Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung für einen Stapel elektrochemischer Zellen, wobei die Heizvorrichtung eine Heizlage und eine erste thermische Isolierlage umfasst. Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel umfassend die Heizvorrichtung sowie ein Verfahren zum Erwärmen von Teilen des Brennstoffzellenstapels.

Stand der Technik

Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H ₂ ) und Sauerstoff (O ₂ ) in Wasser (H ₂ O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.

Unter anderem sind Protonenaustauschmembran(Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.

Ferner sind Festoxidbrennstoffzellen, die auch als solid oxide fuel cells (SOFC) bezeichnet werden, bekannt. SO FC- Brennstoffzellen besitzen eine höhere Betriebstemperatur und Abgastemperatur als PEM-Brennstoffzellen und finden insbesondere im stationären Betrieb Anwendung. Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode.

Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:

0 + 4H ⁺ + 4e - 2H ₂ 0

Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.

Ein Brennstoffzellenstapel weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Brennstoffzellen miteinander verpressen und dem Brennstoffzellenstapel Stabilität verleihen. Die Endplatten können auch als Pluspol beziehungsweise Minuspol des Brennstoffzellenstapels zum Ableiten des Stroms verwendet werden, wenn keine separaten Stromsammler zwischen den jeweils äußeren Brennstoffzellen und den Endplatten angeordnet sind.

Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zu einer Membran- Elektroden- Anordnung (MEA) zusammengefasst sein, die auch als membrane electrode assembly bezeichnet wird.

Brennstoffzellenstapel weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Bipolarplatten weisen üblicherweise eine Oberflächenstruktur, beispielsweise kanalartige Strukturen, zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen auch zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers.

Zusätzlich können die Bipolarplatten Strukturen zur Durchleitung eines Kühlmediums durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.

Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran.

Die Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel werden häufig über senkrecht zur Membran der Brennstoffzelle angeordnete Zuführkanäle beziehungsweise Abführkanäle mit Medien, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, versorgt. Auch werden Medien über diese Zuführkanäle beziehungsweise Abführkanäle abgeführt. Die Zuführkanäle beziehungsweise Abführkanäle sind durch Ports, die auch als Fluidanschlüsse bezeichnet werden können, mit der Brennstoffzelle, insbesondere mit den Bipolarplatten, verbunden.

Jede Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel ist über die Ports üblicherweise mit den anderen Brennstoffzellen verbunden. Von den Ports werden die Medien durch Port-Durchführungen in das eigentliche sogenannte Flow Field, die aktive Fläche der Bipolarplatte, geführt.

Ein Brennstoffzellenstapel besteht typischerweise aus bis zu einigen Hundert einzelnen Brennstoffzellen, die lagenweise als sogenannte Sandwiches aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen eine Membran-Elektroden-Anordnung sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf.

Die Zuführkanäle bzw. Abführkanäle, die auch als Medienkanäle bezeichnet werden können, liegen für die Verteilung der von außerhalb des Brennstoffzellenstapels zugeführten und wieder nach außen abgeführten Medien üblicherweise am Rand des Brennstoffzellenstapels. Die Zuführkanäle bzw. Abführkanäle verlaufen üblicherweise senkrecht durch die einzelnen Bipolarplatten und werden durch deckungsgleich übereinander angeordnete Aussparungen, die die Ports bilden, erzeugt. Der Brennstoffzellenstapel wird üblicherweise durch zwei Endplatten abgeschlossen. Benachbart zu den Endplatten ist üblicherweise jeweils ein Stromsammler angeordnet. Die Endplatten weisen in der Regel Portstrukturen auf, in die die Ports von innerhalb des Brennstoffzellenstapels münden.

Werden Brennstoffzellenstapel bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser in Betrieb genommen, kann gefrorenes Wasser insbesondere an den Portstrukturen auftreten. Dies kann auch auftreten, wenn der Brennstoffzellenstapel mittels einer Heizlage elektrisch beheizbar ist, da die Portstrukturen durch eine isolierende Zwischenlage wärmeisoliert und somit von der Beheizung abgegrenzt sein können.

