can be made of any suitable material. Is preferred the coolant container at least of a carbon material made as a pressed carbon material.

Der zu kühlende Teil des Brennstoffzellenstacks kann jedes Teil der Brennstoffzelle sein. Bevorzugt ist der zu kühlende Teil eine Bipolarplatte des Brennstoffzellenstacks. Der zu kühlende Teil kann die gesamte Bipolarplatte oder auch nur einen Bereich der Bipolarplatte umfassen. Der entsprechende Bereich der Bipolarplatte ist in die Wandung integriert, so dass ein Abschnitt der Wandung zu einem Teil aus dem Bereich der Bipolarplatte gebildet ist. Die Bipolarplatte ist bevorzugt aus einem Kohlenstoffmaterial gebildet, insbesondere einem gepressten Kohlenstoffmaterial. Bevorzugt ist der Bereich als Abschnitt der Seitenwandung ausgebildet, insbesondere als der Abschnitt der Seitenwandung, der während des Betriebs permanent mit Kühlmittel in einer flüssigen Phase bedeckt ist. Beim Kühlen der Bipolarplatte verdampft das flüssige Kühlmittel und steigt als Gasblase in dem flüssigen Kühlmittel nach oben. Das verdampfte Kühlmittel wird aufgrund der Anordnung des Bereichs als Abschnitt der permanent mit flüssigem Kühlmittel bedeckten Seitenwand direkt durch flüssiges Kühlmittel ersetzt. Es entsteht keine die Kühlung beeinträchtigende Dampf- oder Gasfront. Temperaturgradienten lassen sich somit vermeiden. Der gesamte zu kühlende Bereich der Bipolarplatte ist somit ständig mit flüssigem Kühlmittel bedeckt.The part of the fuel cell stack to be cooled may be any part of the fuel cell. Preferably, the part to be cooled is a bipolar plate of the fuel cell stack. The part to be cooled may comprise the entire bipolar plate or only a portion of the bipolar plate. The corresponding region of the bipolar plate is integrated in the wall, so that a portion of the wall is formed to a part of the area of the bipolar plate. The bipolar plate is preferably made of a carbon material formed, in particular a pressed carbon material. Preferably, the area is formed as a portion of the side wall, in particular as the portion of the side wall, which is permanently covered during operation with coolant in a liquid phase. Upon cooling of the bipolar plate, the liquid refrigerant vaporizes and rises as a gas bubble in the liquid refrigerant. The vaporized coolant is replaced directly with liquid coolant due to the location of the region as a portion of the side wall permanently covered by liquid coolant. There is no effect on the cooling steam or gas front. Temperature gradients can thus be avoided. The entire area of the bipolar plate to be cooled is thus constantly covered with liquid coolant.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass in dem Kühlmittelbehälter mindestens eine Verteilungseinrichtung zur Veränderung einer Verteilung des in den Kühlmittelbehälter einbringbaren Kühlmittels ausgebildet ist, um eine Gleichverteilung des Kühlmittels zu realisieren. Trotz der erfindungsgemäßen Ausbildung der Kühlvorrichtung können noch geringe thermische Unterschiede in dem flüssigen Kühlmittel auftreten. Um eine noch verbesserte Gleichverteilung der Temperaturen in dem Kühlmittel zu erreichen, lässt sich die Verteilungseinrichtung in dem Behälterinnenraum anbringen. Diese ist im Betrieb mit dem Kühlmittel bedeckt, im Wesentlichen mit flüssigem Kühlmittel. Durch die Verteilungseinrichtung werden Temperaturgradienten des Kühlmittels reduziert und/oder verhindert.In an embodiment is provided that in the coolant tank at least one distribution device for modification a distribution of the in the coolant tank einbringbaren coolant is formed to a uniform distribution to realize the coolant. Despite the invention Training the cooling device can still small thermal differences in the liquid coolant occur. For even better uniform distribution of temperatures in the coolant to reach, can the Install distribution device in the container interior. This is covered in operation with the coolant, essentially with liquid coolant. Through the distribution facility Temperature gradients of the coolant are reduced and / or prevented.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung sieht vor, dass die Verteilungseinrichtung als Strömungseinrichtung ausgebildet ist, welche die Strömung des einbringbaren Kühlmittels innerhalb des Kühlmittelbehälters beeinflusst. Durch Ausbildung als Strömungseinrichtung lässt sich das Kühlmittel, insbesondere das flüssige Kühlmittel leiten. Das bedeutet, wärmeres Kühlmittel, welches ohne Strömungseinrichtung naturgemäß zur Kühlmitteloberfläche nach oben steigen würde, kann durch die Strömungseinrichtungen umgelenkt werden, so dass das naturgemäß nach oben steigende Kühlmittel beispielsweise zur Seite oder nach unten abgelenkt wird.A another embodiment of the invention Cooling device provides that the distribution device is designed as a flow device, which the flow the injectable coolant within the coolant tank affected. By training as a flow device can the coolant, in particular the liquid Direct coolant. That means, warmer coolant, which naturally without flow device for Coolant surface would rise to the top, can be redirected by the flow devices, so the naturally rising coolant for example, is deflected to the side or down.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht deshalb vor, dass die Strömungseinrichtung als mindestens ein Leitelement wie ein Leitrohr oder ein Leitblech ausgebildet ist, um die Strömung des in den Kühlmittelbehälter einbringbaren Kühlmittels gezielt zu leiten. Die Leitelemente können gezielt das Kühlmittel umlenken, zum Beispiel nach unten oder zur Seite. Hierdurch lässt sich etwa eine Temperaturgleichverteilung in dem Kühlmittel realisieren.A Another embodiment of the invention therefore provides that the flow device as at least one guide element as a guide tube or baffle is formed to the flow of the coolant can be introduced into the coolant tank to direct. The guide elements can specifically Divert coolant, for example, down or to the side. This allows about a temperature equal distribution realize in the coolant.

