Titel:

Zellenstapel mit beheizbarer Endplatte

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zellenstapel mit einer beheizbaren Endplatte.

Stand der Technik

Bei Brennstoffzellensystemen wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle - in den Einzelzellen - mit Wasserstoff zu Wasser zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern.

Aus der US5789091 A ist ein Brennstoffzellenstapel bekannt, bei welchem eine Vielzahl von Einzelzellen zwischen zwei Endplatten mittels Spannbändern verspannt sind.

Aus der WO19081866 Al ist ein Brennstoffzellenstapel bekannt, bei welchem eine Vielzahl von Einzelzellen zwischen zwei Endplatten verspannt sind, wobei eine Heizplatte auf einer der Endplatten angeordnet ist.

Die Endplatten sind aufgrund der benötigten Verspannkräfte üblicherweise sehr stabil und damit auch vergleichsweise massiv ausgeführt, so dass sie - verglichen mit den relativ dünnen Einzelzellen - eine sehr große Wärmekapazität aufweisen, insbesondere wenn die Endplatten metallisch ausgeführt sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es das Wärmemanagement des Zellenstapels insbesondere für einen Kaltstartlastfall zu verbessern. Offenbarung der Erfindung

Dazu umfasst der Zellenstapel mehrere Einzelzellen, wobei die Einzelzellen zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. In zumindest einer der Endplatten ist mindestens ein Wärmekanal integriert. Bevorzugt ist in beiden Endplatten je mindestens ein Wärmekanal integriert. Vorteilhafterweise ist der Zellenstapel als Brennstoffzellenstapel ausgeführt; der Zellenstapel kann jedoch beispielsweise auch als Batteriezellenstapel oder als Elektrolysezellenstapel ausgeführt sein.

Dabei soll insbesondere unter einem Wärmekanal ein Kanal verstanden werden der ein Wärmeträgerfluid bzw. ein Heizmedium enthält und der im Wesentlichen innerhalb des Zellenstapels geführt wird, also keinen Anschluss an beispielsweise einen externen Wärmetauscher hat.

Durch den Wärmekanal kann die Endplatte, insbesondere im Kaltstartfall des Zellenstapels, vergleichsweise schnell aufgeheizt werden, die Endplatte ist also beheizbar ausgeführt. Der vergleichsweise großen Wärmekapazität der Endplatte, welche ein Erwärmen der benachbarten Einzelzellen verlangsamt und quasi einen Kältepol für diese darstellt, kann somit entgegengewirkt werden.

Der mindestens eine Wärmekanal kann dabei komplett in die Endplatte integriert sein. Er kann jedoch auch zwischen der Endplatte und einer Stromsammelplatte ausgebildet sein. Die Stromsammelplatte begrenzt dabei den Wärmekanal in Richtung zu den Einzelzellen hin, bevorzugt durch eine ebene Fläche. Die Stromsammelplatte dient weiterhin als Stromabgriff - beispielsweise über einen an der Stromsammelplatte ausgebildeten Stromabnehmer - für den gesamten Zellenstapel. In dieser Ausführung sind demzufolge die Funktionen Stromabnahme und Wärmekanalbegrenzung in der Stromsammelplatte vereinigt. Die Herstellung der Wärmekanäle kann vergleichsweise einfach erfolgen, beispielsweise durch Einfräsen in die Endplatte, wobei dann der gefräste Wärmekanal mit der Stromsammelplatte abgedeckt wird. In vorteilhaften Weiterbildungen ist in der Endplatte weiterhin eine Heizpatrone integriert. Die Heizpatrone ist thermisch an den mindestens einen Wärmekanal gekoppelt. Dadurch können der Wärmekanal bzw. die Wände des Wärmekanals, welche an der Endplatte ausgebildet sind, mit Wärmeenergie versorgt werden.

Die Heizpatrone wandelt dazu elektrische Energie in Wärmeenergie um. Die Heizpatrone ist im Wartungsfall viel leichter austauschbar als beispielsweise eine zwischen den Einzelzellen und der Endplatte eingelegte Heizfolie. Will man eine Heizfolie austauschen, so muss die Verspannung des Zellenstapels gelöst werden, wodurch Komponenten der Einzelzellen - beispielsweise Polymerelektrolytmembranen und Gasdiffusionslagen - nicht mehr wiederverwendbar sind. Die Heizpatrone hingegen kann an einer leicht zugänglichen Stelle eingesetzt werden und unter Beibehaltung der Verspannung des Zellenstapels ausgetauscht werden. Die Wärmekanäle wiederum können auch an schlecht zugängliche Stellen geführt werden.

