DE102020106091A1

DE102020106091A1 - Bausatz für einen Brennstoffzellenstapel und Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102020106091A1
Application number: DE102020106091.2A
Authority: DE
Inventors: Norbert Kluy; Markus Gretzer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-09-09
Also published as: EP4073859A1; US20220416285A1; WO2021175553A1; JP2023516726A; CN115176366A; JP7454064B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bausatz für einen Brennstoffzellenstapel (1), umfassend:- eine erste Mehrzahl von in einer Stapelrichtung aufeinander stapelbaren, baugleichen Einheitszellen (2), die jeweils einen oder mehrere Medienkanäle und eine Membranelektrodenanordnung aufweisen, welche eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Membran umfasst,- eine mit der ersten Mehrzahl von Einheitszellen (2) lateral verbindbare und parallel zur Stapelrichtung verlaufende erste Medienführung (3) mit einem ersten nutzbaren Strömungsquerschnitt, um ein Medium im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen der Einheitszellen (2) des ersten Mehrzahl von Einheitszellen (2) zu führen,- eine zweite Mehrzahl der baugleichen Einheitszellen (2), und- eine mit den beiden aufeinander gestapelten Mehrzahlen von Einheitszellen (2) lateral verbindbare und parallel zur Stapelrichtung verlaufende zweite Medienführung (4) mit einem zweiten nutzbaren Strömungsquerschnitt, der sich vom ersten nutzbaren Strömungsquerschnitt unterscheidet, um ein Medium im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen der Einheitszellen (2) der beiden Mehrzahlen von Einheitszellen (2) zu führen.Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels (1) einer Brennstoffzellenvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bausatz für einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels einer Brennstoffzellenvorrichtung.
Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente eine sogenannte Membranelektrodenanordnung, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseits an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membranelektrodenanordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H₂) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen e^- stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Dieses Wasser muss aus der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt werden, bis ein Feuchteniveau erreicht ist, das zum Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung erforderlich ist.
Brennstoffzellenvorrichtungen werden in unterschiedlichsten Systemen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, in Nutzfahrzeugen oder auch in der Haustechnik verwendet, so dass eine Vielzahl an unterschiedlichen Anforderungen an jede einzelne Einheitszelle gebildet aus Medienkanäle umfassende Verteilerplatte und Membranelektrodenanordnung gestellt ist. Zwischen je zwei benachbarten Verteilerplatten, die gemeinsam eine Bipolarplatte bilden können, fließt typischerweise auch ein Kühlmedium zur geeigneten Temperierung des Brennstoffzellenstapels. Die drei Medien, nämlich der Brennstoff, das Kathodengas und das Kühlmittel werden voneinander getrennt an die jeweiligen aktiven Bereiche der Einheitszellen geführt, wobei eine Zu- und eine Abfuhr über sogenannte Medienführungen erfolgt. Diese Zu- und Abfuhr jedes Mediums zum oder aus dem aktiven Bereich der Zelle erfolgt senkrecht zur Stapelrichtung eines Brennstoffzellenstapels.
Eine solche Medienführung bzw. ein solcher „externer Header“ ist beispielsweise der DE 10 2017 210 263 A1 zu entnehmen, die an eine Mehrzahl von baugleichen, übereinander gestapelten Brennstoffzellen seitlich angebracht ist, um ein Medium lateral, d.h. senkrecht bezüglich der Stapelrichtung, in die aktiven Bereiche zu leiten. Der Medienführung ist dabei ein Piezoelement zugeordnet, das ausgebildet ist, einen Strömungsquerschnitt in lateraler Richtung einzustellen, wodurch die Zufuhr oder die Abfuhr von Medien flexibel optimiert werden kann.
In der DE 10 2014 220 682 A1 ist ebenfalls ein Brennstoffzellenstapel mit einem in einen Medienport einsetzbaren Element beschrieben, wobei das Element eine Form aufweist, der eine geeignete Verteilung des Mediums auf die Einheitszellen bewirkt. Diese Einsätze in den Versorgungsöffnungen dienen einer Vergleichmäßigung der Druckverteilung des jeweils der Einheitszelle zugeführten bzw. daraus ausgeleiteten Mediums.
Auch in der US 2011/0244353 A1 wird ein Brennstoffzellenstapel beschrieben, der Medienports aufweist, in die ein verstellbares Element einbringbar ist, um eine Gleichverteilung des Druckes für das Medium bereitzustellen. Diese Druckverteilung kann durch Verschieben der Einzelelemente zur Verengung eines Querschnitts der Medienführung variabel eingestellt werden.
