EP4073859A1

EP4073859A1 - Bausatz für einen brennstoffzellenstapel und verfahren zur herstellung eines brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: EP4073859A1
Application number: EP21705899.9A
Authority: EP
Inventors: Norbert KLUY; Markus GRETZER
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2021-02-11
Publication date: 2022-10-19
Also published as: US12537214B2; WO2021175553A1; JP2023516726A; CN115176366A; DE102020106091A1; US20220416285A1; 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

Bausatz für einen Brennstoffzellenstapel und

Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft einen Bausatz für einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels einer Brennstoff zellenvorrichtung. Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu er zeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente eine soge nannte Membranelektrodenanordnung, die ein Verbund aus einer protonen leitenden Membran und jeweils einer, beidseits an der Membran angeordne- ten 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 Brenn stoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zuge führt, 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 wassergebun dener 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 Sau erstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Re duktion von O2 zu O² unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Memb- ran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Dieses Wasser muss aus der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt wer den, bis ein Feuchteniveau erreicht ist, das zum Betrieb der Brennstoffzel lenvorrichtung erforderlich ist.

Brennstoffzellenvorrichtungen werden in unterschiedlichsten Systemen, bei spielsweise in Kraftfahrzeugen, in Nutzfahrzeugen oder auch in der Haus technik verwendet, so dass eine Vielzahl an unterschiedlichen Anforderun gen 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 Tempe rierung 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 senk recht zur Stapelrichtung eines Brennstoffzellenstapels.

Eine solche Medienführung bzw. ein solcher „externer Header“ ist beispiels weise der DE 102017 210263 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 flexi bel 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 die nen einer Vergleichmäßigung der Druckverteilung des jeweils der Einheits zelle zugeführten bzw. daraus ausgeleiteten Mediums. Auch in der US 2011/0244353 A1 wird ein Brennstoffzellenstapel beschrie ben, 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 Ver engung 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 be züglich der Stapelrichtung ausgerichtete Zu- und Abfuhr von Medien erlaubt.

Die Anbringung von externen „Headern“ weist den Vorteil auf, dass die Bipo larplatten in ihrem Abmessungen kleiner gestaltet werden können, da Medi enports entfallen. Somit kann das für Bipolaplatten teure Material eingespart werden, da die externen Medienführungen, die lateral an den Brennstoffzel lenstapel angebracht werden, aus einem kostengünstigeren Material her stellbar 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 Ein heitszelle mit einer unterschiedlich großen Anzahl bedient werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Bausatz für ei nen Brennstoffzellenstapel sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Brenn stoffzellenstapels für eine Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben, womit sich der Brennstoffzellenstapel auf einfache Weise an unterschiedliche Leis tungsbedingungen 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. Vor teilhafte 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 Ein heitszellen, die jeweils einen oder mehrere Medienkanäle und eine Membra nelektrodenanordnung 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 Einheits zellen 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 Mehrzah len von Einheitszellen lateral verbindbare und parallel zur Stapelrichtung ver laufende zweite Medienführung mit einem zweiten nutzbaren Strömungs querschnitt, der sich vom ersten nutzbaren Strömungsquerschnitt unter scheidet, 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 Medien versorgung des Stapels für jede Leistungsklasse kompromisslos optimal ausgelegt werden kann. Da höhere Leistungsklassen einer Brennstoffzellen vorrichtung zu einem höheren Medienverbrauch führen, wird jede Medienzu führung und/oder Medienableitung dadurch optimiert, dass bei größeren Leistungsklassen die externen Medienführungen mit einem vorzugsweise vergrößerten Leitungsquerschnitt an die gestapelten Einheitszellen ange bracht wird.

Für eine optimale Medienversorgung ist es von Vorteil, wenn der erste nutz bare 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 Medienführun gen und eine Vielzahl an zweiten Medienführungen vorhanden sind. Die ers ten Medienführungen sind dabei beispielsweise gebildet aus einer ersten Brennstoffzuführung und einer ersten Brennstoffableitung, einer ersten Ka thodengaszuführung und einer ersten Kathodengasableitung sowie einer ersten Kühlmittelzuführung und einer ersten Kühlmittelabführung. Die zwei ten Medienführungen sind vorzugsweise ihrerseits gebildet aus einer zweiten Brennstoffzuführung und einer zweiten Brennstoffableitung. Die zweiten Me dienführungen können darüber hinaus eine zweite Kathodengaszuführung und eine zweite Kathodengasableitung sowie eine zweite Kühlmittelzufüh rung und eine zweite Kühlmittelableitung aufweisen. Alle zweiten Medienfüh rungen weisen dabei vorzugsweise einen größeren nutzbaren zweiten Strö mungsquerschnitt 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 Brennstoffzu führung und die zweite Brennstoffzuführung mit einer ersten kurzen Kante der gestapelten Einheitszellen verbindbar sind, und dass die erste Brenn stoffableitung und die zweite Brennstoffableitung mit einer zweiten kurzen Kante der gestapelten Einheitszellen verbindbar sind. Somit sind beispiels weise 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 Kreuzstrom prinzip zwischen dem Brennstoff und dem Kathodengas hervorzurufen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die erste Kathoden gaszuführung 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 zwei ten langen Kante der gestapelten Einheitszellen verbindbar sind. Die Katho dengasführung kann dabei einer Umlenkung unterliegen, so dass die Katho- dengaszuführungen und die Kathodengasableitungen versetzt an den beiden sich gegenüberliegenden langen Kanten angeordnet sind.