In noch einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist vorgesehen, dass die Verteileinrichtung Durchbrüche aufweist, um eine Gleichverteilung des Kühlmediums zu realisieren. Auf diese Weise lässt sich das Kühlmittel noch effektiver durchmischen, um so eine noch bessere Gleichverteilung des Kühlmittels, insbesondere hinsichtlich einer Kühlmitteltemperatur, zu realisieren.In yet another embodiment of the invention Cooling device is provided that the distribution device Has breakthroughs to an even distribution of the cooling medium to realize. In this way, the coolant can be even more effective mix, so even better uniformity of the coolant, in particular with regard to a coolant temperature, to realize.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass die Verteileinrichtung ein Material umfasst, welches aufgrund seiner Eigenschaften wie Temperatur, Form und dergleichen geeignet ist, eine Verteilung des Kühlmittels zu realisieren, welche unterschiedlich ist zu der Verteilung des Kühlmittels ohne die Verteileinrichtung. Das Material kann entsprechend als kühlmittelaufnehmendes Material ausgebildet sein, beispielsweise als poröses Material.A Another embodiment provides that the distribution device includes a material which, due to its characteristics such as Temperature, shape and the like is suitable, a distribution of the coolant to realize which is different to the distribution of the Coolant without the distributor. The material can designed accordingly as a coolant-receiving material be, for example, as a porous material.

Deshalb sieht eine spezielle Ausführungsform der Erfindung vor, dass die Verteileinrichtung ein poröses Material umfasst um eine Gleichverteilung des Kühlmittels in dem Kühlmittelbehälter zu realisieren. Das poröse Material kann Kühlmittel aufnehmen und im Inneren entsprechend umleiten. Dadurch kann eine bessere Gleichverteilung des Kühlmittels realisiert werden.Therefore provides a specific embodiment of the invention, the distribution device comprises a porous material to an even distribution of the coolant in the coolant tank to realize. The porous material can be coolant record and redirect accordingly inside. This can be a better uniform distribution of the coolant can be realized.

Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass eine Wandstärke eines Abschnitts der Wandung des Kühlmittelbehälters variierend ausgebildet ist, um eine Gleichverteilung des Kühlmittels zu realisieren. Der Abschnitt kann insbesondere als dickerer Wandungsabschnitt oder als dickengradierter Wandungsabschnitt ausgebildet sein. Hierdurch lässt sich insbesondere an dem Wandungsabschnitt, an welchem die Kühlung bzw. eine Wärmeübergang von der Bipolarplatte zum Kühlmittel erfolgt, eine geeignete Strömung sowohl des flüssigen als auch des gasförmigen Kühlmittels bewirken.A alternative embodiment provides that a wall thickness a portion of the wall of the coolant tank is formed varying to an even distribution of the coolant to realize. The section can be used in particular as a thicker wall section or be designed as a thick-walled wall portion. hereby can be particularly on the wall section, on which the cooling or a heat transfer from the Bipolar plate to the coolant, a suitable flow both liquid and gaseous Cause coolant.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass in dem Kühlmittelbehälter eine Heizvorrichtung angeordnet ist. In einzelnen Fällen kann es erforderlich sein, gerade bei Inbetriebnahme der Brennstoffzelle und/oder bei niedrigen Umgebungstemperaturen, das Kühlmittel auf eine Betriebstemperatur zu erwärmen. Insbesondere für den Start einer Brennstoffzelle, insbesondere mit einer Hochtemperatur Polymer Elektrolytmembran, kann es erforderlich sein, den Brennstoffzellenstack zu erwärmen, bevor Luft oder Brennstoff zugeführt werden. Bevorzugt umfasst die Heizvorrichtung eine Heizwendel, die in einem unteren Teil der Wandung, beispielsweise einem Kühlwassersumpf oder auch in Kühlwasserkanälen angeordnet ist. Insbesondere in Verbindung mit dem Einsatz von Perfluorsulfonsäure-MEAs, die auch bei tiefen Temperaturen etwa < 100°C betrieben werden können, ist somit eine Selbstaufheizung der Brennstoffzelleneinrichtung möglich. Dabei wird während der Aufheizphase die Stacktemperatur durch die Wärmeaufnahme im Kühlmittel kontrolliert. Bei Erreichen eines vorbestimmten Dampfdrucks des Kühlmittels läuft die Funktion des Kühlkreislaufes durch Einsetzen der Dampfbildung automatisch an. Somit kann ein selbsterhaltendes System ohne aufwendige regelungstechnische Maßnahmen für den Betrieb realisiert werden.A further embodiment of the invention provides that a heating device is arranged in the coolant container. In some cases, it may be necessary, especially at startup of the fuel cell and / or at low ambient temperatures, to heat the coolant to an operating temperature. In particular for the start of a fuel cell, in particular with a high-temperature polymer electrolyte membrane, it may be necessary to heat the fuel cell stack before air or fuel is supplied. Preferably, the heating device comprises a heating coil, which is arranged in a lower part of the wall, for example a cooling water sump or in cooling water channels. In particular, in conjunction with the use of perfluorosulfonic acid MEAs, which can be operated at low temperatures about <100 ° C, thus a self-heating of the fuel cell device is possible. During the heating phase, the Stack temperature controlled by the heat absorption in the coolant. Upon reaching a predetermined vapor pressure of the coolant, the function of the cooling circuit starts automatically by the onset of vapor formation. Thus, a self-sustaining system without complex control engineering measures for the operation can be realized.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass weiter eine abdichtbare Leitungseinrichtung zum geregelten Leiten von Kühlmittel in den und aus dem Kühlmittelbehälter vorgesehen ist. Die Leitungseinrichtung kann ein Kühlmittelreservoir umfassen, welches bei Bedarf Kühlmittel zu dem Kühlmittelbehälter transportiert. Auch kann von dem Kühlmittelbehälter Kühlmittel in das Kühlmittelreservoir transportiert werden. Es können mehrere Kühlmittelreservoirs vorhanden sein, beispielsweise für flüssiges und für gasförmiges Kühlmittel. Die Leitungseinrichtung kann eine Leitung oder mehrere Leitungen umfassen, insbesondere Rohre, Schläuche, Kanäle und dergleichen.In an embodiment is provided that further a sealable conduit means for the controlled routing of coolant provided in and out of the coolant tank is. The conduit means may be a coolant reservoir comprising, if necessary, coolant to the coolant tank transported. Also, from the coolant tank Transported coolant in the coolant reservoir become. There may be several coolant reservoirs available be, for example, liquid and gaseous Coolant. The conduit means may be a conduit or comprise a plurality of lines, in particular pipes, hoses, Channels and the like.

