DE102006053978B4

DE102006053978B4 - Brennstoffzellenmodul, damit realisierbare Brennstoffzellenanordnung und zugehöriger Bausatz

Info

Publication number: DE102006053978B4
Application number: DE102006053978A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Nettesheim; Sven Dr. Jakubith
Original assignee: EKPRO GmbH
Current assignee: MAGNUM PIREX AG, DE
Priority date: 2006-11-10
Filing date: 2006-11-10
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2026-11-11
Also published as: DE102006053978A1

Abstract

Brennstoffzellenmodul (1₁–1_n) für modular aufgebaute Brennstoffzellenanordnungen zur Realisierung von Spannungsquellen mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen, bestehend aus einer Mehrzahl zu einem Stack (2) zusammengefügter und in dem mit elektrischen Kontaktmitteln versehenen Stack elektrisch leitend miteinander verbundener sowie miteinander verspannter planarer Brennstoffzellen (3₁–3_n), wobei die Brennstoffzellen (3₁–3_n) durch einen flachen zwischen zwei Separatorplatten eingefügten Membranelektrodenaufbau ausgebildet sind und die Flächennormalen ihrer zueinander parallelen sowie aneinander anliegenden großen Oberflächen eine gemeinsame Zellennormale (4) des Stacks (2) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Stack (2) mit mindestens einem an einer Außenseite des Stacks (2) anliegenden, gegen die Brennstoffzellen (3₁–3_n) elektrisch isolierten blockförmigen Medienverteiler (5, 5') und mit mindestens einer, an einer anderen Außenseite des Stacks (2) anliegenden, ebenfalls gegenüber den Brennstoffzellen (3₁–3_n) elektrisch isolierten Kühlplatte (6, 6') zu einer Kompakteinheit zusammengefügt ist, welche eine einzeln betreibbare oder hinsichtlich der bereitgestellten Spannung und/oder des maximalen Ausgangsstroms kaskadierbare Spannungsquelle ausbildet, wobei
a.) die Flächennormale (7, 7') der...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellenmodul für modular aufgebaute Brennstoffzellenanordnungen zur Realisierung von Spannungsquellen mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen, wobei das Brennstoffzellenmodul aus mehreren zu einem Stack verbundenen Brennstoffzellen besteht. Sie bezieht sich ferner auf eine Brennstoffzellenanordnung, welche durch das Zusammenfügen mehrerer erfindungsgemäßer Brennstoffzellenmodule gebildet ist, und ein zugehöriger Bausatz zur Ausbildung einer entsprechenden Brennstoffzellenanordnung.
Mittel- beziehungsweise längerfristig wird Brennstoffzellen ein großes Marktpotenzial eingeräumt. Es wird erwartet, dass Brennstoffzellen als umweltfreundliche Energiequelle künftig in vielen netzunabhängig betreibbaren elektrischen und elektronischen Geräten zum Einsatz gelangen, und zwar unabhängig von der jeweiligen Größe der Geräte und den für ihre Energieversorgung an die Energiequelle im Hinblick auf die Spannung und den Strom beziehungsweise die Leistung zu stellenden Anforderungen. Darüber hinaus ist der Einsatz von Brennstoffzellen Gegenstand vielfältiger Entwicklungsaktivitäten, welche alternative Antriebe insbesondere für Kraftfahrzeuge betreffen. Aus der Breite dieses möglichen Einsatzspektrums ergeben sich für die Berennstoffzellen, respektive für elektrochemische Brennstoffzellen, bei einem nahezu immer gleichen grundsätzlichen Aufbauprinzip sehr unterschiedliche Anforderungen. Gerade hierin ist jedoch noch ein Problem des gegenwärtig erreichten Entwicklungsstandes bei Brennstoffzellen zu sehen. Derzeit verfügbare Brennstoffzellen sind im Grunde nahezu ausschließlich für den jeweiligen Einsatzzweck konzipiert und hergerichtet.
Elektrochemische Brennstoffzellen wandeln Brennstoff und Oxidationsmittel, zum Beispiel Reaktanden wie Wasserstoff und Sauerstoff, in elektrischen Strom, Wärme und Reaktionsprodukte um. Als Festpolymer-Brennstoffzellen bestehen sie aus einer dünnen polymerischen Ionenaustauschermembran, welche mit einem geeigneten Elektrokatalysator und einem porösen, elektrisch leitfähigen Schichtmaterial beschichtet sowie typischerweise zwischen zwei Separatorplatten eingefügt ist. Die ionenleitfähige, jedoch weitgehend elektrisch isolierende und gasundurchlässige Membran mit dem darauf aufgebrachten Schichtmaterial wird als MEA (Membranelektrodenaufbau) bezeichnet. Durch die den MEA einschließenden und als Stromkollektoren wirkenden Separatorplatten werden die Reaktanden über den elektrochemisch aktiven Bereich des MEA verteilt.
