DE10392548T5

DE10392548T5 - Kühlmittel-Strömungsfeldkonstruktion für Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE10392548T5
Application number: DE10392548T
Authority: DE
Inventors: James H. Lee
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-04-24
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2023-04-02
Also published as: JP2005522856A; CN1650458A; CN100539273C; AU2003220641A1; US6924052B2; JP4634790B2; DE10392548B4; WO2003092107A1; US20030203260A1

Abstract

Plattenzusammenbau zum Leiten von Kühlmittel durch eine PEM-Brennstoffzelle, mit:
einer ersten und zweiten Platte, die miteinander verbunden sind, um einen Kühlmittelströmungspfad dazwischen zu definieren, wobei die erste Platte eine erste Fläche mit einem darin ausgebildeten Kühlmittelströmungsfeld besitzt, wobei das Kühlmittelströmungsfeld umfasst:
einen ersten Diffusionsbereich;
einen zweiten Diffusionsbereich;
einen Bereich mit einem ersten Durchflussvolumen, der den ersten und zweiten Diffusionsbereich miteinander verbindet, um eine Fluidverbindung dazwischen vorzusehen; und
einen Bereich mit einem zweiten Durchflussvolumen, der den ersten und zweiten Diffusionsbereich miteinander verbindet, um eine Fluidverbindung dazwischen vorzusehen;
wobei das Volumen an Kühlmittel, das durch den Bereich mit erstem Durchflussvolumen strömt, von dem Volumen an Kühlmittel abweicht, das durch den Bereich mit zweitem Durchflussvolumen strömt, um so eine Abweichung hinsichtlich einer Kühlrate über die erste Platte vorzusehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein PEM-Brennstoffzellen und insbesondere bipolare Platten zum Trennen benachbarter Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel.
Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energie- bzw. Antriebsquelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen, protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die auf einer Seite den Anodenkatalysator und auf der entgegengesetzten Seite den Kathodenkatalysator aufweist. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Elemente oder Platten angeordnet, die (1) Elektronen von der Anode einer Brennstoffzelle an die Kathode der benachbarten Zelle eines Brennstoffzellenstapels leiten, (2) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen umfassen, die darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren ausgebildet sind; und (3) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen umfassen, die darin zur Verteilung von geeignetem Kühlmittel über den Brennstoffzellenstapel ausgebildet sind, um dessen Temperatur zu halten.
Der Begriff "Brennstoffzelle" wird typischerweise dazu verwendet, abhängig vom Kontext entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen ("Stack" bzw. Stapel) zu bezeichnen. Zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels wird typischerweise eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander in elektrischer Reihe gebündelt angeordnet. Jede Zelle in dem Stapel umfasst die vorher beschriebene Membranelektrodenanordnung (MEA), wobei jede derartige MEA ihren Spannungszuwachs liefert. Eine Gruppe benachbarter Zellen in dem Stapel wird als ein "Cluster" bezeichnet. Beispielsweise sind einige typische Anordnungen für mehrere Zellen in einem Stapel in dem U.S.-Patent Nr. 5,663,113 gezeigt und beschrieben.
Bei PEM-Brennstoffzellen stellt Wasserstoff (H₂) den Anodenreaktand (d. h. Brennstoff) dar, und Sauerstoff stellt den Kathodenreaktand (d. h. Oxidationsmittel) dar. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als Luft (eine Mischung aus O₂ und N₂) vorliegen.
Die elektrisch leitenden Platten, die die MEAs schichtartig anordnen, können eine Gruppierung aus Nuten in ihren Seiten umfassen, die ein Reaktandenströmungsfeld bzw. Reaktandengasverteilerfeld zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden (d. h. Wasserstoff und Sauerstoff in der Form von Luft) der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Kathode und Anode definiert. Diese Reaktandenströmungsfelder umfassen allgemein eine Vielzahl von Stegen, die dazwischen eine Vielzahl von Strömungskanälen definieren, durch welche die gasförmigen Reaktanden von einer Versorgungssammelleitung an einem Ende der Strömungskanäle zu einer Austragssammelleitung an dem gegenüberliegenden Ende der Strömungskanäle strömen.
Bei einem Brennstoffzellenstapel werden mehrere Zellen gemeinsam in elektrischer Reihe gestapelt, während sie durch eine für Gas undurchlässige, elektrisch leitende bipolare Platte getrennt sind. In einigen Fällen ist die bipolare Platte ein Zusammenbau, der dadurch gebildet wird, dass ein Paar dünner Metalllagen aneinander befestigt wird, die an ihren außenseitigen Flächen ausgebildete Reaktandenströmungsfelder besitzen. Typischerweise ist zwischen den Metallplatten des Bipolplattenzusammenbaus ein inneres Kühlmittelströmungsfeld vorgesehen. Es ist auch bekannt, eine Abstandshalterplatte zwischen den Metallplatten anzuordnen, um die Wärmeübertragungseigenschaften zur verbesserten Brennstoffzellenkühlung zu optimieren. Verschiedene Beispiele eines Bipolplattenzusammenbaus des in PEM-Brennstoffzellen verwendeten Typs ist in dem U.S.-Patent Nr. 5,766,624 des vorliegenden Anmelders beschrieben.