Weiter schließt die Erfindung die technische Lehre ein, dass bei einem Kühlverfahren zur zumindest teilweisen Kühlung eines Brennstoffzellenstacks einer Brennstoffzelleneinrichtung, umfassend den Schritt: Bevorraten eines beim Kühlen verdampffähigen, flüssigen Kühlmittels in einem Kühlmittelbehälter mit einer einen Behälterinnenraum definierenden Wandung, vorgesehen ist, dass weiter der Schritt umfasst ist: Kontaktieren mindestens eines Bereichs eines zu kühlenden Teils des Brennstoffzellenstacks mit dem in dem Kühlmittelbehälter bevorrateten, sich in einer homogenen, flüssigen Phase befindlichen Kühlmittel, um den Brennstoffzellenstack zumindest teilweise zu kühlen, wobei das Kühlmittel in dem Kühlmittelbehälter verbleibt.Further the invention includes the technical teaching that at a cooling method for at least partial cooling a fuel cell stack of a fuel cell device, comprising the step of storing a cooling-evaporable, liquid coolant in a coolant tank with a wall defining a container interior, it is provided that the step further comprises: contacting at least one region of a part of the to be cooled Fuel cell stacks with the in the coolant tank stockpiled, in a homogeneous, liquid phase located coolant to the fuel cell stack at least partially to cool, with the coolant in the coolant tank remains.

Die Kühlung des zu kühlenden Teils der Brennstoffzellenstacks, insbesondere eines Bereichs einer Bipolarplatte, erfolgt durch in Kontaktbringen des Bereichs mit dem Kühlmittel. Das Kühlmittel wird dabei in einem Kühlmittelbehälter angeordnet. Zur Kühlung wird der Bereich in Verbindung mit dem Kühlmittel gebracht, welches sich zur Kühlung in einer flüssigen Phase befindet. Das flüssige Kühlmittel bedeckt den gesamten zu kühlenden Bereich. Beim Kühlen verdampft das Kühlmittel. Der Kühlmitteldampf wird von dem Bereich als Dampfblase durch das flüssige Kühlmittel wegtransportiert und steigt in einen oberen Teil des Kühlmittelbehälters auf. Der Kühlmittelbehälter ist dicht ausgebildet, so dass weder gasförmiges noch flüssiges Kühlmittel entweichen kann. Beim Kühlen sammelt sich somit in einem oberen Bereich des Kühlmittelbehälters, d. h. im Bereich der Deckelwandung, gasförmiges Kühlmittel, welches einen Druck aufweist. Über diesen Druck lässt sich die Kühlung bzw. die Temperatur des Kühlmittels steuern. Da der gesamte zu kühlende Bereich mit flüssigem Kühlmittel bedeckt ist, entstehen keine störenden Gasfronten und es ist eine hohe Gleichverteilung der Temperatur in dem Kühlmittel realisiert.The Cooling the part of the fuel cell stacks to be cooled, in particular a region of a bipolar plate, is carried out by in Contacting the area with the coolant. The coolant is arranged in a coolant tank. For cooling, the area in connection with the coolant brought, which is for cooling in a liquid Phase is located. Cover the liquid coolant the entire area to be cooled. When cooling the coolant evaporates. The coolant vapor is from the area as a vapor bubble through the liquid Coolant transported away and rises in an upper Part of the coolant tank. The coolant tank is dense, so that neither gaseous nor liquid Coolant can escape. When cooling collects thus in an upper region of the coolant tank, d. H. in the region of the top wall, gaseous coolant, which has a pressure. Leave over this pressure the cooling or the temperature of the coolant Taxes. Since the entire area to be cooled with liquid Coolant is covered, no disturbing Gas fronts and it is a high uniform distribution of temperature implemented in the coolant.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist weiter vorgesehen, dass der Schritt Kontaktieren den Schritt umfasst: Ausbilden des Bereiches als Abschnitt der Wandung, so dass der zu kühlende Teil direkt in einer thermisch leitfähigen Wirkverbindung zu dem Behälterinnenraum steht, und insbesondere in einen direkten Kontakt zu einem, in den Kühlmittelbehälter einfüllbaren Kühlmittel bringbar ist.In a preferred embodiment of the invention is further provided that the step of contacting comprises the step of: forming of the area as a section of the wall, allowing the to be cooled Part directly in a thermally conductive active compound to the container interior, and in particular in a direct contact with one, in the coolant tank fillable coolant can be brought.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass weiter der Schritt umfasst ist: Verändern der Verteilung des Kühlmittels beim Kühlen durch mindestens eine Verteilungseinrichtung, um eine Gleichverteilung des Kühlmittels zu realisieren. Die Gleichverteilung bewirkt eine optimierte Kühlung des zu kühlenden Bereichs, beispielsweise der Bipolarplatte. Die Verteilung kann zum Beispiel dahingehend verändert werden, dass warmes Kühlmittel, welches naturgemäß nach oben steigt, zum Beispiel umgelenkt wird, zum Beispiel seitlich oder nach unten. Dadurch erfolgt eine Vermischung des Kühlmittels und somit treten geringere Wärmeunterschiede in dem Kühlmittel auf.In a further embodiment of the invention Method is provided that further comprises the step: Changing the distribution of the coolant when Cooling by at least one distribution device to to realize a uniform distribution of the coolant. The Uniform distribution causes optimized cooling of the cooling area, for example the bipolar plate. The distribution can be changed, for example, that warm Coolant, which naturally upward rises, for example, is deflected, for example laterally or downward. This results in a mixing of the coolant and thus lower heat differences occur in the coolant.