Bevorzugt ist in der Endplatte zumindest ein Fluidkanal ausgebildet. Der mindestens eine Wärmekanal ist benachbart zu dem Fluidkanal ausgebildet. Dadurch ist der Wärmekanal in der Lage, wenn beispielsweise ein erwärmtes Heizmedium durch ihn fließt, den Fluidkanal - und damit auch das durch den Fluidkanal strömende Fluid - zu erwärmen. Bevorzugt weist die Endplatte sechs Fluidkanäle auf, je einen Zulauf und einen Ablauf für den Brennstoff, für das Oxidationsmittel und für ein Kühlmedium. In bevorzugten Weiterbildungen können Kühlmedium und Heizmedium identisch sein, insbesondere wenn der mindestens eine Wärmekanal fluidisch mit einem Kühlkreislauf des Zellenstapels verbunden ist. Je nach Umgebungstemperatur und Temperatur des Zellenstapels wirkt das Heizmedium/Kühlmedium dann heizend oder kühlend auf den Zellenstapel bzw. die darin strömenden weiteren Fluide.

In vorteilhaften Ausführungen ist der mindestens eine Wärmekanal mit einem Heizmedium bzw. einem Heizfluid gefüllt. Dadurch kann vorteilhaft ein Wärmetransport über Konvektion, besonders vorteilhaft über erzwungene Konvektion, erreicht werden. Ein Erwärmen der Endplatte erfolgt so noch schneller. In bevorzugten Weiterbildungen durchlaufen zumindest Anteile des Heizmediums während einer Kaltstartphase des Zellenstapels einen Phasenübergang, beispielsweise In einem Temperaturfenster zwischen -40°C und 100°C. Besonders bevorzugt durchläuft das Heizmedium dabei einen Phasengang von dampfförmig zu flüssig, wodurch es eine Latentwärmemenge an die Endplatte abgeben kann. Üblicherweise ist die Latentwärme eines Phasenübergangs sehr groß, so dass auch eine entsprechende Heizwirkung durch Kondensation des Heizmediums an den Wänden des Wärmekanals besonders groß ist.

In vorteilhaften Ausführungen ist der mindestens eine Wärmekanal mit einem Kühlkreislauf des Zellenstapels fluidisch verbunden. Bevorzugt ist dann zumindest einer der Fluidkanäle in den Kühlkreislauf integriert. Der Kühlkreislauf kann dann sowohl als Kühlkreislauf als auch als Heizkreislauf - insbesondere während einer Kaltstartphase - fungieren.

Bevorzugt sind die Einzelzellen zwischen den zwei Endplatten mittels zumindest einer Spannvorrichtung verspannt. Es wirken also Kräfte auf die Endplatten, die eine ungewollte nennenswerte Verformung der Endplatten bewirken würden, wenn die Endplatten nicht entsprechend steif ausgeführt würden. Gerade diese steife Ausführung führt aber dazu, dass die Endplatten im Kaltstartfall wie Kältepole auf die benachbarten Einzelzellen wirken. Demzufolge ist es vorteilhaft, wenn gerade in derartigen Endplatten Wärmekanäle integriert sind, um ein Aufwärmen der Endplatten bzw. der durch sie strömenden Fluide zu beschleunigen.

Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel. Die Einzelzellen sind demzufolge als Brennstoffzellen ausgeführt. Das Kraftfahrzeug weist dabei die gleichen zu dem Zellenstapel genannten Vorteile auf, insbesondere eine zügige Kaltstartphase, durch welche das Kraftfahrzeug schnell auf seine Nennleistung gebracht werden kann. Weiterhin ist eine einfache Wartung, insbesondere der leicht zugängliche Austausch der Heizpatrone, ein Vorteil für mobile Anwendungen wie ein Kraftfahrzeug. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 schematisch einen aus dem Stand der Technik bekannten Zellenstapel.

Figur 2 schematisch einen weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Zellenstapel.

Figur 3 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Zellenstapel, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Figur 4 den Schnitt A-A der Figur 3.

