Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von zu einem Stapel aufgestapelten Einzelzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Zum Betrieb von Brennstoffzellenstapel sind neben dem eigentlichen Brennstoffzellenstapel mit seinen elektrochemisch aktiven Einzelzellen verschiedene Peripheriebauteile notwendig. Diese umfassen insbesondere Komponenten zur Aufbereitung der als Sauerstofflieferant genutzten Zuluft und können Ladeluftkühler und Befeuchter umfassen. Die DE 10 2007 038 880 A1 der Anmelderin beschreibt in diesem Zusammenhang eine Brennstoffzellenanordnung mit einem Brennstoffzellenstapel, einem Ladeluftkühler und einem Befeuchter, welche zur einer Baueinheit zusammengefasst sind.

Die DE 10 2007 008214 B4 beschreibt deshalb die Integration eines Befeuchters in jede einzelne elektrochemische Zelle, was jedoch mit erheblichem Aufwand einhergeht.

Eine Vereinfachung bietet dagegen ein Aufbau, bei welchem vergleichbare Strömungsplatten, wie für den Aufbau der elektrochemischen Einzelzellen, auch für den Befeuchter genutzt werden können. Diese lassen sich dann relativ einfach und deutlich effizienter als in der eingangs genannten Schrift, in welche verschiedene Bauteile zusammengefasst werden, in den Stapel der Einzelzellen integrieren. Ein solcher Aufbau ist in der US 5,200,278 A beschrieben.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin einen Brennstoffzellenstapel noch weiter zu optimieren, um ein mit ihm ausgerüstetes Brennstoffzellensystem kompakt und kostengünstig umsetzen zu können. Merkmalen im Anspruch 1 , und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel ist es so, dass dieser, vergleichbar wie der Brennstoffzellenstapel im zuletzt genannten Stand der Technik, eine Vielzahl von aufgestapelten Einzelzellen umfasst, und dass in den Stapel ein Befeuchter integriert ist, welcher an einem Ende der Einzelzellen angeordnet ist. Prinzipiell wären auch zwei Befeuchter an beiden Enden der Einzelzellen des Stapels denkbar. Erfindungsgemäß ist es so, dass auf der den Einzelzellen abgewandten Seite des wenigstens einen Befeuchters ein Ladeluftkühler angeordnet ist. Strömungsplatten, welche zum Verteilen von Fluiden in den wenigstens drei Abschnitten des Stapels vorhanden sind, weisen bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel dieselbe äußere Geometrie auf. Die eingesetzten Strömungsplatten sind also bezüglich ihrer äußeren Geometrie identisch gestaltet, sodass sie problemlos zu einem Gesamtstapel aufgestapelt werden können. Die Konzepte zur Abdichtung zwischen den einzelnenn Strömungsplatten sowie zur Verbindung der Einzelzellen und der Abschnitte des gesamten Stapels lassen sich als von den bisherigen elektrochemischen Einzelzellen auf die weiteren Abschnitte des Befeuchters und des Ladeluftkühlers übertragen.

Damit entsteht ein sehr einfacher Aufbau, welcher durch die Integration von Befeuchter und Ladeluftkühler in den Brennstoffzellenstapel und der Nutzung derselben Geometrie für alle Strömungsplatten kompakt und kostengünstig realisiert werden kann.

Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist es dabei vorgesehen, dass die Strömungsplatten jedes Abschnitts parallel und die wenigstens drei Abschnitte in Reihe durchströmt sind, wobei die einströmende Luft zuerst den Ladeluftkühler, dann den Befeuchter und dann die Kathodenseite der Einzelzellen durchströmt. Dieser Aufbau stellt sicher, dass der gesamte eintretende Luftstrom gleichmäßig abgekühlt und befeuchtet wird, bevor er in die Einzelzellen eintritt. Prinzipiell ließe sich dieser Aufbau auch auf den Wasserstoffstrom übertragen, welcher nach dem entspannen entsprechend vorgewärmt und dann befeuchtet würde, wobei im allgemeinen eine Befeuchtung des hinsichtlich in PEM-Technologie realisierten Einzelzellen ausreichend zu befeuchten.

Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist es ferner vorgesehen, dass die Anschlussöffnungen der Strömungsplatten der wenigstens drei Abschnitte dieselbe Geometrie aufweisen, wobei zwischen den Abschnitten Verteilerplatten für die Medien angebracht sind. Die Anschlussöffnungen, welche in einem Stapel typischerweise ein durchgehendes Volumen zur Verteilung der Medien auf die parallel durchströmten Strömungsfelder der Einzelzellen ausbilden, sind also vorzugsweise in allen Strömungsplatten identisch ausgeführt. Dies bedeutet, dass jede Strömungsplatte eine der anodenseitigen Zuströmöffnung und Abströmöffnung entsprechende Öffnung eine der kathodenseitigen Zustrom- und Abströmöffnung entsprechende Öffnung und eine der Kühlmedienzuström und -abströmöffnung entsprechende Öffnung analog zu den Strömungsplatten der elektrochemischen Einzelzellen beinhaltet. Um sicherzustellen, dass die gemäß der oben beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung angedachte Durchströmung der Abschnitte in Reihe erfolgt, sind dann entsprechende Verteilerplatten für die Medien zwischen den Abschnitten angeordnet, welche die hierfür gegebenenfalls notwendige Umlenkung der Strömung und die Abdichtung der durch die fluchtend angeordneten

Anschlussöffnungen ausgebildeten Kanäle der Abschnitte zueinander sicherstellen oder, beispielsweise bei den Anschlussöffnungen für das Kühlmedium auch entsprechend gewährleisten, wenn dies durch den Bereich des Ladeluftkühlers und/oder des Befeuchters lediglich durchgeleitet wird.

Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels sieht es vor, dass in dem als Ladeluftkühler genutzten Abschnitt wärmeleitfähige, temperaturbeständige Folien zwischen jeweils zwei Strömungsplatten angeordnet sind, welche wechselseitig vom zuströmenden Gas und vom abströmenden Gas durchströmt werden. Die einzelnen Strömungsplatten können für den Abschnitt des Wärmetauschers ebenso wie für den Abschnitt des Befeuchters also so ausgebildet sein, dass auf ihrer einen Oberfläche Strömungskanäle für den einen der Gasströme, beispielsweise das zugeführte Gas, ausgebildet sind und auf ihrer gegenüberliegenden Seite Strömungskanäle für das abströmende Gas. Die Platten werden dann wechselseitig jeweils verdreht angeordnet, sodass zwischen den Platten im Falle des im Falle des als Befeuchter genutzten Abschnitts für Wasserdampf durchlässige Membranen positioniert werden. Hierdurch wird ein einfacher und effizienter Aufbau möglich.

Der Aufbau lässt sich dabei auf einer oder auf beiden Seiten der Einzelzellen an den jeweiligen Stapelenden realisieren. Dies kann außerdem dazu beitragen, dass das Thermomanagement der im Endbereich des Stapels liegenden Einzelzellen entsprechend verbessert wird, weil diese nun benachbart zu den Befeuchtern liegen und nicht aufgrund ihrer Anordnung benachbart zu den Endplatten des Stapels stärker abkühlen, was bei Aufbauten gemäß dem Stand der Technik zum Teil schwierig ist. Damit lässt sich der Aufbau der Endplatten nochmals vereinfachen, da auf eine elektrische Beheizung derselben in einem Aufbau des Stapels gemäß der Erfindung zumindest dann verzichtet werden kann, wenn diese nicht benachbart zu den Einzelzellen, sondern benachbart zu dem Aufbau aus Ladeluftkühler und Befeuchter angeordnet sind.