In noch einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass weiter der Schritt umfasst ist: Heizen des Kühlmittels durch eine Heizvorrichtung. Wie bereits zuvor im Zusammenhang mit der Vorrichtung ausgeführt, kann es erforderlich sein, den Stack und/oder das Kühlmittel aufzuheizen, insbesondere in der Startphase des Betriebs einer Brennstoffzelle. Dies kann auf einfache Weise mittels einer Heizvorrichtung realisiert werden.In Yet another embodiment is provided that further comprising the step of: heating the coolant through a heater. As previously related to running the device, it may be necessary to to heat the stack and / or the coolant, in particular in the starting phase of the operation of a fuel cell. This can be up be realized in a simple manner by means of a heater.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass weiter der Schritt umfasst ist: geregeltes Leiten von Kühlmittel in den und aus dem Kühlmittelbehälter. Auf diese Weise kann über Zu- und Abführung von Kühlmittel, sei es im gasförmigen Zustand oder im flüssigen Zustand eine optimale Kühlung gewährleistet werden. Die Regelung kann über einen Regler mit einer entsprechenden Steuerung realisiert werden. Über den Dampfdruck in dem Kühlmittelbehälter lässt sich beispielsweise die Temperatur des Kühlmittels steuern. Der Druck kann über einen Sensor erfasst werden und entsprechend in der Regeleinrichtung verwertet werden, so dass entsprechende Steuersignale zum Zu- und/oder Abführen von Kühlmittel generiert werden können und die Zu- und/oder Abführung über die Steuerung gesteuert werden kann.A Another embodiment of the invention provides that further the step comprises: regulated passing of coolant in and out of the coolant tank. To this Way can about supply and discharge of coolant, be it in the gaseous state or in the liquid state Condition to ensure optimal cooling. The control can be controlled by a controller with a corresponding Control be realized. About the vapor pressure in the Coolant tank can be, for example, the Control the temperature of the coolant. The pressure can over a sensor are detected and corresponding in the control device be recycled, so that appropriate control signals to Zu- and / or Leakage of coolant can be generated and the supply and / or discharge via the controller can be controlled.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann deshalb der Schritt umfasst sein: Regeln einer konstanten Temperatur des flüssigen Kühlmittels in dem Kühlmittelbehälter durch eine Reglereinheit, wobei das Regeln den Schritt umfasst, Steuern der Temperatur des flüssigen Kühlmittels über den in dem Kühlmittelbehälter vorliegenden Druck des beim Kühlen verdampften, gasförmigen Kühlmittels durch eine Steuereinheit. Diese Art der Regelung bzw. Steuerung ermöglicht eine einfach zu realisierende Kühlung des Brennstoffzellenstacks.In one embodiment of the invention therefore, the step comprises: controlling a constant temperature of the liquid coolant in the coolant tank by a regulator unit, wherein the controlling comprises the step of controlling the temperature of the liquid coolant above the pressure of the gaseous coolant evaporated in the coolant through the control unit in the coolant tank , This type of control or control allows an easy-to-implement cooling of the fuel cell stack.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht die folgende, ein Kühlmittel umfassend Lösung vor: Bei einer Kühlvorrichtung zur zumindest teilweisen Kühlung eines Brennstoffzellenstacks einer Brennstoffzelleneinrichtung, umfassend: ein Kühlmittel, welches beim Kontaktieren mit einem zu kühlenden Teil des Brennstoffzellenstacks von einer flüssigen Phase in eine gasförmige Phase übergehen kann, einen dichten Kühlmittelbehälter zur abgedichteten Bevorratung des Kühlmittels und eine Reglereinheit zum Regeln einer konstanten Temperatur des Kühlmittels in dem Kühlmittelbehälter, wobei die Reglereinheit eine Steuereinheit zum Steuern der Temperatur des Kühlmittels über den in dem Kühlmittelbehälter vorliegenden Druck des beim Kühlen verdampften Kühlmittels aufweist, kann vorgesehen sein, dass mindestens der Teil des zu kühlenden Bauteils des Brennstoffzellenstacks in dem Kühlmittelbehälter angeordnet ist, so dass der Teil direkt in Kontakt zu dem in dem Kühlmittelbehälter bevorrateten Kühlmittel bringbar ist, um den Brennstoffzellenstack zumindest teilweise direkt zu kühlen.A Embodiment of the invention provides the following, a coolant comprising solution before: At a cooling device for at least partially cooling a fuel cell stack a fuel cell device, comprising: a coolant, which when contacting with a part of the fuel cell stack to be cooled from a liquid phase into a gaseous phase can, a sealed coolant tank to the sealed Storage of the coolant and a regulator unit for Controlling a constant temperature of the coolant in the Coolant tank, wherein the regulator unit a Control unit for controlling the temperature of the coolant via the pressure present in the coolant tank of the refrigerant evaporated during cooling, can be provided that at least the part of the to be cooled Component of the fuel cell stack in the coolant tank is arranged so that the part directly in contact with that in the Coolant containers stored coolant brought is at least partially directly to the fuel cell stack cool.

Darüber hinaus schließt die vorliegende Erfindung die technische Lehre ein, dass bei einer Brennstoffzellenstack einer Brennstoffzelleneinrichtung, vorgesehen ist, dass der Brennstoffzellenstack mindestens eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung oder ein erfindungsgemäßes Kühlverfahren verwendet.About that In addition, the present invention includes the technical Teach that in a fuel cell stack of a fuel cell device, it is provided that the fuel cell stack at least one inventive Cooling device or an inventive Cooling method used.

Nicht zuletzt schließt die vorliegende Erfindung die technische Lehre ein, dass bei einer Brennstoffzelleneinrichtung vorgesehen ist, dass die Brennstoffzelleneinrichtung einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstack verwendet.Not Finally, the present invention includes the technical Teach a that provided in a fuel cell device is that the fuel cell device according to the invention Fuel cell stack used.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, welches in den Figuren schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiven Einzelheiten, räumlichen Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:Further the invention improving measures are in the dependent claims indicated or derived from the following description of a Embodiment of the invention, which in the figures is shown schematically. All from the claims, the description or drawings resulting features and / or Advantages, including design details, spatial Arrangements and method steps, both for be essential to the invention as well as in a variety of combinations. Show it:

1 schematisch einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, 1 1 is a schematic cross-section through a first embodiment of a cooling device according to the invention;

2 schematisch einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung, 2 FIG. 2 shows a schematic cross section through a second embodiment of a cooling device according to the invention, FIG.

3 schematisch einen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung und 3 schematically a cross section through a third embodiment of a cooling device according to the invention and

4 schematisch einen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. 4 schematically a cross section through a fourth embodiment of a cooling device according to the invention.