Bereiche der Endplatten in einem Brennstoffzellenstapel können insbesondere beim Start bei Temperaturen von weniger als 0 °C so kalt sein, dass ein Einfrieren von Wasser im Brennstoffzellenstapel verhindert werden muss. Dies ist unter anderem beschrieben in Maruo et al. „Development of Fuel Cell System Control for Sub-Zero Ambient Conditions”, SAE Technical Paper, 2017, doi:10.4171/2017-01-1189.

Beim Starten eines kalten Brennstoffzellenstapels erwärmen sich die vom Brennstoffzellenstapel umfassten Brennstoffzellen rasch und mit diesen erwärmt sich auch der Bereich der Ports beziehungsweise der Zufuhrkanäle und Abfuhrkanäle in Stapelrichtung durch den Brennstoffzellenstapel. Die Endplatten verhindern jedoch durch ihre Wärmekapazität eine rasche Erwärmung der Randbereiche, insbesondere der äußeren Brennstoffzellen, also der ersten und letzten Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel, sowie der Portstrukturen an den Endplatten.

Im Bereich der Endplatten können wie in US 9,525,185 beschrieben, Heizelemente wie Heizfolien vorgesehen sein, die zwischen Stromsammler und Endplatte angeordnet sein können. Um zu verhindern, dass die Heizfolie vornehmlich die Endplatte beheizt, ist gemäß US 9,525,185 eine thermische Barriere zwischen der Heizfolie und der Endplatte vorgesehen, so dass ein Wärmefluss von der Heizfolie zum Stromsammler und somit in Richtung einer kalten äußeren Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels erfolgt, während ein Wärmefluss von der Heizfolie in Richtung der Endplatte unterbunden wird. Somit besteht hier weiterhin die Gefahr, dass Wasser beim Kaltstart in den Portstrukturen der Endplatte gefrieren kann, so dass die Versorgung beziehungsweise Entsorgung des Brennstoffzellenstapels mit Medien beeinträchtigt werden kann, wodurch der Wirkungsgrad und/oder die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels sinken.

Offenbarung der Erfindung

Es wird eine Heizvorrichtung für einen Stapel elektrochemischer Zellen, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel, vorgeschlagen, wobei die Heizvorrichtung eine Heizlage mit einer ersten Seite und einer gegenüberliegenden zweiten Seite, eine erste thermische Isolierlage und eine zweite thermische Isolierlage umfasst, die erste thermische Isolierlage an der ersten Seite der Heizlage angeordnet ist und die zweite thermische Isolierlage auf der zweiten Seite der Heizlage angeordnet ist und wobei die Heizlage einen zentralen Bereich und einen Randbereich aufweist und die erste thermische Isolierlage eine erste Aussparung an dem Randbereich der Heizlage aufweist und die zweite thermische Isolierlage eine zweite Aussparung an dem zentralen Bereich der Heizlage aufweist.

Ferner wird ein Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, umfassend mindestens folgende Lagen in angegebener Reihenfolge: eine Endplatte mit Portstrukturen, eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung, einen Stromsammler, eine Membran- Elektroden-Anordnung und eine Bipolarplatte, wobei die Heizvorrichtung so zwischen dem Stromsammler und der Endplatte angeordnet ist, dass die erste Seite der Heizlage zu der Endplatte zeigt und die zweite Seite der Heizlage zu dem Stromsammler zeigt.

Der Brennstoffzellenstapel umfasst bevorzugt zwei Endplatten, zwei Heizvorrichtungen und zwei Stromsammler, wobei eine der Heizvorrichtungen bevorzugt jeweils zwischen einer Endplatte und einem Stromsammler angeordnet ist.

In dem Brennstoffzellenstapel können die erste thermische Isolierlage und/oder die zweite thermische Isolierlage auf der Heizlage angeordnet und mit dieser, beispielsweise mittels eines Adhäsivs, verbunden sein. Die erste thermische Isolierlage kann zusätzlich oder alternativ auf der Endplatte angeordnet und gegebenenfalls mit der Endplatte verbunden sein. Die zweite thermische Isolierlage kann zusätzlich oder alternativ auf dem Stromsammler angeordnet und gegebenenfalls mit dem Stromsammler verbunden sein. Der Stromsammler ist bevorzugt ein flächiges Bauteil.

