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WO2011154084A2 - Brennstoffzelle mit einer bipolarplatte oder einem stack aus mehreren bipolarplatten - Google Patents

Brennstoffzelle mit einer bipolarplatte oder einem stack aus mehreren bipolarplatten Download PDF

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WO2011154084A2
WO2011154084A2 PCT/EP2011/002451 EP2011002451W WO2011154084A2 WO 2011154084 A2 WO2011154084 A2 WO 2011154084A2 EP 2011002451 W EP2011002451 W EP 2011002451W WO 2011154084 A2 WO2011154084 A2 WO 2011154084A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
cooling
stack
cooling fins
bipolar plate
Prior art date
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Ceased
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PCT/EP2011/002451
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English (en)
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Inventor
Steffen Wieland
Elmar Haug
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Enymotion GmbH
Original Assignee
Enymotion GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Enymotion GmbH filed Critical Enymotion GmbH
Publication of WO2011154084A2 publication Critical patent/WO2011154084A2/de
Publication of WO2011154084A3 publication Critical patent/WO2011154084A3/de
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • H—ELECTRICITY
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell with a bipolar plate or a stack of several bipolar plates.
  • the invention relates to the design of cooling fins, cooling channels and seals in the fuel cell.
  • Fuel cells are electrochemical energy converters in which electricity can be obtained by chemical reaction from two reaction media, gaseous as well as liquid. For this purpose, for example, electricity is generated from hydrogen or methanol with the addition of oxygen. By-products are water, water vapor, carbon monoxide and carbon dioxide, as well as heat.
  • a reactant For the conversion of chemical into electrical energy, first a reactant must be reduced and the second reactant oxidized.
  • the hydrogen is oxidized to H + ions at the anode.
  • the negative charge is conducted to the cathode via an external circuit.
  • the second reactant z.
  • oxygen or air reduced.
  • the H + ions can be attached to ion-conductive substances, such.
  • As phosphoric or sulfonic acid bound and pass through a selective membrane to the cathode.
  • the two reaction media then react to water.
  • the heat generated during the process must be removed via cooling circuits in order to prevent overheating of the cell.
  • a fuel cell consists in the simplest case of two electrodes and a proton exchange membrane (PEM), which is located between the two electrodes.
  • PEM proton exchange membrane
  • Such a unit is also called Membrane Electrode Unit (MEA).
  • MEA Membrane Electrode Unit
  • the electrodes are as a gas diffusion layer, "gas A distributor structure, which is applied to the so-called bipolar plates, is used to distribute the reaction media as evenly as possible, in addition to a catalyst layer between GDL and PEM, in which the oxidation or
  • the proton exchange membrane (PEM) is ion-selective and allows protons, but not electrons and reactants, to pass through it, thus allowing electrical energy to be gained by moving the electrical charge carriers through an external circuit from the anode are transported to the cathode, while the ionic charge carriers, such as protons, pass directly through the PEM.
  • cooling fins are applied to the bipolar plates.
  • the cooling fins are either placed between the bipolar plates or alternatively applied to the edge of the bipolar plate.
  • the cooling channels which are located in the cooling fins, can be passive or active, cooled by supply air and / or by flowing liquid cooling media.
  • it is necessary to keep the temperature within the bipolar plate and the fuel cell stack as constant as possible. Also, there should be no or hardly any temperature gradient within the bipolar plate and within the entire fuel cell stack. This can be realized by a specific design of the cooling fins and channels.
  • the cooling fins / channels are implemented in the bipolar plates such that a cooling medium flows around the bipolar plate.
  • DE 199 35 719 C2 and WO 2004/015807 A1 propose different configurations of these cooling channels for this purpose.
  • DE 10 2007 008 212 A1 also deals with production-related optimizations. Disadvantage of such leadership of cooling medium within the bipolar plate is a huge overhead system with additional need for a cooling medium. This is gently high system costs, in particular by higher production costs and additionally necessary system components such as a further pumping circuit.
  • cooling fins which are attached to the sides of the bipolar plate, the system outlay and thus the costs can be reduced. In addition, this allows cooling with air and thus a further savings potential by eliminating the cooling fluid and the pumping circuit.
  • DE 601 02 666 T2 such air cooling is proposed.
  • the cooling air is passed through the fuel cell stack here. On a particular embodiment of the cooling fins will not be discussed. Despite the saving of a cooling medium, the overhead and associated costs are high.
  • Previous bipolar plates with external cooling fins are constructed such that they are aligned parallel to the medium flow direction and have a rectangular shape.
  • the cooling channels in the cooling fins are preferably flowed through by air.