1 zeigt in einem Querschnitt eine Kühlvorrichtung 1 für einen Brennstoffzellenstack 2 (nur teilweise dargestellt) einer Brennstoffzelleneinrichtung (hier nicht weiter dargestellt). Der hier nur teilweise dargestellte Brennstoffzellenstack 2 umfasst mehrere benachbarte Brennstoffzellen 3, von denen hier ansatzweise zwei dargestellt sind. Von den Brennstoffzellen 3 ist jeweils ein Elektrolyt 4, eine Bipolarplatte 5 und eine zwischen Elektrolyt 4 und Bipolarplatte 5 sandwichartig angeordnete Gasdiffusionslage 6 dargestellt. Um die Bipolarplatte 5 bei Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung hinsichtlich ihrer Temperatur zu regeln, so dass eine effiziente und optimale Funktion gewährleistet wird, ist erfindungsgemäß die Kühlvorrichtung 1 vorgesehen. Über diese Kühlvorrichtung 1 lässt sich die beim Betrieb erwärmte Bipolarplatte 5 auf eine gewünschte Temperatur abkühlen. 1 shows in a cross section a cooling device 1 for a fuel cell stack 2 (only partially shown) of a fuel cell device (not shown here). The fuel cell stack shown here only partially 2 includes several adjacent fuel cells 3 , of which two are shown here. From the fuel cells 3 is each an electrolyte 4 , a bipolar plate 5 and one between electrolyte 4 and bipolar plate 5 sandwiched gas diffusion layer 6 shown. To the bipolar plate 5 When operating the fuel cell device to regulate with respect to its temperature, so that an efficient and optimal function is ensured, according to the invention, the cooling device 1 intended. About this cooler 1 can be heated during operation bipolar plate 5 Cool to a desired temperature.

Die Kühlvorrichtung 1 umfasst in der gemäß 1 dargestellten Ausführungsform einen Kühlmittelbehälter 7, der eine Wandung 8 und einen (Kühlmittel-)Behälterinnenraum 9 aufweist. In dem Kühlmittelraum 9 ist ein Kühlmittel 10 eingefüllt. Das Kühlmittel 10 liegt in dem Kühlmittelraum 9 sowohl in einer flüssigen Phase 10a als auch in einer gasförmigen Phase 10b vor. Der Behälterinnenraum 9 ist abgedichtet, so dass das Kühlmittel 10 nicht ungewollt und/oder ungesteuert entweichen kann. Weiter umfasst die Kühlvorrichtung 1 eine Reglereinheit 11, welche das Kühlmittel 10 auf einer im Wesentlichen konstanten oder vorbestimmten Temperatur hält. Hierzu weist die dargestellte Reglereinheit 11 eine Steuereinheit 12 auf, welche die Temperatur des Kühlmittels 10 im Wesentlichen über den in dem Kühlmittelraum 9 vorliegenden Druck des gasförmigen Kühlmittels 10b steuert, und welche bei Bedarf Kühlmittel 10 dem Kühlmittelbehälter 7 zuführt bzw. von diesem abführt. Hierzu weist die Kühlvorrichtung 1 zumindest eine Zuleitung 13 und eine Ableitung 14 auf. Die Zuleitung 13 ist mit einem Reservoir (hier nicht dargestellt) verbunden, in welchem Kühlmittel 10, insbesondere flüssiges Kühlmittel 10a, bevorratet ist. Über eine Fördereinrichtung, zum Beispiel eine Förderpumpe, wird bei Bedarf flüssiges Kühlmittel 10a dem Kühlmittelbehälter 7 zugeführt. Die Ableitung 14 ist entweder mit der Umgebung verbunden, so dass gasförmiges Kühlmittel 10b an die Umgebung abgegeben werden kann, oder mit einem Reformer (hier nicht dargestellt) verbunden, so dass der entweichende Dampf (gasförmiges Kühlmittel 10b) wieder aufbereitet, dem Kühlmittelraum 9 wieder zugeführt (Reformierung) und genutzt werden kann. Hierzu kann die Ableitung 14 auch einen Kreislauf umfassen, über den bei Bedarf Dampf in den Kühlmittelbehälter 7 zurückgeführt werden kann.The cooling device 1 includes in the according 1 illustrated embodiment, a coolant tank 7 that a wall 8th and a (coolant) container interior 9 having. In the coolant room 9 is a coolant 10 filled. The coolant 10 lies in the coolant space 9 both in a liquid phase 10a as well as in a gaseous phase 10b in front. The container interior 9 is sealed, so the coolant 10 can not escape unintentionally and / or uncontrolled. Furthermore, the cooling device comprises 1 a regulator unit 11 which the coolant 10 at a substantially constant or predetermined temperature. For this purpose, the illustrated control unit 11 a control unit 12 on which the temperature of the coolant 10 essentially over the in the coolant space 9 present pressure of the gaseous coolant 10b controls, and which, if necessary, coolant 10 the coolant tank 7 feeds or dissipates from this. For this purpose, the cooling device 1 at least one supply line 13 and a derivative 14 on. The supply line 13 is connected to a reservoir (not shown here), in which coolant 10 , in particular liquid coolant 10a , is stored. About a conveyor, for example a Feed pump, if necessary, liquid coolant 10a the coolant tank 7 fed. The derivative 14 is either connected to the environment, so that gaseous coolant 10b can be discharged to the environment, or connected to a reformer (not shown here), so that the escaping vapor (gaseous refrigerant 10b ) recycled, the coolant space 9 fed again (reforming) and can be used. For this purpose, the derivative 14 Also include a cycle, on the steam when needed in the coolant tank 7 can be returned.

Um die Temperatur des Kühlmittels 10 zu steuern, weist die Steuereinheit 12 einen Sensor 15 auf. Der Sensor 15 ist hier als Levelsensor ausgebildet, der einen Füllstand des Kühlmittels 10 in dem Kühlmittelbehälter 7 erfasst. Abhängig von dem erfassten Füllstand wird Kühlmittel 10 dem Kühlmittelbehälter 7 zu oder abgeführt.To the temperature of the coolant 10 to control, the control unit instructs 12 a sensor 15 on. The sensor 15 is designed here as a level sensor, which has a level of the coolant 10 in the coolant tank 7 detected. Depending on the detected level becomes coolant 10 the coolant tank 7 to or removed.

Weiter umfasst die Steuereinheit 12 einen Druckregler 16 sowie ein Ventil 17, um den Druck in dem Kühlmittelbehälter 7 zu steuern. Der Druckregler 16 und das Ventil 17 sind vorliegend in die Ableitung 14 integriert. Ebenfalls ist ein Drucksensor 18 in die Ableitung 14, genauer in einen Regelkreis der Ableitung 14 integriert.Further, the control unit includes 12 a pressure regulator 16 as well as a valve 17 to the pressure in the coolant tank 7 to control. The pressure regulator 16 and the valve 17 are present in the derivation 14 integrated. Also is a pressure sensor 18 into the derivative 14 , more precisely in a control loop of the derivative 14 integrated.