Wie bereits für die Kathodengasversorgung erörtert, ist auch für die Kühlmit telversorgung die Möglichkeit gegeben, dass die erste Kühlmittelzuführung und die zweite Kühlmittelzuführung mit einer ersten langen Kante der gesta pelten Einheitzellen verbindbar sind, und dass die erste Kühlmittelableitung und die zweite Kühlmittelableitung mit einer zweiten langen Kante der gesta pelten Einheitszellen verbindbar sind. Auch hier ist die Möglichkeit vorhan den, dass das Kühlmittel einer Umlenkung unterliegt, so dass die Kühlmittel zuführung an der ersten langen Kante gegenüberliegend der an der zweiten langen Kante vorliegenden Kühlmittelableitung, jedoch versetzt dazu ange ordnet 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 verän dert, 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 Strömungs querschnitt und zweitem nutzbaren Strömungsquerschnitt der Kathodengas zuführungen 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 Einheitszel len und der zweiten Mehrzahl an Einheitszellen, an die gegebenen Bau raumbedingungen 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 Medien führung 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 Positi onierungen an den gestapelten Einheitszellen vorliegen.

Das Verfahren zur Fierstellung eines Brennstoffzellenstapels für eine Brenn stoffzellenvorrichtung 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 mehre re 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 ei nen 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 ge wünschte Leistungsfähigkeit angepasst ist, wobei die Strömungsquerschnitte der Medienführungen an die Anzahl der gestapelten, baugleichen Einheits zellen 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 Brennstoff zellenstapels fixieren zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die stapelbaren, baugleichen Einheitszellen ein Paar aus parallel angeordne ten und in Stapelrichtung verlaufenden Aufnahmeschlitzen aufweisen, wobei in jedem Aufnahmeschlitz jeweils ein freies Ende der mindestens einen Me dienführung aufgenommen wird, und wobei mindestens einer der Aufnahme schlitze einen Rastsitz aufweist, in welchem ein an zumindest einem der freien Enden angeordnetes Rastglied, insbesondere formschlüssig, aufge nommen wird.

Durch die Verwendung einer aus Rastsitz und Rastglied gebildeten Rastein richtung 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 late raler als auch in Stapelrichtung wirksam ist. In einer besonderen Ausgestal tung sind sowohl Rastsitz als auch Rastglied kalottenförmig gebildet.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmals kombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmals kombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, son dern 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 Merkmals kombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeug bar sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfüh rungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen: Fig. 1 einen schematisch gezeigten ersten Brennstoffzellenstapel um fassend eine erste Mehrzahl von in einer Stapelrichtung (z- Richtung) gestapelten, baugleichen Einheitszellen in einer Per spektivansicht,

Fig. 2 einen schematisch gezeigten zweiten Brennstoffzellenstapel um fassend die erste Mehrzahl und eine darauf gestapelte zweite Mehrzahl von in der Stapelrichtung gestapelten, baugleichen Ein- heitszellen in einer Perspektivansicht,

Fig. 3 eine schematisch gezeigte, senkrecht bezüglich der Stapelrich tung ausgeführte Schnittansicht durch den Brennstoffzellenstapel nach Figur 1 ,

Fig. 4 eine schematisch gezeigte, senkrecht bezüglich der Stapelrich tung ausgeführte Schnittansicht durch den Brennstoffzellenstapel nach Figur 2, Fig. 5 einen Bausatz zur Bildung des Brennstoffzellenstapels nach Figur 1 und des Brennstoffzellenstapel nach Figur 2,

Fig. 6 eine perspektivische Detailansicht des Brennstoffzellenstapels nach den Figuren 1 oder 2,

Fig. 7 eine Detailansicht auf einen der Aufnahmeschlitze zur Aufnahme eines freien Endes einer Medienführung, und

Fig. 8 eine weitere Detailansicht auf den Aufnahmeschlitz mit einem da rin eingesetzten freien Ende der Medienführung.