Typischerweise umfasst das einem Brennstoffzellenstapel zugeordnete Kühlsystem eine Umwälzpumpe zum Umwälzen eines flüssigen Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel hindurch an einen Wärmetauscher, bei dem überflüssige Wärmeenergie, d. h. Abwärme an die Umgebung abgegeben wird. Die thermischen Eigenschaften typischer flüssiger Kühlmittel erfordern, dass ein relativ großes Volumen durch das System umgewälzt werden muss, um ausreichend Abwärme entziehen zu können und damit die Temperatur des Stapels innerhalb eines akzeptablen Bereiches zu halten, insbesondere unter Bedingungen mit Maximalleistung. Zu diesem Zweck ist es erwünscht, über die gesamte Länge jeder Brennstoffzelle eine konstante Betriebstemperatur beizubehalten, um den Betriebswirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels wie auch die Lebensdauer seiner Komponenten zu verbessern. Hierzu besitzen die meisten Bipolplatten bzw. bipolaren Platten (wie auch monopolaren Endplatten) ein Kühlmittelströmungsfeld, das derart ausgebildet ist, dass es eine gleich bleibende Rate einer Kühlmittelströmung über den gesamten Plattenzusam menbau vorsieht, wodurch einige Bereiche der Brennstoffzelle zu stark gekühlt werden, während andere Bereiche zu wenig gekühlt werden. Bevorzugt ist in dem Zentralabschnitt des aktiven Bereiches der Brennstoffzelle eine stärkere Kühlung erforderlich, da an dem Umfang des Stapels eine Strahlungs- wie auch Konvektionswärmeübertragung stattfindet.
Daher ist es in der Industrie erwünscht, einen Mechanismus vorzusehen, der eine gleichförmige vollständige Kühlung über den gesamten Brennstoffzellenstapel hinweg vorsieht. Auf diese Art und Weise kann eine konstante homogene Betriebstemperatur für den Brennstoffzellenstapel erreicht werden, wodurch der Wirkungsgrad wie auch die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels verbessert wird.
Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung einen Plattenzusammenbau vor, um ein Kühlmittel durch eine PEM-Brennstoffzelle zu leiten. Der Plattenzusammenbau umfasst eine Platte mit einer ersten Seite, die ein Reaktandenströmungsfeld definiert, und einer zweiten Seite, die ein Kühlmittelströmungsfeld definiert. Das Kühlmittelströmungsfeld ist in verschiedene getrennte Durchfluss- bzw. Strömungsbereiche unterteilt, die umfassen: einen Eintrittsversorgungsbereich in Fluidverbindung mit einem ersten Diffusionsbereich, einen Austrittsaustragsbereich in Fluidverbindung mit einem zweiten Diffusionsbereich, einen Bereich mit geringem Widerstand, der den ersten und zweiten Diffusionsbereich miteinander verbindet, um eine Fluidverbindung dazwischen vorzusehen, und einen Bereich mit hohem Widerstand, der den ersten und zweiten Diffusionsbereich miteinander verbindet, um eine Fluidverbindung dazwischen vorzusehen. Das Volumen an Kühlmittel, das durch den Bereich mit niedrigem Widerstand strömt, unterscheidet sich von dem Volumen an Kühlmittel, das durch den Bereich mit hohem Widerstand strömt, wo durch eine Abweichung hinsichtlich der Kühlrate über den Plattenzusammenbau vorgesehen wird.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass über den Brennstoffzellenstapel hinweg eine gleichförmige Temperatur erzielt werden kann, wodurch eine Optimierung der Reaktion über den gesamten aktiven Bereich ermöglicht wird, was per Definition den Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels erhöht.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch eine Verringerung der Energiemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels zu steuern, indem die erforderliche Pumpleistung verringert wird, wodurch der Gesamtsystemwirkungsgrad weiter erhöht wie auch die Kosten weiter verringert werden.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch die spezifischen Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine isometrische Explosionsansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels ist;
2 eine isometrische Explosionsansicht einer MEA und eines Bipolplattenzusammenbaus ist, die dem in 1 gezeigten PEM-Brennstoffzellenstapel zugeordnet sind;
3 eine teilweise geschnittene Ansicht des in 1 gezeigten Bipolplattenzusammenbaus ist;
4 eine Schnittansicht eines alternativen Aufbaus für den Bipolplattenzusammenbau ist, der eine zwischen den leitenden Platten angeordnete Separatorplatte aufweist;
5 eine Draufsicht eines elektrisch leitenden, den Bipolplattenzusammenbauten zugeordneten Plattenelements ist, die seine Kühlmittelströmungsfeldkonstruktion zeigt;
6A und 6B vergrößerte teilweise Draufsichten der eingekreisten Abschnitte A und B von 5 sind;
7 und 8 teilweise isometrische Ansichten des in 4 gezeigten Plattenelementes sind; und
9 ein schematisches Schaubild einer bevorzugten Anwendung für den Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung ist.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch zu beschränken.
Vor der weiteren Beschreibung der Erfindung wird ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem erläutert, in dem die Erfindung arbeitet. Genauer zeigt 1 schematisch einen PEM-Brennstoffzellenstapel mit einem Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4 und 6, die voneinander durch einen nicht porösen, elektrisch leitenden, flüssigkeitsgekühlten Bipolplattenzusammenbau 8 getrennt sind. Jede MEA 4 und 6 besitzt eine entsprechende Kathodenseite 4a und 6a und eine Anodenseite 4b und 6b. Die MEAs 4 und 6 wie auch der Bipolplattenzusammenbau 8 sind zwischen nicht porösen, elektrisch leitenden, flüssigkeitsgekühlten monopolaren Endplattenzusammenbauten 14 und 16 aneinander gestapelt. Es sind Klemmplatten 10 und 12 aus Stahl vorgesehen, die den beispielhaften Brennstoffzellenstapel umschließen. An den Klemmplatten 10 und 12 sind Verbinder (nicht gezeigt) befestigt, die positive und negative Anschlüsse für den Brennstoffzellenstapel vorsehen. Der Bipolplattenzusammenbau 8 wie auch die Endplattenzusammenbauten 14 und 16 umfassen entsprechende Strömungsfelder 20, 22, 18 und 24, von denen jedes eine Vielzahl von in deren Seiten ausgebildeten Strömungskanälen umfasst, um Brennstoff- und Oxidationsmittelgase (d. h. H₂ und O₂) an die reaktiven Seiten der MEAs 4 und 6 zu verteilen. Nichtleitende Dichtungen oder Versiegelungen 26, 28, 30 und 32 sehen eine Abdichtung wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Platten des Brennstoffzellenstapels vor.
