Beschre bung

Die Erfindung betrifft ein platten- oder stabformiges Brennstoffzellen-Kuhlelement mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Sie betrifft außerdem einen Brennstoffzel 1enstapel , beste¬ hend aus übereinander gestapelten Einzelzellen mit einem oder mehreren zwischen den Einzelzellen angeordneten Brenn- stoffzel len-Kuhlelementen.

Es sind platten- oder rohrformige Kühlvorrichtungen für Brennstoffzellen bekannt, die von einem Kuhlmedium, z.B. Wasser oder Luft, durchströmt werden. Die Kuh!vornchtungen haben den Vorteil, eine relativ hohe Wärmemenge pro Zeitein¬ heit abfuhren zu können. Es sind jedoch Zu- und Abfuhrungs- leitungen für das Kuhlmedium, Pumpen und Wärmetauscher vor¬ zusehen, die derartige Vorrichtungen technologisch aufwendig und kostspielig werden lassen.

Derartige Kuh!Vorrichtungen werden insbesondere bei Brenn- stoffzel len mit Festelektrolyt, wie z.B. Membranbrennstoff¬ zellen, die aus einem Stapel von mehreren Einzelzellen bestehen, eingesetzt. Die Einzelzellen sind brennstofftech¬ nisch parallel angeordnet und elektrisch in Reihe geschal¬ tet. Durch ede Einzelzelle fließt der gleiche Strom. Zwischen die Einzelzellen werden bipolare Platten gelegt, die jeweils die Anodenseite einer Einzelzelle mit der Katho¬ denseite der nächsten Zelle verbinden.

Diese bipolaren Platten werden nun teilweise als Kuhlplatten ausgeführt, um die in den Einzelzellen entstehende Abwarme abzuführen, wie z. B. aus DE 42 34 093 A1 , DE 39 07 819 A1 oder aus EP 0 295 629 A1 bekannt ist. Die Kühlplatten sind hohl ausgebildet und werden von einem Kuhlmedium durch-

strömt. Meist wird Wasser, seltener wird Luft verwendet. Die Abwarme wird dann vom Kuhlmedium an einen Wärmetauscher abgegeben.

Es sind, z. B. aus DE 39 03 261 A1 oder EP 0 128 023 A1 , weitere nach dem gleichen Prinzip arbeitende, plattenformi ge Kuhlelemente bekannt, die nicht mit einem Hohlraum versehen sind. Vielmehr dienen dort vom Kuhlmittel durchflossene Rohre, die in einen plattenformigen Korper eingebettet sind, zur Wärmeaufnahme.

Derartig gekühlte Brennstoffzellen sind sehr uberhitzungsempfindl ich . Einerseits ist eine genügend hohe Temperatur einzuhalten, um mit der Brennstoffzelle einen optimalen Wirkungsgrad bei der Erzeugung elektrischer Ener¬ gie zu erreichen. Andererseits darf die örtliche Temperatur im Inneren der Brennstoffzelle eine bestimmte Hohe nicht überschreiten, da schon geringe uberhitzungen die Lebens¬ dauer einer Einzelzelle stark verkurzen können. Die bekann- ten Flussigkeitskuhlungen arbeiten zwar mit einer Regelung, wie beispielsweise EP 0 295 629 A1 zeigt, die aber einen Temperaturgradienten in der Einzelzelle in Fließrichtung des Kuhlmediums und somit örtliche uberhitzungen nicht aus- sch1 ießt.

Aus EP 0 473 540 A2 ist darüber hinaus eine Losung bekannt, bei der die den Sauerstoff für den Prozeß liefernde Luft gleichzeitig als Kuhlmittel dient. Hierbei muß einmal mit einem erheblichen Luftuberschuß gearbeitet werden, zum ande- ren sind spezielle Temperaturausgleichskorper erforderlich, über die die Luft die Warme aufnehmen kann. Ein Tempe¬ raturgradient entlang der chemisch aktiven Zonen ist bei dieser Losung nicht zu vermeiden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Kuhl ^¬ element der eingangs genannten Art anzugeben, das kon¬ struktiv einfach aufgebaut ist und das zu einer vergleich- maßigten und konstanten Betriebstemperatur eines Warmetra-

gers beitragt und so für den Einsatz in Brennstoffzelle geeignet ist.

Erfindungsgemaß wird die Aufgabe dadurch gelost, daß da Kuhlelement einen Wärmeaustragsabschnitt und einen mit de Warmetrager in wärmeleitendem Kontakt stehenden Warmeaufnah meabschmtt aufweist, dessen Querschnitt in Richtung auf de Wärmeaustragsabschnitt zunimmt.

In bevorzugter Weise kann das Kuhlelement so ausgebilde sein, daß der Querschnitt des Warmeaufnahmeabschmtts linea zunimm .

In ebenso bevorzugter Weise kann das Kuhlelement auch so ausgebildet sein, daß der Querschnitt des Warmeaufnahmeab- schmtts quadratisch zunimmt.

