DE10323647B4

DE10323647B4 - Anordnung und Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE10323647B4
Application number: DE10323647A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Bamberger Volker; Dipl.-Ing.(FH) Beckmann Jörg; Dipl.-Ing.(FH) Blank Felix; Dipl.-Ing. Heller Cosmas; Dipl.-Ing.(FH) Schmid Ottmar; Dipl.-Ing. Schudy Markus
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2003-05-26
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2023-05-27
Also published as: DE10323647A1

Abstract

Anordnung zur Kühlung eines Brennstoffzellenstapels (1) aus mehreren in Stapelrichtung (S) gestapelten Brennstoffzellen (2), wobei jede einzelne Brennstoffzelle (2) durch einen Kathodenraum (3) und einen Anodenraum (4) gebildet ist, welche durch eine Ionen leitende Membran (5) voneinander getrennt sind und wobei zwischen benachbarten Brennstoffzellen (2) Kühlplatten (6) angeordnet sind, sowie oberen und unteren Randzellen (8, 9) zum Abschließen des Brennstoffzellenstapels (1), wobei ferner die Stapelrichtung (S) senkrecht auf. der Membran (5) steht und somit auf Flachseiten der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlmittelzuführung (10) in Kühlplatten (6) einer Gruppe (2') von benachbarten Brennstoffzellen (2) in einem mittleren Bereich (11) des Brennstoffzellenstapels (1) entfernt von den Randzellen (8, 9) angeordnet ist und' eine Kühlmittelweiterleitung (12, 13) aus dem mittleren Bereich (11) zu den Randzellen (8, 9) führt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Die Betriebstemperatur der Brennstoffzellen beeinflusst sowohl die Brennstoffzellenreaktion als auch die Elektrolytleitfähigkeit über den Wassergehalt im Elektrolyten. Der Wassergehalt wird durch das Gleichgewicht des Wasserdampfpartialdrucks über den Elektrolyten und die Transportwiderstände der Produktwasserabfuhr bestimmt. Eine inhomogene Temperaturverteilung von Brennstoffzelle zu Brennstoffzelle in einer Brennstoffzellenanordnung, insbesondere in einem Brennstoffzellenstapel, führt somit zu unterschiedlichen Betriebsverhalten der Brennstoffzellen. Bei einer Kühlmittelversorgung, bei der einzelne Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel parallel mit Kühlwasser sowie mit Brennmittel und Oxidationsmittel versorgt werden, ist keine individuelle Temperatureinstellung der Brennstoffzellen möglich, so dass für einen zuverlässigen Betrieb eine möglichst homogene Temperaturverteilung von Brennstoffzelle zu Brennstoffzelle vorliegen sollte.
Aus der Offenlegungsschrift JP 10064575 A ist eine Anordnung zur Kühlung eines Brennstoffzellenstapels bekannt, bei der Kühlwasser parallel zur Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels eingeleitet an Endplatten in dessen Randbereich jeweils umgelenkt wird und in Gegenrichtung strömt.
Aus der gattungsbildenden japanischen Offenlegungsschrift JP 08050906 A ist eine Anordnung zur Kühlung eines Brennstoffzellenstapels bekannt. Der Brennstoffzellenstapel besteht aus Blöcken von jeweils einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die in Stapelrichtung aufeinander folgen. Zwischen den Blöcken sind jeweils Kühlplatten angeordnet. Kühlwasser wird über einen Verteilerkanal parallel in die Kühlplatten geführt, strömt dort senkrecht zur Stapelrichtung und wird über einen Sammelkanal parallel wieder abgeführt, so dass jeder Block des Brennstoffzellenstapels separat gekühlt wird.
Aus der internationalem Anmeldung WO 9618216 A1 geht eine Kühlanordnung für einen Brennstoffzellenstapel hervor, die aus einer mit Kühlstrukturen versehenen Wärmetauscherplatte in der Mitte des Stapels und zwei als Endplatten des Stapels ausgebildeten Wärmetauschern mit Kühlstrukturen besteht. Die mittlere Wärmetauscherplatte wird über einen Zufuhrkanal von der Mitte des Stapels mit Kühlmittel gespeist, die Endplatten werden über entsprechende Zufuhrkanäle am Rande mit Kühlmittel versorgt. Die einzelnen Zufuhrkanäle sind über gemeinsame Versorgungskanäle verbunden, die den gesamten Zellenaufbau durchlaufen.