Die Heizvorrichtung ist bevorzugt ein einstückiges oder mehrstückiges, flächiges Bauteil. Ferner ist die Heizlage bevorzugt als Folie ausgeführt. Weiter bevorzugt ist die Heizlage aus einem flexiblen Material aufgebaut, das sich insbesondere Unebenheiten einer Oberfläche der Endplatte beziehungsweise des Stromsammlers anpassen und an diese anlegen kann. Die Heizlage kann aus elektrisch leitfähigen Polymeren, insbesondere Polypropylen (PP) enthaltend einen Füllstoff wie Graphit, aufgebaut sein oder diese umfassen, die sich durch elektrischen Widerstand erwärmen.

Die Heizlage ist insbesondere ein Flächenheizelement. Die Heizlage kann als Widerstandsheizung ausgeführt sein, bevorzugt als separate Drähte oder Leiterplatte. Insbesondere weist die Widerstandsheizung Heizdrähte zwischen zwei elektrisch isolierenden Folien, also der ersten thermischen Isolierlage und der zweiten thermischen Isolierlage, auf, wobei die Folien auf unterschiedlichen Seiten unterschiedliche Dicken aufweisen können um so den Wärmefluss zu steuern.

Alternativ kann die Heizlage mittels elektrisch leitfähigen Polymeren, die auch als Heat inducing Thermoplastics bezeichnet werden, ausgeführt sein, die bevorzugt eine Leistung von 2 Watt/cm ² bis 3 Watt/cm ² aufweisen. Die elektrisch leitfähigen Polymere werden bevorzugt mittels Spritzgießen und/oder Folienziehen zu der Heizlage verarbeitet. Bevorzugte Matrixmaterialien der elektrisch leitfähigen Polymere, die auch als Komposite bezeichnet werden, sind zum Beispiel Hart- Polyethylen oder high density polyethylen (HDPE), Polyphenylensulfid (PPS), Polypropylen (PP), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Mischungen daraus. Je geringer die elektrische Leitfähigkeit ist, desto höher ist der Widerstand und desto größer ist die Wärmeerzeugung. Die elektrisch leitfähigen Polymeren enthalten weiter bevorzugt einen elektrisch leitfähigen Füllstoff wie Leitruß, Graphit und/oder Metallpulver, insbesondere in Form von Partikeln.

Der Randbereich und der zentrale Bereich der Heizlage können mit einem, insbesondere gemeinsamen, Heizkreis verbunden sein. Alternativ können der zentrale Bereich und der Randbereich der Heizlage mit verschiedenen Heizkreisen verbunden sein.

Bevorzugt ist der zentrale Bereich der Heizlage von dem Randbereich der Heizlage umschlossen. Der zentrale Bereich hat weiter bevorzugt eine rechteckige Form, wenn die aktive Fläche der Membran- Elektroden-Anordnung rechteckig ist, oder bildet die Geometrie der aktiven Fläche, also des elektrochemisch aktiven Bereichs, der Membran- Elektroden-Anordnung im Wesentlichen nach. Der Randbereich hat insbesondere die Form eines rechteckigen Rahmens.

Die erste thermische Isolierlage und/oder die zweite thermische Isolierlage sind bevorzugt als Beschichtung der Heizlage oder der Endplatte beziehungsweise des Stromsammlers ausgeführt. Die erste thermische Isolierlage und/oder die zweite thermische Isolierlage umfassen bevorzugt Keramiken und/oder Polymere wie PVDF, Polytetrafluorethylen (PTFE), PP, Polyethylen (PE), Polyetheretherketon (PEEK), Acrylate und/oder Polystyrole. Weiter bevorzugt bestehen die erste thermische Isolierlage und/oder die zweite thermische Isolierlage aus Keramiken und/oder Polymeren wie PVDF, Polytetrafluorethylen (PTFE), PP, Polyethylen (PE), Polyetheretherketon (PEEK), Acrylaten und/oder Polystyrolen. Die Polymere sind insbesondere bevorzugt. Es können ferner Mylar®- Folien als erste thermische Isolierlage und/oder als zweite thermische Isolierlage eingesetzt werden. Insbesondere bestehen die erste thermische Isolierlage und die zweite thermische Isolierlage aus demselben Material.