In der US 8,227,132 B2 ist ein Brennstoffzellenstapel beschrieben, dem ebenfalls „Header“ zugeordnet sind, die eine seitliche, und damit lateral bezüglich der Stapelrichtung ausgerichtete Zu- und Abfuhr von Medien erlaubt.
Die Anbringung von externen „Headern“ weist den Vorteil auf, dass die Bipolarplatten in ihrem Abmessungen kleiner gestaltet werden können, da Medienports entfallen. Somit kann das für Bipolaplatten teure Material eingespart werden, da die externen Medienführungen, die lateral an den Brennstoffzellenstapel angebracht werden, aus einem kostengünstigeren Material herstellbar sind. Darüber hinaus ist der kostenmäßig aufwändigste Teil einer jeden Brennstoffzelle die aktive Fläche, die zur Stromerzeugung verwendet wird. Es besteht daher die Bestrebung, Einheitszellen baugleich herzustellen. So können verschiedene Leistungsklassen durch das Aufstapeln der Einheitszelle mit einer unterschiedlich großen Anzahl bedient werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bausatz für einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels für eine Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben, womit sich der Brennstoffzellenstapel auf einfache Weise an unterschiedliche Leistungsbedingungen anpassen lässt.
Diese Aufgabe wird mit einem Bausatz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Bausatz umfasst insbesondere eine erste Mehrzahl von in einer Stapelrichtung auf aufeinander stapelbaren, baugleichen Einheitszellen, die jeweils einen oder mehrere Medienkanäle und eine Membranelektrodenanordnung aufweisen, welche eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Membran umfasst. Darüber hinaus weist der Bausatz eine mit der ersten Mehrzahl von Einheitszellen lateral verbindbare und parallel zur Stapelrichtung verlaufende erste Medienführung mit einem ersten nutzbaren Strömungsquerschnitt auf, um ein Medium im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen der Einheitszellen der ersten Mehrzahl von Einheitszellen zu führen. Ferner umfasst der Bausatz eine zweite Mehrzahl der baugleichen Einheitszellen sowie eine mit den beiden aufeinander gestapelten Mehrzahlen von Einheitszellen lateral verbindbare und parallel zur Stapelrichtung verlaufende zweite Medienführung mit einem zweiten nutzbaren Strömungsquerschnitt, der sich vom ersten nutzbaren Strömungsquerschnitt unterscheidet, um ein Medium im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen der Einheitszellen der beiden Mehrzahlen von Einheitszellen zu führen.
Das Verwenden unterschiedlicher Geometrien bei den externen „Headern“, also den lateral ansetzbaren Medienführungen, führt dazu, dass die Medienversorgung des Stapels für jede Leistungsklasse kompromisslos optimal ausgelegt werden kann. Da höhere Leistungsklassen einer Brennstoffzellenvorrichtung zu einem höheren Medienverbrauch führen, wird jede Medienzuführung und/oder Medienableitung dadurch optimiert, dass bei größeren Leistungsklassen die externen Medienführungen mit einem vorzugsweise vergrößerten Leitungsquerschnitt an die gestapelten Einheitszellen angebracht wird.
Für eine optimale Medienversorgung ist es von Vorteil, wenn der erste nutzbare Strömungsquerschnitt der ersten Medienführung geringer ist als der zweite nutzbare Strömungsquerschnitt der zweiten Medienführung.
Um jede Medienzuführung und jede Medienableitung in Abhängigkeit der Anzahl an gestapelten, baugleichen Einheitszellen anpassen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Vielzahl an ersten Medienführungen und eine Vielzahl an zweiten Medienführungen vorhanden sind. Die ersten Medienführungen sind dabei beispielsweise gebildet aus einer ersten Brennstoffzuführung und einer ersten Brennstoffableitung, einer ersten Kathodengaszuführung und einer ersten Kathodengasableitung sowie einer ersten Kühlmittelzuführung und einer ersten Kühlmittelabführung. Die zweiten Medienführungen sind vorzugsweise ihrerseits gebildet aus einer zweiten Brennstoffzuführung und einer zweiten Brennstoffableitung. Die zweiten Medienführungen können darüber hinaus eine zweite Kathodengaszuführung und eine zweite Kathodengasableitung sowie eine zweite Kühlmittelzuführung und eine zweite Kühlmittelableitung aufweisen. Alle zweiten Medienführungen weisen dabei vorzugsweise einen größeren nutzbaren zweiten Strömungsquerschnitt auf, als dies für die ersten Medienführungen der Fall ist.