Die europäische Patentanmeldung EP 1160904 A2 offenbart einen Brennstoffzellenstapel, in dessen Mitte mehrere Kühlzellen einer Gruppe von benachbarten Brennstoffzellen zugeordnet sind. Jede Kühlzelle hat einen eigenen Kühlmittelzufuhrkanal. Alle Kühlzellen sind über zwei senkrecht zu den jeweils eigenen Kühlmittelzufuhrkanälen angeordnete Kühlkanäle miteinander verbunden.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0343679 A1 geht ein Betriebsverfahren eines Brennstoffzellenstapels mit überall in dem Stapel verteilten Kohlenstoffkühlplatten hervor. Die Kühlplatten leiten während des Betriebs Wärme nach außen zu den Kanten des Stapels an Kühlrippen oder Kühler, die an den Seiten des Stapels angebracht sind. Eine Führung oder Leitung von Kühlmittel findet jedoch nicht statt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Kühlung eines Brennstoffzellenstapels weiter zu entwickeln, sowie ein Verfahren dazu anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß der Erfindung ist eine Kühlmittelzuführung in eine Gruppe von benachbarten Brennstoffzellen in einem mittleren Bereich entfernt von Randzellen eines Brennstoffzellenstapels vorgesehen, wobei eine Kühlmittelweiterleitung von dem mittleren Bereich zu den Randzellen führt, die folglich mit vorgewärmten Kühlmittel gekühlt wird. Ein Vorteil hierbei ist, dass eine unerwünscht starke Wärmeabfuhr in den Randzellen ausgeglichen werden kann. Die Leistung des Brennstoffzellenstapels kann erhöht werden, da Leistungseinbrüche, die durch eine zu geringe Temperatur oder eine inhomogene Temperaturverteilung der Randzellen entstehen, vermieden werden können.
In bevorzugter Weiterbildung ist an den oberen und/oder unteren Randzellen eine Drossel zum Drosseln des Kühlmittelflusses vorgesehen. Damit kann eine Verteilung des Kühlmittels zwischen mittlerem Bereich des Brennstoffzellenstapels und den Randzellen individuell und/oder abhängig von Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels eingestellt werden.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung führt eine Kühlmittelleitung von den oberen oder unteren zu den unteren oder oberen Randzellen und mündet in eine gemeinsame Kühlmittelableitung für das Kühlmittel der Randzellen.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind mehrere Gruppen im mittleren Bereich des Brennstoffzellenstapels parallel mit einer Kühlmittelzuführung versehen. Damit kann bei längeren Brennstoffzellenstapeln eine Temperaturverteilung homogenisiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Kühlmittel im Inneren des Brennstoffzellenstapels durch Kühlplatten zwischen den Brennstoffzellen geleitet. Damit wird die Kühlung der Brennstoffzellen in einer Gruppe verbessert.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels werden Randzellen des Brennstoffzellenstapels mit vorgewärmtem Kühlmittel gekühlt, welches wärmer ist als das Kühlmittel am Eingang eines mittleren Bereichs des, Brennstoffzellenstapels. Eine Leistungseinbuße durch Randzellen, deren Temperatur unterhalb eines optimalen Betriebsbereichs liegt, wird weitgehend vermieden.
In einer bevorzugten Weiterbildung wird das Kühlmittel für die Randzellen im mittleren Bereich des Brennstoffzellenstapels erwärmt. Damit wird sichergestellt, dass das Kühlwasser, welches die Randzellen kühlt, mindestens die Temperatur des Kühlwassers am Ausgang des mittleren Bereichs des Brennstoffzellenstapels hat.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.
Dabei zeigen:
1 Den Aufbau einer bevorzugten Brennstoffzellenstapels und
2 eine Verteilung des Kühlmittels innerhalb des Brennstoffzellenstapels.
Die Erfindung ist für Brennstoffzellen geeignet, welche mit einem Kühlmedium gekühlt werden. Besonders bevorzugt sind die Brennstoffzellen so genannte PEM-Brennstoffzellen (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen), die bei relativ niedriger Temperatur arbeiten, es können jedoch auch Hochtemperatur-Brennstoffzellen wie SOFC-Brennstoffzellen (Solid-Oxide-Fuel-Cells), phosphorsaure Brennstoffzellen und dergleichen verwendet werden.