Eine einzelne, mit dem vorstehend erläuterten Aufbau realisierte Zelle stellt nur eine verhältnismäßig geringe Spannung zur Verfügung. Daher wird zum Zwecke der Energieversorgung in der Praxis eine Mehrzahl derartiger Einzelzellen miteinander elektrisch seriell verbunden. Die Serienschaltung der Zellen wird durch eine bipolare Ausführung der Separatorplatte ermöglicht, welche die Realisierung von Stapeln beziehungsweise Stacks mit einer wechselseitigen Abfolge von Separatorplatten und MEAs gestattet. Dabei ist es zur Sicherung der Funktionsweise der in dem Stack angeordneten Brennstoffzellen erforderlich, den Stack mit einer gewissen, in Richtung der Flächennormale der Zellen wirkenden mechanischen Vorspannung zu beaufschlagen. Ein funktionsfähiger Stack wird ferner durch Leitungen für die Zuführung der Reaktanden beziehungsweise Reaktionspartner sowie für die Abführung der umgesetzten Betriebsmittel, durch elektrische Kontakt- bzw. Verbindungsmittel und vorzugsweise Mittel zur Kühlung und Abführung der bei der chemischen Reaktion im Stackvolumen freigesetzten Wärme komplettiert. Eine entsprechende Brennstoffzellenanordnung und ein mit dieser gebildeter Stack sind beispielsweise in der DE 103 43 766 A1 beschrieben.
Nach dem Stand der Technik werden solche Stacks durch die Brennstoffzellenhersteller entsprechend den Anforderungen ihrer Kunden und für den jeweiligen Einsatzzweck konfiguriert. Die bisherige Technologie lässt es dabei, unter anderem auch wegen der erforderlichen Vorspannung des Stacks, nicht ohne weiteres zu, auf Brennstoffzellen basierende Spannungsquellen für einen universellen Einsatz auszulegen.
In der US 2002/0076601 A1 ist eine Brennstoffzellenanordnung beschrieben, nach welcher zwei Stacks an ihren Stirnflächen mittels eines Übergangselements zusammengefügt zusammen gefügt sind. Durch das Übergangsstück werden die Stacks auch elektrisch und im Hinblick auf den erforderlichen Medienstrom der Reaktanden beziehungsweise Abprodukte verbunden. Durch die Serienschaltung der Stacks addiert sich deren Ausgangsspannung, so dass die von ihnen gebildete Brennstoffzellenanordnung eine gegenüber den einzelnen Stack höhere Ausgangsspannung zur Verfügung stellt. Nach der dargestellten Lösung können jedoch jeweils nur zwei Stacks zusammengefügt werden. Daher ist auch diese Anordnung nicht in einfacher Weise an unterschiedliche Spannungs- oder Stromanforderungen anpassbar. Sie ist insbesondere auch nicht in einer Weise universell, die es etwa Brennstoffzellenherstellen ermöglichen würde ihren Abnehmern Brennstoffzellenanordnungen zur Verfügung zu stellen, welche es den Abnehmern gestatten, auf der Basis der Brennstoffzellentechnologie arbeitende Spannungsquellen flexibel für unterschiedliche Einsatzzwecke zu rekonfigurieren beziehungsweise aus mehreren Grundelementen zusammenzustellen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellenmodul für Brennstoffzellenanordnungen zur Verfügung zu stellen, welches geeignet ist, als flexibler Grundbaustein zur Realisierung unterschiedlicher Spannungsquellen mit verschiedenen, für den jeweiligen Einsatzzweck konfigurierbaren Leistungsmerkmalen zu dienen. Sie besteht ferner darin unter Verwendung eines derartigen Brennstoffzellenmoduls realisierbare Brennstoffzellenanordnungen und einen zugehörigen Bausatz bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellenmodul mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Sie wird ferner durch eine unter Verwendung dieses Brennstoffzellenmoduls realisierte Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 6 gelöst. Ein die Aufgabe lösender Bausatz ist durch den Anspruch 10 charakterisiert.