Bevorzugt weist die erste thermische Isolierlage eine erste Dicke auf und die zweite thermische Isolierlage weist eine zweite Dicke auf. Die erste Dicke und/oder die zweite Dicke liegen bevorzugt in einem Bereich von 19 pm bis 500 pm.

In einer Ausführungsform weicht die zweite Dicke nicht mehr als 30 % von der ersten Dicke ab, bezogen auf die erste Dicke.

Alternativ können die erste Dicke und die zweite Dicke in Abhängigkeit von einer Position auf der Heizlage angepasst werden. So kann in der ersten Aussparung und in der zweiten Aussparung jeweils Material der ersten thermischen Isolierlage beziehungsweise der zweiten thermischen Isolierlage, jeweils mit einer reduzierten oder kleineren Dicke, vorhanden sein. Bevorzugt ist die erste Dicke der ersten thermischen Isolierlage in dem Randbereich kleiner als in dem zentralen Bereich, weiter bevorzugt um mindestens 30%, insbesondere um mindestens 60%, und bevorzugt nicht mehr als 95%, kleiner bezogen auf die größere erste Dicke in dem zentralen Bereich. Die zweite Dicke der zweiten thermischen Isolierlage ist bevorzugt in dem zentralen Bereich kleiner als in dem Randbereich, weiterbevorzugt um mindestens 30%, insbesondere um mindestens 60%, und bevorzugt nicht mehr als 95%, kleiner bezogen auf die größere zweite Dicke in dem Randbereich. Der Wärmewiderstand der ersten thermischen Isolierlage beziehungsweise der zweiten thermischen Isolierlage hängt bevorzugt linear von der ersten Dicke beziehungsweise von der zweiten Dicke ab. Beispielsweise kann eine kleinere erste Dicke und/oder eine kleinere zweite Dicke 19 pm betragen und eine größere erste Dicke und/oder eine größere zweite Dicke kann 60 pm betragen.

Die Heizlage weist beidseitig jeweils eine thermische Isolierlage auf, wobei sich die erste thermische Isolierlage und die zweite thermische Isolierlage bevorzugt um weniger als 30 %, weiter bevorzugt weniger als 10 %, insbesondere bevorzugt weniger als 5 % und besonders bevorzugt nicht, überlappen, bezogen auf eine Gesamtfläche der Heizlage. Insbesondere liegt zwischen der ersten thermischen Isolierlage und der zweiten thermischen Isolierlage beziehungsweise zwischen dem Randbereich und dem zentralen Bereich ein Spalt vor. Unter der Gesamtfläche der Heizlage ist insbesondere die Fläche der ersten Seite beziehungsweise die Fläche der zweiten Seite der Heizlage zu verstehen.

Die Heizlage steht bevorzugt an der ersten Aussparung in thermischem Kontakt mit der Endplatte und an der zweiten Aussparung in thermischem Kontakt mit dem Stromsammler und gegebenenfalls mit einer dem Stromsammler benachbarten Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels, insbesondere mit der dem Stromsammler benachbarten Membran-Elektroden-Anordnung. Die Membran- Elektroden-Anordnung umfasst bevorzugt eine Polymerelektrolytmembran.

Die erste thermische Isolierlage und/oder die zweite thermische Isolierlage können auch als partielle thermische Barrieren bezeichnet werden. Bevorzugt nehmen der Randbereich 5 % bis 30 % und der zentrale Bereich 70 % bis 95 % der Heizlage ein, jeweils bezogen auf die Gesamtfläche der Heizlage.

Bevorzugt ist die erste Aussparung der ersten thermischen Isolierlage im Wesentlichen deckungsgleich mit dem Randbereich der Heizlage und/oder die zweite Aussparung der zweiten thermischen Isolierlage ist im Wesentlichen deckungsgleich mit dem zentralen Bereich der Heizlage.