Wie in 1 ferner gezeigt ist, werden poröse, für Gas durchlässige, elektrisch leitende Lagen 34, 36, 38 und 40 an die Elektrodenseiten der MEAs 4 und 6 gepresst und dienen als Primärstromkollektoren für die Elektroden. Die Primärstromkollektoren 34, 36, 38 und 40 sehen auch mechanische Abstützungen für die MEAs 4 und 6 insbesondere an Orten vor, an denen die MEAs ansonsten in den Strömungsfeldern nicht abgestützt sind. Geeignete Primärstromkollektoren umfassen Kohle- bzw. Graphitpa- Pier, Kohle- bzw. Graphitgewebe, feinmaschige Edelmetallsiebe, offenzellige Edelmetallschäume und dergleichen, die Strom von den Elektroden leiten, während sie zulassen, dass Gas durch diese hindurch gelangen kann.
Die Endplatten 14 und 16 werden an den Primärstromkollektor 34 an der Kathodenseite 4b der MEA 4 und an den Primärstromkollektor 40 an der Anodenseite 6a der MEA 6 gepresst, während der Bipolplattenzusammenbau 8 an den Primärstromkollektor 36 an der Anodenseite 4a der MEA 4 und an den Primärstromkollektor 38 an der Kathodenseite 6b der MEA 6 gepresst wird. Ein Oxidationsmittelgas, wie beispielsweise Sauerstoff oder Luft, wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 46 über eine geeignete Versorgungsinstallation 42 geliefert. Ähnlicherweise wird ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 48 über eine geeignete Versorgungsinstallation 44 geliefert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Sauerstofftank 46 weggelassen werden, so dass Umgebungsluft an die Kathodenseite von der Umgebung geliefert wird. Ähnlicherweise kann der Wasserstofftank 48 weggelassen werden und Wasserstoff an die Anodenseite von einem Reformer geliefert werden, der Wasserstoff katalytisch aus Methanol oder einem flüssigen Kohlenwasserstoff (beispielsweise Benzin) erzeugt. Obwohl nicht gezeigt, ist auch eine Austragsinstallation für sowohl die H₂- als auch O₂/Luft-Seiten der MEAs 4 und 6 vorgesehen, um H₂-abgereichertes Anodengas von dem Anodenreaktandenströmungsfeld und O₂-abgereichertes Kathodengas von dem Kathodenreaktandenströmungsfeld zu entfernen. Es ist eine Kühlmittelversorgungsinstallation 50, 52 und 54 vorgesehen, um ein flüssiges Kühlmittel von einer Einlasssammelleitung (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels an die Kühlmittelströmungsfelder des Bipolplattenzusammenbaus 8 und die Endplatten 14 und 16 zu liefern. Während es nicht gezeigt ist, ist eine Kühlmittelaustragsinstallation vorgesehen, um das erhitzte Kühlmittel, das von dem Bipolplattenzusammenbau 8 und den Endplatten 14 und 16 ausgetragen wird, an eine Austragssammelleitung des Brennstoffzellenstapels zu liefern. Ein Brennstoffzellenkühlsystem ist auf herkömmliche Weise zwischen den Einlass- und Austragssammelleitungen des Stapels verbunden und dient dazu, das flüssige Kühlmittel kontinuierlich umzuwälzen und Abwärme von dem Stapel zur Abgabe an die Umgebung zu entfernen.
Der gezeigte Brennstoffzellenstapel wird mit einem H₂-reichen Reformat ungeachtet des Verfahrens beliefert, mit dem ein solches Reformat hergestellt wird. Es sei zu verstehen, dass die hier ausgeführten Grundsätze auf Brennstoffzellen anwendbar sind, die mit H₂ beliefert werden, der aus einer beliebigen Quelle erhalten wird, wie beispielsweise reformierbaren kohlenwasserstoff- und wasserstoffhaltigen Brennstoffen, wie beispielsweise Methanol, Ethanol, Benzin, Alken oder anderen aliphatischen oder aromatischen Kohlenwasserstoffen, oder Brennstoff, der an Bord gespeichert ist, wie beispielsweise H₂.
2 zeigt eine Explosionsansicht des Bipolplattenzusammenbaus 8, des Primärstromkollektors 38, der MEA 6, wie auch des Primärstromkollektors 40, die in einer gestapelten Beziehung in einer Brennstoffzelle angeordnet sind. Unter dem zweiten Primärstromkollektor 40 (wie in 1 gezeigt ist) würde ein Endplattenzusammenbau 16 liegen, um eine Brennstoffzelle zu bilden. Ein anderer Satz von Primärstromkollektoren 34 und 36, MEA 4 wie auch Endplattenzusammenbau 14 würde über dem Bipolplattenzusammenbau 8 liegen (wie in 1 gezeigt ist), um eine andere Brennstoffzelle zu bilden. Wie detailliert beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung auf eine einmalige, dem Bipolplattenzusammenbau 8 wie auch den Endplattenzusammenbauten 14 und 16 zugeordnete Kühlmittelströmungsfeldkonstruktion gerichtet.