In dem als Ladeluftkühler genutzten Abschnitt des Brennstoffzellenstapels lässt sich ergänzend oder alternativ zu dem beschriebenen Aufbau zum Wärmeaustausch zwischen dem zuströmenden und abströmenden Gas auch ein Aufbau realisieren, welcher vergleichbar wie die Aufbauten der Strömungsfelder bei den elektrochemischen Zellen diese so aufweist, dass sie auf ihrer einen Seite ein Strömungsfeld für eines der Medien aufweisen und auf ihrer anderen Seite eines für ein Kühlmedium. Werden zwei derartige Platten Rücken an Rücken miteinander verbunden, entsteht ein Aufbau bei welchem auf der einen Seite beispielsweise die Zuluft, auf der anderen Seite des Sandwichs die Abluft und dazwischen ein Kühlmedium strömen kann. Werden diese wiederrum wechselseitig mit der dazwischen angeordneten Folien beispielsweise aus Metall oder Grafit angeordnet, findet einerseits ein Wärmetausch zwischen den Medien durch diese Folien hindurch statt und andererseits erfolgt eine zusätzliche Temperierung, insbesondere eine zusätzliche Abkühlung durch das Kühlmedium, welches bereits zur Kühlung der Einzelzellen genutzt worden ist. Dabei ist die Durchströmung im Idealfall so, dass zuerst die Einzelzellen von dem Kühlmedium durchströmt werden und dann ein so aufgebauter Abschnitt des Brennstoffzellenstapels, welcher als Ladeluftkühler genutzt wird. Vergleichbar lässt sich dies auch im Bereich des Befeuchters realisieren, sodass auch hier die Aufbauten entsprechend denen der elektrochemischen Einzelzellen, jedoch ohne die Gasdiffusionslagen und Katalysatoren, realisiert werden können. Prinzipiell ließen sich hier sogar dieselben Membranen einsetzten, wobei durch kostengünstigere Membranen hier ein weiterer Vorteil zu erzielen ist. Auch hier könnte das Kühlmedium mitgenutzt werden, um eine Abkühlung der zuströmenden Gase während der Befeuchtung zu realisieren.

Dabei ist es so, dass derartige Brennstoffzellenstapel, vorzugsweise in PEM-Technologie ausgebildet sein können und insbesondere, nicht jedoch ausschließlich, in Fahrzeugen zum Einsatz kommen. In solchen Fahrzeugen, beispielsweise bei Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeugen, wie insbesondere Lastkraftwagen, dienen sie zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung aus mitgeführtem Wasserstoff und aus aus der Umgebung angesaugter Luft als Sauerstofflieferant.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten möglichen Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine alternative mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels in einer Darstellung analog zu der in Figur 1 ;

Fig. 3 Draufsicht auf eine Strömungsplatte wie sie beispielsweise im Bereich des als Ladeluftkühler oder Befeuchter genutzten Abschnitts eingesetzt werden kann;

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Ausschnitt von Strömungsplatten in dem als Ladeluftkühler und/oder Befeuchter genutzten Abschnitt mit Strömungsplatten gemäß Figur 3;

Fig. 5 eine Strömungsplatte analog zu der in Figur 3 in einer alternativen Ausgestaltung; und

Fig. 6 ein Aufbau analog zu dem in Figur 4 mit Strömungsplatten gemäß dem in Figur 5 gezeigten Aufbau. In der Darstellung der Figur 1 ist ein möglicher Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 1 in einer Ausgestaltung gemäß der Erfindung gezeigt. Zwischen zwei mit 2 bezeichneten Endplatten befinden sich dabei drei Abschnitte. Ein elektrochemischer Abschnitt 3, welcher mit einer Vielzahl von Einzelzellen zur Bereitstellung der elektrischen Leistung vorgesehen ist. Dieser Abschnitt 3 besteht aus aufgestapelten Einzelzellen in PEM- Technologie und entspricht im Wesentlichen einem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel beziehungsweise Brennstoffzellenstack. Im Anschluss befindet sich ein Befeuchterabschnitt 4, gefolgt von einem Wärmetauscherabschnitt 5. Der Befeuchterabschnitt 4 dient zur Befeuchtung der in den elektrochemischen Abschnitt 3 einströmenden Zuluft in dem Feuchte aus der Abluft der elektrochemischen Abschnitts 3 zur Befeuchtung genutzt wird. Der Aufbau ist dabei ein Plattenbefeuchter mit für Wasserdampf durchlässige Membranen 22, welche später noch gezeigt sind.

