BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellen- stapel, gebildet aus einer Mehrzahl von Gasdiffusionsschichten aufweisen- den Zelleinheiten. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einem verbesserten Brennstoffzellensystem.

Die Zelleinheit eines Brennstoffzellensystem umfasst eine Membran- Elektrodenanordnung, die eine protonenleitfähige Membran aufweist, der auf beiden Seiten jeweils eine Elektrode zugeordnet ist. Die Membran- Elektrodenanordnung ist ausgestaltet, die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle auszuführen. Dabei wird ein Brennstoff, insbesondere Was- serstoff, an die die Anode bildende Elektrode geführt, wo er katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert wird. Diese Protonen werden durch die protonenleitfähige Membran zur Kathode transportiert. Die aus der Zelleinheit abgeleiteten Elektronen fließen über einen elektrischen Verbrau- eher, vorzugsweise über einen Elektromotor zum Antrieb eines Fahrzeugs, oder zu einer Batterie. Anschließend werden die Elektronen zur Kathode ge- leitet oder Elektronen an dieser bereitgestellt. An der Kathode wird das Oxi- dationsmittel, insbesondere Sauerstoff oder sauerstoffenthaltende Luft durch die Aufnahme der Elektronen zu Anionen reduziert, die unmittelbar mit den Protonen zu Wasser reagieren.

Mit Hilfe einer Bipolarplatte werden der Brennstoff und das Kathodengas an Gasdiffusionsschichten geleitet, die die jeweiligen Gase diffus verteilt an die Elektroden der Membranelektronenanordnung führen. Mehrere dieser Zelleinheiten werden zu einem Brennstoffzellenstapel zu- sammengefasst, um die Leistung des Brennstoffzellensystems zu erhöhen.

In der Praxis hat sich gezeigt, dass die randseitigen Zelleinheiten sich in ih- rem Verhalten von den Zelleinheiten aus der Mitte des Brennstoffzellensta- pels unterscheiden, da nämlich die bei der elektrochemischen Reaktion er- zeugte Wärme von den randseitigen Zelleinheiten schneller an die Umge- bung des Brennstoffzellenstapels abgegeben wird, so dass die randseitigen Zelleinheit stärker abkühlen als die Zelleinheiten aus der Mitte des Brenn- stoffzellenstapels. Die randseitigen Zelleinheiten besitzen weiterhin eine niedrigere Spannung und es besteht das Risiko, dass durch Flutung der randseitigen Zelleinheiten diese in ihrer Lebensdauer eingeschränkt werden und die Froststartfähigkeit verlieren, wenn nämlich die Umgehungstempera- tur unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser liegt.

Zur Vermeidung der mit dem Wärmeverlust der randseitigen Zelleinheiten bestehenden Probleme ist vorgeschlagen worden, elektrische Endzellheizer zu verwenden, die den Wärmeverlust der randseitigen Zelleinheiten aktiv kompensieren, wodurch allerdings Energie verbraucht wird, die den Wir- kungsgrad des Brennstoffzellenstapels verringert. Schwierigkeiten bereitet auch, dass die elektrischen Endzelleinheiten eine genaue Temperatursenso- rik benötigen, um in Verbindung mit Betriebskennfeldern des Brennstoffzel- lenstapels und der Endzellheizer exakt die benötigte Wärme in die randseiti- ge Zelleinheit einzubringen.

Die DE 11 2004 001 327 B3 zeigt ein Brennstoffzellensystem bestehend aus mehreren Brennstoffzellenstapeln, die von Verteiler unterteilt sind, durch die ein Kühlmittel fließt, wodurch innere Zellen des Brennstoffzellenstapels ge- kühlt werden.

Die WO 2008106946 A2 zeigt eine Wärmeleitplatte, die in einem Zellstapel zwischen Zelleinheiten angeordnet ist, um Wärme aus dem Inneren des Zellstapels zu entfernen. Die DE 21 2012 000 223 U1 zeigt bei einem Brennstoffzellenstapel eine Kühlvorrichtung, mit der Wärme aus dem Inneren des Brennstoffzellensta- pels abgeleitet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem bereit- zustellen, bei dem die vorstehend geschilderten Probleme beseitigt oder zu- mindest gemildert sind. Aufgabe ist weiterhin, ein Kraftfahrzeug mit einem verbesserten Brennstoffzellensystem bereitzustellen.

Der das Brennstoffzellensystem betreffende Teil der Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit dem Merkmalsbestand des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Er- findung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der das Kraftfahr- zeug betreffende Teil der Aufgabe wird gelöst durch ein Kraftfahrzug mit dem Merkmalsbestand des Anspruches 10.