Der Bipolplattenzusammenbau 8 wie auch die Endplattenzusammenbauten 14 und 16 der vorliegenden Erfindung sind flüssigkeitsgekühlt und sehen die Funktionen vor: (1) Trennen benachbarter Brennstoffzellen des PEM-Brennstoffzellenstapels 10, (2) Verteilen von H₂ und Luft/O₂ an die Brennstoffzellen, (3) Leiten von elektrischem Strom zwischen benachbarten Brennstoffzellen des PEM-Brennstoffzellenstapels, und (4) Kühlen des PEM-Brennstoffzellenstapels. Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, umfasst der Bipolplattenzusammenbau 8 eine erste Unterplatte 60 und eine zweite Unterplatte 62, die jeweils aus einer korrosionsbeständigen Metalllage hergestellt sind. Die erste Unterplatte 60 besitzt eine außenseitige Fläche 64, die so geformt ist, dass sie eine Vielzahl von Stegen 66 umfasst, die eine Vielzahl von Nuten oder Strömungskanälen 68 dazwischen definieren, welche ein externes Reaktandenströmungsfeld definieren. Die erste Unterplatte 60 umfasst ferner eine innenseitige Fläche 70 mit einer Vielzahl von Stegen 72, die eine Vielzahl von Nuten oder Strömungskanälen 74 definieren, welche ein internes Kühlmittelströmungsfeld festlegen.
Bevorzugt ist die zweite Unterplatte 62 ein Spiegelbild der ersten Unterplatte 60, so dass ihre außenseitige Fläche 64' Stege 66' umfasst, die eine Serie von Strömungskanälen 68' definieren, die ein externes Reaktandenströmungsfeld festlegen. Eine innenseitige Fläche 70' der zweiten Unterplatte 62 besitzt eine Vielzahl von Stegen 72', die eine Serie von Strömungskanälen 74' definieren, welche ein Kühlmittelströmungsfeld festlegen. Die Unterplatten 60 und 62 werden bevorzugt durch Stanzen, Photoätzen (d. h. durch eine photolithografische Maske) oder einen anderen herkömmlichen Prozess zum Formen von Metalltafeln bzw. Blech geformt. Jedoch ist es für Fachleute offensichtlich, dass andere geeignete Materialien und Herstellprozesse zum Formen der Unterplatten 60 und 62 verwendet werden können. Im Betrieb verteilt beispielsweise das Reaktandenströmungsfeld der ersten Unterplatte 60 H₂ über die Brennstoffzelle, während das Reaktandenströmungsfeld der zweiten Unterplatte 62 Luft/O₂ über die Brennstoffzelle hinweg verteilt. Bevorzugt umfassen die Endplattenzusammenbauten 14 und 16 eine elektrisch leitende Platte mit Reaktanden- und Kühlmittelströmungsfeldern, die im Wesentlichen denjenigen der Unterplatten 60 und 62 ähnlich sind. Somit ist die folgende Beschreibung der Unterplatten 60 und 62 wie auch ihre einmalige Kühlmittelströmungsfeldkonstruktion gleichermaßen auch auf den Aufbau und die Funktion der elektrisch leitenden Platte, die den monopolaren Endplattenzusammenbauten 14 und 16 zugeordnet ist, anwendbar.
Wie in 3 zu sehen ist, liegen die innenseitigen Flächen 70 und 70' der ersten und zweiten Unterplatte 60 und 62 einander gegenüber, so dass Kühlmittelströmungskanäle 74 und 74' zusammenwirken, um Kühlmittelströmungsdurchgänge 78 zu definieren, die ein im Wesentlichen dielektrisches flüssiges Kühlmittel aufnehmen können. Die Unterplatten 60 und 62 sind unter Verwendung eines einer Anzahl von Verbindungsverfahren, die in der Technik bekannt sind, miteinander gekoppelt, die beispielsweise Hartlöten umfassen können. Es ist jedoch auch möglich, dass, während die Unterplatten 60 und 62 direkt miteinander verbunden sein können, sie jeweils mit einer diskreten dazwischen liegenden Metallabstandhalterplatte 80 verbunden sein können, die die Kühlmittelströmungsdurchgänge 78 in Nebendurchgänge 78a und 78b unterteilt. Die Abstandhalterplatte 80 kann mit Durchbrechungen versetzt sein, um eine gewisse begrenzte Überkreuzströmung des Kühlmittels zuzulassen. Diese unterteilte Anordnung ist am besten in 4 zu sehen. Jede der Unterplatten 60 und 62 wie auch die Zwischenplatte 80 können Titan oder dessen Legierungen umfassen, können jedoch auch andere korrosionsbeständige Metalle umfassen, wie z. B. Edelmetalle, rostfreien Stahl, Nickel, Aluminium und Chrom.
Es sei angemerkt, dass das Kühlmittelströmungsfeld für die zweite Unterplatte 62 allgemein eine Serie von Kanälen 74' und Stegen 70' umfasst, die so orientiert sind, dass verschiedene getrennte Bereiche mit variierendem Strömungswiderstand definiert werden. Diese Bereiche, die in 5 in gestrichelten Linien skizziert sind, umfassen einen Versorgungsbereich 82, einen ersten Diffusionsbereich 84, einen zentralen Bereich 86 mit hohem Durchflussvolumen, ein Paar Umfangsbereiche 88A und 88B mit niedrigem Durchflussvolumen, einen zweiten Diffusionsbereich 90 und einen Austragsbereich 92. Der Versorgungsbereich 82 erlaubt eine Kühlmittelströmung in den ersten Diffusionsbereich 84 hinein, der seinerseits die Kühlmittelströmung durch die Bereiche 86 mit hohem Durchflussvolumen und Bereiche 88A und 88B mit niedrigem Durchflussvolumen lenkt. Das durch den Bereich 86 mit hohem Durchflussvolumen und die Bereiche 88A und 88B mit niedrigem Durchflussvolumen strömende Kühlmittel sammelt sich an dem zweiten Diffusionsbereich 90 wieder und wird durch einen Austragsbereich 92 von dem Bipolplattenzusammenbau 8 an die Austragssammelleitung ausgetragen.