  • the disadvantage here is that, on the one hand, an unequal temperature distribution occurs within the stack, since the edges of the bipolar plates cool more quickly. In addition, there is a further temperature gradient at the edge of a fuel cell stack. On the other hand, these cooling fins are unstable, especially when vibrations occur and can break off. This can lead to overheating of the stack and a reduced fuel cell life.
  • the object of the invention is to avoid the disadvantages of the state of the art and to provide improved cooling of a fuel cell stack by means of external cooling fins with the best possible temperature distribution and stability of the cooling fins. This object is achieved with a fuel cell having the features of claim 1. Advantageous developments can be found in the dependent claims.
  • a fuel cell according to the invention comprises a bipolar plate or a stack of several bipolar plates.
  • the bipolar plate (s) has or have lateral cooling fins, in which cooling channels are arranged.
  • at least one seal is arranged between the bipolar plates.
  • the cooling fins, the cooling channels and / or the seal have an adapted to the heat distribution within the bipolar plate and / or within the stack, and / or a stability-increasing configuration.
  • cooling fins is to be synonymous with cooling fins or any other form in the meaning of the invention, which has a large surface area and / or is suitable for accommodating cooling channels.
  • the invention is based u. a. based on the knowledge that an optimized form of the cooling fins a uniform temperature distribution within a bipolar plate and a fuel cell stack can be achieved.
  • a homogeneous temperature distribution within a bipolar plate can be achieved in particular by a symmetrical (in the case of passive cooling) or asymmetrical (in the case of active cooling) form of the cooling fins.
  • the temperature distribution in the stack can be homogenized by size differences of the cooling fins within a stack and / or an aperture before and / or after the fuel cell stack.
  • the cooling channels in the cooling fins are formed in a serpentine, in particular in an S-structure, with the aim of increasing the stability of the bipolar plate with respect to vibrations.
  • An effective measure for damping vibrations is to apply sealing material to the cooling fins in the form of points and / or one or more webs, wherein the sealing material is preferably applied by means of a screen printing device and / or a bead application.
  • This sealing material is provided in addition to a seal provided for the bipolar plate on the cooling fins and is not used to seal a flow channel, but solely for vibration damping.
  • the additional sealing material can be applied together with the actual seal in the same process step.
  • the width of the cooling fins decreases with decreasing distance to opposite ends of the bipolar plate, preferably symmetrically. Such an embodiment is particularly suitable if no active cooling by means of a fan or the like is provided.
  • the width of the cooling fins can be optimally adapted to the non-uniform heat transfer.
  • an active cooling device in particular a fan
  • a configuration is advantageous in which the width of the cooling fins preferably increases asymmetrically with increasing distance from the active cooling device.
  • an arrangement is advantageous in which the width of the cooling fins of the individual bipolar plates within the stack increases from the outside to the inside.
  • An optimal distribution of cooling air over the cooling fins can furthermore be set by means of a diaphragm which is arranged in front of and / or behind the stack in the flow direction of a cooling flow, wherein the bipolar plates within the stack preferably all have the same shape and size.
  • a stack is provided in which at least some of the bipolar plates are provided with a cooling fin only on one side, wherein the cooling fins of adjacent bipolar plates are arranged alternately on opposite sides of the bipolar plates.
  • FIG. 1 is a bipolar plate with s-shaped cooling channels
  • FIG. 2 shows a bipolar plate with recessed seals for vibration protection
  • FIG. 3 shows a bipolar plate with symmetrically narrowed cooling fins, preferably used with passive cooling
  • FIG. 4 is a bipolar plate with one side narrowed cooling fins, preferably used with active cooling;
  • FIG. 5 shows bipolar plates within a fuel cell stack with adapted sizes of the bipolar plates;
  • FIG. 6 shows a fuel cell stack with bipolar plates of uniform size and a diaphragm.
  • the bipolar plates 1 are stacked in a direction perpendicular to the x and y directions z-direction.
  • external cooling fins 2 are arranged, whose configuration is rectangular or has a specific shape, as will be explained later.
  • a prerequisite for such external cooling fins is a good heat-conducting material of the bipolar plate (s) 1.
  • graphite or metal is used.
  • FIG. 1 shows a particular embodiment of cooling channels 9 in external cooling fins 2.
  • the cooling fins 2 are connected laterally to the bipolar plate 1. Due to vibration it can cause individual break-off Cooling fins 2 come to the bipolar plates 1 within the stack 7. This leads to an uneven heat distribution within the fuel cell stack 7 and within the bipolar plate 1 and thus to a loss of performance and life.