Im Wesentlichen deckungsgleich ist dahingehend zu verstehen, dass die erste Aussparung eine Fläche des Randbereichs zu mindestens 90 %, bevorzugt mindestens 95 % und insbesondere 99 % abdeckt und nicht mehr als 10 %, bevorzugt nicht mehr als 5 % und insbesondere bevorzugt nicht mehr als 1 % über die Fläche des Randbereichs hinausragt, jeweils bezogen auf die Gesamtfläche des Randbereichs. Entsprechendes gilt für die zweite thermische Isolierlage und den zentralen Bereich der Heizlage.

Weiter ist der zentrale Bereich der Heizlage bevorzugt deckungsgleich mit einer aktiven Fläche der Membran-Elektroden-Anordnung. Unter der aktiven Fläche wird insbesondere ein Bereich der Membran-Elektroden-Anordnung verstanden, in dem tatsächlich eine elektrochemische Reaktion auf wenigstens einer Seite der Membran durch die vorliegende Konstruktion beziehungsweise Geometrie und die vorliegenden Prozessparameter ablaufen kann. Diese Größen betreffen insbesondere die Membran, den beidseitigen Katalysator, die Versorgung mit Medien, die elektronische Kontaktierung der Katalysatorschichten, die Temperatur und die Befeuchtung.

Bevorzugt umfasst der Randbereich der Heizlage Ports. Weiter bevorzugt umfasst der Randbereich der Heizlage sämtliche Ports des Brennstoffzellenstapels, die insbesondere in die Portstruktur der Endplatte münden.

Bevorzugt ist der Randbereich der Heizlage im Wesentlichen deckungsgleich mit der Portstruktur der Endplatte oder größer. Weiter bevorzugt ist der Randbereich der Heizlage mindestens 10 %, weiter bevorzugt mindestens 30 % und insbesondere bevorzugt mindestens 50 % größer als eine Fläche der Endplatte, die von der Portstruktur eingenommen wird, bezogen auf die Fläche der Endplatte, die von der Portstruktur eingenommen wird. Die Endplatte ist bevorzugt aus einem Polymer-Metall-Verbundmaterial aufgebaut, insbesondere um die Wärmekapazität der Endplatte gering zu halten. Ist die Endplatte aus einem Polymer-Metall-Verbundmaterial aufgebaut, kann ein Teil der Endplatte die erste thermische Isolierlage darstellen.

Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erwärmen von Teilen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels, wobei die Portstrukturen der Endplatte mittels des Randbereichs der Heizlage und die aktive Fläche der Membran- Elektroden-Anordnung mittels des zentralen Bereichs der Heizlage erwärmt werden. Dies ist dahingehend zu verstehen, dass ein Wärmefluss zwischen den Portstrukturen und dem Randbereich vorliegt, der größer ist als ein Wärmefluss zwischen den Portstrukturen und dem zentralen Bereich und vice versa. Insbesondere werden die Portstrukturen und die aktive Fläche mit derselben Heizlage erwärmt. Die Membran-Elektroden-Anordnung ist insbesondere eine dem Stromsammler benachbart angeordnete Membran- Elektroden-Anordnung.

Die Heizvorrichtung kann auch in Wärmetauschern und/oder Plattenfiltern eingesetzt werden.

Vorteile der Erfindung

Durch die erfindungsgemäße Heizvorrichtung beziehungsweise durch den erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel und das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Wärmefluss einer Beheizung, insbesondere einer Hilfsbeheizung für Kaltstarts, des Brennstoffzellenstapels optimiert. Die Portstrukturen der Endplatten und der aktive Bereich, insbesondere der äußeren Brennstoffzellen, können mit nur einer Heizlage optimal entfrostet beziehungsweise erwärmt werden. Es wird entsprechend nur ein Bauelement zur Beheizung benötigt.

Der Energiebedarf bis zu einem Zeitpunkt, an dem sowohl die aktive Fläche einer äußeren Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel, als auch die Portstruktur der Endplatte ausreichend erwärmt ist, wird minimiert, da eine überflüssige Beheizung des Kerns der Endplatte und des Randbereichs der Brennstoffzelle durch die Heizlage vermieden werden.