Eine optimierte Versorgung der aktiven Fläche der gestapelten Einheitszellen lässt sich beispielsweise dadurch hervorrufen, dass die erste Brennstoffzuführung und die zweite Brennstoffzuführung mit einer ersten kurzen Kante der gestapelten Einheitszellen verbindbar sind, und dass die erste Brennstoffableitung und die zweite Brennstoffableitung mit einer zweiten kurzen Kante der gestapelten Einheitszellen verbindbar sind. Somit sind beispielsweise die rechteckig geformten Einheitszellen mit Medienkanälen versehen, die sich bis zum jeweiligen Plattenrand der Einheitszellen erstrecken, wobei die Brennstoffführung von der ersten kurzen Kante über den aktiven Bereich hin zur zweiten kurzen Kante der Einheitszellen vorliegt.
Um ein Kreuzstromprinzip zwischen dem Brennstoff und dem Kathodengas hervorzurufen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die erste Kathodengaszuführung und die zweite Kathodengaszuführung mit einer ersten langen Kante der gestapelten Einheitszellen verbindbar sind, und wenn die erste Kathodengasableitung und die zweite Kathodengasableitung mit einer zweiten langen Kante der gestapelten Einheitszellen verbindbar sind. Die Kathodengasführung kann dabei einer Umlenkung unterliegen, so dass die Kathodengaszuführungen und die Kathodengasableitungen versetzt an den beiden sich gegenüberliegenden langen Kanten angeordnet sind.
Wie bereits für die Kathodengasversorgung erörtert, ist auch für die Kühlmittelversorgung die Möglichkeit gegeben, dass die erste Kühlmittelzuführung und die zweite Kühlmittelzuführung mit einer ersten langen Kante der gestapelten Einheitzellen verbindbar sind, und dass die erste Kühlmittelableitung und die zweite Kühlmittelableitung mit einer zweiten langen Kante der gestapelten Einheitszellen verbindbar sind. Auch hier ist die Möglichkeit vorhanden, dass das Kühlmittel einer Umlenkung unterliegt, so dass die Kühlmittelzuführung an der ersten langen Kante gegenüberliegend der an der zweiten langen Kante vorliegenden Kühlmittelableitung, jedoch versetzt dazu angeordnet ist.
Oftmals ist es nicht erforderlich, dass die nutzbaren Strömungsquerschnitte für die Kühlmittelführung oder für die Kathodengasführung in Abhängigkeit der Anzahl an stapelbaren, baugleichen Einheitszellen sich genauso verändert, wie dies beispielsweise für die Brennstoffversorgung erforderlich ist. In diesem Zusammenhang hat es sich daher als vorteilhaft erwiesen, wenn sich das Verhältnis aus erstem nutzbaren Strömungsquerschnitt und zweitem nutzbaren Strömungsquerschnitt der Brennstoffzuführungen und/oder der Brennstoffableitungen von dem Verhältnis aus erstem nutzbaren Strömungsquerschnitt und zweitem nutzbaren Strömungsquerschnitt der Kathodengaszuführungen und/oder der Kathodengasableitungen unterscheidet. Damit lässt sich zudem Bauraum einsparen.
Um den Brennstoffzellenstapel, sowohl gebildet aus nur der ersten Mehrzahl an Einheitszellen als auch gebildet aus der ersten Mehrzahl an Einheitszellen und der zweiten Mehrzahl an Einheitszellen, an die gegebenen Bauraumbedingungen anpassen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die nutzbaren Strömungsquerschnitte der Kathodengaszuführung und/oder der Kathodengasableitung und/oder der Kühlmittelzuführung und/oder der Kühlmittelableitung rechteckig geformt sind, und wenn die nutzbaren Strömungsquerschnitte der Brennstoffzuführung und/oder der Brennstoffableitung zumindest abschnittsweise, vorzugsweise ausschließlich ein Kreissegment formen.
Es wird an dieser Stelle aber angemerkt, dass die Formgebung der Medienführung und die Positionierung derselben an den gestapelten Einheitszellen nicht einschränkend zu verstehen ist. Deshalb können auch andersartige Formgebungen für die Medienführungen und/oder auch andersartige Positionierungen an den gestapelten Einheitszellen vorliegen.
