Die DE 44 42 285 Cl offenbart eine luftgekühlte PEM (Polymer- Elektrolyt-Membran) Brennstoffzelle, die eine negative Pol- platte, eine negative Elektrode, eine Membran, eine positive Elektrode und eine positive Polplatte, wobei die beiden Pol- platten (oder : Separatorplatten) mit der Membran durch ein Rahmenelement mechanisch fest, gasdicht und elektronisch iso- lierend verbunden sind. Um die Membran vor dem Austrocknen zu bewahren, werden die zugeführten Prozeßgase zumindest teil- weise befeuchtet. Dazu werden die Prozeßgase durch einen Be- feuchter, z. B. einen Membranbefeuchter, geleitet, in dem ih- nen verdampftes Wasser zugesetzt wird. Bei flüssigkeitsge- kühlten Brennstoffzellen werden die Befeuchter von der ver- brauchten Kühlflüssigkeit durchflossen und dadurch aufge- heizt. Die Auskopplung der Wärme aus Kühlluft ist jedoch auf- wendiger und bislang gibt es keine geeigneten Warmetauscher, die die zur Verdampfung notwendige Warme aus der verbrauchten Kühlluft zugänglich machen. Deshalb muß bei der luftgekühlten Brennstoffzelle diese Verdampfungsenergie bisher extern auf- gebracht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vor- richtung und ein Verfahren zu schaffen, durch welche die Ab- wärme einer luftgekühlten PEM-Brennstoffzelle nutzbar gemacht wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Warmetauscherzelle nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 4. Weitere Ausge- staltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü-

chen, der Beschreibung, den Figuren und den Erläuterungen da- zu.

Gegenstand der Erfindung ist eine Wärmetauscherzelle zur Nut- zung der Abwärme einer luftgekühlten Brennstoffzelle, die zu- mindest zwei End- oder Separatorplatten und eine wärmeleitfå- hige Kontaktplatte umfaßt, wobei im Betrieb sich auf der ei- nen Seite der Kontaktplatte die verbrauchte Kühlluft und auf der anderen Seite ein Medium, das die Wärme aufnehmen kann, befindet. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Nutzung der Abwärme einer luftgekühlten Brennstoffzelle, bei dem die verbrauchte Kühlluft durch einen Stapel von Wär- metauscherzellen geleitet wird und dabei ihre Wärme abgibt.

Es ist vorteilhaft, wenn die Wärmetauscherzelle zur Nutzung der Abwärme direkt an die BZ-Batterie anschließt, so daß kei- ne Wärme über Zwischenleitungen verlorengeht.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zumin- dest eine Wärmetauscherzelle in einen Befeuchter, durch den die Prozeßgase oder ein Prozeßgas für die BZ-Batterie gelei- tet wird, integriert. Dabei ist jede dort integrierte Wärme- tauscherzelle so aufgebaut, daß eine erste Separatorplatte mit der wärmeleitfähigen Kontaktplatte einen Gasraum um- schließt, in dem die verbrauchte Kühlluft aus dem BZ-Stapel geführt wird und eine zweite Separatorplatte mit der Kontakt- platte einen Raum umschließt, in dem mittig eine Befeuch- termembran angeordnet ist. Die Befeuchtermembran definiert mit der Kontaktplatte den Raum, in dem das Wasser zur Be- feuchtung über die Kontaktplatte mit der Abwärme des BZ- Stapels erhitzt wird, und begrenzt mit der Separatorplatte den Raum, in dem das zu befeuchtende Prozeßgas geführt wird (vgl. Figur 2).

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung grenzt an je- de Brennstoffzelle direkt eine Wärmetauscherzelle an, so daß

die verbrauchte Kühlluft direkt zur Erwärmung genutzt wird (vgl. Figur 3).

Als Wärmetauscherzelle wird eine Zelle bezeichnet, die zumin- dest zwei Separatorplatten und eine wärmeleitfähige Kontakt- platte umfaßt. Diese drei Platten sind z. B. durch Filterpres- sentechnik, durch seitliche Klammerung, durch einen Falz, durch Löten, oder durch Verkleben verbunden. Die beiden Sepa- ratorplatten sind bevorzugt aus billigem, leichtem und wärme- leitfähigem Material, z. B. Kunststoff oder Metall, aus dem sie massenfertigungstauglich und kostengünstig herstellbar ist. Bevorzugt haben die Separatorplatten Verteilungskanäle wie die entsprechenden Pol- oder Separatorplatten der Brenn- stoffzelle, damit eine möglichst große Oberfläche zur Arme- abgabe zur Verfügung steht. Die wärmeleitfähige Kontaktplatte sollte ebenso geprägt und/oder geformt und auch wieder aus möglichst billigem und leichtem Material sein, dessen Wärme- leitfähigkeit direkt die Effizienz und den energetischen Nut- zen der Erfindung mitbestimmt.

Die Verteilungskanäle sind z. B. Rillen und/oder Nuten, die bevorzugt in die Platten eingeprägt sind.

Im folgenden wird die Erfindung noch anhand von schematisch vereinfacht dargestellten Beispielen näher erläutert : Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Wär- metauscherzelle Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine an- dere Wärmetauscherzelle und Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung aus einem Brennstoffzellenstapel mit anschließendem Wärmetauscherzellenstapel.