Vorteilhafte Aus- beziehungsweise Weiterbildungen der Erfindung sind durch die jeweiligen Unteransprüche gegeben.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellenmodul für modular aufgebaute Brennstoffzellenanordnungen, welches zur Realisierung von Spannungsquellen mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen ausgebildet ist, besteht aus einer Mehrzahl zu einem Stack zusammengefügter und miteinander verspannter Brennstoffzellen. Bei den Brennstoffzellen handelt es sich vorzugsweise um flache Polymerbrennstoffzellen, welche in dem Stack, in an sich bekannter Weise, mit ihren großen planaren Oberflächen parallel zueinander angeordnet sind. Die flachen Brennstoffzellen sind durch einen zwischen zwei Separatorplatten eingefügten Membranelektrodenaufbau beziehungsweise MEA ausgebildet. Die Flächennormalen der großen Oberflächen der Brennstoffzellen liegen demnach zueinander parallel beziehungsweise sie fallen, genauer gesagt, in einer gemeinsamen Zellennormale zusammen. In dem mit elektrischen Kontaktmitteln versehenen Stack sind die Brennstoffzellen elektrisch leitend miteinander verbunden, wobei sie vorzugsweise in Serie miteinander verschaltet sind.
Erfindungsgemäß ist der Stack mit mindestens einem an einer seiner Außenseiten anliegenden, gegen die Brennstoffzellen elektrisch isolierten, blockförmigen Medienverteiler und mit mindestens einer, an einer anderen Außenseite des Stacks anliegenden, ebenfalls gegenüber den Brennstoffzellen elektrisch isolierten Kühlplatte zu einer Kompakteinheit zusammengefügt. Diese Kompakteinheit ist als eine einzeln betreibbare oder hinsichtlich der bereitgestellten Spannung und/oder des maximalen Ausgangsstroms kaskadierbare Spannungsquelle ausgebildet. Dabei verläuft die Flächennormale der an dem Stack anliegenden, sich über alle Brennstoffzellen des Stacks erstreckenden Außenseite des Medienverteilers orthogonal zur Zellennormalen. Die Flächennormale der sich ebenfalls über alle Brennstoffzellen des Stacks sowie über den Medienverteiler erstreckenden Außenseite der Kühlplatte verläuft ebenfalls orthogonal zur Zellennormalen. Darüber hinaus verläuft sie aber auch orthogonal zur Flächennormalen der an dem Stack anliegenden Außenseite des Medienverteilers. Das heißt, der Medienverteiler und die Kühlplatte liegen aneinander angrenzenden Außenseiten des Stacks an, deren Flächennormalen jeweils orthogonal zur Zellennormalen verlaufen. Der Medienverteiler weist mehrere in Richtung der Kühlplatte gerichtete Öffnungen zur Zuführung von Reaktanden für die Brennstoffzellen und zur Abführung der entstehenden Abprodukte sowie zur Durchleitung eines fluiden Kühlmittels auf. In seiner an dem Stack anliegenden Außenseite ist eine Verteilerstruktur eingeprägt, über welche die Reaktanden zu den Separatorplatten der Brennstoffzellen geleitet und die Abprodukte abgeführt werden. Zur Durchleitung des Kühlmittels, beispielsweise Luft oder Wasser, ist in die an dem Stack anliegende Außenseite der Kühlplatte ebenfalls eine entsprechende Verteilerstruktur eingeprägt. Die Kühlplatte weist zudem mit den Öffnungen des Medienverteilers korrespondierende Durchbrüche auf. Zusammen mit den Öffnungen des Medienverteilers bilden diese Durchbrüche der an dem Medienverteiler anliegenden Kühlplatte Kanäle für die Reaktanden, die Abprodukte und das Kühlmittel aus. Diese Kanäle sind unter Einfügung mindestens eines Dichtungselements durch Anschlussstutzen oder durch die Verbindung und Verspannung des Brennstoffzellenmoduls mit einem in gleicher Weise ausgebildeten weiteren Brennstoffzellenmodul verlängerbar.