  • a s-structure, or generally a serpentine structure the stability of the cooling fins 2 is significantly increased and a lower susceptibility to damage of the individual bipolar plates 1 with respect to vibration the result.
  • FIG. 2 shows a bipolar plate 1 with seals 6 which are led out of the bipolar plate 1 or are arranged partially or completely outside the base area of the actual bipolar plate 1. There they do not fulfill a sealing function; Rather, the outside of the bipolar plate 1 applied sealing material ensures a further vibration damping and thus stability increase.
  • the seals 6 may be applied depending on the manufacturing form in the form of points 5 or webs 4 on the cooling fins 2.
  • the seals 6 can be sprayed directly in the manufacturing process or applied by means of a bead application. Alternatively, the seals 6 can also be manufactured individually in a separate manufacturing process.
  • the form of the seal 6 shown in FIG. 2 contains a combination of two different embodiments of a possible realization.
  • the sealing material on the cooling fins 2 is realized by dots 5.
  • different embodiments are advantageous. By placing these sealing points, the cooling fins 2 are damped by two superimposed bipolar plates 1 against each other. This achieves an increase in stability and a lower risk of the cooling fins 2 breaking off. This allows an extension of the application possibilities even in areas where vibrations can not be avoided.
  • FIG. 3 shows a bipolar plate 1 with symmetrical narrowing of the cooling fins 2.
  • the cooling fins 2 are arranged on both longitudinal sides of the bipolar plate, the width of the entirety of the cooling fins 2 on both sides being reduced on the respective side in the y-direction with decreasing distance to the narrow sides of the bipolar plate 1.
  • FIG. 5 shows a particular embodiment of bipolar plates 1 within a fuel cell stack 7.
  • the bipolar plates 1 at the edge of a fuel cell stack 7 usually cool faster than those which are located in the interior of the stack 7.
  • the size of the cooling fins 2 for each bipolar plate 1 is to be selected separately.
  • Bipolar plates 1, which sit on the edge, require a significantly reduced cooling surface compared to bipolar plates 1, which sit in the middle of a stack 7.
  • FIG. 6 shows a further preferred embodiment for bipolar plates 1 within a stack 7.
  • a diaphragm 3 before and / or after the fuel cell stack 7 - viewed in the flow direction of a cooling flow (cooling air or the like.) -
  • a uniform temperature distribution in the stack 7 can be achieved, although all bipolar plates 1 have the same shape and the heat removal at the edge significantly better guaranteed than in the middle.
  • a diaphragm 3 is arranged on a longitudinal side of the stack 7 in the xz plane.
  • an optimum in the temperature distribution and in the stability of the bipolar plates can be achieved by combining individual embodiments.
  • optimized cooling fins 2 with respect to the xy planes for example by symmetrical or asymmetrical narrowing of the cooling fins 2, and with respect to the z-axis, for example by a diaphragm 3 or adjustment of the size of the bipolar plates 1, can within the fuel cell stack 7 a achieve homogeneous temperature distribution in all spatial directions.
  • the additional use of s-shaped cooling channels and led out sealing material, the durability of a fuel cell stack 7 is increased.

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Abstract

Eine Brennstoffzelle umfasst eine Bipolarplatte (1) oder einen Stack (7) aus mehreren Bipolarplatten (1). Die Bipolarplatte(n) weist bzw. weisen seitliche Kühlfinnen (2) auf, in denen Kühlkanäle (9) angeordnet sind. Im Falle eines Stacks (7) ist wenigstens eine Dichtung (6) zwischen den Bipolarplatten (1) angeordnet. Die Kühlfinnen (2), die Kühlkanäle (9) und/oder die Dichtung (6) weisen eine an die Wärmeverteilung innerhalb der Bipolarplatte (1) und/oder innerhalb des Stacks (7) angepasste, und/oder eine stabilitätserhöhende Ausgestaltung auf.