Figur 1 zeigt schematisch einen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel 1, wie er aus der US5789091A bekannt ist. Der Brennstoffzellenstapel 1 weist eine Mehrzahl von als Brennstoffzellen ausgeführten Einzelzellen 4 auf, welche zwischen zwei Endplatten 2, 3 verspannt sind. Die Verspannung erfolgt mittels zweier als Spannbänder ausgeführter Spannvorrichtungen 10, die sich eng um die Endplatten 2, 3 und die Einzelzellen 4 herum erstrecken, so dass der Brennstoffzellenstapel 1 in seinem zusammengebauten Zustand gehalten und gesichert ist.

Figur 2 zeigt schematisch einen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel 1, wie er aus der WO19081866 Al bekannt ist. Auch dieser Zellenstapel 1 ist als Brennstoffzellenstapel ausgeführt und weist eine Mehrzahl von Einzelzellen 4 auf, welche zwischen zwei Endplatten 2, 3 verspannt sind. Die Spannvorrichtungen 10 sind dabei als Zuganker bzw. als Schrauben ausgeführt. Zwischen den Endplatten 2, 3 und den Einzelzellen 4 ist jeweils eine Stromsammelplatte 5, 6 angeordnet, welche wiederum je einen Stromabnehmer 6a aufweisen; der Stromabnehmer der oberen Stromsammelplatte 5 ist aufgrund der perspektivischen Ansicht verdeckt und demzufolge nicht dargestellt. Der Zellenstapel 1 der Ausführung der Figur 2 weist weiterhin eine Heizfolie 20 auf, welche auf der oberen Endplatte 2 angebracht ist.

Erfindungsgemäß wird nun alternativ zu der Heizfolie 20 zumindest ein Wärmekanal in die Endplatte 2, 3 integriert.

Dazu zeigt Figur 3 einen Schnitt durch einen Zellenstapel 1, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Im Ausschnitt der Figur 3 ist lediglich die obere Endplatte 2 zu sehen, eine analoge Ausgestaltung ist jedoch auch für die untere Endplatte 3 möglich.

Zwischen der Endplatte 2 und den in Reihe geschalteten Einzelzellen 4 ist die Stromsammelplatte 5 mit dem Stromabnehmer 5a zum Stromabgriff angeordnet. Bei einer metallischen Endplatte 2 ist zwischen der Stromsammelplatte 5 und der Endplatte 2 noch eine elektrische Isolationsfolie angeordnet. In der Ausführung der Figur 3 besteht die Endplatte 2 jedoch bevorzugt aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material, bevorzugt aus einem Polymerverbundbauteil, so dass eine Isolationsfolie nicht erforderlich ist. Das Polymerverbundbauteil kann dabei durchaus metallisch verstärkt sein, so dass es sich unter den Kräften der nicht dargestellten Spannvorrichtung 10 möglichst steif verhält.

Im Schnitt der Figur 3 sind zwei Fluidkanäle 7 dargestellt. Oft weist der Zellenstapel 1 jedoch sechs Fluidkanäle 7 auf, jeweils zur Zu- und Abfuhr des Brennstoffs - beispielsweise Wasserstoff - und des Oxidationsmittels - beispielsweise Sauerstoff -, sowie optional zur Zu- und Abfuhr eines Kühlmediums in die Einzelzellen 4, die in der Ansicht der Figur 3 senkrecht zur Schnittebene in der Tiefe der Skizze liegen und daher nicht sichtbar sind. In der Endplatte 2 sind Wärmekanäle 15 integriert, die bevorzugt unter anderem auch die Fluidkanäle 7 umgebend - bzw. benachbart zu diesen - angeordnet sind. Dadurch können für eine Kaltstartphase des Zellenstapels 1 gezielt ein oder mehrere durch die Fluidkanäle 7 in die Einzelzellen 4 einströmende Fluide erwärmt werden. Die Einzelzellen 4 können dementsprechend schnell auf einer optimalen Betriebstemperatur betrieben werden. Weiterhin können etwaige Eiskristalle bei Umgebungstemperaturen von unter 0°C in den Fluidkanälen 7 und weiter auch in den Einzelzellen 4 schnell aufgetaut werden. Auch kann durch das Beheizen über die Wärmekanäle 15 die Wandtemperatur wenigstens einiger Fluidkanäle 7 derart erhöht werden, dass sich bei einem Kaltstart keine Eiskristalle an den Wänden bilden können.