Weitere Möglichkeiten der Querschmttszunahme sind denkbar.

Mit einer solchen Konstruktion ist es möglich, in dem Warme¬ trager, z.B. der Oberflache einer Einzelzelle in Brennstoff¬ zellen, über die gesamte Flache eine vergleichmaßigte Tempe¬ ratur und eine hohe Warmeaustragsrate zu erhalten. Auf Kuhl¬ wasser oder Kuhlluft kann bis zu einem bestimmten Bereich der abzuführenden Wärmeleistung ganz verzichtet werden.

In bevorzugter Weise kann das Kuhlelement weiterhin auch so ausgebildet sein, daß der Warmeaufnahmeabschmtt von einer das Kuhlelement zu einer Quader- oder Zylinderform erganzen- den Hülle umgeben ist, deren Wärmeleitfähigkeit geringer ist als die des Kuhlelements. Es kann so an den Warmetragern satt anliegen. Es können auch einzelne stabforrmge Kuhlele¬ mente in eine plattenformige Hülle eingebracht sein.

Das Kuhlelement kann bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium bestehen.

Die Einhüllung des erflngungsgemaßen Kuhlelements hat insbe¬ sondere den großen Vorteil, daß es auch für Brennstoffze len mit aggressiven Medien anwendbar ist. Die Hülle, die den Warmeaufnahmeabschmtt bedeckt, in dem das Kuhlelement mit dem Warmetrager in wärmeleitendem Kontakt steht, kann so aus einem resistenten Material , z.B. Titan oder Edelstahl, gefertigt sein.

Das Kuhlelement ist in besonderer Weise geeignet für die Verwendung in Brennstoffzel lenstapeln, bestehend aus über¬ einander gestapelten Einzelzellen mit einem oder mehreren zwischen den Einzelzellen angeordneten Brennstoffzel len- Kuhlele enten, die die Einzelzellen elektrisch verbinden und die über den Warmeaufnahmeabsch tt in wärmeleitendem Kon¬ takt mit den Einzelzellen stehen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausfuhrungsbei- spieles naher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnun- gen zeigen:

Fιg.1 die schematische Schnittdarstellung eines erfin- dungsgemaßen plattenformi gen Kuhlelements im Zusammenbau mit den Einzelzellen einer Brennstoff- zelle,

Fig. 2 den erfindungsgemaßen Aufbau eines Kuhlelements gem. Fig. 1 im Schnitt,

Fig. 3 den Warmefluß in einer Anordnung gem. Fig. 2,

Fig. 4 ein Diagramm für die Warmefreisetzung in dem War¬ metrager,

Fig. 5 ein Diagramm für den Wärmestrom in Längsrichtung des Kuhlelements,

Fig. 6 ein Diagramm für den Temperaturverlauf einer bekannten KühlVorrichtung mit gleichbleibendem Querschnitt,

Fig. 7 ein Diagramm für den Temperaturverlauf bei sich linear vergrößerndem Querschnitt,

Fig. 8 ein Diagramm für den Temperaturverlauf bei quadra- tisch zunehmendem Querschnitt des Warmeaufnahmeab¬ schm tts,

Fig. 9 einen herkömmlichen Brennstoffze11enstapel im

Schm tt ,

Fig. 10 die Perspektivdarstellung eines Brennstoffzel len- stapels mit einem Kuhlelement gemäß Fig. 2 und

Fig. 11 die Perspektivdarstellung eines Brennstoffzel len- stapeis mit einem stabformigen Kuhlelement gemäß der Erfindung.

Das Ausfuhrungsbeispiel bezieht sich auf eine Anwendung der Erfindung für einen Brennstoffze11enstapel . Fig. 1 zeigt vier Einzelzellen 1 eines solchen Stapels, wobei zwischen zwei der Einzelzellen eine Kuhlplatte 2 eingelegt ist. Die Kuhlplatte 2 erstreckt sich über die obere Ebene der Einzel¬ zellen 1 und den Zellenrahmen 3 hinaus und bildet dort einen Wärmeaustragsabschnitt 4.

Wie Fig. 2 anschaulich zeigt, besteht die Kuhlplatte 2 aus zwei Teilen, einer äußeren Kuhlplatten-Hul le 5 und dem erfindungsgemaßen Kuhlelement mit dem Warmeaufnahmeabschmtt 6 und dem Wärmeaustragsabschnitt 4. Dieser ragt über den Zellenrahmen 3 hinaus und wird außerhalb der Brennstoffzelle gekühlt, wofür in erster Linie eine Luftkühlung in Frage kommt. Die Luft kann entweder durch Naturkonvektion vorbei- gefuhrt oder durch erzwungene Konvektion vorbeigeblasen wei—

den. Bei Wasser als Kuhlmedium wird dieses an den Warmeaus- tragsabschmtten 4 der einzelnen Kuhlplatten 2 vorbeige¬ pumpt. In die Kühl platten-Hul 1en 5, die mit einem Hohlraum ausgeführt sind, werden die Kuhlelemente formschlussig ein- gesetzt. Das Material der Kuhlplatten-Hul le 5 hat eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die Kühlele ente, die z.B. aus Kupfer oder Aluminium bestehen. Diese Materialien sind zwar nicht sehr korrosionsbeständig, haben aber konstruk¬ tionsbedingt keinen Kontakt zu den von korrosiven Medien durchflossenen Kanälen der Brennstoffzelle. Die War¬ meaufnahmeabschmtte 6 sind so gestaltet, daß sich ihr Quer¬ schnitt nach außen hin vergrößert. Im Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 2 nimmt der Querschnitt nach außen hin linear zu.