Description

Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte oder einem Stack aus mehreren Bipolarplatten
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte oder einem Stack aus mehreren Bipolarplatten. Die Erfindung betrifft insbesondere die Ausgestaltung von Kühlfinnen, Kühlkanälen und Dichtungen in der Brennstoffzelle.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler, in denen durch chemische Reaktion aus zwei Reaktionsmedien, gasförmig wie auch flüssig, Strom gewonnen werden kann. Hierzu wird beispielsweise aus Wasserstoff oder Methanol bei Zugabe von Sauerstoff Strom erzeugt. Als Nebenprodukte entstehen Wasser, Wasserdampf, Kohlenstoffmonooxid und Kohlenstoffdioxid, sowie Wärme. Für die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie muss zunächst ein Reaktant reduziert und der zweite Reaktant oxidiert werden. Im Falle einer Wasserstoff-Brennstoffzelle wird an der Anode der Wasserstoff zu H+-lonen oxidiert. Die negative Ladung wird über einen externen Stromkreis an die Kathode geleitet. An dieser wird der zweite Reaktant, z. B. Sauerstoff oder Luft, reduziert. Die H+-lonen können an ionenleitfähige Stoffe, wie z. B. Phosphor- oder Sulfonsäure, gebunden werden und durch eine selektive Membran an die Kathode gelangen. Dort reagieren dann die beiden Reaktionsmedien zu Wasser. Die bei dem Prozess entstehende Wärme muss über Kühlkreisläufe abtransportiert werden, um eine Überhitzung der Zelle zu verhindern.
Eine Brennstoffzelle besteht im einfachsten Fall aus zwei Elektroden und einer Protonenaustauschermembran (PEM), welche sich zwischen den beiden Elektroden befindet. Eine derartige Einheit wird auch Membran-Elektroden- Einheit (MEA) genannt. Die Elektroden sind als Gasdiffusionsschicht, „Gas Diffusion Layer" (GDL), ausgebildet. Für eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Reaktionsmedien dient eine Verteilerstruktur, welche vor der GDL angebracht wird. Diese ist auf den sogenannten Bipolarplatten aufgebracht. Zwischen GDL und PEM befindet sich zusätzlich eine Katalysatorschicht, in welcher die Oxidation bzw. Reduktion der Reaktanten stattfindet. Die Protonenaustauschermembran (PEM) ist ionenselektiv und ermöglicht es, dass Protonen, nicht jedoch Elektronen und Reaktanten diese passieren können. Diese Trennung ermöglicht es, elektrische Energie zu gewinnen, indem die elektrischen Ladungsträger über einen externen Stromkreis von der Anode zur Kathode transportiert werden, während die ionischen Ladungsträger, z. B. Protonen, direkt durch die PEM gelangen.
In einem Brennstoffzellensystem werden meist viele dieser Zellmodule hintereinander geschaltet. In diesem Fall spricht man von einem Stack. Hier sind die Elektroden in Serie geschaltet. Für einen optimalen Abtransport von der im Prozess entstehenden Wärme sind an den Bipolarplatten Kühlfinnen aufgebracht. Die Kühlfinnen werden entweder zwischen die Bipolarplatten gelegt oder alternativ auf dem Rand der Bipolarplatte aufgebracht. Die Kühlkanäle, welche sich in den Kühlfinnen befinden, können passiv oder aktiv, durch Zuluft und/oder durch Durchströmen von flüssigen Kühlmedien, gekühlt werden. Um einen optimalen Betrieb einer Brennstoffzelle zu gewährleisten, ist es notwendig die Temperatur innerhalb der Bipolarplatte und des Brennstoffzellenstacks möglichst konstant zu halten. Ebenfalls sollte innerhalb der Bipolarplatte und innerhalb des gesamten Brennstoffzellenstacks kein bzw. kaum ein Temperaturgradient vorhanden sein. Dies lässt sich durch eine spezifische Ausgestaltung der Kühlfinnen und -kanäle realisieren.
Zumeist sind die Kühlfinnen/-kanäle in die Bipolarplatten derart implementiert, dass ein Kühlmedium die Bipolarplatte umfließt. Beispielsweise werden in der DE 199 35 719 C2 und der WO 2004/015807 A1 hierzu verschiedene Ausgestal- tungen dieser Kühlkanäle vorgeschlagen. In der DE 10 2007 008 212 A1 wird zudem auf produktionstechnische Optimierungen eingegangen. Nachteil einer derartigen Führung von Kühlmedium innerhalb der Bipolarplatte ist ein enormer Systemaufwand bei zusätzlicher Notwendigkeit eines Kühlmediums. Dies verur- sacht hohe Systemkosten, insbesondere durch höhere Produktionskosten und zusätzlich notwendige Systemkomponenten wie beispielsweise einen weiteren Pumpkreislauf.
Durch die Wahl von Kühlrippen, welche an den Seiten der Bipolarplatte ange- bracht werden, können der Systemaufwand und damit die Kosten reduziert werden. Zusätzlich ermöglicht dies eine Kühlung mit Luft und damit ein weiteres Einsparungspotential durch den Wegfall des Kühlfluids und des Pumpkreislaufs. In der DE 601 02 666 T2 wird eine solche Luftkühlung vorgeschlagen. Die Kühlluft wird hier durch den Brennstoffzellenstack geleitet. Auf eine besondere Ausgestaltung der Kühlfinnen wird nicht eingegangen. Trotz der Einsparung eines Kühlmediums sind der Systemaufwand und die damit verbundenen Kosten hoch.