Der Wärmetauscherabschnitt 5 dient als Ladeluftkühler, um die nach ihrer Kompression typischerweise und heiße und trockene Zuluft entsprechend abzukühlen, beispielsweise von nach der Verdichtung üblichen Temperaturen von 200 bis 250 °C auf ein Temperaturniveau von ca. 100 °C beispielsweise 80 bis 120 °C. der Strömungsweg ist nun anhand der Pfeile gezeigt. Die Zuluft strömt auf der einen Seite des Wärmetauscherabschnitts 5 an dem mit 6 bezeichneten Punkt in diesen ein und durchströmt diesen. Sie wird dann von einer hier nicht dargestellten Verteilplatte umgelenkt, nachdem sie die Strömungsplatten des Wärmetauscherabschnitts 5 parallel durchströmt hat. Nun strömt sie in Reihe dazu durch den Befeuchterabschnitt 4, innerhalb dessen sie die einzelnen Strömungsplatten ebenfalls parallel zueinander durchströmt. Der so abgekühlte und befeuchtete Zuluftstrom gelangt dann im Bereich einer weiteren Verteilplatte und zu dem hier mit 7 bezeichneten Punkt in den elektrochemischen Abschnitt 3 und durchströmt dessen Einzelzellen parallel. Die feuchte Abluft aus dem elektrochemischen Abschnitt 3 gelangt dann an dem mit 8 bezeichneten Punkt wiederrum in den Befeuchterabschnitt 4 und gibt die in ihr enthaltene Feuchte an die Zuluft ab. Die Abluft strömt dann in den Wärmetauscherabschnitt 5 und nimmt Wärme von dem Zuluftstrom auf, bevor sie am Punkt 9 aus dem Brennstoffzellenstapel 1 wieder abströmt. Ende des elektrochemischen Abschnitts 3 vorgesehen und zwischen die Endplatten 2 des Aufbaus integriert. Alternativ dazu könnte der Aufbau auch wie in Figur 2 angedeutet gestaltet sein. In diesem Fall ist der Aufbau, ohne dass hier die Strömung nochmals explizit eingezeichnet ist, an beiden Enden des elektrochemischen Abschnitts 3 entsprechend integriert, was zusätzliche Verbindungsleitungen erforderlich macht. Außerdem sind die beiden Endplatten 2 in herkömmlicher Art unmittelbar benachbart zu dem elektrochemischen Abschnitt 3 angeordnet, während auf beiden Seiten die Befeuchterabschnitte 4 und die Wärmetauscherabschnitte 5 als Ladeluftkühler außerhalb der Endplatten 2 vorgesehen sind. Beide Aufbauten gemäß den Figuren 1 und 2 ließen sich dabei beliebig miteinander kombinieren, so könnte also der Aufbau beispielsweise auch auf beiden Seiten des elektrochemischen Abschnitts 3 innerhalb der Endplatten 2 vorgesehen sein, oder nur auf einer Seite, analog zur Darstellung in Figur 1 aber außerhalb der Endplatte 2, wie es in Figur 2 angedeutet ist.

Die einzelnen Abschnitte 3, 4, 5 umfassen nun Strömungsplatten 10, 10‘. Diese Strömungsplatten 10, 10‘ welche häufig als Bipolarplatten ausgebildet sind, sind prinzipiell für den Fachmann aus dem Bereich des elektrochemischen Abschnitts und hier der Einzelzellen grundlegend bekannt. Diese Art von Strömungsplatten lässt sich nun weitgehend identisch auch in den anderen Abschnitten 4, 5 entsprechend einsetzten, wobei hier insbesondere auch auf kostengünstigere Materialien und Herstellungsverfahren für die Strömungsplatten gewechselt werden kann, ohne jedoch die Geometrie derselben, und dies bezieht sich insbesondere auf die äußere Geometrie und die Geometrie von Anschlussöffnungen, zu verändern. Der gesamte Aufbau kann dann in der vom elektrochemischen Abschnitt 3 bekannten Art und Weise gestapelt und über Dichtungen zwischen den einzelnen Strömungsplatten 10, 10‘ einfach, zuverlässig und in der an sich bekannten Art und Weise abgedichtet werden.