Hierdurch ist es möglich, bei einem erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffzellenmodul an den Kanalenden, das heißt an den Durchbrüchen in der Kühlplatte, lediglich Stutzen zur Verbindung der Kanäle mit Schläuchen zu befestigen und somit über eine durch diesen einen Stack ausgebildete Spannungsquelle zu verfügen, deren Ausgangsspannung und maximaler Ausgangsstrom den Spezifikationen des Stacks entsprechen. Bei Bedarf ist es aber auch möglich, mehrere dieser Brennstoffzellenmodule zusammenzufügen sowie miteinander zu verspannen und somit die einzelnen von den Brennstoffzellenmodulen ausgebildeten Spannungsquellen hinsichtlich der Ausgangsspannung und/oder des maximalen Ausgangstroms zu kaskadieren. Somit ist es dem Hersteller möglich, sehr flexibel auf Kundenanforderungen zu reagieren und mit verhältnismäßig geringem Aufwand Spannungsquellen mit unterschiedlichen Spannungs- und/oder Strom- beziehungsweise Leistungsparametern entsprechend den Kundenanforderungen zur Verfügung zu stellen.
Darüber hinaus besteht für ihn aber auch die Möglichkeit, die Module zu veräußern und es dem Kunden zu ermöglichen, mittels der Module Spannungsquellen nach seinen jeweiligen eigenen Bedürfnissen zu konfigurieren. Der Kunde erwirbt demnach die zur Realisierung der von ihm benötigten Spannungsquelle erforderliche Anzahl erfindungsgemäßer Brennstoffzellenmodule als ein Bausatz beziehungsweise Kit, welchem die Anschlussstutzen und Spannbolzen beziehungsweise Schraubbolzen und Muttern Mittel zur Verbindung sowie Verspannung der Brennstoffzellenmodule und Dichtungselemente beigefügt sind. Die Brennstoffzellenmodule werden dabei vorzugsweise miteinander verschraubt.
Für die beim Hersteller erfolgende Verbindung der Brennstoffzellenstacks mit dem mindestens einen blockförmigen Medienverteiler und der mindestens einen Kühlplatte kommen unterschiedliche Möglichkeiten in Betracht. Die Komponenten des Brennstoffzellenmoduls können dabei beispielsweise durch Vernieten oder Verkleben miteinander verbunden, aber auch miteinander verschraubt sein. Bei einer möglichen Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls sind an den beiden, an die mit dem Medienverteiler versehene Außenseite angrenzenden Außenseiten des Stacks, deren Flächennormalen orthogonal zur Zellennormale verlaufen, Kühlplatten angeordnet. Das entsprechende Modul ist demnach durch den Stack, einen Medienverteiler und zwei einander gegenüberliegende, sowohl die jeweilige Seite des Stacks, als auch die jeweils an sie angrenzende Außenseite des Medienverteilers abdeckende Kühlplatten ausgebildet. Dabei weis wenigstens eine der Kühlplatten Durchbrüche auf, welche mit den Öffnungen des Medienverteilers korrespondierend angeordnet sind.
Bei einer besonders bevorzugten Ausbildungsform sind an allen Außenseiten des Stacks mit einer orthogonal zur Zellennormale verlaufenden Flächennormalen im Wechsel Medienverteiler und Kühlplatten angeordnet. Der vorzugsweise quaderförmige Stack ist demnach auf seinem Umfang durch zwei Medienverteiler und zwei Kühlplatten eingefasst, wobei sich die Kühlplatten jeweils über die gesamte an ihnen anliegende Außenfläche des Stacks sowie über die an sie angrenzenden Außenseiten der Medienverteiler erstrecken. Auch bei dieser Ausbildungsform weist mindestens eine der Kühlplatten mit den Öffnungen der Medienverteiler korrespondierend angeordnete Durchbrüche auf. Im Hinblick auf das Zusammenfügen ihrer Komponenten kann die letztgenannte Ausbildungsform dadurch realisiert sein, dass die Medienverteiler und die Kühlplatten zu einem Rahmen verbunden sind und der Stack in diesen Rahmen eingepresst ist.
Eine die Aufgabe lösende, unter Verwendung des erfindungsgemäßen Brennstoffmoduls realisierte Brennstoffzellenanordnung ist dadurch gebildet, dass mehrere, sich entlang der Flächennormalen ihrer Kühlplatten wiederholende Brennstoffzellenmodule zu einem Block verbunden und miteinander verspannt sind. Dabei ist die außen liegende Kühlplatte eines in dem Block außen angeordneten Brennstoffzellenmoduls entweder ohne die entsprechenden Durchbrüche ausgebildet oder durch eine zusätzliche abdichtende Abschlussplatte abgedeckt.