Die Kühlung der Bipolarplatte 5 wird wie folgt durchgeführt.The cooling of the bipolar plate 5 is performed as follows.

Zumindest ein Teil der Bipolarplatte 5, hier eine Seite 5a der Bipolarplatte 5, wird in Kontakt mit dem Kühlmittel 10 gebracht, insbesondere mit dem flüssigen Kühlmittel 10a. Auf diese Weise steht die Bipolarplatte 5 zumindest teilsweise in direkter, wärmeübertragender oder thermisch leitender Wirkverbindung mit dem Kühlmittel 10 (10a). Hierzu kann die Seite 5a der Bipolarplatte 5, welche ohne ein Flowfield ausgebildet sein kann, als ein Teil der Wandung 8 des Kühlmittelbehälters 7 ausgebildet sein. Ebenso kann die Bipolarplatte 5 zumindest teilweise oder auch komplett in dem Kühlmittelbehälter 7 angeordnet sein.At least part of the bipolar plate 5 , here a page 5a the bipolar plate 5 , will be in contact with the coolant 10 brought, in particular with the liquid coolant 10a , This is how the bipolar plate stands 5 at least partially in direct, heat-transferring or thermally conductive operative connection with the coolant 10 ( 10a ). This can be the page 5a the bipolar plate 5 , which may be formed without a flowfield, as a part of the wall 8th of the coolant tank 7 be educated. Likewise, the bipolar plate 5 at least partially or completely in the coolant tank 7 be arranged.

Im Betrieb erwärmt sich die Bipolarplatte 5. Das Kühlmittel 10a, welches sich auf einem niedrigeren Temperaturniveau als die Bipolarplatte 5 befindet, verdampft an der Seite 5a der Bipolarplatte 5, mit welcher das Kühlmittel 10a in Kontakt steht, und kühlt so die Bipolarplatte 5. Das verdampfende Kühlmittel 10b wird als Dampfblase durch das flüssige Kühlmittel 10a nach oben geleitet, d. h. entgegen der Wirkungsrichtung eines Gravitationsfeldes und sammelt sich in einem oberen Bereich des Kühlmittelbehälters 7 an einer Deckelwandung, d. h. einem oberen Bereich der Wandung 8. Die Seite 5a der Bipolarplatte 5 bleibt weiterhin mit dem flüssigen Kühlmittel 10a in Kontakt, wobei sich der Kühlvorgang durch die Verdampfung von Kühlmittel 10a ständig wiederholt. Dabei ist ein Kühlmittelfüllstand so zu regeln, dass für die Dauer der Kühlung die Seite 5a der Bipolarplatte 5 in dem zu kühlenden Bereich in Kontakt mit dem flüssigen Kühlmittel 10a verbleibt. Über den Gasdruck, der im oberen Bereich des Kühlmittelbehälters 7 anliegt, kann die Kühlung geregelt werden.During operation, the bipolar plate heats up 5 , The coolant 10a which is at a lower temperature level than the bipolar plate 5 is located, evaporates on the side 5a the bipolar plate 5 with which the coolant 10a is in contact, thus cooling the bipolar plate 5 , The evaporating coolant 10b is called a vapor bubble by the liquid coolant 10a directed upward, ie opposite to the direction of action of a gravitational field and collects in an upper region of the coolant tank 7 on a cover wall, ie an upper area of the wall 8th , The page 5a the bipolar plate 5 Remains with the liquid coolant 10a in contact, whereby the cooling process by the evaporation of coolant 10a constantly repeated. In this case, a coolant level is to be regulated so that for the duration of the cooling side 5a the bipolar plate 5 in the area to be cooled in contact with the liquid coolant 10a remains. About the gas pressure in the upper area of the coolant tank 7 is applied, the cooling can be regulated.

In 2 ist schematisch in einer weiteren Ausführungsform eine Verteilungseinrichtung 19 in dem Kühlmittelbehälter 7 angeordnet. Im Übrigen ist die Kühlvorrichtung 1' aufgebaut, wie die Kühlvorrichtung 1 in 1. Für gleiche oder ähnliche Bauteile oder Merkmale werden durchweg durch die Figur gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet. Eine ausführliche Beschreibung bereits beschriebener Bauteile kann somit entfallen. Die Verteilungseinrichtung 19 ist in dem Behälterinnenraum 9 so angeordnet, dass diese eine Gleichverteilung des flüssigen Kühlmittels 10a hinsichtlich der Temperatur bewirkt. Mit anderen Worten bewirkt die Verteilungseinrichtung 19, dass keine oder nur geringe Temperaturgradienten in dem flüssigen Kühlmittel 10a vorhanden sind. Durch die Verteilungseinrichtung 19 wird eine Ungleichverteilung, wie sie durch die aufsteigenden Blasen gasförmigen Kühlmittels 10b bewirkt werden können, weitestgehend ausgeglichen, so dass das Kühlmittel 10a über die gesamte Seite 5a der Bipolarplatte 5 eine etwa gleiche Temperatur aufweist. Die Verteilungseinrichtung 19 ist vorliegend als Rohr bzw. als Spaltblech ausgebildet und etwa in der Mitte des Kühlmittelbehälters 7, welcher auch als Kühlmittelkanal ausgebildet sein kann, angeordnet. Durch oder entlang der Verteilungseinrichtung 19 kann nun wärmeres Flüssigkühlwasser (10a) nach unten in Richtung eines unteren Kühlmittelbehälterbereichs strömen (wie durch die Pfeile bei S dargestellt). Durch eine geeignete Materialauswahl für die Verteilungseinrichtung 19 lässt sich eine optimierte Anpassung hinsichtlich einer erforderlichen Vorwärmung für das „Nach-unten-Strömen" realisieren. So lassen sich für die Verteilungseinrichtung 19 Kunststoffe wie PTFE für eine geforderte geringere Erwärmung verwenden und zum Beispiel metallische Werkstoffe für eine geforderte höhere Erwärmung. Die Verteilungseinrichtung 19 kann für eine optimierte Gleichverteilung des flüssigen Kühlmittels 10a seitliche Durchbrüche aufweisen (hier nicht dargestellt), aus welchen das nach unten transportierte flüssige Kühlmittel 10a entweichen kann. Das austretende Kühlmittel 10a kann daraufhin verdampfen, wodurch das Kühlmittel 10 gleichmäßiger über eine Brennstoffzellenstackhöhe verteilt wird. Die Verteilungseinrichtung 19 kann auch durch Anpassung der Wandungsstärke, der Wandungsform, insbesondere zwischen dem Behälterinnenraum 9 und einem Reaktionsraum 20, realisiert werden. Die entsprechenden Abschnitte der Wandung 8 können zum Beispiel dicker oder dickengradiert ausgebildet sein. Zudem können Spaltbreiten geeignet angepasst werden in Abhängigkeit von einem Temperaturbereich der eingesetzten MEA-Konfiguration.In 2 is schematically in a further embodiment a distribution device 19 in the coolant tank 7 arranged. Incidentally, the cooling device 1' built, like the cooler 1 in 1 , For identical or similar components or features, the same or similar reference numerals are used throughout the figure. A detailed description of already described components can thus be omitted. The distribution facility 19 is in the container interior 9 arranged so that this an even distribution of the liquid coolant 10a in terms of temperature causes. In other words, the distribution device causes 19 in that no or only slight temperature gradients in the liquid coolant 10a available. Through the distribution facility 19 is an unequal distribution, as evidenced by the rising bubbles of gaseous coolant 10b can be effected, as far as possible balanced, so that the coolant 10a over the entire page 5a the bipolar plate 5 has an approximately same temperature. The distribution facility 19 is presently designed as a tube or as a gap plate and approximately in the middle of the coolant tank 7 , which may also be formed as a coolant channel arranged. Through or along the distribution device 19 can now warmer liquid cooling water ( 10a ) flow down toward a lower coolant tank area (as indicated by the arrows at S). By a suitable material selection for the distribution device 19 For example, it is possible to realize an optimized adaptation with regard to a required preheating for the "downward flow" 19 Use plastics such as PTFE for a required lower heating and, for example, metallic materials for a required higher heating. The distribution facility 19 can for an optimized uniform distribution of the liquid coolant 10a have lateral openings (not shown here), from which the downwardly transported liquid coolant 10a can escape. The escaping coolant 10a can then evaporate, causing the coolant 10 is more evenly distributed over a fuel cell stack height. The distribution facility 19 can also by adjusting the wall thickness, the wall shape, in particular between the container interior 9 and a reaction space 20 , will be realized. The corresponding sections of the wall 8th For example, they may be made thicker or thicker. In addition, gap widths can be suitably adjusted depending on a temperature range of the MEA configuration used.