In 1 ist ein bevorzugter Brennstoffzellenstapel 1 dargestellt; Details sind durch eine Explosionszeichnung herausgehoben. In Stapelrichtung S sind eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 2 aneinandergereiht. Jede einzelne Brennstoffzelle 2 ist durch einen Kathodenraum 3 und einen Anodenraum 4 gebildet, welche durch eine Ionen leitende Membran 5 voneinander getrennt sind. Dies ist durch die Explosionszeichnung herausgehoben. Vorzugsweise ist zwischen jeder Brennstoffzelle 2 eine Kühlplatte 6 angeordnet. Die Stapelrichtung steht senkrecht auf der Membran 5 und somit auf Flachseiten der Bennstoffzellen 2. Vorzugsweise ist die Kühlplatte 6 als Bipolarplatte ausgestaltet, welche die unterschiedlichen Polaritäten der benachbarten Brennstoffzellen 2 elektrisch voneinander trennt. Am oberen und unteren Rand des Brennstoffzellenstapels 1 sind obere und untere Randzellen 8, 9 vorgesehen, welche den Brennstoffzellenstapel 1 abschließen. Als Randzellen 8, 9 sind solche Brennstoffzellen zu verstehen, die nahe eines Stapelendes angeordnet sind und die im Gegensatz zu Brennstoffzellen inmitten des Brennstoffzellenstapels 1 deutlich weniger benachbarte Brennstoffzellen haben. Die Randzellen 8, 9 bestehen aus mehreren benachbarten Brennstoffzellen und sind jeweils einer Endplatte mit einer Spanneinrichtung benachbart, welche den Brennstoffzellenstapel 1 mit Druck zusammenpresst, um die Dichtigkeit. der Brennstoffzellen zu gewährleisten und den Brennstoffzellenstapel 1 zusammen zu halten.
2 zeigt schematisch die Verteilung des Kühlmittels in einem bevorzugten Brennstoffzellenstapel 1. Zwischen Endplatten und einer Spanneinrichtung ist eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 2 in Stapelrichtung S angeordnet. Über eine Kühlmittelzuführung 10 in eine Gruppe 2' von benachbarten Brennstoffzellen 2, die in einem mittleren Bereich 11 entfernt von den Randzellen 8, 9 des Brennstoffzellenstapels 1 angeordnet ist, wird Kühlmittel zugeführt. Eine Kühlmittelweiterleitung 12, 13 führt von dem mittleren Bereich 11 zu den Randzellen 8, 9. Eine Kühlmittelleitung 15 führt von den oberen Randzellen 8 zu den unteren Randzellen 9 und mündet in eine gemeinsame Kühlmittelableitung 16 für das Kühlmittel der Randzellen 8, 9. Das Kühlmittel strömt durch die Randzellen 8, 9 im Gegenstrom zu dem Kühlmittel durch die Brennstoffzellen 2 im mittleren Bereich 11.
In einer günstigen Weiterbildung sind mehrere Gruppen 2' im mittleren Bereich 11 des Brennstoffzellenstapels 1 parallel mit einer Kühlmittelzuführung 10 versehen. Dies ist besonders für lange Brennstoffzellenstapel 1 von Vorteil, da das Kühlmedium nur über kurze Bereiche des Brennstoffzellenstapels 1 Wärme aufnimmt.
Vorzugsweise ist an den oberen und/oder unteren Randzellen 8, 9 eine Drossel 14 zum Drosseln des Kühlmittelflusses vorgesehen. Damit lässt sich die Menge des Kühlmittels, welches in Kühlpfade 18, 19 der Randzellen 8, 9 gelangt, einstellen. Eine Menge des Kühlmittelzuflusses zu den Randzellen 8, 9 kann daher bedarfsabhängig eingestellt werden. Ebenso ist es denkbar, dass alternativ oder zusätzlich die Strömungswiderstände in den Randzellen 8, 9 entsprechend auf die Strömungswiderstände der Brennstoffzellen im mittleren Bereich 11 aufeinander abgestimmt werden, so dass durch die Geometrie der entsprechenden Kühlzellen die Verteilung des Kühlmediums im Brennstoffzellenstapel 1 zwischen Randzellen 8, 9 und mittlerem Bereich 11 festgelegt werden kann.
Das Kühlmittel tritt mit der Temperatur T_ein1 in den mittleren Bereich 11 des Brennstoffzellenstapels 1 ein und kühlt die Gruppe 2', welche aus mehreren Brennstoffzellen 2 gebildet ist. Vorzugsweise wird jede Brennstoffzelle 2 durch eine ihr benachbarte Kühlplatte 6 gekühlt.
Das durch die Gruppe 2 im mittleren Bereich 11 erwärmte Kühlmittel wird an einem Ausgang des gekühlten mittleren Bereichs 11 bzw. der Gruppe 2' aufgeteilt, und ein erster Teil gelangt zu den oberen Randzellen 8 und ein zweiter Teil zu den unteren Randzellen 9, in die das Kühlmittel mit einer Temperatur T_ein2 eintritt. Die Temperatur T_ein2 ist höher als die Temperatur T_ein1, so dass die Randzellen 8, 9 mit einem Kühlmittel gekühlt werden, welches wärmer ist als im mittleren Bereich 11. Den Randzellen 8, 9 kann jeweils eine gemeinsame Kühlkammer zugeordnet sein, oder jeder einzelnen Brennstoffzelle der Randzellen 8, 9 kann, wie den Brennstoffzellen 2 im mittleren Bereich 11, eine Kühlplatte 6 benachbart sein.