Das Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels für eine Brennstoffzellenvorrichtung umfasst insbesondere die folgenden Schritte:

- Stapeln einer in Abhängigkeit einer gewünschten Leistungsfähigkeit festgelegten Anzahl an stapelbaren, baugleichen Einheitszellen entlang einer Stapelrichtung, wobei die Einheitszellen jeweils einen oder mehrere Medienkanäle und eine Membranelektrodenanordnung aufweisen, welche eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Membran umfasst,
- Bereitstellen oder Auswählen mindestens einer Medienführung, die einen in Abhängigkeit der zuvor festgelegten Anzahl der gestapelten, baugleichen Einheitszellen nutzbaren Strömungsquerschnitt aufweist, und
- Anbringen der mindestens einen Medienführung lateral bezüglich der Stapelrichtung an die gestapelten, baugleichen Einheitszellen.

Mit diesem Verfahren ist der Vorteil verbunden, dass auf einfache Weise der Brennstoffzellenstapel derart hergestellt werden kann, dass er an die gewünschte Leistungsfähigkeit angepasst ist, wobei die Strömungsquerschnitte der Medienführungen an die Anzahl der gestapelten, baugleichen Einheitszellen angepasst sind.
Auf diese Weise kann die verwendete Einheitszelle unangetastet bleiben, um durch die Verwendung unterschiedlicher Medienführungen eine optimale Medienversorgung bei beliebiger Stapelgröße zu gewährleisten. Durch die unterschiedliche Anzahl an aufgestapelten Einheitszellen sind verschiedene Leistungsklassen des Brennstoffzellenstapels realisierbar.
Um jede Medienführung an einer fest vorgegebenen Stelle des Brennstoffzellenstapels fixieren zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die stapelbaren, baugleichen Einheitszellen ein Paar aus parallel angeordneten und in Stapelrichtung verlaufenden Aufnahmeschlitzen aufweisen, wobei in jedem Aufnahmeschlitz jeweils ein freies Ende der mindestens einen Medienführung aufgenommen wird, und wobei mindestens einer der Aufnahmeschlitze einen Rastsitz aufweist, in welchem ein an zumindest einem der freien Enden angeordnetes Rastglied, insbesondere formschlüssig, aufgenommen wird.
Durch die Verwendung einer aus Rastsitz und Rastglied gebildeten Rasteinrichtung lässt sich die Lage der Medienführung bezüglich der Mehrzahl an gestapelten, baugleichen Einheitszellen festlegen, insbesondere dann, wenn ein Formschluss zwischen Rastsitz und Rastglied vorliegt, der sowohl in lateraler als auch in Stapelrichtung wirksam ist. In einer besonderen Ausgestaltung sind sowohl Rastsitz als auch Rastglied kalottenförmig gebildet.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verbindbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 einen schematisch gezeigten ersten Brennstoffzellenstapel umfassend eine erste Mehrzahl von in einer Stapelrichtung (z-Richtung) gestapelten, baugleichen Einheitszellen in einer Perspektivansicht,
2 einen schematisch gezeigten zweiten Brennstoffzellenstapel umfassend die erste Mehrzahl und eine darauf gestapelte zweite Mehrzahl von in der Stapelrichtung gestapelten, baugleichen Einheitszellen in einer Perspektivansicht,
3 eine schematisch gezeigte, senkrecht bezüglich der Stapelrichtung ausgeführte Schnittansicht durch den Brennstoffzellenstapel nach 1,
4 eine schematisch gezeigte, senkrecht bezüglich der Stapelrichtung ausgeführte Schnittansicht durch den Brennstoffzellenstapel nach 2,
5 einen Bausatz zur Bildung des Brennstoffzellenstapels nach 1 und des Brennstoffzellenstapel nach 2,
6 eine perspektivische Detailansicht des Brennstoffzellenstapels nach den 1 oder 2,
7 eine Detailansicht auf einen der Aufnahmeschlitze zur Aufnahme eines freien Endes einer Medienführung, und
8 eine weitere Detailansicht auf den Aufnahmeschlitz mit einem darin eingesetzten freien Ende der Medienführung.

Es sei vorab darauf hingewiesen, dass die Dimensionen, die Größenverhältnisse und der Maßstab der gezeigten Darstellungen nicht festgelegt sind und variieren können.
In 1 und 3 sind ein erster Brennstoffzellenstapel 1 gezeigt, der eine erste Mehrzahl von in einer Stapelrichtung (z-Richtung) aufeinander gestapelte, baugleichen Einheitszellen 2 umfasst, die jeweils einen oder mehrere Medienkanäle und eine Membranelektrodenanordnung aufweisen, welche eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Membran umfasst.
