DE10158771A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), bei dem ein aus mehreren Zwischenplatten aufgebauter Brennstoffzellenstack (2) zwischen zwei Endplatten (3) zum Zusammenpressen der Zwischenplatten eingefaßt ist. Mindestens eine Endplatte (3) weist einen Endplattengrundkörper (4) sowie eine damit verbundene Kontaktflächenplatte (5) zur elektrischen Kontaktierung des Brennstoffzellenstacks auf. Der Endplattengrundkörper (4) weist außerdem Kanalstrukturen (6) für einen Kühlkreislauf zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks auf. Zudem ist die Endplatte so verformt, daß sie an den Brennstoffzellenstack eine gleichmäßige Verpressung weitergeben kann sowie das Setzungsverhalten des Stacks und auch der Endplatte ausgleichen kann.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Es sind Brennstoffzellensysteme bekannt, bei denen ein aus mehreren Zwischenplatten aufgebauter Brennstoffzellenstack, welcher eine Aneinanderreihung plattenförmigen Brennstoffzellen darstellt, zwischen zwei Endplatten zum Zusammenpressen der Zwischenplatten eingefaßt ist.
  • Dieses Zusammenpressen ist aus mehreren Gründen nötig. Zum einen wird durch den Druck der Endplatten bewirkt, daß die einzelnen Zwischenplatten, d. h. Platten einzelner Brennstoffzellen, mit möglichst gleichmäßigem Druck aufeinandergepreßt werden, so daß die in den einzelnen Brennstoffzellen ablaufenden Diffusionsprozesse sowie die Stromleitfähigkeit von Platte zu Platte hin gewährleistet ist. Außerdem ist bei den meisten Bauformen von Brennstoffzellensystemen der Druck der Endplatten für die Dichtungsfunktion von Gas- oder Flüssigkeitskreisläufen zwischen den Zwischenplatten notwendig.
  • Nach dem Stand der Technik sind die Endplatten zum Zusammenpressen der Zwischenplatten aus mehreren Einzelteilen gefügt. So ist es zum Beispiel üblich, eine metallische (meist Aluminium-)Platte vorzusehen, welche ausreichende mechanische Festigkeit für die an den Endplatten angreifende Kräfte bereitstellt. Außerdem sind meist zusätzliche Bauteile zur Stromabführung des Stromes des Brennstoffzellenstacks zu einem elektrischen Verbraucher hin vorgesehen. Zusätzlich sind noch Stutzen für Leitungen zur Medienversorgung des Brennstoffzellenstacks im Bereich der Endplatte unterzubringen, schließlich ist es noch üblich, eine gesonderte Kühleinheit an der Endplatte vorzusehen, welche den Brennstoffzellenstack thermisch stabilisiert.
  • Eine solche Konstruktion bringt erhebliche Nachteile mit sich. Zum einen sind die Montagekosten recht hoch, außerdem müssen die einzelnen Bauteile mit strengen Toleranzen hergestellt und gefügt werden, so daß die Funktionen Stromableitung, gleichmäßiges Zusammenpressen des Brennstoffzellenstacks sowie Kühlung bzw. Medienzuführung fehlerfrei möglich sind. Zusätzliche Probleme können dadurch entstehen, daß eine elektrische Isolierung zwischen verschiedenen Bauteilen (etwa Stutzen für Kühlmittel sowie Stromabführung) voneinander getrennt sein müssen. Außerdem ist ein weiterer Nachteil, daß selbst bei einer Endplatte, bei der die obigen Anforderungen erfüllt sind, das Temperaturmanagement des Brennstoffzellenstacks sich als schwierig gestaltet, da die Endplatte üblicherweise Metallteile hoher Masse enthält, welche aufgrund ihrer Wärmekapazität ein trägeres Reagieren auf Kühlanforderungen des Brennstoffzellenstacks bewirken.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem mit einer Endplatte zu schaffen, welche einerseits einen gleichmäßigen hohen Druck auf einen Brennstoffzellenstack ausüben kann und andererseits kostengünstig und einfach zu fertigen ist sowie ein gutes Temperaturmanagement ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellensystem mit einer Endplatte nach Anspruch 1 gelöst.