In Figur 1 ist die einfachste Form der Wärmetauscherzelle 1 im Querschnitt gezeigt : Oben und unten jeweils eine Separa- torplatte 2,3 und in der Mitte die wärmeleitfähige Kontakt- platte 4. Auf die Darstellung der bevorzugt auch vorhandenen Verteilungskanäle wurde der Einfachheit halber verzichtet.

Die Separatorplatte 2 umschließt mit der Kontaktplatte 4 ei- nen Raum 5, durch den die verbrauchte Kühlluft geleitet wird.

Dadurch erwärmt sich die Kontaktplatte 4 auch auf der Seite, die in den Raum 6 zeigt und den die Kontaktplatte mit der Se- paratorplatte 3 umschließt. Im Raum 6 befindet sich das zu erwärmende Medium, z. B. die Fahrgastinnenraumluft eines mit PEM-Brennstoffzellen angetriebenes Fahrzeugs. Zur Beheizung des Fahrgastinnenraumes bei diesen Fahrzeugen kann aus Si- cherheitsgründen nicht direkt die verbrauchte Kühlluft genom- men werden.

Bevorzugt werden mehrere Wärmetauscherzellen zu einem Stapel zusammengefaßt (z. B. mittels Filterpressentechnik und/oder gelötet), der direkt an den Brennstoffzellenstapel an- schließt. Dann grenzt die obere Seite der Separatorplatte 2 wieder an einen dem Raum 6 entsprechenden Raum der oberen Wärmetauscherzelle. Dabei wird die Separatorplatte 2 bevor- zugt auch aus wärmeleitfähigem Material sein, damit auch ein Wärmeübergang von der Separatorplatte 2 auf das zu erwärmende Medium stattfinden kann. In diesem Fall sind bevorzugt beide Seiten der Separatorplatten mit Verteilungskanälen versehen, so daß eventuell eine wellblechartige Struktur vorteilhaft sein kann. Die Randabdichtungen und die Leitungen sind unkri- tisch, solange die diversen Gas- und Medienräume ausreichend dicht voneinander getrennt sind.

Die Kontaktplatte 4 ist bevorzugt immer beidseitig mit Ver- teilungskanalen versehen. Das zu erwärmende Medium ist bevor- zugt Luft oder Wasser (z. B. als stationäre Anwendung zur Er- wärmung von Brauchwasser) oder eine sonstige Flüssigkeit. Die Wärmetauscherzelle kann aber auch zur Erwärmung x-beliebiger Medien genutzt werden.

In Figur 2 ist wieder ein schematischer Querschnitt durch ei- ne Wärmetauscherzelle zu sehen. Oben erkennt man wieder die Separatorplatte 2, die mit der Kontaktplatte 4 den Raum 5 um- schließt in dem die verbrauchte Kühlluft geführt wird. Der Raum 6, den die Kontaktplatte mit der unteren Separatorplatte 3 umschließt, ist bei dieser Ausgestaltung der Erfindung, bei der die verbrauchte Kühlluft zur Heizung des Befeuchters ge- nutzt wird, durch eine Befeuchtermembran 7 unterteilt. Ober- halb der Befeuchtermembran 7, im Raum 6b, fließt das Wasser, das erhitzt werden soll und unterhalb der Befeuchtermembran 7, im Raum 6a strömt das Prozeßgas, das befeuchtet werden soll.

Die Befeuchtermembran ist aus wasserpermeablem Kunststoff oder aus einem anderen wasserleitenden Material. Sie kann na- türlich auch identisch mit der protonenleitenden Membran aus der Brennstoffzelle sein.

In Figur 3 wird eine Anordnung eines Brennstoffzellenstapels mit angrenzendem Wärmetauscherzellenstapel gezeigt. Links im Bild ist der Brennstoffzellenstapel l, der nach dem Stand der Technik aufgebaut ist und an seiner gezeigten vorderen End- platte die Prozeßgasein- und Auslässe (4,5,6 und 7) hat. Mit den Pfeilen angedeutet ist jeweils die Richtung, in der das Prozeßgas (Oxidans und/oder Brennstoff) strömt, so daß zu er- kennen ist, ob es sich um einen Gasein- oder aulaß handelt.

Mit dem Pfeil 3 wird die Richtung gezeigt in der die Kühlluft die beiden Stapel 1 und 2 durchströmt, wobei sie im Brenn- stoffzellenstapel 1 erwärmt wird und diese Wärme im Wärmetau- scherzellenstapel 2 wieder abgibt.

Angrenzend an den Brennstoffzellenstapel 1 ist der Wärmetau- scherzellenstapel 2 angeordnet. Er ist konstruktiv mit dem BZ-Stapel fast identisch, nur daß wesentliche Vereinfachungen und Verbilligungen bzgl. Isolation, elektrischer Leitfähig-

keit, Anforderungen an das Material (Korrosionsbeständigkeit, etc) möglich sind, ohne seine Funktionalität zu beeinträchti- gen. Der Wärmetauscherzellenstapel 2 hat auch an seiner ge- zeigten Endplatte Ein- und Auslässe. Für die gezeigte Ausfüh- rungsform, bei der die Wärmetauscherzellen in einen Befeuch- ter integriert sind, ist 8 der Einlaß des trockenen Prozeßga- ses, 9 der Auslaß des befeuchteten Prozeßgases, 10 der Einlaß des Befeuchtungswassers und 11 der Auslaß des Befeuchtungs- wassers.