Der Brennstoffzellenstapel 1 umfasst mehrere mit der ersten Mehrzahl von Einheitszellen 2 lateral verbundene und parallel zur Stapelrichtung verlaufende erste Medienführungen 3, die jeweils einen ersten nutzbaren Strömungsquerschnitt aufweisen, um ein Medium im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen der Einheitszellen 2 der ersten Mehrzahl von Einheitszellen 2 zu führen.
Die ersten Medienführungen 3 untergliedern sich in eine erste Brennstoffzuführung 31, die an einer ersten kurzen Kante 5 der gestapelten Einheitszellen 2 angebracht ist und eine erste Brennstoffableitung 32, die mit der der ersten kurzen Kante 5 gegenüberliegenden zweiten kurzen Kante 6 der gestapelten Einheitszellen 2 verbunden ist.
Ferner ist eine erste Kathodengaszuführung 33 vorhanden, die mit einer ersten langen Kante 7 der gestapelten Einheitszellen 2 verbunden ist, sowie eine erste Kathodengasableitung 34, die mit einer der ersten langen Kante 7 gegenüberliegenden zweiten langen Kante 8 der gestapelten Einheitszellen 2 verbunden ist. Die erste Kathodengaszuführung 33 und die erste Kathodengasableitung 34 sind an den langen Kanten 7, 8 versetzt zueinander angeordnet, so dass die Luft einer Umlenkung im aktiven Bereich der Einheitszellen 2 unterliegt.
Ferner umfassen die ersten Medienführungen 3 eine erste Kühlmittelzuführung 35, die ebenfalls an der ersten langen Kante 7 der gestapelten Einheitszellen 2 angebracht sind, wobei die ersten Medienführungen 3 zusätzlich eine erste Kühlmittelableitung 36 umfassen, die ebenfalls an der zweiten langen Kante 8 der gestapelten Einheitszellen 2 angebracht und versetzt zur ersten Kühlmittelzuführung 35 angeordnet ist.
In den 2 und 4 ist ein zweiter Brennstoffzellenstapel 1 gezeigt, der eine zweite Mehrzahl der baugleichen Einheitszellen 2 umfasst. Diese zweite Mehrzahl ist auf die in 1 und 3 gezeigte erste Mehrzahl von baugleichen Einheitszellen 2 gestapelt. Auch dieser Brennstoffzellenstapel 1 weist mehrere lateral mit den Mehrzahlen von Einheitszellen 2 verbundende und parallel zur Stapelrichtung verlaufende zweite Medienführungen 4 mit einem zweiten nutzbaren Strömungsquerschnitt auf, der sich vom ersten nutzbaren Strömungsquerschnitt unterscheidet, um ein Medium im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen der Einheitszellen 2 der beiden Mehrzahlen von Einheitszellen 2 zu führen.
Auch hier sind insgesamt sechs zweite Medienführungen 4 vorgesehen, wobei die zweiten Medienführungen 4 gebildet sind aus einer zweiten Brennstoffzuführung 41, einer zweiten Brennstoffableitung 42, einer zweiten Kathodengaszuführung 43 und einer zweiten Kathodengasableitung 44 sowie einer zweiten Kühlmittelzuführung 45 und einer zweiten Kühlmittelableitung 46. Alle diese zweiten Medienführungen 4 sind in analoger Weise wie die ersten Medienführungen 3 an den gestapelten beiden Mehrzahlen von Einheitszellen 2 angebracht.
Wie sich anhand der beiden Schnittansichten nach den 2 und 3 entnehmen lässt, sind die nutzbaren Strömungsquerschnitte der Kathodengaszuführung 33, 43 und der Kathodengasableitung 34, 44 und der Kühlmittelzuführung 35, 45 und der Kühlmittelableitung 36, 46 rechteckig geformt. Die nutzbaren Strömungsquerschnitte der Brennstoffzuführungen 31, 41 und der Brennstoffableitungen 32, 42 sind kreissegmentförmig gestaltet.
In 5 ist ein Bausatz für die beiden vorangehend erläuterten Brennstoffzellenstapel 1 gezeigt, der die erste Mehrzahl von in einer Stapelrichtung aufeinandergestapelten, baugleichen Einheitszellen 2 umfasst, die die jeweils einen oder mehrere Medienkanäle und eine Membranelektrodenanordnung aufweisen, welche eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Membran umfasst. Der Bausatz umfasst außerdem insgesamt sechs mit der ersten Mehrzahl von Einheitszellen 2 lateral verbindbare und parallel zur Stapelrichtung verlaufende erste Medienführungen 3 mit einem ersten nutzbaren Strömungsquerschnitt, um ein Medium im wesentlich lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen der Einheitszellen 2 der ersten Mehrzahl von Einheitszellen 2 zu führen.