Wie in den 6A und 7 am besten zu sehen ist, umfasst der Versorgungsbereich 82 eine Serie gerader, allgemein kurzer Stege 94, die eine Serie paralleler Versorgungsströmungskanäle 96 definieren. Der erste Diffusionsbereich 84 ist durch eine Serie quadratischer Vorsprünge oder Blöcke 98 definiert, die in gleich beabstandeten Kolonnen angeordnet sind, welche mit Eintrittsstegen 94 ausgerichtet sind. Somit definieren die Blöcke 98 eine erste Serie von Diffusorströmungskanälen 100, die in axialer Ausrichtung mit Eintrittsströmungskanälen 96 stehen, und ein zweite Serie von Diffusorströmungskanälen 102, die allgemein rechtwinklig bezüglich der ersten Diffusorströmungskanäle 100 ausgerichtet sind.
In den 5 und 8 ist gezeigt, dass der Austragsbereich 92 in seiner Konstruktion im Wesentlichen ähnlich zu der des Lieferbereiches 82 ist, da er eine Serie gerader, allgemein kurzer Stege 104 umfasst, die eine Serie paralleler Austragsströmungskanäle 106 definieren. Ein zweiter Diffusionsbereich 90 wird durch eine Serie von Blöcken 108 definiert, die in gleich beabstandeten Kolonnen angeordnet sind, welche mit Austragsstegen 104 ausgerichtet sind. Somit definieren die Blöcke 108 eine erste Serie von Kollektorströmungskanälen 110, die sich in axialer Ausrichtung mit Austragsströmungskanälen 106 befinden, und eine zweite Serie von Kollektorströmungskanälen 112, die allgemein rechtwinklig bezüglich der ersten Kollektorströmungskanäle 110 ausgerichtet sind.
Direkt zwischen dem ersten Diffusionsbereich 84 und dem zweiten Diffusionsbereich 90 ist ein Bereich 86 mit hohem Durchfluss angeordnet, der eine Serie langer gerader Stege 114 umfasst, wie am besten in 6B gezeigt ist. Die Stege 114 sind im Allgemeinen mit Eintrittsstegen 94, den Kolonnen der Blöcke 98 und 108 und den Austragsstegen 104 ausgerichtet, um so eine Serie von Strömungskanälen 116 mit großem Volumen zu definieren. Somit wird ein Fluidströmungspfad mit niedrigem Widerstand von den Eintrittskanälen 96 durch die Diffusorströmungskanäle 100, die Strömungskanäle 116 mit hohem Volumen wie auch die Kollektorkanäle 110 zu den Austragskanälen 106 hergestellt.
Es sei angemerkt, dass das Kühlmittel von dem ersten Diffusionsbereich 84 über ein Paar Durchflussbereiche 88A und 88B mit niedrigem Volumen an den zweiten Diffusionsbereich 90 geführt wird. Wie in 7 zu sehen ist, besitzt der Bereich 88A eine Vielzahl von L-förmigen Stegen 118, die eine erste Serie von Strömungskanälen 120 definieren. Jeder Strömungskanal 120 steht in Fluidverbindung mit einem der ersten Diffusorströmungskanäle 100 und umfasst einen Querkanalabschnitt 124 in Fluidverbindung mit einem der zweiten Kollektorströmungskanäle 112. Wie zu sehen ist, sind die ersten Kanalabschnitte 122 allgemein parallel zu den Strömungskanälen 116 angeordnet, während die zweiten Kanalabschnitte 124 allgemein rechtwinklig bezüglich dazu orientiert sind. Zusätzlich besitzt der Bereich 88A eine Vielzahl von C-förmigen Stegen 125, die eine zweite Serie von Strömungskanälen 126 definieren. Jeder Strömungskanal 126 besitzt einen ersten Kanalabschnitt 128 in Fluidverbindung mit einem der zweiten Diffusorkanäle 102 (7), einen zweiten Kanalabschnitt 130 allgemein parallel zu den Kanalabschnitten 122 der Strömungskanäle 120 und einen dritten Kanalabschnitt 132 in Fluidverbindung mit einem der Kollektorkanäle 112 (8). Der Durchflussbereich 88B mit niedrigem Volumen besitzt ähnliche Strömungskanäle 120' und 126', wobei ihre entsprechenden Kanalabschnitte mit den gleichen Bezugszeichen, jedoch jetzt mit Strichindex, bezeichnet sind.
Allgemein besitzt der Bereich 86 mit hohem Durchflussvolumen einen niedrigeren Strömungswiderstand hinsichtlich des Strömungswiderstandes der Bereiche 88A und 88B mit niedrigerem Durchflussvolumen. Grundsätzlich überträgt im Vergleich zu einem Kanal mit einem geringeren Strömungswiderstand ein Kanal mit einem höheren Strömungswiderstand ein geringeres Fluidvolumen durch diesen hindurch. Bezüglich der Kühlung hat das größere Volumen an Kühlmittel, das durch einen Kanal strömt, eine erhöhte Kühlkapazität zur Folge. Somit sieht der Bereich 86 mit höherem Durchflussvolumen im Vergleich zu den Bereichen 88A und 88B mit niedrigem Durchflussvolumen eine verbesserte Kühlkapazität vor.