Um die Temperatur zu verg1eichmaßi ge , muß der lokale, nach außen gerichtete Temperaturgradient ö l/ _>x gering gehalten werden. Dieser hangt vom Gesamtwarmestrom Q(x) entlang der Lange x der Kuhlplatte 2 in Richtung auf den Wärmeaustrags¬ abschnitt 4, dem Querschnitt A(x) der Warmeaufnahmeab- schnitte 6 und der Wärmeleitfähigkeit ab, wie in Fig. 3 verdeutlicht ist:

_)τ/3x = Q(x)/(A (x) 7t )

Nimmt man über die Lange x eine konstante War efreissetzung

q(x) = const. = qo

an, wie das der Fall ist bei einer ideal betriebenen Brenn- stoffzelle (Fig. 4), so nimmt der Gesamtwarmestrom Q(x) in dem Warmeaufnahmeabschmtt 6 linear mit der Lange x nach außen hin zu gemäß

Q(x ) = Qox

Bei einem konstanten Querschnitt A(x) = const. = Ao der War¬ meaufnahmeabsch tte 6 nehmen damit der Temperaturgradient )T tx linear und die Temperatur T quadratisch mit der Lange

x zu:

3τ/-»x = Q(x)/(A(x) λ, ) = Qo/(Ao λ)x

T(x) = To + 0,5 Qo/(Ao λ )x ² = To + Ki χ ²

Diese Variante entspricht den bekannten Kuhlplatten mit gleichbleibendem Querschnitt. Ein Diagramm eines solchen Temperaturverlaufs zeigt Fig. 6. Dies bedeutet, daß die Tem- peratur T stark ansteigt und die Temperaturvertei 1ung ungleichmäßig wird, was unerwünscht ist.

Verwendet man dagegen die erfindungsgemaßen Kuhlelemente mit einem über der Lauflange x zunehmenden Querschnitt A(x) ≠ const. > 0, so wird der Temperaturgradient t)T/Px erniedrigt und die Temperatur T vergleichmaßigt.

Nimmt der Querschnitt A(x) beispielsweise linear mit der Lange x zu (Fig. 7)

A(x) = Ai x,

so bleibt der Temperaturgradient e>T/ -x konstant und die Temperatur T hat einen linear zunehmenden Verlauf:

e>T/2x = Q(x)/(A(x) λ) = Qo/(Aι λ)

T(x) = To + Qo/(Aι λ )χ = To + K2X

Bei einem quadratisch mit der Lange x zunehmendem Quer¬ schnitt

A(x) = A2X ²

wird der Temperaturgradient ^T/^x kleiner mit der Lange x mit ?T/Px ^ l/x (x ^ 0) und die Temperatur verlauft logarithmisch mit der Länge x gemäß T(x) _* *!n( ) :

3T/_)x = Q(x)/(A(x) ) = Qo/(A ₂ ) 1/X

T(x) = To + K ₃ ln(x)

(qualitativ, da für x = 0 nicht definiert).

Der Temperaturverlauf für diese Variante ist in Fig. 8 gezeigt.

Fig. 9 zeigt dagegen eine herkömmliche Brennstoffzelle, deren Einzelzellen 1 zwischen zwei Endplatten 7 eingespannt und durch bipolare Platten 8 miteinander verbunden sind. Die bipolaren Platten 8 werden über hier nicht gezeigte Zu- und Ableitungen von einem Kuhlmedium, in der Regel Wasser, durchströmt und fungieren als Kuhlplatten. Die Abwarme wird dann vom Kuhlmedium an einen hier ebenfalls nicht gezeigten Wärmetauscher abgegeben.

Fig. 10 zeigt noch einmal ein erfindungsgemaßes plattenfor- rmges Kuhlelement im Zusammenbau mit den Einzelzellen einer Brennstoffzelle wie in Fig. 2, diesmal jedoch in einer Per- spektivdarstel lung.

In Fig. 11 ist eine weitere Variante dargestellt. Die Kuhl¬ platte 2 besteht hier aus einer Kuhlplatten-Hul 1e 5 und einem stabforrmgen Kuhlelement, das wiederum einen Warmeauf¬ nahmeabsch tt 6, der hier kegelförmig ausgebildet ist, und einem zyl inderfor igen Wärmeaustragsabschnitt 6 aufweist.