  • Dadurch, daß mindestens eine Endplatte einen Endplattengrundkörper sowie eine damit verbundene Kontaktflächenplatte zur elektrischen Kontaktierung des Brennstoffzellenstacks aufweist, wobei der Endplattengrundkörper Kanalstrukturen für einen Kühlkreislauf zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks aufweist, werden die Nachteile des Standes der Technik überwunden.
  • Die erfindungsgemäße Endplatte zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus. Der Endplattengrundkörper verfügt über Kanalstrukturen, welche den Fluß eines Kühlkreislaufes zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks ermöglichen. Hierdurch ist ein verminderter Aufwand gegeben, da die Kanalstrukturen integraler Bestandteil der Endplatte sind und nicht ein gesondertes Kühlsegment vorgesehen werden muß. Weiterer Hauptbestandteil ist die Kontaktflächenplatte, welche den Brennstoffzellenstack elektrisch kontaktiert und außerdem die Wärmeabführung aus dem Stack praktisch ohne Umweg zu dem Kühlkreislauf hin abführt. Hierdurch wird auch die thermische Trägheit des Gesamtsystems verringert, besondere Vorteile liegen darin, daß durch die begrenzte Anzahl von Teilen die Montagekosten und mögliche Montagefehler verringert werden. Es bietet sich insbesondere für die kostengünstige Serienfertigung von Endplatten an, den Endplattengrundkörper zum Beispiel als Spritzgußformteil vorzusehen.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß der Endplattengrundkörper aus Kunststoff, zum Beispiel Thermoplasten wie PA, PEEK, PPS, LCP, POM oder Duroplasten wie PF, MF ist. Ein solcher Endplattengrundkörper mit seinen Kanalstrukturen ist zum Beispiel nach Spritzgußverfahren nach dem Stand der Technik sehr kostengünstig auch in Serie herzustellen. Kunststoff bietet außerdem den besonderen Vorteil, daß er eine niedrige Masse aufweist und somit insbesondere für mobile Anwendungen sich anbietet. Außerdem weisen Kunststoffe regelmäßig eine niedrigere Wärmekapazität auf als die üblichen Metalle, so daß es durch die direkt im Endplattengrundkörper vorgesehene Kühlung aufgrund des weniger trägen Ansprechverhaltens zu einer direkteren Kühlung und somit einem besseren Temperaturmanagement für den Brennstoffzellenstack kommt. Darüber hinaus sind auch noch die elektrisch isolierenden Eigenschaften der meisten Kunststoffe als günstig zu betonen, welche eine gesonderte elektrische Isolierung der Kontaktflächenplatte überflüssig macht.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, den Endplattengrundkörper aus Metall herzustellen, etwa in Aluminiumdruckguß. Je nach Art des Metalls sind unter Umständen bestimmte Korrosionsschutzlacke zur Beschichtung der Metalle nötig.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die dem Endplattengrundkörper zugewandte Seite der Kontaktflächenplatte eine Begrenzungswand des Kühlkreislaufes ist. Hierdurch wird das erfindungsgemäße Prinzip optimal ausgeschöpft. Der Endplattengrundkörper ist besonders leicht zu fertigen, da die Kanalstrukturen lediglich als einfache Vertiefungen ohne komplizierte Hinterschneidungsquerschnitte ausgeführt werden können. Es ist nicht nötig, mit komplizierten Kern-Gußverfahren den Endplattengrundkörper herzustellen. Der dichtende Abschluß der Kanalstrukturen wird zu dem Brennstoffzellenstack hin von der Kontaktflächenplatte bewerkstelligt. Hierdurch wird auch erreicht, daß über die Kontaktflächenplatte eine sehr direkte Wärmeabfuhr von dem Brennstoffzellenstack in den Kühlkreislauf der Endplatte erfolgt.