Die ersten Medienführungen 3 untergliedern sich in eine erste Brennstoffzuführung 31, die an einer ersten kurzen Kante 5 der gestapelten Einheitszellen 2 angebracht ist und eine erste Brennstoffableitung 32, die mit der der ersten kurzen Kante 5 gegenüberliegenden zweiten kurzen Kante 6 der gestapelten Einheitszellen zwei verbunden ist.
Ferner ist eine - der Übersicht halber nicht näher gezeigte - erste Kathodengaszuführung 33 vorhanden, die mit einer ersten langen Kante 7 der gestapelten Einheitszellen 2 verbindbar ist, sowie eine - der Übersicht halber ebenfalls nicht näher gezeigte - erste Kathodengasableitung 34, die mit einer der ersten langen Kante 7 gegenüberliegenden zweiten langen Kante 8 der gestapelten Einheitszellen 2 verbindbar ist. Die erste Kathodengaszuführung 33 und die erste Kathodengasableitung 34 werden an den langen Kanten 7, 8 versetzt zueinander angeordnet, so dass die Luft einer Umlenkung im aktiven Bereich der Einheitszellen 2 unterliegt.
Ferner umfassen die ersten Medienführungen 3 eine - der Übersicht halber nicht näher gezeigte - erste Kühlmittelzuführung 35, die ebenfalls an der ersten langen Kante 7 der gestapelten Einheitszellen 2 angebracht wird, wobei die ersten Medienführungen 3 zusätzlich eine - der Übersicht halber ebenfalls nicht näher gezeigte - erste Kühlmittelableitung 36 umfassen, die auch an der zweiten langen Kante 8 der gestapelten Einheitszellen 2 angebracht und versetzt zur ersten Kühlmittelzuführung 35 angeordnet werden kann.
Der Bausatz umfasst darüber hinaus eine zweite Mehrzahl der baugleichen Einheitszellen 2. Ferner umfasst der Bausatz eine mit den beiden aufeinander gestapelten Mehrzahlen von Einheitszellen 2 lateral verbindbare und parallel zur Stapelrichtung verlaufende zweite Medienführung 4 mit einem zweiten nutzbaren Strömungsquerschnitt, der sich vom ersten nutzbaren Strömungsquerschnitt unterscheidet, um ebenfalls ein Medium im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen der Einheitszellen 2 der beiden Mehrzahlen von Einheitszellen 2 zu führen.
Auch hier sind für den Bausatz insgesamt sechs zweite Medienführungen 4 vorgesehen, wobei die zweiten Medienführungen 4 gebildet sind aus einer zweiten Brennstoffzuführung 41, einer zweiten Brennstoffableitung 42, einer - der Übersicht halber nicht näher gezeigten - zweiten Kathodengaszuführung 43 und einer - der Übersicht halber ebenfalls nicht näher gezeigten - zweiten Kathodengasableitung 44 sowie einer - der Übersicht halber nicht näher gezeigten - zweiten Kühlmittelzuführung 45 und einer - der Übersicht halber ebenfalls nicht näher gezeigten - zweiten Kühlmittelableitung 46. Alle diese zweiten Medienführungen 4 sind in analoger Weise wie die ersten Medienführungen 3 an den gestapelten beiden Mehrzahlen von Einheitszellen 2 anbringbar.
Da es nicht erforderlich ist, dass der Strömungsquerschnitt mit der Anzahl der im Stapel vorhandenen Einheitszellen 2 sowohl für die Kühlmittelversorgung, als auch für die Brennstoffversorgung oder für die Kathodengasversorgung in gleichem Maße variieren muss, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn sich das Verhältnis aus erstem nutzbaren Strömungsquerschnitt und zweitem nutzbaren Strömungsquerschnitt der Brennstoffzuführungen 31, 41 und/oder der Brennstoffableitungen 32, 42 von dem Verhältnis aus erstem nutzbaren Strömungsquerschnitt und zweitem nutzbaren Strömungsquerschnitt der Kathodengaszuführungen 33, 43 und/oder der Kathodengasableitungen 34, 44 unterscheidet.