Im Betrieb tritt das Kühlmittel durch Eintrittskanäle 94 des Versorgungsbereichs 82 in das Kühlmittelströmungsfeld ein und strömt in den ersten Diffusionsbereich 84. Die Geometrie des ersten Diffusionsbereiches 84 (d. h. der Blöcke 98 und rechtwinkligen Strömungskanäle 100 und 102) hat einen hohen Durchflusswiderstand hindurch zur Folge. Aufgrund dessen wird das Kühlmittel durch alle Strömungskanäle der Bereiche mit hohem und niedrigem Durchflussvolumen 86 und 88A, 88B verteilt und durch diese hindurchgeführt. Das Kühlmittel strömt durch die Kanäle der Bereiche 86 und 88A, 88B mit hohem und niedrigem Durchflussvolumen und sammelt sich in dem zweiten Diffusionsbereich 90 zum Austrag durch den Austragsbereich 92.
Das Muster der Kühlmittelströmung kann dadurch geändert werden, dass eine von mehreren Konstruktionsvariablen abgewandelt wird. Diese Konstruktionsvariablen können beispielsweise die Größe, die Form wie auch die Teilung bzw. den Abstand der Blöcke 98 und 108 und der Strömungskanäle in den verschiedenen Bereichen des Kühlmittelströmungsfeldes umfassen. Eine Verringerung der Teilung, eine Erhöhung der Hindernisgröße und/oder eine Verringerung der Kanalgröße erhöhen den Strömungswiderstand der jeweiligen Bereiche. Eine Erhöhung des Strömungswiderstandes in den ersten und zweiten Diffusionsbereichen steigert die Dispersionswirkung, wodurch ermöglicht wird, dass ein höheres Volumen an Kühlmittel durch den Bereich 88A und 88B mit niedrigem Durchflussvolumen strömen kann. Die Auswirkung der Änderung des Strömungswiderstandes in den Bereichen 88A und 88B mit niedrigem Durchflussvolumen hängt von dem relativen Strömungswiderstand ab. Wenn der Strömungswiderstand des Bereiches 86 mit hohem Durchflussvolumen erhöht wird und der Strömungswiderstand der Bereiche 88A und 88B mit niedrigem Durchflussvolumen verringert oder konstant gehalten wird, strömt ein größerer Prozentsatz der gesamten Kühlmittelströmung durch die Bereiche 88A und 88B mit niedrigem Durchflussvolumen. Wenn ähnlicherweise der Strömungswiderstand des Bereiches 86 mit hohem Durchflussvolumen verringert wird und der Strömungswiderstand der Bereiche 88A und 88B mit niedrigem Durchflussvolumen erhöht oder konstant gehalten wird, strömt ein kleinerer Prozentsatz der Gesamtkühlmittelströmung durch die Bereiche 88A und 88B mit niedrigem Durchflussvolumen.
Die relativen Längen der Durchflusskanäle beeinflussen ebenfalls die Rate der Kühlmittelströmung durch jeden Bereich. Je größer die Länge der Strömungskanäle in den Bereichen 88A und 88B mit niedrigem Durchflussvolumen bezüglich der Länge der Strömungskanäle in dem Bereich 86 mit hohem Durchflussvolumen ist, um so höher ist der Anteil an Kühlmittel, der durch den Bereich 86 mit hohem Durchflussvolumen strömt.
Aufgrund der Abweichung des Strömungswiderstandes zwischen den Bereichen mit hohem und niedrigem Durchflussvolumen kann ein höheres Volumen an Kühlmittel durch den Bereich 86 mit hohem Durchflussvolumen strömen, als durch die Bereiche mit niedrigem Durchflussvolumen. Somit ermöglicht der Bipolplattenzusammenbau 8 der vorliegenden Erfindung eine höhere Kühlrate in dem Zentralbereich des Brennstoffzellenstapels im Vergleich zu dem Umfang. Auf diese Art und Weise kann über den Brennstoffzellenstapel eine gleichförmige Temperatur erzielt werden, indem die Kühlung über den Brennstoffzellenstapel hinweg ausgeglichen wird. Das Erzielen einer gleichförmigen Temperatur über den Brennstoffzellenstapel hinweg erlaubt eine Optimierung der Leistungsfähigkeit bzw. des Betriebsverhaltens des Brennstoffzellenstapels und verringert die zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels benötigte Energie.
9 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform für ein Brennstoffzellensystem 100, das einen Brennstoffzellenstapel 152 verwendet, der wie in 1 gezeigt aufgebaut ist, in Verbindung mit einem Fahrzeugvortriebssystem 154. Das Vortriebssystem 154 umfasst eine Batterie 156, einen Elektromotor 158, wie auch seine zugeordnete Antriebselektronik einschließlich eines Wechselrichters (engl. "inverter"). Der Wechselrichter 160 nimmt elektrische Energie von einem DC/DC-Wandler 162, der dem Brennstoffzellensystem 150 zugeordnet ist, und insbesondere von dem Brennstoffzellenstapel 62 auf und wandelt die elektrische Energie in von dem Motor 158 erzeugte mechanische Energie um. Die Batterie 156 ist so aufgebaut und angeordnet, dass sie von dem Brennstoffzellenstapel 62 gelieferte elektrische Energie aufnehmen und speichern kann und von dem Motor 158 während einer regenerativen Bremsung gelieferte elektrische Energie aufnehmen und speichern kann, und elektrische Energie an den Motor 158 liefern kann. Der Motor 158 ist mit einer Antriebsachse 164 gekoppelt, um die Antriebsdrehleistung auf die Räder eines Fahrzeugs (nicht gezeigt) zu übertragen. Ein elektrochemisches Motorsteuermodul (EECM) 166 wie auch ein Batteriepaketmodul (BPM) 168 überwacht verschiedene Betriebsparameter, wie z. B. die Spannung und den Strom des Brennstoffzellenstapels 152. Dies wird beispielsweise durch das BPM 168 oder durch das BPM 168 und das EECM 166 gemeinsam ausgeführt, um ein Ausgangssignal (Nachricht) an eine Fahrzeugsteuereinheit 170 auf Grundlage der durch das BPM 168 überwachten Bedingungen zu senden. Die Fahrzeugsteuereinheit 170 steuert einen Betrieb des Elektromotors 168, der Antriebselektronik einschließlich des Wechselrichters 160 und des DC/DC-Wandlers 162 und fordert von dem EECM 166 ein Leistungsniveau an. Wie erwähnt ist, umfasst das Brennstoffzellensystem 150 ferner ein im geschlossenen Kreislauf umgewälztes Kühlsystem 172.