Es sei vorab darauf hingewiesen, dass die Dimensionen, die Größenverhält nisse und der Maßstab der gezeigten Darstellungen nicht festgelegt sind und variieren können. In Figuren 1 und 3 sind ein erster Brennstoffzellenstapel 1 gezeigt, der eine erste Mehrzahl von in einer Stapelrichtung (z-Richtung) aufeinander gesta pelte, 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 verlau fende erste Medienführungen 3, die jeweils einen ersten nutzbaren Strö mungsquerschnitt 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 Brennstoffzu führung 31 , die an einer ersten kurzen Kante 5 der gestapelten Einheitszel len 2 angebracht ist und eine erste Brennstoffableitung 32, die mit der der ersten kurzen Kante 5 gegenüberliegenden zweiten kurzen Kante 6 der ge stapelten Einheitszellen 2 verbunden ist.

Ferner ist eine erste Kathodengaszuführung 33 vorhanden, die mit einer ers ten 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 Katho dengasableitung 34 sind an den langen Kanten 7, 8 versetzt zueinander an geordnet, so dass die Luft einer Umlenkung im aktiven Bereich der Einheits zellen 2 unterliegt.

Ferner umfassen die ersten Medienführungen 3 eine erste Kühlmittelzufüh rung 35, die ebenfalls an der ersten langen Kante 7 der gestapelten Ein heitszellen 2 angebracht sind, wobei die ersten Medienführungen 3 zusätz lich 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 Figuren 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 Figur 1 und 3 gezeigte erste Mehrzahl von bauglei chen 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, wo bei die zweiten Medienführungen 4 gebildet sind aus einer zweiten Brenn stoffzuführung 41 , einer zweiten Brennstoffableitung 42, einer zweiten Ka thodengaszuführung 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 Ein heitszellen 2 angebracht.

Wie sich anhand der beiden Schnittansichten nach den Figuren 2 und 3 ent nehmen lässt, sind die nutzbaren Strömungsquerschnitte der Kathodengas zuführung 33, 43 und der Kathodengasableitung 34, 44 und der Kühlmittelzu führung 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 Figur 5 ist ein Bausatz für die beiden vorangehend erläuterten Brennstoff zellenstapel 1 gezeigt, der die erste Mehrzahl von in einer Stapelrichtung aufeinandergestapelten, baugleichen Einheitszellen 2 umfasst, die die je weils einen oder mehrere Medienkanäle und eine Membranelektrodenanord- nung aufweisen, welche eine Kathode, eine Anode und eine zwischen der Kathode und der Anode angeordnete Membran umfasst. Der Bausatz um fasst außerdem insgesamt sechs mit der ersten Mehrzahl von Einheitszellen 2 lateral verbindbare und parallel zur Stapelrichtung verlaufende erste Medi enführungen 3 mit einem ersten nutzbaren Strömungsquerschnitt, um ein Medium im wesentlich lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medien kanälen der Einheitszellen 2 der ersten Mehrzahl von Einheitszellen 2 zu führen.

Die ersten Medienführungen 3 untergliedern sich in eine erste Brennstoffzu führung 31 , die an einer ersten kurzen Kante 5 der gestapelten Einheitszel len 2 angebracht ist und eine erste Brennstoffableitung 32, die mit der der ersten kurzen Kante 5 gegenüberliegenden zweiten kurzen Kante 6 der ge stapelten Einheitszellen zwei verbunden ist.

Ferner ist eine - der Übersicht halber nicht näher gezeigte - erste Katho dengaszuführung 33 vorhanden, die mit einer ersten langen Kante 7 der ge stapelten Einheitszellen 2 verbindbar ist, sowie eine - der Übersicht halber ebenfalls nicht näher gezeigte - erste Kathodengasableitung 34, die mit ei ner der ersten langen Kante 7 gegenüberliegenden zweiten langen Kante 8 der gestapelten Einheitszellen 2 verbindbar ist. Die erste Kathodengaszufüh rung 33 und die erste Kathodengasableitung 34 werden an den langen Kan ten 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 ers ten langen Kante 7 der gestapelten Einheitszellen 2 angebracht wird, wobei die ersten Medienführungen 3 zusätzlich eine - der Übersicht halber eben falls 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 aufeinan der gestapelten Mehrzahlen von Einheitszellen 2 lateral verbindbare und pa rallel zur Stapelrichtung verlaufende zweite Medienführung 4 mit einem zwei ten nutzbaren Strömungsquerschnitt, der sich vom ersten nutzbaren Strö mungsquerschnitt unterscheidet, um ebenfalls ein Medium im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen der Einheitszel len 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 Kathodengaszufüh rung 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 Me dienführungen 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 Kühlmittelversor gung, als auch für die Brennstoffversorgung oder für die Kathodengasver sorgung in gleichem Maße variieren muss, hat es sich als vorteilhaft erwie sen, 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 Strömungsquer schnitt der Kathodengaszuführungen 33, 43 und/oder der Kathodengasablei tungen 34, 44 unterscheidet.