Ein Brennstoffzellenstapel 1 nach den 1 bis 4 für eine Brennstoffzellenvorrichtung lässt sich durch die folgenden Schritte herstellen:

- Stapeln einer in Abhängigkeit einer gewünschten Leistungsfähigkeit festgelegten Anzahl der stapelbaren, baugleichen Einheitszellen 2 entlang einer Stapelrichtung, wobei die Einheitszellen 2 jeweils einen oder mehrere Medienkanäle, die sich vorzugsweise bis zur Plattenkante erstrecken, und eine Membranelektrodenanordnung aufweisen, welche eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Membran umfasst,
- Bereitstellen oder Auswählen mindestens einer Medienführung 4, die einen in Abhängigkeit der zuvor festgelegten Anzahl der gestapelten, baugleichen Einheitszellen 2 nutzbaren Strömungsquerschnitt aufweist, und
- Anbringen der mindestens einen Medienführung 4 lateral bezüglich der Stapelrichtung an die gestapelten, baugleichen Einheitszellen 2.

Anhand der 6 und 7 ist zu erkennen, dass die stapelbaren, baugleichen Einheitszellen 2 jeweils ein Paar aus parallel angeordneten und in Stapelrichtung verlaufenden Aufnahmeschlitzen 9 aufweisen, wobei in jedem Aufnahmeschlitz 9 jeweils ein freies Ende der mindestens einen Medienführung 3 aufgenommen wird. Es ist von Vorteil, wenn die Medienführungen 3, 4 unter Vorspannung in die Aufnahmeschlitze 9 eingesetzt sind, so dass eine verbesserte Anbindung an den Stapel aus Einheitszellen 2 vorliegt. Zusätzlich kann durch den Druck des Mediums eine Fixierung der Medienführung 3, 4 erfolgen, da eine Kraft gemäß den beiden eingezeichneten Pfeilen wirksam ist. Die Medienführungen 3, 4 sind aus diesem Grunde vorzugsweise elastisch nachgiebig gebildet.
Anhand von 7 ist zu erkennen, dass mindestens einer, insbesondere aber beide der Aufnahmeschlitze 9 jeweils mindestens einen Rastsitz 10 aufweisen, in welchem ein an zumindest einem der freien Enden, vorzugsweise an beiden freien Enden angeordnetes Rastglied 11 aufnehmbar ist. Die durch die Rastsitze 10 und die Rastglieder 11 realisierte Rasteinrichtung ist durch einen Formschluss gebildet, der sowohl in lateraler als auch Stapelrichtung wirkt, so dass die Lage der Medienführungen 3, 4 aufgrund der vorhandenen Rasteinrichtung gegenüber dem Stapel aus baugleichen Einheitszellen 2 festgelegt ist.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenstapel
2: Einheitszelle
3: erste Medienführung
4: zweite Medienführung
5: erste kurze Kante
6: zweite kurze Kante
7: erste lange Kante
8: zweite lange Kante
9: Aufnahmeschlitz
10: Rastaufnahme
11: Rastglied
31: erste Brennstoffzuführung
32: erste Brennstoffableitung
33: erste Kathodengaszuführung
34: erste Kathodengasableitung
35: erste Kühlmittelzuführung
36: erste Kühlmittelableitung
41: zweite Brennstoffzuführung
42: zweite Brennstoffableitung
43: zweite Kathodengaszuführung
44: zweite Kathodengasableitung
45: zweite Kühlmittelzuführung
46: zweite Kühlmittelableitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017210263 A1 [0004]
DE 102014220682 A1 [0005]
US 2011/0244353 A1 [0006]
US 8227132 B2 [0007]

Claims

Bausatz für einen Brennstoffzellenstapel (1), umfassend: - eine erste Mehrzahl von in einer Stapelrichtung aufeinander stapelbaren, baugleichen Einheitszellen (2), die jeweils einen oder mehrere Medienkanäle und eine Membranelektrodenanordnung aufweisen, welche eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Membran umfasst, - eine mit der ersten Mehrzahl von Einheitszellen (2) lateral verbindbare und parallel zur Stapelrichtung verlaufende erste Medienführung (3) mit einem ersten nutzbaren Strömungsquerschnitt, um ein Medium im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen der Einheitszellen (2) der ersten Mehrzahl von Einheitszellen (2) zu führen, - eine zweite Mehrzahl der baugleichen Einheitszellen (2), und - eine mit den beiden aufeinander gestapelten Mehrzahlen von Einheitszellen (2) lateral verbindbare und parallel zur Stapelrichtung verlaufende zweite Medienführung (4) mit einem zweiten nutzbaren Strömungsquerschnitt, der sich vom ersten nutzbaren Strömungsquerschnitt unterscheidet, um ein Medium im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen der Einheitszellen (2) der beiden Mehrzahlen von Einheitszellen (2) zu führen.
Bausatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste nutzbare Strömungsquerschnitt der ersten Medienführung (3) geringer ist als der zweite nutzbare Strömungsquerschnitt der zweiten Medienführung (4).
Bausatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl an ersten Medienführungen (3) und eine Vielzahl an zweiten Medienführungen (4) vorhanden sind, wobei die ersten Medienführungen (2) gebildet sind aus einer ersten Brennstoffzuführung (31) und einer ersten Brennstoffableitung (32), einer ersten Kathodengaszuführung (33) und einer ersten Kathodengasableitung (34) sowie einer ersten Kühlmittelzuführung (35) und einer ersten Kühlmittelableitung (36), und wobei die zweiten Medienführungen (4) gebildet sind aus einer zweiten Brennstoffzuführung (41) und einer zweiten Brennstoffableitung (42), einer zweiten Kathodengaszuführung (43) und einer zweiten Kathodengasableitung (44) sowie einer zweiten Kühlmittelzuführung (45) und einer zweiten Kühlmittelableitung (46).
Bausatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brennstoffzuführung (31) und die zweite Brennstoffzuführung (41) mit einer ersten kurzen Kante (5) der gestapelten Einheitszellen (2) verbindbar sind, und dass die erste Brennstoffableitung (32) und die zweite Brennstoffableitung (42) mit einer zweiten kurzen Kante (6) der gestapelten Einheitszellen (2) verbindbar sind.
Bausatz nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kathodengaszuführung (33) und die zweite Kathodengaszuführung (43) mit einer ersten langen Kante (7) der gestapelten Einheitszellen (2) verbindbar sind, und dass die erste Kathodengasableitung (34) und die zweite Kathodengasableitung (44) mit einer zweiten langen Kante (8) der gestapelten Einheitszellen (2) verbindbar sind.
Bausatz nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kühlmittelzuführung (35) und die zweite Kühlmittelzuführung (45) mit einer ersten langen Kante (7) der gestapelten Einheitszellen (2) verbindbar sind, und dass die erste Kühlmittelableitung (36) und die zweite Kühlmittelableitung (46) mit einer zweiten langen Kante (8) der gestapelten Einheitszellen (2) verbindbar sind.
Bausatz nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Verhältnis aus erstem nutzbaren Strömungsquerschnitt und zweitem nutzbaren Strömungsquerschnitt der Brennstoffzuführungen (31, 41) und/oder der Brennstoffableitungen (32, 42) von dem Verhältnis aus erstem nutzbaren Strömungsquerschnitt und zweitem nutzbaren Strömungsquerschnitt der Kathodengaszuführungen (33, 43) und/oder der Kathodengasableitungen (34, 44) unterscheidet.
Bausatz nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die nutzbaren Strömungsquerschnitte der Kathodengaszuführung (33, 43) und/oder der Kathodengasableitung (34, 44) und/oder der Kühlmittelzuführung (35, 45) und/oder der Kühlmittelableitung (36, 46) rechteckig geformt sind, und dass die nutzbaren Strömungsquerschnitte der Brennstoffzuführung (31, 41) und/oder der Brennstoffableitung (32, 42) zumindest abschnittsweise ein Kreissegment formen.
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels (1) für eine Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend die Schritte: - Stapeln einer in Abhängigkeit einer gewünschten Leistungsfähigkeit festgelegten Anzahl an stapelbaren, baugleichen Einheitszellen (2) entlang einer Stapelrichtung, wobei die Einheitszellen (2) jeweils einen oder mehrere Medienkanäle und eine Membranelektrodenanordnung aufweisen, welche eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Membran umfasst, - Bereitstellen oder Auswählen mindestens einer Medienführung (4), die einen in Abhängigkeit der zuvor festgelegten Anzahl der gestapelten, baugleichen Einheitszellen (2) nutzbaren Strömungsquerschnitt aufweist, und - Anbringen der mindestens einen Medienführung (4) lateral bezüglich der Stapelrichtung an die gestapelten, baugleichen Einheitszellen (2).
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die stapelbaren, baugleichen Einheitszellen (2) ein Paar aus parallel angeordneten und in Stapelrichtung verlaufenden Aufnahmeschlitzen (9) aufweisen, dass in jedem Aufnahmeschlitz (9) jeweils ein freies Enden der mindestens einen Medienführung (3) aufgenommen wird, und dass mindestens einer der Aufnahmeschlitze (9) einen Rastsitz (10) aufweist, in welchem ein an zumindest einem der freien Enden angeordnetes Rastglied (11) aufgenommen wird.