Ein Einfrieren von Wasser in den Brennstoffzellen und den Endplatten des Brennstoffzellenstapels und somit eine beeinträchtigte Versorgung oder Entsorgung des Brennstoffzellenstapels mit Medien wird vermindert oder verhindert. Dies führt zu einem höheren Wirkungsgrad und einer erhöhten Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels.

Im Falle einer Endplatte aus Polymer-Metall-Verbundmaterial, das zur Gewichtsreduktion eingesetzt werden kann, ist die erfindungsgemäße Heizvorrichtung besonders vorteilhaft, da der Wärmeabfluss von den beheizten Ports beziehungsweise der beheizten Portstruktur reduziert ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels,

Figur 2 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels,

Figur 3 eine Draufsicht auf eine erste Endplatte des Brennstoffzellenstapels gemäß Figur 2,

Figur 4 eine Draufsicht auf eine Membran- Elektroden-Anordnung des Brennstoffzellenstapels gemäß Figur 2,

Figur 5 eine Draufsicht auf eine erste Seite einer ersten Heizvorrichtung des Brennstoffzellenstapels gemäß Figur 2,

Figur 6 eine Draufsicht auf eine zweite Seite der ersten Heizvorrichtung, Figur 7 eine Draufsicht auf eine zweite Endplatte des Brennstoffzellenstapels gemäß Figur 2,

Figur 8 eine Draufsicht auf eine erste Seite einer zweiten Heizvorrichtung des Brennstoffzellenstapels gemäß Figur 2 und

Figur 9 eine Draufsicht auf eine zweite Seite der zweiten Heizvorrichtung.

Ausführungsformen der Erfindung

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 4 mit mehreren Brennstoffzellen 3. Jede Brennstoffzelle 3 weist eine Membran 23, zwei Gasdiffusionslagen 1, eine Anodenseite 31 und eine Kathodenseite 32 auf. Die einzelnen Brennstoffzellen 3 sind durch Bipolarplatten 50, die eine Kühlplatte 45 umfassen können, voneinander abgegrenzt.

Der Brennstoffzellenstapel 4, dem Wasserstoff 40 und Sauerstoff 42 sowie ein Kühlmittel 44 zugeführt werden, wird durch zwei Endplatten 48 abgeschlossen und weist Stromsammler 52 auf. Die verschiedenen Zuführungen sind durch Dichtungen 46 voneinander getrennt. Zwischen jeweils einer Endplatte 48 und einem Stromsammler 52 ist eine Heizvorrichtung 12 angeordnet.

Figur 2 zeigt eine Seitenansicht eines Brennstoffzellenstapels 4, der eine erste Endplatte 47 und eine zweite Endplatte 49 aufweist.

Ferner besitzt der Brennstoffzellenstapel 4 zwei Heizvorrichtungen 12. Eine erste Heizvorrichtung 11 ist zwischen der ersten Endplatte 47 und einem Stromsammler 52 angeordnet. Eine zweite Heizvorrichtung 13 ist zwischen der zweiten Endplatte 49 und einem weiteren Stromsammler 52 angeordnet. Die Heizvorrichtungen 12 besitzen jeweils eine Heizlage 54 mit einer ersten Seite 56 und einer zweiten Seite 58, die der ersten Seite 56 gegenüberliegt.

Ferner umfassen die Heizvorrichtungen 12 jeweils eine erste thermische Isolierlage 60 und eine zweite thermische Isolierlage 62. Die erste thermische Isolierlage 60 ist jeweils an der ersten Seite 56 der Heizlage 54 angeordnet und die zweite thermische Isolierlage 62 ist jeweils auf der zweiten Seite 58 der Heizlage 54 angeordnet.

Die Heizlagen 54 besitzen jeweils einen zentralen Bereich 64 und einen Randbereich 66. An dem Randbereich 66 der jeweiligen Heizlage 54 weist die erste thermische Isolierlage 60 eine erste Aussparung 68 auf und an dem zentralen Bereich 64 der jeweiligen Heizlage 54 weist die zweite thermische Isolierlage 62 eine zweite Aussparung 70 auf. Die erste Aussparung 68 ist jeweils deckungsgleich mit dem Randbereich 66 und die zweite Aussparung 70 ist jeweils deckungsgleich mit dem zentralen Bereich 64.