Bekannt ist weiter aus der DE 10 2007 044 634 A1 eine Bipolarplatte, welche hinsichtlich ihrer Form derart optimiert ist, dass eine möglichst homogene Temperaturverteilung innerhalb der Bipolarplatte gewährleistet ist. Diese Optimierung wird durch eine spezifische Ausgestaltung von Kühlmittelbegrenzern realisiert. Ein Nachteil dieser Ausgestaltung liegt in der Notwendigkeit eines Kühlmittels und damit verbundenen hohen Systemkosten.
Bisherige Bipolarplatten mit externen Kühlfinnen sind derart aufgebaut, dass diese parallel zur Mediendurchflussrichtung ausgerichtet sind und eine rechteckige Form aufweisen. Die Kühlkanäle in den Kühlfinnen werden dabei vorzugsweise mit Luft durchströmt. Nachteilig ist hier, dass es zum einen zu einer ungleichen Temperaturverteilung innerhalb des Stacks kommt, da die Ränder der Bipolarplatten schneller auskühlen. Zusätzlich kommt es zu einem weiteren Temperaturgradienten am Rand eines Brennstoffzellenstacks. Zum anderen sind diese Kühlfinnen insbesondere bei auftretenden Vibrationen instabil und können abbrechen. Dies kann zu einer Überhitzung des Stacks und einer verringerten Lebensdauer der Brennstoffzelle führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Tech- nik zu vermeiden und eine verbesserte Kühlung eines Brennstoffzellenstacks mittels externer Kühlfinnen bei möglichst optimaler Temperaturverteilung und Stabilität der Kühlfinnen anzugeben. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle, umfasst eine Bipolarplatte oder einen Stack aus mehreren Bipolarplatten. Die Bipolarplatte(n) weist bzw. weisen seitliche Kühlfinnen auf, in denen Kühlkanäle angeordnet sind. Im Falle eines Stacks ist wenigstens eine Dichtung zwischen den Bipolarplatten angeordnet. Die Kühlfinnen, die Kühlkanäle und/oder die Dichtung weisen eine an die Wärmeverteilung innerhalb der Bipolarplatte und/oder innerhalb des Stacks angepasste, und/oder eine Stabilitätserhöhende Ausgestaltung auf.
Der Begriff "Kühlfinnen" soll im Sinne der Erfindung synonym für Kühlrippen oder jede andere Form stehen, die eine große Oberfläche hat und/oder zur Unterbringung von Kühlkanälen geeignet ist.
Die Erfindung beruht u. a. auf der Erkenntnis, dass durch eine optimierte Form der Kühlfinnen eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb einer Bipolarplatte und eines Brennstoffzellenstacks zu erzielen ist. Eine homogene Temperaturverteilung innerhalb einer Bipolarplatte kann insbesondere durch eine symmetrische (im Fall passiver Kühlung) oder asymmetrische (im Fall aktiver Kühlung) Form der Kühlfinnen erreicht werden. Zudem kann über Größenunterschiede der Kühlfinnen innerhalb eines Stacks und/oder eine Blende vor und/oder nach dem Brennstoffzellenstack die Temperaturverteilung im Stack homogenisiert werden. Durch eine Erhöhung der Stabilität, insbesondere der Kühlfinnen, wird eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer der Bipolarplatten erreicht. Eine Kombination der Stabilitätserhöhung und der optimierten Temperaturverteilung innerhalb der Bipolarplatte und innerhalb des Stacks ermöglicht somit eine Erhöhung der Lebensdauer des gesamten Brennstoffzellenstacks.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung sind die Kühlkanäle in den Kühlfinnen in einer schlangenlinienförmigen, insbesondere in einer s-Struktur ausge- bildet mit dem Ziel, die Stabilität der Bipolarplatte hinsichtlich Vibrationen zu erhöhen. Eine wirkungsvolle Maßnahme zur Dämpfung von Vibrationen besteht darin, Dichtungsmaterial auf den Kühlfinnen in Form von Punkten und/oder eines oder mehrerer Stege aufzubringen, wobei das Dichtungsmaterial bevorzugt mittels einer Siebdruckvorrichtung und/oder einer Raupenauftragung aufgetragen ist. Dieses Dichtungsmaterial ist zusätzlich zu einer für die Bipolarplatte vorgesehenen Dichtung auf deren Kühlfinnen vorgesehen und dient nicht zur Abdichtung eines Strömungskanals, sondern alleine zur Vibrationsdämpfung. Das zusätzliche Dichtungsmaterial kann zusammen mit der eigentlichen Dichtung im selben Prozesschritt aufgetragen werden. Im Falle einer Flachdichtung auf einer Bipolarplatte können Dichtungszungen vorgesehen sein, die seitlich von der Bipolarplatte vorstehen. Mit diesen herausgeführten Dichtungszungen der Flachdichtung kann ebenfalls eine Vibrationsdämpfung erreicht werden, während der auf der Bipolarplatte befindliche Teil der Flachdichtung den eigentlichen Zweck einer Dichtung erfüllt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verringert sich die Breite der Kühlfinnen mit abnehmendem Abstand zu entgegengesetzten Enden der Bipolarplatte hin, und zwar vorzugsweise symmetrisch. Eine solche Ausgestaltung eignet sich insbesondere, wenn keine aktive Kühlung mittels eines Lüfters oder dergl. vorgesehen ist. Die Breite der Kühlfinnen kann so optimal an den nicht gleichmäßigen Wärmeübertrag angepasst werden.