Die Steuereinheit 170 kann einen geeigneten Mikroprozessor, Mikrocontroller, Personalcomputer etc. umfassen, der eine Zentralverarbeitungseinheit besitzt, die in der Lage ist, ein Steuerprogramm und in einem Speicher gespeicherte Daten ausführen zu können. Im aktivierten Zustand führt die Steuereinheit 170 eine Serie von Betriebsabläufen aus, die in einem Anweisungsformat (engl. "instruction-by instruction format") in dem Speicher gespeichert sind, um Motorsteuer-, Diagnose- und Wartungsbetriebsabläufe vorzusehen. Die Steuereinheit 170 kann eine zweckbestimmte Steuereinheit sein, die für die vorliegende Erfindung spezifisch ist, oder kann in Software implementiert sein, die in dem elektronischen Hauptsteuermodul des Fahrzeugs gespeichert ist. Ferner sei, obwohl auf Software basierende Steuerprogramme zur Steuerung von Systemkomponenten in verschiedenen Betriebsarten verwendbar sind, wie oben beschrieben ist, auch angemerkt, dass die Steuerung auch teilweise oder insgesamt durch eine zweckbestimmte elektronische Schaltung ausgeführt werden kann.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht vom Schutzumfang der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung anzusehen.
Zusammenfassung
Es ist ein Bipolplattenzusammenbau zur Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel vorgesehen, um Reaktanden an die Anoden- und Kathodenseiten der Brennstoffzellen innerhalb des Stapels zu liefern. Der Bipolplattenzusammenbau umfasst eine erste und zweite Unterplatte, von denen jede eine erste Seitenfläche mit einem darin ausgebildeten Kühlmittelströmungsfeld und eine zweite Seitenfläche mit einem darin ausgebildeten Reaktandenströmungsfeld umfasst. Die Kühlmittelfelder der ersten und zweiten Unterplatten umfassen Bereiche mit variierendem Durchflussvolumen, die einen jeweiligen Strömungswiderstand dazwischen aufweisen. Die Bereiche mit variierendem Durchflussvolumen erlauben eine variable Kühlung über den Brennstoffzellenstapel hinweg, wodurch eine konstante Temperatur über den Brennstoffzellenstapel hinweg erreicht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5663113 [0003]
- US 5766624 [0006]

Claims

Plattenzusammenbau zum Leiten von Kühlmittel durch eine PEM-Brennstoffzelle, mit: einer ersten und zweiten Platte, die miteinander verbunden sind, um einen Kühlmittelströmungspfad dazwischen zu definieren, wobei die erste Platte eine erste Fläche mit einem darin ausgebildeten Kühlmittelströmungsfeld besitzt, wobei das Kühlmittelströmungsfeld umfasst: einen ersten Diffusionsbereich; einen zweiten Diffusionsbereich; einen Bereich mit einem ersten Durchflussvolumen, der den ersten und zweiten Diffusionsbereich miteinander verbindet, um eine Fluidverbindung dazwischen vorzusehen; und einen Bereich mit einem zweiten Durchflussvolumen, der den ersten und zweiten Diffusionsbereich miteinander verbindet, um eine Fluidverbindung dazwischen vorzusehen; wobei das Volumen an Kühlmittel, das durch den Bereich mit erstem Durchflussvolumen strömt, von dem Volumen an Kühlmittel abweicht, das durch den Bereich mit zweitem Durchflussvolumen strömt, um so eine Abweichung hinsichtlich einer Kühlrate über die erste Platte vorzusehen.
Plattenzusammenbau nach Anspruch 1, ferner mit einem Eintrittsbereich, um eine Fluidverbindung zwischen einer Versorgungssammelleitung und dem ersten Diffusionsbereich vorzusehen.
Plattenzusammenbau nach Anspruch 1, ferner mit einem Austragsbereich, um eine Fluidverbindung zwischen einer Austragssammelleitung und dem zweiten Diffusionsbereich vorzusehen.
Plattenzusammenbau nach Anspruch 1, wobei der erste Diffusionsbereich eine erste Vielzahl von Strömungskanälen umfasst, die durch eine zweite Vielzahl von Strömungskanälen geschnitten sind.
Plattenzusammenbau nach Anspruch 4, wobei die erste und zweite Vielzahl von Strömungskanälen rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
Plattenzusammenbau nach Anspruch 1, wobei der zweite Diffusionsbereich eine erste Vielzahl von Strömungskanälen umfasst, die durch eine zweite Vielzahl von Strömungskanälen geschnitten sind.
Plattenzusammenbau nach Anspruch 6, wobei die erste und zweite Vielzahl von Strömungskanälen rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
Plattenzusammenbau nach Anspruch 1, wobei der Bereich mit erstem Durchflussvolumen ein Bereich mit einem Durchflussvolumen ist, das höher ist, als das des Bereichs mit zweitem Durchflussvolumen.