Gemäß der Erfindung weisen die Zelleinheiten eines Brennstoffzellenstapels keine uniformen thermischen Eigenschaften auf, sondern bei mindestens einer der randseitigen Zelleinheiten weist die Gasdiffusionsschicht gegen- über der Gasdiffusionsschicht einer Zelleinheit aus der Mitte des Brennstoff- zellenstapels einen Wärmetransportmechanismus verminderter Effizienz auf, so dass der erhöhte Wärmeverlust der randseitigen Zelleinheit kompensiert werden kann durch eine verminderte Wärmeabgabe. Dabei kann prinzipiell jeder bekannte Wärmetransportmechanismus ausgenutzt werden; da aller dings eine Modifikation des strömungsgebundenen Wärmetransportes an der Gasdiffusionsschicht gegenüber den mittigen Zelleinheiten nur schwierig ge- staltet werden kann, ist es bevorzugt, wenn die Wärmeleitfähigkeit der Gas- diffusionsschicht der randseitigen Zelleinheit gegenüber der Wärmeleitfähig- keit der Gasdiffusionsschicht der Zelleinheit aus der Mitte des Brennstoffzel- lenstapels reduziert ist, wobei die Vorteile der Erfindung besonders deutlich hervortreten, wenn an den beiden Rändern des Brennstoffzellenstapels Zel- leinheiten mit der modifizierten Gasdiffusionsschicht angeordnet sind. Mit der Erfindung wird erreicht, dass die in den randseitigen Zelleinheiten (mit Gasdiffusionsschichten verminderter Effizienz oder mit sogenannten modifizierten Gasdiffusionsschichten) produzierte Wärme langsamer an die Umgebung abgegeben wird als bei Zelleinheiten mit nicht modifizierter Gas- diffusionsschicht, so dass die Temperatur der randseitigen Zelleinheit sich erhöht, wobei die Modifikation der Wärmeleitfähigkeit der Gasdiffusions- schicht durch das Herstellungsverfahren der Gasdiffusionsschichten und de- ren Nachbehandlung beeinflusst werden kann und eine Abstimmung der Wärmeleitfähigkeit an das Ausmaß des Wärmeverlustes an der Randlage möglich ist.

Ganz besonders bevorzugt ist im Rahmen der Erfindung, wenn eine Mehr- zahl von randseitigen benachbarten Zelleinheiten zu einem Zelleinheiten- block zusammengefasst ist, in dem die Wärmeleitfähigkeit der Gasdiffusi- onsschicht der beteiligten Zelleinheiten gegenüber der Wärmeleitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht in einer mittigen Zelleinheit reduziert ist. Mit dieser Ausführungsform ist der Vorteil verbunden, dass die Kompensation der Wärmeverluste nicht mit nur einer randseitigen Zelleinheit erreicht werden muss, sondern mehrere benachbarte Zelleinheiten benutzt werden können, um die gewünschte Wirkung durch den gesamten Zelleinheitenblock zu er- reichen.

Der Wärmeverlust in dem Zelleinheitenblock zum Rand hin ist nicht konstant, so dass es günstig ist, wenn die Wärmeleitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht der beteiligten Zelleinheiten in dem Zelleinheitenblock zum Rand hin abfällt, wobei insbesondere die Wärmeleitfähigkeit der Gasdiffusionsschichten in dem Zelleinheitenblock kontinuierlich, insbesondere in einem Gradienten abfallen kann, so dass im Ergebnis eine konstante Temperatur der Zellein- heiten über die gesamte Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels erreichbar ist.

Allerdings bestehen Kostenvorteile, wenn weniger unterschiedliche Bauteile und damit Zelleinheiten für die Fertigung eines Brennstoffzellenstapels benö- tigt werden, so dass die Möglichkeit besteht, dass die Wärmeleitfähigkeit der Gasdiffusionsschichten in den Zelleinheiten stufenweise, mit mehreren Zel- leinheiten auf einer Stufe abfällt. Zweckmäßig hat sich dabei erwiesen, wenn der Zelleinheitenblock zwischen drei und zwanzig Zellen umfasst. Da auf beiden Randlagen des Brennstoffzellenstapels entsprechende Zelleinheiten- blocke eingesetzt werden können, stehen zwischen 6 und 40 Zelleinheiten zur Verfügung, um über die gesamte Ausdehnung des Brennstoffzellensta- pels eine einheitliche Temperatur der einzelnen Zelleinheiten zu erzeugen. Es hat sich mit anderen Worten also als vorteilhaft erwiesen, wenn zwei der Zelleinheitenblöcke vorgesehen sind, und wenn jeweils einer der Zelleinhei- tenblöcke die Zelleinheiten in der Mitte des Brennstoffzellenstapels randseitig begrenzt.

Ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem mit den vorstehend ge- schilderten Eigenschaften zeichnet sich durch eine verbesserte Energieeffi- zienz aus, da insbesondere elektrische Endzellheizer verzichtbar sind und die gesamte in dem Brennstoffzellensystem erzeugte Energie über das Kraft- fahrzeug genutzt werden kann.