Die durch die in dem Block miteinander verspannten Brennstoffzellenmodule gebildeten (Teil-)Spannungsquellen können dabei gemäß einer Möglichkeit elektrisch in einer Parallelschaltung miteinander verbunden sein. Die Spannungsquellen sind dann hinsichtlich ihres maximalen Ausgangsstroms kaskadiert, das heißt, der durch die mehreren Spannungsquellen gebildete Block stellt einen höheren maximalen Ausgangsstrom als ein einzelnes Brennstoffzellenmodul zur Verfügung. Entsprechend einer weiteren Möglichkeit können die durch die Brennstoffzellenmodule gebildeten Spannungsquellen aber auch seriell miteinander verschaltet sein. Hierdurch ist eine Kaskade bezüglich der Ausgangsspannung gegeben, so dass der Block eine sich aus der Summe der Ausgangsspannungen der Brennstoffzellenmodule ergebende Gesamtausgangsspannung aufweist. Vorzugsweise sind dabei die einzelnen, in dem Block zusammengefügten Brennstoffzellenmodule, insbesondere auch hinsichtlich ihrer elektrischen Kennwerte, annähernd identisch ausgewählt. Schließlich ist es auch möglich, die Spannungsquellen eines Blocks teilweise parallel und teilweise seriell miteinander zu verschalten. Hieraus ergibt sich eine Kaskadierung sowohl hinsichtlich der Spannung als auch des maximalen Ausgangsstroms.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels nochmals erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1: Eine grob schematische Explosivdarstellung einer beispielhaften Ausbildungsform
2: Die konkrete Ausbildung der entsprechenden Ausbildungsform ebenfalls in Explosivdarstellung
3: Eine durch Zusammenstellung mehrerer Brennstoffzellenmodule gemäß der 2 realisierte Brennstoffzellenanordnung in einer räumlichen Darstellung
In der 1 ist eine mögliche Ausbildungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls 1 in einer grob schematischen Darstellung als Explosivdarstellung gezeigt. In schematisierter Form sind hier die einzelnen Brennstoffzellen 3₁ –3_n des Stacks 2 sowie zwei Medienverteiler 5, 5' und zwei Kühlplatten 6, 6' gezeigt. Die Darstellung soll insbesondere die räumliche Zuordnung der Komponenten des Brennstoffzellenmoduls 1 zueinander verdeutlichen. Die hier aufgrund der Explosivdarstellung auseinander gezogenen flachen Brennstoffzellen 3₁ –3_n sind in dem Stack 2 so zueinander angeordnet, dass sie mit ihren großen Flächen parallel aneinander liegen und somit die Flächennormalen ihrer großen Flächen in einer Zellennormale 4 zusammenfallen. Jede der in den Zeichnungen nicht im Details dargestellten Brennstoffzellen 3₁ –3_n ist durch einen MEA (Membranelektrodenaufbau) ausgebildet, der zwischen zwei, jeweils eine Anode und eine Kathode ausbildenden elektrisch leitenden Separatorplatten eingefügt ist. Gegebenenfalls nutzen zwei aneinander liegende Brennstoffzellen auch eine Separatorplatte gemeinsam, wobei diese bipolar ausgebildet ist und für eine Brennstoffzelle als Anode sowie für die andere Brennstoffzelle als Kathode fungiert.
Unterhalb der Brennstoffzellen kann man sich gedanklich eine als Zellebene 17 zu bezeichnende Ebene aufgespannt vorstellen. Zur Verdeutlichung der räumlichen Zuordnung sind in der Figur die kartesischen Raumkoordinaten XYZ dargestellt. Dabei ist in der Darstellung zu erkennen, dass sich die großen Flächen der Medienverteiler 5, 5' und der Kühlplatten 6, 6', welche jeweils alle Stirnkanten der in dem Stack zusammengefügten Brennstoffzellen 3₁ –3_n bedecken, in der Z-Richtung beziehungsweise in Richtung der Zellennormale 4 erstrecken. Demzufolge sind die Flächennormalen 7, 7', 8, 8' der jeweiligen großen Außenflächen sowohl bei den Medienverteilern 5, 5' als auch bei den Kühlplatten 6, 6' orthogonal zur Zellennormalen 4 angeordnet. Gleichzeitig stehen die Flächenormalen 7, 7' der Medienverteiler 5, 5' orthogonal auf den Flächennormalen 8, 8' der Kühlplatten 6, 6'. In dieser räumlichen Zuordnung zueinander werden die Brennstoffzellen 3₁ –3_n zunächst zu einem Stack 2 und danach dieser Stack 2 mit den an seinen Außenseiten anliegenden Medienverteilern 5, 5' und Kühlplatten 6, 6' zu einem kompakten Brennstoffzellenmodul 1 zusammengefügt, wobei die Kühlplatten 6, 6' auch die Medienverteiler 5, 5' überdecken. Wie bereits erläutert, erfolgt die Verbindung der Komponenten durch Vernieten, Verkleben oder Verschrauben oder indem durch die Medienverteiler 5, 5' und die Kühlplatten 6, 6' ein Rahmen ausgebildet wird, in welchen der Stack 2 eingepresst wird.