  • Durch die Verschraubung bzw. Verspannung im Außenbereich, könnte es im Innern der Fläche zu einer ungleichmäßigen Anpreßkraftverteilung und somit zu einer unhomogenen Anpressung der Kontaktflächenplatte auf die Stackfläche kommen, wenn keine zusätzlichen Maßnahmen ergriffen werden. Solche inhomogenen Anpressungseffekte sind bei Kunststoffplatten besonders zu beachten. Um dies zu vermeiden, sind mehrere Maßnahmen sinnvoll. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Kontaktflächenplatte so in den Endplattengrundkörper eingefügt ist, daß die Kontaktflächenplatte zu dem Brennstoffzellenstack hin balliert ist. Hierdurch wird eine ungewünschte Durchbiegung, welche zu einer inhomogenen Anpressung auf die Stackfläche führen könnte, durch eine vorgegebene Verformung im Einbau ausgeglichen. Alternativ dazu kann auch die Kontaktflächenplatte so geformt sein, daß sie zum Endplattengrundkörper hin im Wesentlichen eben und zum Brennstoffzellenstack hin bombiert ist. Dadurch wird durch das Stromabnehmerinsert die Kraft in den Stacks so eingeleitet, daß ein Verzug ausgeglichen wird. Somit ist festzuhalten, daß die Kühlstruktur in ihrer Höhe so variiert werden kann, daß eine Kugelausschnittsform (Ballierung, Bombierung) an den Stack weitergegeben werden oder daß die notwendige homogene Kraftverteilung im aktiven Bereich der Brennstoffzelle dadurch eingeleitet wird, daß die Endplatte durch eine geeignete Konstruktion so elastisch aufgebaut ist, daß die Kräfte durch eine zentrale Verspannung von außen aufgebaut werden.
  • Es ist besonders vorteilhaft, daß der Endplattengrundkörper bzw. die Kontaktflächenplatte Stützelemente zur Verteilung der auf die Kontaktflächenplatte wirkenden Drucklast aufweist. Hierdurch wird erreicht, daß über die gesamte Fläche der Kontaktflächenplatte die Pressung von der Endplatte hin zu dem Brennstoffzellenstack homogen weitergegeben wird. Diese gleichmäßige Pressung bewirkt auch ein gleichmäßiges Anpressen sämtlicher weiterer Zwischenplatten des Brennstoffzellenstacks, so daß es zwischen den einzelnen Platten zu gutem elektrischen Kontakt kommt, dies schlägt sich in guten Wirkungsgraden des Brennstoffzellensystems nieder. Die erfindungsgemäßen Stützelemente sind mit Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik (etwa Kunststoffspritzgußverfahren) leicht und kostengünstig herstellbar.
  • Es ist zusätzlich möglich, zum Beispiel auf der der Kontaktflächenplatte abgewandten Rückseite des Endplattengrundkörper Stützstreben vorzusehen zur Versteifung insbesondere von Endplattengrundkörpern aus Kunststoff. Somit wird auch bei Endplattengrundkörpern mit sehr niedriger Masse ein steifer Querschnitt erreicht, so daß sich die gleichmäßige Pressung auf dem Brennstoffzellenstack auch im Leichtbau verwirklichen läßt.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß zwischen Kontaktflächenplatte und Endplattengrundkörper Dichtungsmittel angeordnet sind, um ein Auslaufen von Kühlflüssigkeit aus den Kanalstrukturen heraus zu vermeiden. Hierzu kann etwa ein gesondertes Dichtelement (etwa eine Gummidichtung) vorgesehen werden, die Kontaktflächenplatte wird dann zum Beispiel durch eine Rastverbindung fixiert. Es ist aber auch möglich, die Kontaktflächenplatte direkt in den Endplattengrundkörper einzuspritzen bzw. sie mit diesem zu verschmelzen (diese Verfahren bieten sich insbesondere bei Endplattengrundkörpern aus Kunststoff an).
  • Für die Kontaktflächenplatte selbst sind auch verschiedene Ausführungsformen denkbar. So ist es möglich, diese gänzlich aus einem Metall (etwa Edelstahl, Aluminium oder Kupfer mit 0,5-3 mm Stärke) vorzusehen. Hierbei ist, je nach Metall, unter Umständen die Aufbringung eines Korrosionsschutzlackes auf dem Metall sinnvoll.