3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1'', wobei die Ausführungsform in 3 sich von der in 2 gezeigten nur durch die Ausbildung der Verteilungseinrichtung 19 bzw. 19' unterscheidet. Die Verteilungseinrichtung 19' ist als poröses Material ausgebildet, welches den Behälterinnenraum 9 im Bereich der Bipolarplatten 5 im Wesentlichen ausfüllt. Das heißt zwischen benachbarten Bipolarplatten 5 ist der in den beiden vorherigen Ausführungsbeispielen mit flüssigem Kühlmittel 10a gefüllte Zwischenraum durch ein poröses Material ersetzt, in welchem flüssiges Kühlmittel 10a aufgenommen ist. Die Verteilungseinrichtung 19' kann entsprechend aus einem Metallschaum, als Drahtgestrick oder auch als Kohlenstoffmaterial ausgebildet sein. Insbesondere kann die Verteilungseinrichtung 1' aus dem gleichen Material wie die Bipolarplatte 5 ausgebildet sein, ist vorzugsweise jedoch in einer porösen, Kühlmittel aufnehmenden Weise ausgebildet. So lassen sich die Bipolarplatte 5 und die Verteilungseinrichtung 19' beispielsweise aus Kohlenstoffmaterial ausbilden, einmal in gepresster Form (Bipolarplatte 5), einmal in poröser Form (Verteilungseinrichtung 19'). Die Verteilungseinrichtung 19' benetzt die entsprechende, zu kühlende Seite 5a der Bipolarplatte 5 mit flüssigem Kühlmittel 10a und transportiert gasförmiges Kühlmittel 10b in den oberen Bereich des Kühlmittelbehälters 7. Das poröse Material ist in das flüssige Kühlmittel 10a eingetaucht und ist in dessen oberen Bereich mit flüssigem Kühlmittel 10a bedeckt, so dass die Regelung der Kühlung wie in den beiden vorherigen Ausführungsformen erfolgen kann. 3 shows a third embodiment of a cooling device according to the invention 1'' , wherein the embodiment in 3 away from the in 2 shown only by the formation of the distribution device 19 respectively. 19 ' different. The distribution facility 19 ' is formed as a porous material, which the container interior 9 in the field of bipolar plates 5 essentially completes. That means between adjacent bipolar plates 5 is the in the two previous embodiments with liquid coolant 10a filled space replaced by a porous material, in which liquid coolant 10a is included. The distribution facility 19 ' may be formed accordingly from a metal foam, as a knitted wire or as a carbon material. In particular, the distribution device 1' from the same material as the bipolar plate 5 be formed, however, is preferably formed in a porous, coolant receiving manner. This is how the bipolar plate can be 5 and the distribution facility 19 ' For example, form of carbon material, once in a pressed form (bipolar plate 5 ), once in porous form (distribution device 19 ' ). The distribution facility 19 ' wets the corresponding side to be cooled 5a the bipolar plate 5 with liquid coolant 10a and transports gaseous coolant 10b in the upper area of the coolant tank 7 , The porous material is in the liquid coolant 10a immersed and is in its upper area with liquid coolant 10a covered, so that the control of the cooling can be done as in the two previous embodiments.