Die 2 zeigt die tatsächliche räumliche Ausbildung der in der 1 schematisch dargestellten Ausbildungsform ebenfalls in eine Explosivdarstellung. Zu erkennen ist der Stack 2 mit den darin parallel zueinander angeordneten Brennstoffzellen 3₁ –3_n , in welchem die Brennstoffzellen 3₁ –3_n elektrisch miteinander verbunden und mechanisch miteinander verspannt sind. In dem gezeigten Beispiel sind die Medienverteiler 5, 5' an den kleineren Längsseiten des quaderförmigen Stacks 2 angeordnet. Diese weisen auf ihrer an dem Stack 2 anliegenden Außenseite eine eingeprägte Verteilerstruktur 12 auf. Zudem sind in den Medienverteilern 5, 5' mehrere in Richtung der Kühlplatten 6, 6' gerichtete Öffnungen 9, 9', 10, 10', 11, 11' ausgebildet. Dabei dienen die Öffnungen 9, 9', 10, 10' zur Zuführung der Reaktanden beziehungsweise zur Abführung der entstehenden Abprodukte und die Öffnungen 11, 11' zur Durchleitung eines Kühlmittels. An den Stack 2 und an die Medienverteiler 5, 5' werden die Kühlplatten 6, 6' in der Weise angelegt, dass in ihnen vorgesehene und mit den Öffnungen 9, 9', 10, 10', 11, 11' der Medienverteiler 5, 5' korrespondierend angeordnete Durchbrüche 13₁ –13_n mit den Öffnungen 9, 9', 10, 10', 11, 11' der Medienverteiler 5, 5' zur Deckung gebracht werden. Die Öffnungen der Medienverteiler 5, 5' und die Durchbrüche 13₁ –13_n der Kühlplatten 6, 6' bilden dabei Kanäle für die Reaktanden, die Abprodukte und das Kühlmittel aus, welche durch Anschlussstutzen oder durch die Kanäle eines in gleicher Weise ausgebildeten Brennstoffzellenmoduls 1 verlängert werden können. In die an dem Stack 2 anliegenden Außenseiten der Kühlplatten 6, 6' ist ebenfalls eine Verteilerstruktur 12 eingeprägt, durch welche das Kühlmittel zur gleichmäßigen Wärmeabführung aus dem Stack 2 geführt wird. Sofern das entsprechende Brennstoffzellenmodul 1 als eigenständige Spannungsquelle genutzt werden soll, werden einfach an einer außen liegenden Kühlplatte 6' an den Durchbrüchen 13₁ –13_n die besagten Anschlussstutzen 15₁ , 15_n befestigt. Vorzugsweise weisen die Durchbrüche 13₁ –13_n dazu entsprechende Innengewinde auf, in welche die Anschlussstutzen 15₁ , 15_n unter Einfügung eines Dichtelements eingeschraubt werden können. Die jeweils andere Kühlplatte 6 ist dabei entweder, anders als in der Darstellung, ohne Durchbrüche 13₁ –13_n ausgebildet oder wird mit eine Abschlussplatte 14, welche sich dichtend über die Durchbrüche 13₁ –13_n legt, abgedeckt.
In der 3 ist eine durch mehrere Brennstoffzellenmodule 1₁ –1_n gemäß der 2 realisierte Brennstoffzellenanordnung in ebenfalls räumlicher Darstellung gezeigt. Wie zu erkennen, sind in die Durchbrüche 13₁ –13_n der außen liegenden Kühlplatte 6' eines äußeren Brennstoffzellenmoduls 1_n Anschlussstutzen 15₁ , 15_n zur Verbindung des Blocks mit Schläuchen zur Medienversorgung und zur Abführung der Abprodukte befestigt. Hingegen ist die Kühlplatte 6 des auf der anderen Seite des Blocks außen liegenden Brennstoffzellenmoduls 1₁ durch eine Abdeckplatte 14 abgedeckt. In dem gezeigten Beispiel ist auch die mit dem Anschlussstutzen 15₁ , 15_n versehene Kühlplatte durch eine Abschlussplatte 16 bedeckt, welche allerdings selbstverständlich in gleicher Anordnung wie die Kühlplatte 6, 6' entsprechende Durchbrüche aufweist. Alle Elemente des blockförmigen Aufbaus, mit im Beispiel vier Brennstoffzellenmodulen 1₁ –1_n , sind miteinander verspannt.