In der Ausführung der Figur 3 ist weiterhin eine Heizpatrone 16 in die Endplatte 2 integriert. Die Heizpatrone 16 ist thermisch an die Wärmekanäle 15 gekoppelt, so dass Wärmeenergie von der Heizpatrone 16 an die Wärmekanäle 15 und weiter durch die Wände 15a der Wärmekanäle 15 an die Endplatte 2 und die Fluidkanäle 7 abgegeben werden kann. Die Heizpatrone 16 wandelt dazu bevorzugt elektrische Energie in Wärmeenergie um, beispielsweise durch elektrische Widerstände.

Die Wärmekanäle 15 sind von den zugehörigen Wänden 15a der Endplatte 2 umrandet. Die Wärmekanäle 15 sind vorteilhafterweise mit einem Heizmedium gefüllt, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Besonders bevorzugt ist das Heizmedium so ausgeführt, dass ein Energietransport im Wesentlichen jedoch nur in einem bestimmten Temperatur- Arbeitsfenster stattfindet, das heißt der Wärme-bzw. der Energietransport kann optional auf ein bestimmtes Temperatur-Arbeitsfenster begrenzt werden, indem ein Phasenübergang des Heizmediums stattfindet. Beispielsweise kann durch Verdampfen des Heizmediums eine große Wärmemenge von der Heizpatrone 16 in deren Nähe über die benachbarten Wände 15a der Wärmekanäle 15 aufgenommen und an anderer Stelle, bevorzugt in der Nähe der Fluidkanäle 7 an die Endplatte 2 durch Kondensation abgegeben werden. Außerhalb des Phasenübergangs erfolgt der Wärmetransport dann lediglich über die Wärmeleitung.

Die Wärmekanäle 15 können beispielsweise als Wärmerohre ausgestaltet sein. Die Wärmerohre bzw. die zugehörigen Wände 15a können dabei gewinkelt, gerade, flach, rund, als separates Teil oder integriert ausgeführt sein.

Figur 4 zeigt den Schnitt A-A der Figur 3. Die Endplatte 2 weist sechs Fluidkanäle 7 auf, je einen Zu- und Ablauf für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmedium. Die Wärmekanäle 15 sind benachbart zu den Fluidkanälen 7 ausgebildet, um die Fluide - also Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmedium - aufheizen zu können. Somit wird nicht nur die Endplatte 2 aufgeheizt, sondern eben auch - wenigstens anteilig - die durch die Fluidkanäle 7 strömenden Fluide.

Die hohe Wärmekapazität der Endplatten 2, 3 führt dazu, dass im Startfall, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen, die Endplatten 2, 3 vor allem auf die nahe bei ihnen angeordneten Einzelzellen 4 wie Kältepole wirken. Die äußeren Einzelzellen 4 des Zellenstapels 1 kommen somit langsamer auf Betriebstemperatur als die inneren Einzelzellen 4. Das Erwärmen der Endplatten 2, 3 und auch das Erwärmen der durch die Fluidkanäle 7 strömenden Fluide wirkt diesem Effekt entgegen. Im Idealfall führt die Erwärmung der Endplatten 2, 3 mittels der Heizpatronen 16 und den Wärmekanälen 15 zu einem schnellen, gleichmäßigen, über den gesamten Zellenstapel 1 homogenen Aufwärmen der Einzelzellen 4.

Werden hingegen Endplatten 2, 3 aus Kunststoff verwendet, dann sind diese Endplatten 2, 3 wiederum thermisch gut isoliert, so dass bei einem Kaltstart die Endplatte 2, 3 inklusiv ihrer Fluidkanäle 7 schlecht aufgeheizt werden kann. Auch hier sind Endplatten 2, 3 mit entsprechenden Wärmekanälen 15 vorteilhaft, insbesondere wenn diese benachbart zu den Fluidkanälen 7 angeordnet sind, so dass die in die Einzelzellen 4 einströmenden Fluide vorgewärmt werden können.

Generell können die Wärmekanäle 15 komplett in der Endplatte 2, 3 ausgebildet sein, wie beispielsweise in Figur 3 dargestellt, oder auch nur teilweise von der Endplatte 2, 3 begrenzt sein und teilweise von einer weiteren Komponente wie der Stromsammelplatte 5.