Am Kühlmittelausgang der unteren Randzellen 9 mündet die Kühlmittelleitung 15 in eine erste gemeinsame Kühlmittelleitung 20, die stromab der Drossel 14 in die gemeinsame Kühlmittelleitung 16 mündet. Ein Teil des Kühlmittels, das aus dem mittleren Bereich 11 zu den Randzellen 8, 9 geleitet wird, kann die Randzellen 8, 9 auch mit einer Umgehungsleitung 7 umgehen, so dass nur eine benötigte Menge Kühlmittel in die Randzellen 8, 9 gelangt und die nicht benötigte Menge über die Drossel 14 in die gemeinsame Kühlmittelleitung 16 gelangt. Es ist möglich, diese Menge mit der Drossel 14 abhängig von Leistungsanforderungen an die Brennstoffzelle oder an Umgebungsbedingungen, etwa beim Kaltstart, einzustellen.
Optional kann vorgesehen sein, Kühlmittel parallel in mehrere Gruppen 2' einzuleiten und das nach dem Durchlaufen der Gruppen 2' erwärmte Kühlmittel zu den oberen und/oder unteren Randzellen 8, 9 zu verzweigen.

Claims

Anordnung zur Kühlung eines Brennstoffzellenstapels (1) aus mehreren in Stapelrichtung (S) gestapelten Brennstoffzellen (2), wobei jede einzelne Brennstoffzelle (2) durch einen Kathodenraum (3) und einen Anodenraum (4) gebildet ist, welche durch eine Ionen leitende Membran (5) voneinander getrennt sind und wobei zwischen benachbarten Brennstoffzellen (2) Kühlplatten (6) angeordnet sind, sowie oberen und unteren Randzellen (8, 9) zum Abschließen des Brennstoffzellenstapels (1), wobei ferner die Stapelrichtung (S) senkrecht auf. der Membran (5) steht und somit auf Flachseiten der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlmittelzuführung (10) in Kühlplatten (6) einer Gruppe (2') von benachbarten Brennstoffzellen (2) in einem mittleren Bereich (11) des Brennstoffzellenstapels (1) entfernt von den Randzellen (8, 9) angeordnet ist und' eine Kühlmittelweiterleitung (12, 13) aus dem mittleren Bereich (11) zu den Randzellen (8, 9) führt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den oberen und/oder unteren Randzellen (8, 9) eine Drossel (14) zum Drosseln des Kühlmittelflusses vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlmittelleitung (15) von den oberen oder den unteren Randzellen (8, 9) zu den unteren oder oberen Randzellen (8, 9) führt und in eine gemeinsame Kühlmittelableitung (16) für das Kühlmittel der Randzellen (8, 9) mündet.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen und unteren Randzellen (8, 9) parallel oder antiparallel vom Kühlmittel durchströmbar sind.
Anordnung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel für die Randzellen (8, 9) im Gegenstrom zu dem Kühlmittel für die Brennstoffzellen (2) im mittleren Bereich (11) geführt ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Gruppen (2') im mittleren Bereich (11) des Brennstoffzellenstapels (1) parallel mit einer Kühlmittelzuführung (10) versehen sind.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel aus den mehreren Gruppen (2') zu den oberen und unteren Randzellen (8, 9) geleitet ist.
Anordnung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel im Inneren des Brennstoffzellenstapels (1) durch Kühlplatten (6) zwischen den Brennstoffzellen (2) geleitet ist.
Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels (1) mittels einer Anordnung nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Randzellen (8, 9) des Brennstoffzellenstapels (1) mit Kühlmittel gekühlt werden, welches wärmer ist als das Kühlmittel in einem mittleren Bereich des Brennstoffzellenstapels (1).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel für den Brennstoffzellenstapel (1) in einem mittleren Bereich des Brennstoffzellenstapels (1) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel für die Randzellen (8, 9) im mittleren Bereich des Brennstoffzellenstapels (1) erwärmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Menge des Kühlmittelzuflusses zu den Randzellen (8, 9) bedarfsabhängig eingestellt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verteilung des Kühlmittelzuflusses zwischen einem mittleren Bereich (11) des Brennstoffzellenstapels (1) und den Randzellen (8, 9) durch einen Strömungswiderstand von Kühlplatten (6) im mittleren Bereich und/oder im Bereich der Randzellen (8, 9) eingestellt wird.