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 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel, gebildet aus Zelleinheiten mit in Abhängigkeit ihrer Lage in den Brennstoffzellenstapel modifi- zierten Gasdiffusionsschichten,

Fig. 2 die Darstellung der Wärmeleitfähigkeit der Gasdiffusionsschicht einer Zelleinheit in Abhängigkeit von deren Lage im Brennstoff- zellenstapel,

Fig. 3 die Darstellung der Temperaturverteilung in einer Zelleinheit in

Abhängigkeit von deren Lage in dem Brennstoffzellenstapel aus Figur 2, Fig. 4 eine der Figur 4 entsprechende Darstellung mit einer in Stufen angepassten Wärmeleitfähigkeit der Gasdiffusionsschichten randständiger Zelleinheiten,

Fig. 5 eine der Figur 3 entsprechende Darstellung der Temperatu rver- teilung zu dem Brennstoffzellenstapel aus Figur 4,

Fig. 6 eine der Figur 2 entsprechende Darstellung der Verteilung der

Wärmeleitfähigkeit eines aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellenstapels,

Fig. 7 eine der Figur 3 entsprechende Darstellung der Temperaturver- teilung zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Brenn- stoffzellenstapel aus Fig. 6.

In der Figur 1 ist von einem Brennstoffzellensystem schematisch ein Brenn- stoffzellenstapel 1 gezeigt, der aus mehreren Zelleinheiten 2, 4 besteht, in denen die elektrischochemische Reaktion zur Bereitstellung elektrischer Energie abläuft. Der Brennstoffzellenstapel 1 wird von einem Kühlmittel 3 durchströmt, das dazu bestimmt ist, innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 überschüssige Wärme 8 abzuführen und eine Temperatur 7 im optimalen Temperaturintervall bereitzustellen. Die randseitigen Zelleinheiten 2 verlieren Wärme 8 allerdings nicht nur durch das Kühlmittel 3, sondern indem sie Wärme 8 auch an die Umgebung abgeben, so dass die Temperatur 7 der randseitigen Zelleinheiten 2 absinkt und insbesondere auch das optimale Temperaturintervall verlassen wird, wie in Fig. 7 dargestellt. Um dies zu kompensieren, weist die Gasdiffusionsschicht mindestens einer der randsei- tigen Zelleinheiten 2 gegenüber der Gasdiffusionsschicht einer Zelleinheit 4 aus der Mitte des Brennstoffzellenstapels 1 einen Wärmetransportmecha- nismus mit verminderter Effizienz auf, nämlich bei dem gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel eine reduzierte Wärmeleitfähigkeit 9 der Gasdiffusionsschicht der randseitigen Zelleinheiten 2 an beiden Randlagen. Figur 2 zeigt die Verteilung der Wärmeleitfähigkeit 9 der Gasdiffusionsschich- ten in Abhängigkeit der Lage der Zelleinheit 2, 4 innerhalb des Brennstoffzel- lenstapels 1 , wobei ersichtlich ist, dass eine Mehrzahl von randseitigen be- nachbarten Zelleinheiten 2 zu einem Zelleinheitenblock 5 zusammengefasst sind, in dem die Wärmeleitfähigkeit 9 der Gasdiffusionsschicht der beteiligten Zelleinheiten 2 gegenüber der Wärmeleitfähigkeit 9 der Gasdiffusionsschicht einer mittigen Zelleinheit 4 reduziert ist, nämlich insbesondere kontinuierlich reduziert ist, so dass sich ein Gradient der Wärmeleitfähigkeit 9 der Gasdif- fusionsschichten in dem Zelleinheitenblock 5 ergibt. Dies resultiert darin, dass entsprechend der Darstellung in Figur 3 über die gesamte Länge des Brennstoffzellenstapels 1 eine konstante Temperaturverteilung vorliegt.

Figur 4 verweist auf die Möglichkeit, dass auch die Wärmeleitfähigkeit 9 der Gasdiffusionsschichten in dem Zelleinheitenblock 5 stufenweise, mit mehre- ren Zelleneinheiten 2 auf einer Stufe 6, gewählt werden kann, damit insge- samt der Brennstoffzellenstapel 1 mit weniger unterschiedlichen Bauteilen gebildet werden kann und damit Kostenvorteile bei der Produktion und Mon- tage bestehen. Die Figur 5 zeigt wiederum die Temperaturverteilung, die sich aus der Verteilung der Wärmeleitfähigkeit 6 der Gasdiffusionsschichten in den randseitigen Zelleinheiten 2 ergibt, wobei sich zeigt, dass diese Tempe- raturverteilung gegenüber der aus dem Stand der Technik, in Figur 7 gezeig- ten Temperaturverteilung deutlich verbessert ist.

Es ist darauf hinzuweisen, dass der Zelleinheitenblock 5 an jeder Randlage zwischen 2 und 20 Zelleinheiten 2 umfassen kann, wobei insbesondere 10 Zelleinheiten 2 pro Zelleinheitenblock 5 im Hinblick auf die reduzierte Kom- plexität gegenüber der Wahl mit 20 Zelleinheiten 2 bevorzugt ist. BEZUGSZEICHENLISTE: 1 Brennstoffzellenstapel

2 randseitige Zelleinheit

3 Kühlmittel

4 mittige Zelleinheit

5 Zelleinheitenblock

6 Stufe

7 Temperatur

8 Wärme

9 Wärmeleitfähigkeit

10 Zellnummer