In der Darstellung der Figur 3 ist eine Draufsicht auf einen möglichen Aufbau zweier solchen Strömungsplatten 10, 10‘ zu erkennen. Sie umfassen auf jeder Seite drei Anschlussöffnungen. Diese Anschlussöffnungen sind mit dem Bezugszeichen 11 , 12 und 13 auf der einen Seite und 14, 15, 16 auf der anderen Seite bezeichnet. Bei der hier links dargestellten Strömungsplatte 10 sollen nun über ein Strömungsfeld 17 die Anschlüsse 11 und 16 auf der dem Betrachter zugewandten Seite miteinander 17 und den jeweiligen Anschlussöffnungen 11 und 16, den sogenannten Manifolds 18, entsprechend angedeutet ist. Es bildet sich so ein mit 20 bezeichneter Strömungskanal aus. Auf der gegenüberliegenden hier nicht sichtbaren Seite der Strömungsplatte 10 sind dann die beiden Kühlwasseranschlüsse 12, 15 miteinander verbunden. Es bildet sich somit ein mit 19 bezeichneter Kühlmedienkanal aus. Auf der nächsten Strömungsplatte 10‘, welche hier rechts dargestellt ist, sind wiederrum auf der einen Seite die Kühlwasseranschlüsse 12 und 15 miteinander verbunden während auf der sichtbaren Seite die Anschlüsse 13 und 14 miteinander verbunden sind. Es bildet sich somit ein mit 21 bezeichneter Strömungskanal aus. Wie aus dem Bereich der Strömungsplatten 10, 10‘ im elektrochemischen Abschnitt 3 bekannt, werden diese Strömungsplatten 10, 10‘ nun mit ihren Rückseiten aneinander positioniert, sodass zwischen den Strömungsplatten 10, 10‘ der Kanal 19 für das Kühlmedium entsteht. Werden diese Aufbauten 100 aus miteinander verbundenen Strömungsplatten 10, 10‘ nun jeweils gespiegelt zueinander aufgestapelt, liegen sich zwischen den einzelnen Aufbauten 100 aus Strömungsplatten 10, 10‘ immer die von dem einen Medium durchströmten Kanäle 20 und die von dem anderen Medium durchströmten Kanäle 21 gegenüber. Dies ist in der schematischen Schnittdarstellung der Figur 4 durch einen kleinen Ausschnitt des jeweiligen Abschnitts 4, 5 zu erkennen. Zwischen den Einzelplatten 10, 10‘ des Aufbaus 100 ergibt sich dann der hier mit 19 bezeichneter Kanal für das Kühlmedium auf der einen Seite des Aufbaus, beispielsweise auf der Oberfläche der Strömungsplatte 10, ergibt sich der mit 20 bezeichneter Kanal für das eine Medium dem gegenüber auf der Oberfläche der anderen Strömungsplatte 10‘ ein Kanal für das andere Medium. Dieser ist mit 21 bezeichnet. Zwischen den Kanälen 20, 21 für das eine und das andere Medium ist, und so ist es in der Darstellung der Figur 4 erkennbar, nun eine Membran oder Folie 22 angeordnet. Im Bereich des Befeuchterabschnitts 4 kann diese Membran oder Folie 22 eine für Wasserdampf durchlässige Membran sein, welche so ein Austausch von Wasserdampf zwischen den in dem Kanal 20 und 21 strömenden Medien ermöglicht. Deshalb werden hier die trockene Zuluft und die feuchte Abluft in den jeweiligen Kanälen 20, 21 geleitet, um so durch die feuchte Abluft die trockene Zuluft in dem Befeuchterabschnitt 4 befeuchten zu können. Im Bereich des Wärmetauscherabschnitts 5 sind solche Membranen typischerweise ungeeignet, weil sie die relativ hohen Temperaturen der verdichteten, trockenen und heißen Zuluft nicht oder nicht dauerhaft aushalten. Aus diesem Grund können hier Metallfolien, Grafitfolien als temperaturbeständig sind und einen guten Wärmeaustausch zwischen der heißen Zuluft und der deutlich kühleren Abluft ermöglichen. Zusätzlich kann in beiden Fällen über das in dem Kühlkanal 19, analog zum Aufbau der Einzelzellen im elektrochemischen Bereich 3 strömende Kühlmedium eine Temperierung mit erreicht werden.