Ein Brennstoffzellenstapel 1 nach den Figuren 1 bis 4 für eine Brennstoffzel lenvorrichtung lässt sich durch die folgenden Schritte hersteilen: Stapeln einer in Abhängigkeit einer gewünschten Leistungsfähigkeit festgelegten Anzahl der stapelbaren, baugleichen Einheitszellen 2 ent lang einer Stapelrichtung, wobei die Einheitszellen 2 jeweils einen oder mehrere Medienkanäle, die sich vorzugsweise bis zur Plattenkante er strecken, 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 Figuren 6 und 7 ist zu erkennen, dass die stapelbaren, bauglei chen Einheitszellen 2 jeweils ein Paar aus parallel angeordneten und in Sta pelrichtung verlaufenden Aufnahmeschlitzen 9 aufweisen, wobei in jedem Aufnahmeschlitz 9 jeweils ein freies Ende der mindestens einen Medienfüh rung 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. Zusätz lich 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 elas tisch nachgiebig gebildet.

Anhand von Figur 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, vorzugs weise 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 Stapel richtung wirkt, so dass die Lage der Medienführungen 3, 4 aufgrund der vor- handenen Rasteinrichtung gegenüber dem Stapel aus baugleichen Einheits zellen 2 festgelegt ist.

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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

Claims

ANSPRÜCHE:

Bausatz für einen Brennstoffzellenstapel (1), umfassend:

- eine erste Mehrzahl von in einer Stapelrichtung aufeinander stapel baren, 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 verbindba re und parallel zur Stapelrichtung verlaufende erste Medienführung (3) mit einem ersten nutzbaren Strömungsquerschnitt, um ein Medi um im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen der Einheitszellen (2) der ersten Mehrzahl von Ein heitszellen (2) zu führen,

- eine zweite Mehrzahl der baugleichen Einheitszellen (2), und

- eine mit den beiden aufeinander gestapelten Mehrzahlen von Ein heitszellen (2) lateral verbindbare und parallel zur Stapelrichtung ver laufende zweite Medienführung (4) mit einem zweiten nutzbaren Strömungsquerschnitt, der sich vom ersten nutzbaren Strömungs querschnitt unterscheidet, um ein Medium im Wesentlichen lateral zur Stapelrichtung in die oder aus den Medienkanälen der Einheits zellen (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 Medien führung (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 Medienführun gen (2) gebildet sind aus einer ersten Brennstoffzuführung (31) und ei ner ersten Brennstoffableitung (32), einer ersten Kathodengaszufüh rung (33) und einer ersten Kathodengasableitung (34) sowie einer ers- ten 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 Ka thodengasableitung (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) ver bindbar sind, und dass die erste Brennstoffableitung (32) und die zweite Brennstoffableitung (42) mit einer zweiten kurzen Kante

(6) der gesta pelten Einheitszellen (2) verbindbar sind.

Bausatz nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kathodengaszuführung (33) und die zweite Kathodengaszufüh rung (43) mit einer ersten langen Kante (7) der gestapelten Einheitszel len (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 Kühlmittelzufüh rung (45) mit einer ersten langen Kante

(7) der gestapelten Einheitszel len (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 Brennstoffzuführun gen (31, 41) und/oder der Brennstoffableitungen (32, 42) von dem Ver hältnis aus erstem nutzbaren Strömungsquerschnitt und zweitem nutz- baren Strömungsquerschnitt der Kathodengaszuführungen (33, 43) und/oder der Kathodengasableitungen (34, 44) unterscheidet.

8. 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.

9. 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 ei nen oder mehrere Medienkanäle und eine Membranelektrodenano rdnung aufweisen, welche eine Kathode, eine Anode und eine zwi schen der Kathode und der Anode angeordnete Membran umfasst,

- Bereitstellen oder Auswählen mindestens einer Medienführung (4), die einen in Abhängigkeit der zuvor festgelegten Anzahl der gesta pelten, baugleichen Einheitszellen (2) nutzbaren Strömungsquer schnitt aufweist, und

- Anbringen der mindestens einen Medienführung (4) lateral bezüglich der Stapelrichtung an die gestapelten, baugleichen Einheitszellen (2).

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die stapel baren, baugleichen Einheitszellen (2) ein Paar aus parallel angeordne ten und in Stapelrichtung verlaufenden Aufnahmeschlitzen (9) aufwei sen, 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.