Die ersten thermischen Isolierlagen 60 besitzt jeweils eine erste Dicke 74 und die zweiten thermischen Isolierlagen 62 besitzen jeweils eine zweite Dicke 76, wobei die erste Dicke 74 gleich der zweiten Dicke 76 ist in der dargestellten Ausführungsform.

In dem Brennstoffzellenstapel 4 sind zwischen den Stromsammlern 52 Bipolarplatten 50 und Membran- Elektroden-Anordnungen 80 gestapelt. Die Bipolarplatten 50, die Membran- Elektroden-Anordnungen 80 sowie eine der Heizlagen 54 weisen Ports 72 auf, die durch den Brennstoffzellenstapel 4 hindurchführen und in Portstrukturen 78 der ersten Endplatte 47 münden.

Die Heizvorrichtungen 12 sind jeweils so zwischen dem Stromsammler 52 und der jeweiligen Endplatte 48 angeordnet, dass jeweils die erste Seite 56 zu der Endplatte 48 und die zweite Seite 58 zu dem Stromsammler 52 zeigt.

Die Membran- Elektroden-Anordnungen 80 besitzen ferner jeweils eine aktive Fläche 82, wobei die zentralen Bereiche 64 der Heizlagen 54 jeweils deckungsgleich mit den aktiven Flächen 82 der Membran- Elektroden- Anordnungen 80 sind. Die Portstrukturen 78 der ersten Endplatte 47 können mittels des Randbereichs 66 der Heizlage 54 der ersten Heizvorrichtung 11 und die aktive Fläche 82 einer benachbarten Membran- Elektroden-Anordnung 80 kann mittels des zentralen Bereichs 64 der Heizlage 54 der ersten Heizvorrichtung 11 erwärmt werden. Die erste Aussparung 68 der ersten thermischen Isolierlage 60 befindet sich an dem Randbereich 66 der Heizlage 54 und die zweite Aussparung 70 der zweiten thermischen Isolierlage 62 befindet sich an dem zentralen Bereich 64 der Heizlage 54.

Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf die erste Endplatte 47 gemäß Figur 2, die die Portstrukturen 78 aufweist.

Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf eine Membran- Elektroden-Anordnung 80 des Brennstoffzellenstapels 4 gemäß Figur 2, die Ports 72 und eine aktive Fläche 82 umfasst.

Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf die erste Seite 56 der ersten Heizvorrichtung 11 gemäß Figur 2. Der zentrale Bereich 64 ist mit der ersten thermischen Isolierlage 60 bedeckt, während der Randbereich 66 der Heizlage 54 frei ist und einen Wärmestrom abgeben kann, womit die Portstrukturen 78 der ersten Endplatte 47 erwärmt werden können.

Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf die zweite Seite 58 der ersten Heizvorrichtung 11 des Brennstoffzellenstapels 4 gemäß Figur 2. Ports 72 befinden sich in dem Randbereich 66 der Heizlage 54, der mit der zweiten thermischen Isolierlage 62 bedeckt ist.

An dem zentralen Bereich 64 der Heizlage 54 befindet sich die zweite Aussparung 70, so dass die Heizlage 54 in dem zentralen Bereich 64 einen Wärmestrom abgeben kann, womit die aktive Fläche 82 einer benachbart angeordneten Membran-Elektroden-Anordnung 80 erwärmt werden kann.

Figur 7 zeigt eine Draufsicht auf die zweite Endplatte 49.

Figur 8 zeigt eine Draufsicht auf die erste Seite 56 der zweiten Heizvorrichtung 13 gemäß Figur 2, die an der zweiten Endplatte 49 angeordnet ist und Figur 9 zeigt eine Draufsicht auf die zweite Seite 58 der zweiten Heizvorrichtung 13 gemäß Figur 2. Figur 8 entspricht im Wesentlichen Figur 5 und Figur 9 entspricht im Wesentlichen 6, mit dem Unterschied, dass die zweite Heizvorrichtung 13 im Gegensatz zu der ersten Heizvorrichtung 11 keine Ports 72 aufweist. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.