  • Es ist jedoch auch möglich, die Kontaktflächenplatte als eine metallisch beschichtete Kunststoffplatte auszugestalten. Hierbei ist etwa eine Aluminium- oder Kupferfolie geringer Stärke vorteilhafterweise 0,1 bis 1 mm auf eine Metall- oder Kunststoffplatte auf der dem Brennstoffzellenstack zugewandten Seite aufgebracht. Vorteilhaft sind hierbei die elektrisch isolierenden Eigenschaften vieler Kunststoffe, welche zusätzliche Isolierungen überflüssig machen, es ist allerdings auf eine ausreichende Abstützung der Kunststoffplatte zu achten, um eine gleichmäßige Flächenpressung für den Brennstoffzellenstack zu erreichen. Außerdem ist für die Kontaktflächenplatte eine elektrisch leitende Korrosionsbeschichtung vorzusehen.
  • Besonders vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen System ist, daß die Anschlüsse für verschiedene Medien leicht an der Endplatte anzubringen sind. Der Stromanschluß kann zum Beispiel als herausragende Lasche der Kontaktfläche ausgeführt sein, welche einfach mit einem elektrischen Verbraucher verbindbar ist. Darüber hinaus können an dem Endplattengrundkörper leicht Ein- bzw. Auslässe für Gase oder Flüssigkeiten vorgesehen werden, welche mit korrespondierenden Ein- bzw. Auslässen des Brennstoffzellenstacks zur Medienversorgung (etwa H2, O2, Luft, Methanol etc.) verbindbar sind. Ebenso sind leicht Kühlmittelein- bzw. Kühlmittelauslässe zu den kühlmittelführenden Kanalstrukturen hin möglich. Sämtliche dieser Ein- bzw. Auslässe können als lochartige Öffnungen in dem Endplattengrundkörper oder auch als Stutzen ausgeführt sein. Hierbei ist es bei der Herstellung des Endplattengrundkörpers in einem Spritzgußverfahren leicht möglich, die Stutzen integral zu formen, bei einem Endplattengrundkörper aus Kunststoff kann hierbei jegliche weitere elektrische Dichtung entfallen. Es ist jedoch auch möglich, die Stutzen als gesonderte Bauteile auszuführen und erst später fest an den Endplattengrundkörper anzukoppeln.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Kontaktflächenplatte auf ihrer dem Brennstoffzellenstack zugewandten Seite eine solche dreidimensionale Struktur aufweist, daß Reaktanten über diese Struktur führbar sind. Das heißt, daß ein sogenanntes "Flowfield" integraler Bestandteil der Kontaktflächenplatte ist. Hiermit wird es z. B. möglich, ein Reaktionsgas wie molekularen Wasserstoff flächig verteilt über die Kontaktflächenplatte zu leiten, damit eine homogene Flächenverteilung gegeben ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß der Endplattengrundkörper auf seiner dem Brennstoffzellenstack zugewandten Seite Dichtungen zur Abdichtung der Ein- oder Auslässe für Gase oder Flüssigkeiten sowie zur Abdichtung elektrochemisch aktiver Bereiche des Brennstoffzellenstacks aufweist. Hierbei kann es sich z. B. um Elastomerdichtungen handeln, welche in Nuten des Endplattengrundkörpers angebracht sind. Beim Zusammenpressen der Endplatten aufeinander zu wird somit auch gleichzeitig sichergestellt, daß die Medienzufuhr abgedichtet ist. Alternativ ist es auch möglich, daß die Kontaktflächenplatte sich im wesentlichen über die gesamte Fläche des Endplattengrundkörpers erstreckt und auf ihrer dem Brennstoffzellenstack zugewandten Seite die Dichtungen zur Abdichtung der Ein- oder Auslässe für Medien sowie der elektrochemisch aktiven Bereiche des Brennstoffzellenstacks aufweist. In diesem Fall gehen die Kanäle für die Gase bzw. Flüssigkeiten durch die Kontaktflächenplatte hindurch. Insbesondere bei metallischen Kontaktflächenplatten ist der Auftrag von Dichtungen, etwa mittels Elastomerauftrag durch Siebdruckverfahren, kostengünstig möglich.