1₁–1_n: Brennstoffzellenmodul
2: Stack
3₁–3_n: Brennstoffzelle
4: Zellennormale
5, 5': Medienverteiler
6, 6': Kühlplatte
7, 7': Flächennormale
8, 8': Flächennormale
9, 9': Öffnung
10, 10': Öffnung
11, 11': Öffnung
12: Verteilerstruktur
13₁–13_n: Durchbruch
14: Abschlussplatte
15₁–15_n: Anschlussstutzen
16: Abschlussplatte
17: Zellebene

Claims

Brennstoffzellenmodul (1₁ –1_n ) für modular aufgebaute Brennstoffzellenanordnungen zur Realisierung von Spannungsquellen mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen, bestehend aus einer Mehrzahl zu einem Stack (2) zusammengefügter und in dem mit elektrischen Kontaktmitteln versehenen Stack elektrisch leitend miteinander verbundener sowie miteinander verspannter planarer Brennstoffzellen (3₁ –3_n ), wobei die Brennstoffzellen (3₁ –3_n ) durch einen flachen zwischen zwei Separatorplatten eingefügten Membranelektrodenaufbau ausgebildet sind und die Flächennormalen ihrer zueinander parallelen sowie aneinander anliegenden großen Oberflächen eine gemeinsame Zellennormale (4) des Stacks (2) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Stack (2) mit mindestens einem an einer Außenseite des Stacks (2) anliegenden, gegen die Brennstoffzellen (3₁ –3_n ) elektrisch isolierten blockförmigen Medienverteiler (5, 5') und mit mindestens einer, an einer anderen Außenseite des Stacks (2) anliegenden, ebenfalls gegenüber den Brennstoffzellen (3₁ –3_n ) elektrisch isolierten Kühlplatte (6, 6') zu einer Kompakteinheit zusammengefügt ist, welche eine einzeln betreibbare oder hinsichtlich der bereitgestellten Spannung und/oder des maximalen Ausgangsstroms kaskadierbare Spannungsquelle ausbildet, wobei a.) die Flächennormale (7, 7') der an dem Stack (2) anliegenden, sich über alle Brennstoffzellen (3₁ –3_n ) des Stacks (2) erstreckenden Außenseite des Medienverteilers (5, 5') orthogonal zu der Zellennormalen (4) verläuft, b.) die Flächennormale (8, 8') der an dem Stack (2) anliegenden, sich über alle Brennstoffzellen (3₁ –3_n ) des Stacks (2) sowie über den mindestens einen Medienverteiler (5, 5') erstreckenden Außenseite der Kühlplatte (6, 6') sowohl orthogonal zu der Zellennormalen (4), als auch orthogonal zu der Flächennormale (7, 7') der an dem Stack anliegenden Außenseite des Medienverteilers (5, 5') verläuft, c.) der Medienverteiler (5, 5') mehrere in Richtung der Kühlplatte (6, 6') gerichtete Öffnungen (9, 9', 10, 10', 11, 11') zur Zuführung von Reaktanden für die Brennstoffzellen und Abführung der entstehenden Abprodukte sowie zur Durchleitung eines fluiden Kühlmittels aufweist und in seine an dem Stack (2) anliegende Außenseite eine Verteilerstruktur (12) eingeprägt ist, über welche die Reaktanden zu den Separatorplatten der Brennstoffzellen geleitet und die Abprodukte abgeführt werden, d.) in die an dem Stack anliegende Außenseite der Kühlplatte (6, 6') eine Verteilerstruktur zur Durchleitung des Kühlmittels eingeprägt ist, e.) die Kühlplatte mit den Öffnungen (9, 9', 10, 10', 11, 11') des Medienverteilers (5, 5') korrespondierende Durchbrüche (13₁ –13_n ) aufweist, so dass die Öffnungen (9, 9', 10, 10', 11, 11') des Medienverteilers (5, 5') und die Durchbrüche (13₁ –13_n ) der an dem Medienverteiler (5, 5') anliegenden Kühlplatte (6, 6') für die Reaktanden, die Abprodukte und das Kühlmittel Kanäle ausbilden, die unter Einfügung mindestens eines Dichtungselements durch Mündungsstutzen (15₁ , 15_n ) oder durch die Verbindung und Verspannung des Brennstoffzellenmoduls mit einem in gleicher Weise ausgebildeten Brennstoffzellenmodul (1₁ –1_n ) verlängerbar sind.