Plattenzusammenbau nach Anspruch 1, wobei der Bereich mit erstem Durchflussvolumen eine Vielzahl von Kanälen umfasst, die zentral an der ersten Platte angeordnet sind.
Plattenzusammenbau nach Anspruch 1, wobei der Bereich mit zweitem Durchflussvolumen eine Vielzahl von Kanälen umfasst, die um den Umfang der ersten Platte herum angeordnet sind.
Plattenzusammenbau nach Anspruch 1, wobei die Kanäle des Bereichs mit erstem Durchflussvolumen gerade ausgebildet sind.
Plattenzusammenbau nach Anspruch 1, wobei die Kanäle des Bereichs mit zweitem Durchflussvolumen jeweils zumindest einen angewinkelten Übergangsabschnitt umfassen.
Plattenzusammenbau nach Anspruch 1, wobei die erste Platte ferner eine zweite Fläche umfasst, die ein darin ausgebildetes Reaktandenströmungsfeld umfasst.
Plattenzusammenbau nach Anspruch 1, wobei die zweite Platte eine erste Fläche mit einem darin ausgebildeten zweiten Fluidströmungsfeld umfasst, wobei die erste Fläche der zweiten Platte benachbart der ersten Fläche der ersten Platte angeordnet ist, und wobei das zweite Kühlmittelströmungsfeld umfasst: einen dritten Diffusionsbereich; einen vierten Diffusionsbereich; einen Bereich mit einem dritten Durchflussvolumen, der den dritten und vierten Diffusionsbereich miteinander verbindet, um eine Fluidverbindung dazwischen vorzusehen; und einen Bereich mit einem vierten Durchflussvolumen, der den dritten und vierten Diffusionsbereich miteinander verbindet, um eine Fluidverbindung dazwischen vorzusehen; wobei das Volumen an Kühlmittel, das durch den Bereich mit dritten Durchflussvolumen strömt, von dem Volumen an Kühlmittel ab weicht, das durch den Bereich mit viertem Durchflussvolumen strömt, wodurch eine Abweichung hinsichtlich der Kühlrate über die zweite Unterplatte vorgesehen wird.
Plattenzusammenbau nach Anspruch 14, ferner mit einer Zwischenplatte, die zwischen der ersten und zweiten Platte angeordnet ist.
Plattenzusammenbau nach Anspruch 14, wobei die zweite Platte ferner eine zweite Fläche umfasst, die ein darin ausgebildetes Reaktandenströmungsfeld umfasst.
PEM-Brennstoffzelle, mit: einem Bipolplattenzusammenbau mit einem inneren Kühlmittelströmungsfeld, das einen Eintrittsdiffusionsbereich, einen Austragsdiffusionsbereich, einen Bereich mit einem ersten Durchflussvolumen, der die Eintritts- und Austragsdiffusionsbereiche miteinander verbindet, um eine Fluidverbindung dazwischen vorzusehen, und einen Bereich mit einem zweiten Durchflussvolumen umfasst, der die Eintritts- und Austragsdiffusionsbereiche miteinander verbindet, um eine Fluidverbindung dazwischen vorzusehen; und einer Quelle für flüssiges Kühlmittel, das an den Eintrittsdiffusorbereich des Bipolplattenzusammenbaus geliefert wird; wobei das Volumen des Kühlmittels, das durch den Bereich mit erstem Durchflussvolumen strömt, von dem Volumen des Kühlmittels abweicht, das durch den Bereich mit zweitem Durchflussvolumen strömt, um so eine Abweichung hinsichtlich einer Kühlrate über den Bipolplattenzusammenbau vorzusehen.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 17, wobei der Bipolplattenzusammenbau ferner einen Eintrittsbereich umfasst, um eine Fluidver bindung zwischen der Kühlmittelquelle und dem Eintrittsdiffusionsbereich vorzusehen.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 17, wobei der Bipolplattenzusammenbau ferner einen Austragsbereich umfasst, um eine Fluidverbindung zwischen der Kühlmittelquelle und dem Austragsdiffusionsbereich vorzusehen.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 17, wobei der Eintrittsdiffusionsbereich eine erste Vielzahl von Strömungskanälen umfasst, die durch eine zweite Vielzahl von Strömungskanälen geschnitten sind.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 20, wobei die erste und zweite Vielzahl von Strömungskanälen rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 17, wobei der Austragsdiffusionsbereich eine erste Vielzahl von Strömungskanälen umfasst, die durch eine zweite Vielzahl von Strömungskanälen geschnitten sind.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 22, wobei die erste und zweite Vielzahl von Strömungskanälen rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 17, wobei der Bereich mit erstem Durchflussvolumen ein Bereich mit einem Durchflussvolumen ist, das höher ist, als das des Bereichs mit zweitem Durchflussvolumen.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 17, wobei der Bereich mit erstem Durchflussvolumen eine Vielzahl von Kanälen umfasst, die zentral an dem Bipolplattenzusammenbau angeordnet sind.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 17, wobei der Bereich mit zweitem Durchflussvolumen eine Vielzahl von Kanälen umfasst, die um den Umfang des Bipolplattenzusammenbaus herum angeordnet sind.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 17, wobei die Kanäle des Bereiches mit erstem Durchflussvolumen gerade ausgebildet sind.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 17, wobei die Kanäle des Bereiches mit zweitem Durchflussvolumen jeweils zumindest einen angewinkelten Übergangsabschnitt umfassen.
PEM-Brennstoffzelle nach Anspruch 17, wobei der Bipolplattenzusammenbau ein externes Strömungsfeld definiert, über das ein Reaktandengas strömt.