Falls eine aktive Kühlvorrichtung, insbesondere ein Ventilator vorgesehen ist, ist hingegen eine Ausgestaltung vorteilhaft, bei der die Breite der Kühlfinnen vorzugsweise asymmetrisch mit steigender Entfernung von der aktiven Kühlvorrichtung zunimmt. Für eine optimierte Wärmeverteilung längs des Stacks ist eine Anordnung vorteilhaft, bei der die Breite der Kühlfinnen der einzelnen Bipolarplatten innerhalb des Stacks von außen nach innen zunimmt.
Eine optimale Verteilung von Kühlluft über den Kühlfinnen kann des Weiteren durch eine Blende eingestellt werden, die in Strömungsrichtung eines Kühlstroms vor und/oder hinter dem Stack angeordnet ist, wobei die Bipolarplatten innerhalb des Stacks bevorzugt alle dieselbe Form und Größe aufweisen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Stack vorgesehen, in dem wenigstens einige der Bipolarplatten nur auf einer Seite mit einer Kühlfinne versehen sind, wobei die Kühlfinnen benachbarter Bipolarplatten abwechselnd an entgegengesetzten Seiten der Bipolarplatten angeordnet sind. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- Figur 1 eine Bipolarplatte mit s-förmigen Kühlkanälen;
- Figur 2 eine Bipolarplatte mit herausgeführten Dichtungen zum Vibrations- schütz;
- Figur 3 eine Bipolarplatte mit symmetrisch verschmälerten Kühlfinnen, vorzugsweise eingesetzt bei passiver Kühlung;
- Figur 4 eine Bipolarplatte mit einseitig verschmälerten Kühlfinnen, vorzugsweise eingesetzt bei aktiver Kühlung; - Figur 5 Bipolarplatten innerhalb eines Brennstoffzellenstacks mit angepassten Größen der Bipolarplatten; und
- Figur 6 ein Brennstoffzellenstack mit Bipolarplatten einheitlicher Größe und einer Blende.
Bei den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen wird jeweils von wenigstens einer Bipolarplatte 1 ausgegangen. Bei Ausbildung eines Stacks 7 aus mehreren Brennstoffzellen werden die Bipolarplatten 1 in einer zu den x- und y-Richtungen senkrechten z-Richtung gestapelt. An den Längsseiten (entlang der x-Richtung) der Bipolarplatte(n) 1 sind externe Kühlfinnen 2 angeordnet, deren Ausgestaltung rechteckig ist oder eine spezifische Form aufweist, wie später noch erläutert wird. Voraussetzung für solche externe Kühlfinnen ist ein gut wärmeleitendes Material der Bipolarplatte(n) 1. Bevorzugt wird Graphit oder Metall verwendet.
In Figur 1 ist eine besondere Ausführungsform von Kühlkanälen 9 in externen Kühlfinnen 2 dargestellt. Die Kühlfinnen 2 sind seitlich an die Bipolarplatte 1 angeschlossen. Aufgrund von Vibrationen kann es zum Abbrechen einzelner Kühlfinnen 2 an den Bipolarplatten 1 innerhalb des Stacks 7 kommen. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Wärmeverteilung innerhalb des Brennstoffzellenstacks 7 und innerhalb der Bipolarplatte 1 und damit zu einer Leistungs- und Lebensdauereinbuße. Durch Wahl einer s-Struktur, oder allgemein einer schlangenlinienförmigen Struktur, ist die Stabilität der Kühlfinnen 2 deutlich erhöht und eine geringere Schadensanfälligkeit der einzelnen Bipolarplatten 1 hinsichtlich Vibrationen die Folge.