Alternativ zu diesem in den Figuren 3 und 4 beschriebenen Aufbau ist jedoch auch eine Variante denkbar, welche entsprechend einfacher gestaltet ist, und auf die zusätzliche Durchströmung mit Kühlmedium und den hierfür notwendigen Kühlkanal 19 verzichtet. Dafür ist dann lediglich eine einzige Strömungsplatte 10 notwendig, wie sie in der Darstellung der Figur 5 entsprechend angedeutet ist. Diese Strömungsplatte 10 entspricht in ihrer Geometrie der zuvor gezeigten Strömungsplatte 10. Auf der hier nicht erkennbaren Rückseite sind dann nicht die Öffnungen 12 und 15 miteinander verbunden, sondern die Öffnungen 13 und 14, sodass quasi ein Aufbau geschaffen wird, welcher auf der einen Seite die eine Seite der zuvor beschriebenen Strömungsplatte 10 und auf der anderen Seite die eine Seite der zuvor beschriebenen Strömungsplatte 10‘ aufweist. Diese Strömungsplatten 10 können nun abwechselnd gespiegelt zueinander mit den Membranen oder Folien 22 direkt aufgestapelt werden, wie es in der Darstellung der Figur 6 analog zur Darstellung in Figur 4 angedeutet ist. Dieser Aufbau lässt sich noch einfacher und kompakter realisieren und kann insbesondere ohne eine aktive Kühlung der Abschnitte 4 und 5 auskommen. Dabei wäre es selbstverständlich auch denkbar, nur einen der Abschnitte aktiv zu kühlen, den Aufbau also gemäß Figur 3 und 4 zu gestalten und den anderen der Abschnitte nicht, und dort den Aufbau gemäß den Figuren 5 und 6 vorzunehmen.

Dabei ist es so, dass die übliche Geometrie der Anschlussöffnungen 11 bis 16 auch hier Verwendung finden kann, um insbesondere bei einer integrierten Anordnung zwischen den Endplatten die Geometrie des Stapels über alle Abschnitte 3, 4, 5 hinweg gleich zu halten. Die typischerweise für das Kühlwasser vorgesehenen Öffnungen 12 und 15 können dann beispielsweise nicht verwendet werden oder können auch mit anderen Öffnungen zusammengelegt werden. So können beispielsweise die Öffnungen 11 und 12 als gemeinsame Einströmöffnung für das eine Medium genutzt werden und dementsprechend die Öffnungen 15 und 16 als gemeinsame Abströmöffnungen. Dies kann beispielsweise durch eine Verbindung der einzelnen Öffnungen im Kopf- und Manifolds 18 mit dem Strömungsfeld 17 verbunden werden. Prinzipiell ist es auch denkbar innerhalb des Strömungsfeldes 17 getrennte Abschnitte für die eine und die andere Strömung vorzusehen. Hier sind alle Varianten denkbar und möglich, insbesondere entsprechend der Auslegung des Befeuchterabschnitts 4 oder Wärmetauscherabschnitts 5 und der gemäß dieser Auslegung in den jeweiligen Abschnitten 4, 5 benötigten Volumenströme und Strömungsquerschnitte.