4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 1''', wobei die Kühlvorrichtung 1''' eine Heizvorrichtung 21 aufweist. Das vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel lediglich durch die Heizvorrichtung 21 und die Ausbildung des unteren Bereichs des Kühlmittelbehälters 7, in welchem die Heizvorrichtung 21 angeordnet ist. Die Heizvorrichtung 21 ist beispielsweise als Heizwendel ausgebildet und ist in dem auch als Kühlmittelsumpf 22 oder Bodenwandung benannten Bereich des Kühlmittelbehälters 7 angeordnet. Für den Start der Brennstoffzelle ist es in manchen Fällen erforderlich, den Brennstoffzellenstack 2 aufzuheizen, bevor Luft und Brennstoff (wie z. B. Wasserstoff) der Brennstoffzelleneinrichtung bzw. dem Brennstoffzellenstack 2 zugeführt werden. Dies kann über die Heizvorrichtung 21 auf einfache Weise erfolgen. Die Heizvorrichtung 21 kann in einer weiteren Ausgestaltung mit der Kühlvorrichtung 1', 1'' gemäß 2 bzw. 3 kombiniert sein. 4 shows a fourth embodiment of a cooling device according to the invention 1''' , wherein the cooling device 1''' a heater 21 having. The fourth embodiment differs from the first embodiment only by the heater 21 and the formation of the lower portion of the coolant tank 7 in which the heating device 21 is arranged. The heater 21 is designed, for example, as a heating coil and is also in the coolant sump 22 or bottom wall designated area of the coolant tank 7 arranged. For the start of the fuel cell, it is necessary in some cases, the fuel cell stack 2 before air and fuel (such as hydrogen) of the fuel cell device or the fuel cell stack 2 be supplied. This can be done via the heater 21 done in a simple way. The heater 21 can in a further embodiment with the cooling device 1' . 1'' according to 2 respectively. 3 be combined.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6866955 B2 [0003]

Claims

Cooling device ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) for at least partially cooling a fuel cell stack ( 2 ) of a fuel cell device, comprising a coolant container ( 7 ) with a container interior ( 9 ) defining wall ( 8th ), for storing a cooling-evaporable coolant ( 10 ), characterized in that at least one region of a part of the fuel cell stack to be cooled ( 2 ) as a section of the wall ( 8th ) is formed, which in thermally conductive operative connection with the container interior ( 9 ) to the fuel cell stack ( 2 ) at least partially with a coolant in a homogeneous, liquid phase ( 10a ) to cool directly.

Cooling device ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) according to claim 1, characterized in that in the coolant container ( 7 ) at least one distribution device ( 19 . 19 ' ) for changing a distribution of the in the coolant container ( 7 ) injectable coolant ( 10 ) is formed to an even distribution of the coolant ( 10 ) to realize.

Cooling device ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) according to claim 1 or 2, characterized in that the distribution device ( 19 ) is designed as a flow device, which determines the flow of the injectable coolant ( 10 ) within the coolant tank ( 7 ).

Cooling device ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) according to claim 3, characterized in that the flow device is designed as at least one guide element, such as a guide tube or a guide plate, in order to reduce the flow of the fluid into the coolant container ( 7 ) injectable coolant ( 10 ) to direct.

Cooling device ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) according to one of the preceding claims 2 to 4, characterized in that the distribution device ( 19 ) Has breakthroughs to an even distribution of the coolant ( 10 ) to realize.

Cooling device ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) according to one of the preceding claims 2 to 5, characterized in that the distribution device ( 19 . 19 ' ) comprises a material which, because of its properties such as temperature, shape and the like, is capable of realizing a distribution of the refrigerant which is different from the distribution of the refrigerant (without the distribution means.

Cooling device ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) according to one of the preceding claims 2 to 6, characterized in that the distribution device ( 19 ' ) comprises a porous material to ensure uniform distribution of the coolant ( 10 ) in the coolant container ( 7 ) to realize.

Cooling device ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) according to one of the preceding claims 1 to 7, characterized in that a wall thickness of a wall ( 8th ) of the coolant tank ( 7 ) is designed to vary to an even distribution of the coolant ( 10 ) to realize.

Cooling device ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) according to one of the preceding claims 1 to 8, characterized in that in the coolant container ( 7 ) a heating device ( 21 ) is arranged.

Cooling device ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that further comprises a sealable conduit means for the controlled conduction of coolant ( 10 ) in and out of the coolant reservoir ( 7 ) is provided.

Cooling device ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the cooling device ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) a controller unit ( 11 ) for controlling a constant temperature of the coolant ( 10 ) in the coolant container ( 7 ), wherein the controller unit ( 11 ) a control unit ( 12 ) for controlling the temperature of the coolant ( 10 ) over the in the coolant tank ( 7 ) present pressure of the coolant evaporated during cooling ( 10b ) having.

Cooling device ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) according to one of the preceding claims 1 to 11, characterized in that the coolant container ( 7 ) for a coolant ( 10 ), which on contact with a part of the fuel cell stack to be cooled ( 2 ) can change from a liquid phase into a gaseous phase, is formed.

Cooling method for at least partially cooling a fuel cell stack ( 2 ) of a fuel cell device, comprising the step of storing a cooling-evaporable liquid coolant ( 10 ) in a coolant container ( 7 ) with a container interior ( 9 ) defining wall ( 8th ), characterized in that it further comprises the step of contacting at least one portion of a part to be cooled ( 5 ) of the fuel cell stack ( 2 ) with the in the coolant tank ( 7 stored in a homogeneous, liquid phase coolant ( 7 ) to the fuel cell stack ( 2 ) at least partially cool, the coolant ( 10 ) in the coolant container ( 7 ) remains.

Cooling method according to claim 13, characterized in that the contacting step comprises the step of: forming the region as a section of the wall ( 8th ), so that the part to be cooled ( 5 ) directly in contact with one in the container interior ( 9 ) storable coolant ( 10 ) can be brought.

Cooling method according to claim 13 or 14, characterized in that it further comprises the step of: changing the distribution of the coolant ( 10 ) when cooled by at least one distribution device ( 19 ), to an even distribution of the coolant ( 10 ) to realize.

Cooling method according to one of claims 13 to 15, characterized in that further comprises the step: heating the coolant ( 10 ) by a heating device ( 21 ).

Cooling method according to one of claims 13 to 16, characterized in that it further comprises the step of: controlled passing of coolant ( 10 ) in and out of the coolant reservoir ( 7 ).

Cooling method according to one of claims 13 to 17, characterized in that it further comprises the step of: regulating a constant temperature of the liquid coolant ( 10a ) in the coolant container ( 7 ) by a regulator unit ( 11 ), wherein the regulating comprises the step of controlling the temperature of the liquid coolant ( 10a ) over the in the coolant tank ( 7 ) existing pressure of the cooled during cooling, gaseous refrigerant ( 10b ) by a control unit ( 12 ).

Fuel cell stack ( 2 ) of a fuel cell device, characterized in that the fuel cell stack ( 2 ) at least one cooling device ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) or a method according to any one of the preceding claims.

Fuel cell device, characterized in that the fuel cell device a fuel cell stack ( 2 ) used according to claim 18.