In Figur 2 ist eine Bipolarplatte 1 mit Dichtungen 6 dargestellt, die aus der Bipolarplatte 1 herausgeführt bzw. teilweise oder vollständig außerhalb der Grundfläche der eigentlichen Bipolarplatte 1 angeordnet sind. Dort erfüllen sie keine Dichtungsfunktion; vielmehr sorgt das außerhalb der Bipolarplatte 1 aufgetragene Dichtungsmaterial für eine weitere Vibrationsdämpfung und damit Stabilitätserhöhung. Die Dichtungen 6 können je nach Herstellungsform in Form von Punkten 5 oder Stegen 4 auf den Kühlfinnen 2 aufgebracht sein. Die Dichtungen 6 können dabei direkt im Herstellungsverfahren aufgespritzt oder mittels einer Raupenauftragung aufgebracht sein. Alternativ können die Dichtungen 6 auch in einem separaten Herstellungsprozess einzeln gefertigt sein. Die in Figur 2 dargestellte Form der Dichtung 6 enthält eine Kombination von zwei verschiedenen Ausführungsformen einer möglichen Realisierung. Im linken Teil ist die Realisierung über einen Steg 4 dargestellt. Im rechten Teil wird das Dichtungsmaterial auf den Kühlfinnen 2 durch Punkte 5 realisiert. Je nach Herstellung der Dichtung 6 sind unterschiedliche Ausführungsformen vorteilhaft. Durch Aufsetzen dieser Dichtungspunkte werden die Kühlfinnen 2 von zwei aufeinander liegenden Bipolarplatten 1 gegeneinander gedämpft. Damit wird eine Erhöhung der Stabilität und eine geringere Gefahr des Abbrechens der Kühlfinnen 2 erreicht. Dies ermöglicht eine Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten auch in Bereichen, in denen Vibrationen nicht vermieden werden können.
In Figur 3 ist eine Bipolarplatte 1 mit symmetrischer Verschmälerung der Kühlfinnen 2 zu sehen. Die Kühlfinnen 2 sind auf beiden Längsseiten der Bipolarplatte angeordnet, wobei sich auf beiden Längsseiten die Breite der Gesamtheit der Kühlfinnen 2 auf der jeweiligen Seite in der y-Richtung mit abnehmendem Abstand zu den Schmalseiten der Bipolarplatte 1 verringert. Im Betrieb eines Brennstoffzellenstacks 7 zeigt sich, dass es bei passiver Kühlung zu einer Temperaturverteilung innerhalb der einzelnen Bipolarplatten 1 derart kommt, dass die Ränder an den Schmalseiten auskühlen, während der mittlere Teil der Bipolarplatte 1 überhitzt. Durch diese bezüglich einer in y-Richtung verlaufenden Mittelachse der Bipolarplatte 1 symmetrische Verschmälerung der Kühlfinnen 2 wird die Kühlleistung an den schmalseitigen Rändern der Brennstoffzelle verringert, während in der Mitte die maximale Kühlung erreicht wird.
Bei aktiver Kühlung durch einen Ventilator oder Lüfter 8 von einer Seite der Bipolarplatte 1 verringert sich die Kühlleistung in Abhängigkeit von der Entfernung des Ventilators 8. Um dennoch eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Bipolarplatte 1 zu gewährleisten, ist es notwendig, die Gesamtheit der Kühlfinnen 2 zu verbreitern, je größer die Entfernung zum Ventilator 8 ist. Dies ist in Figur 4 dargestellt. Zusätzlich sind hier s-förmige Kühlfinnen 2 dargestellt (vgl. Figur 1).
In Figur 5 ist eine besondere Ausführungsform für Bipolarplatten 1 innerhalb eines Brennstoffzellenstacks 7 dargestellt. Die Bipolarplatten 1 am Rand eines Brennstoffzellenstacks 7 kühlen in der Regel schneller aus, als diejenigen, die sich im Inneren des Stacks 7 befinden. Um eine Temperaturverteilung zwischen unterschiedlichen Bipolarplatten 1 zu vermeiden, ist die Größe der Kühlfinnen 2 für jede Bipolarplatte 1 gesondert zu wählen. Bipolarplatten 1 , welche am Rand sitzen, benötigen eine deutlich verringerte Kühlfläche gegenüber Bipolarplatten 1 , die in der Mitte eines Stacks 7 sitzen.