Brennstoffzellenmodul (1₁ –1_n ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden, an die mit dem Medienverteiler (5, 5') versehene Außenseite angrenzenden Außenseiten des Stacks (2) Kühlplatten (6, 6') angeordnet sind, deren Flächennormalen (8, 8') orthogonal zur Zellennormale (4) verlaufen, wobei mindestens eine der Kühlplatten (6, 6') mit den Öffnungen (9, 9', 10, 10', 11, 11') des Medienverteilers korrespondierend angeordnete Durchbrüche (13₁ –13_n ) aufweist.
Brennstoffzellenmodul (1₁ –1_n ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an allen Außenseiten des Stacks (2) im Wechsel Medienverteiler (5, 5') und Kühlplatten (6, 6') mit einer orthogonal zur Zellennormale (4) verlaufenden Flächennormalen (7, 7', 8, 8') angeordnet sind, wobei mindestens eine der Kühlplatten (6, 6') mit den Öffnungen (9, 9', 10, 10', 11, 11') der Medienverteiler (5, 5') korrespondierend angeordnete Durchbrüche (13₁ –13_n ) aufweist.
Brennstoffzellenmodul (1₁ –1_n ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienverteiler (5, 5') und die Kühlplatten (6, 6') zu einem Rahmen verbunden sind, in welchen der Stack (2) eingepresst ist.
Brennstoffzellenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (13₁ –13_n ) in der oder den Kühlplatten (6, 6') ein Innengewinde zum Einschrauben von Mündungsstutzen (15₁ , 15_n ) aufweisen.
Brennstoffzellenanordnung, welche aus gemäß Anspruch 1 ausgebildeten Brennstoffzellenmodulen (1₁ –1_n ) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, sich entlang der Flächennormalen (8, 8') ihrer Kühlplatten (6, 6') wiederholende Brennstoffzellenmodule (1₁ –1_n ) zu einem Block verbunden und miteinander verspannt sind, wobei die außen liegende Kühlplatte (6) eines in dem Block außen angeordneten Brennstoffzellenmoduls (1₁ –1_n ) entweder ohne Durchbrüche (13₁ –13_n ) ausgebildet oder durch eine zusätzliche abdichtende Abschlussplatte (14) abgedeckt ist.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu einem Block zusammengefügten Brennstoffzellenmodule (1₁ –1_n ) parallel miteinander verschaltet und somit hinsichtlich des maximalen Ausgangsstroms kaskadiert sind.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu einem Block zusammengefügten Brennstoffzellenmodule (1₁ –1_n ) seriell miteinander verschaltet und somit hinsichtlich ihrer Ausgangsspannung kaskadiert sind.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu einem Block zusammengefügten Brennstoffzellenmodule (1₁ –1_n ) teilweise parallel und teilweise seriell miteinander verschaltet und somit sowohl hinsichtlich ihres maximalen Ausgangsstroms, als auch hinsichtlich ihrer Ausgangsspannung kaskadiert sind.
Bausatz zur Ausbildung einer Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser besteht aus zwei oder mehr Brennstoffzellenmodulen (1₁ –1_n ), Spannbolzen oder Schraubbolzen und Muttern zum Verspannen der Brennstoffzellenmodule, elektrischen Verbindungsleitungen zur elektrischen Verschaltung der Brennstoffzellenmodule (1₁ –1_n ), Anschlussstutzen (15₁ , 15_n ) zur Befestigung an den Durchbrüchen (13₁ –13_n ) einer Kühlplatte (6, 6') eines Brennstoffzellenmoduls (1₁ –1_n ), Dichtungselementen für die Anschlussstutzen (15₁ , 15_n ) und zur Abdichtung des Übergangs zwischen den, in der durch Verbinden und Verspannen der Brennstoffzellenmodule (1₁ –1_n ) erhältlichen Brennstoffzellenanordnung aneinander liegenden Flächen der Kühlplatten (6, 6') sowie eine Abschlussplatte (14) zur dichtenden Anlage an die außen liegende Kühlplatte (6) eines in der Brennstoffzellenanordnung außen angeordneten Brennstoffzellenmoduls (1₁ –1_n ).