In Figur 6 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform für Bipolarplatten 1 innerhalb eines Stacks 7 dargestellt. Durch Vorsehen einer Blende 3 vor und/oder nach dem Brennstoffzellenstack 7 - in Strömungsrichtung eines Kühlstroms (Kühlluft oder dergl.) gesehen - kann eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Stack 7 erreicht werden, obwohl alle Bipolarplatten 1 die gleiche Form aufweisen und der Wärmeabtransport am Rand deutlich besser gewährleistet ist als in der Mitte. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Blende 3 an einer Längsseite des Stacks 7 in der x-z-Ebene angeordnet. Durch Aufsetzen einer Blende 3 vor und/oder nach dem Brennstoffzellenstack 7 kann die Kühlluft optimiert durch den Brennstoffzellenstack 7 geleitet werden, sodass die aktive Kühlfläche an den Wärmeabtransport angepasst ist. Allgemein lässt sich durch Kombination einzelner Ausführungsformen ein Optimum in der Temperaturverteilung und in der Stabilität der Bipolarplatten erreichen. Insbesondere durch Kombination von optimierten Kühlfinnen 2 hinsichtlich der x-y-Ebenen, beispielsweise durch symmetrische oder asymmetrische Verschmälerung der Kühlfinnen 2, und hinsichtlich der z-Achse, beispielsweise durch eine Blende 3 oder Anpassung der Größe der Bipolarplatten 1 , lässt sich innerhalb des Brennstoffzellenstacks 7 eine homogene Temperaturverteilung in alle Raumrichtungen erreichen. Durch zusätzliche Verwendung von s-förmigen Kühlkanälen und herausgeführtem Dichtungsmaterial wird die Haltbarkeit eines Brennstoffzellenstacks 7 erhöht.
Bezuaszeichenliste
1 Bipolarplatte
2 Kühlfinnen
3 Blende
4 herausgeführte Stege
5 punktförmiger Vibrationsschutz
6 Dichtung
7 Brennstoffzellenstack
8 Ventilator
9 Kühlkanal

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzelle, umfassend eine Bipolarplatte (1) oder einen Stack (7) aus mehreren Bipolarplatten (1), wobei die Bipolarplatte(n) seitliche Kühlfinnen (2) aufweist bzw. aufweisen, in denen Kühlkanäle (9) angeordnet sind, und wobei im Falle eines Stacks (7) wenigstens eine Dichtung (6) zwischen den Bipolarplatten (1) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfinnen (2), die Kühlkanäle (9) und/oder die Dichtung (6) eine an die Wärmeverteilung innerhalb der Bipolarplatte (1) und/oder innerhalb des Stacks (7) angepasste, und/oder eine Stabilitätserhöhende Ausgestaltung aufweisen.
2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (9) in den Kühlfinnen (2) in einer schlangenlinienförmigen, insbesondere in einer s-Struktur, ausgebildet sind.
3. Brennstoffzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Dichtungsmaterial auf den Kühlfinnen (2) in Form von Punkten (5) und/oder eines oder mehrerer Stege (4) aufgebracht ist, wobei das Dichtungsmaterial bevorzugt mittels einer Siebdruckvorrichtung und/oder einer Raupenauftragung aufgetragen ist.
4. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine Flachdichtung auf der Bipolarplatte (1) mit Dichtungszungen vorgesehen ist, die seitlich von der Bipolarplatte (1) vorstehen.
5. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Breite der Kühlfinnen (2) mit abnehmendem Abstand zu entgegengesetzten Enden der Bipolarplatte (1) hin verringert, vorzugsweise symmetrisch.
6. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine aktive Kühlvorrichtung, insbesondere ein Ventilator (8) vorgesehen ist und die Breite der Kühlfinnen (2) vorzugsweise asymmetrisch mit steigender Entfernung von der aktiven Kühlvorrichtung zunimmt.
7. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Kühlfinnen (2) der einzelnen Bipolarplatten (1) innerhalb des Stacks (7) von außen nach innen zunehmen
8. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens eine Blende (3), die in Strömungsrichtung eines Kühlstroms vor und/oder hinter dem Stack (7) angeordnet ist, wobei die Bipolarplatten (1) innerhalb des Stacks (7) bevorzugt alle dieselbe Form und Größe aufweisen.
9. Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass wenigstens einige der Bipolarplatten (1) im Stack (7) nur auf einer Seite mit einer Kühlfinne (2) versehen sind, wobei die Kühlfinnen (2) benachbarter Bipolarplatten (1) bevorzugt abwechselnd an entgegengesetzten Seiten der Bipolarplatten (1) angeordnet sind.
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