  • Zusätzlich kann bei dieser Variante die Kontaktflächenplatte auch auf ihrer dem Endplattengrundkörper zugewandten Seite Dichtungen aufweisen. So können z. B. in diesem Bereich Elastomerdichtungen zwischen dem Endplattengrundkörper und der Kontaktflächenplatte vorgesehen werden (dies ist z. B. dann notwendig, wenn die Kontaktflächenplatte gleichzeitig eine Begrenzungswand des im Endplattengrundkörper angeordneten Kühlkreislaufes darstellt). Hierbei sollte zusätzlich ein Schnapp- bzw. Fixiermechanismus (z. B. durch punktförmiges termisches Fixieren) zwischen Kontaktflächenplatte und Endflächengrundkörper erfolgen, um diese Bauteile wie gewollt zueinander zu positionieren. Die endgültige Dichtwirkung tritt dann ein, sobald der Brennstoffzellenstack durch Druckausübung auf die Endplatten aufeinander zu verspannt wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden in den weiteren abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
  • Fig. 2 eine erfindungsgemäße Endplatte,
  • Fig. 3a und 3b Ansichten eines erfindungsgemäßen Endplattengrundkörpers, und
  • Fig. 4 Ballierung einer Kontaktflächenplatte.
  • Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Bei diesem ist ein aus mehreren Zwischenplatten aufgebauter Brennstoffzellenstack 2, welcher aus einer Aufeinanderschichtung mehrerer plattenförmiger Brennstoffzellen, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind, zu sehen. Dieser Brennstoffzellenstack ist zwischen zwei Endplatten 3 angeordnet. Die Ausübung von Druckkräften auf den Brennstoffzellenstack ist zum Beispiel möglich mittels Spannbolzen, welche jeweils durch Durchgangslöcher 13 geführt und an den dem Brennstoffzellenstack abgewandten Rückseiten der Endplatten gekontert werden, alternativ sind auch Spannbänder oder Spannanker zum Aufbringen dieser Druckkräfte möglich.
  • Der nähere Aufbau einer einzelnen Endplatte 3 wird nun anhand von Fig. 2 erläutert. Diese zeigt einen Endplattengrundkörper 4 sowie eine damit verbundene bzw. darin eingelegte Kontaktflächenplatte 5 zur elektrischen Kontaktierung des Brennstoffzellenstacks 2 (Fig. 2 zeigt eine noch unmontierte Lage der Kontaktflächenplatte 5, die fertige Einbaulage ist in den Endplatten in Fig. 1 zu erkennen). Der Endplattengrundkörper 4 weist Kanalstrukturen 6 für einen Kühlkreislauf zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks auf. Vorliegend ist der Endplattengrundkörper 4 aus einem Kunststoffspritzguß hergestellt. Vorteilhaft sind hier insbesondere die niedrige Masse sowie die niedrige Wärmekapazität, so daß der Kühlkreislauf praktisch unmittelbar die Temperatur im Brennstoffzellenstack ohne Trägheitsverluste beeinflussen kann.
  • Die dem Endplattengrundkörper 4 zugewandte Seite 5.1 der Kontaktflächenplatte 5 ist eine Begrenzungswand des Kühlkreislaufes. Die Kanalstrukturen sind als Vertiefungen des einseitig offenen Endplattengrundkörpers ausgeführt. In der Querschnittszeichnung in Fig. 2 sind mehrere nebeneinanderliegende Kanäle gezeigt, welche durch Erhebungen bzw. Stützelemente 7 voneinander getrennt sind. Eine solche Form ist fertigungstechnisch leicht realisierbar, da die Kanalstruktur keine Hinterschneidungen aufweist. Die Kontaktflächenplatte 5 wird so auf den Stützelementen 7 fixiert, so daß die Kanäle der Kanalstruktur 6 vollständig geschlossen sind. Hierbei ist vorteilhaft, daß auf sehr breiter Fläche die Stützelemente 7 die Kontaktflächenplatte 5 unterstützen, so daß es zu keiner Durchbiegung der Kontaktflächenplatte, etwa in deren Zentrum, kommen kann und somit zu einem ungleichmäßigen Pressverhalten des Brennstoffzellenstacks. Zwischen der Kontaktflächenplatte 5 und dem Endplattengrundkörper 4 können umlaufend Dichtungsmittel 8 angebracht sein, um eine Leckage des durch die Kanalstruktur 6 fließenden Kühlmediums zu vermeiden. Als Dichtungsmittel kann eine Verklebung vorgesehen sein, es sind jedoch auch gesonderte Dichtelemente, wie etwa eine Gummidichtung möglich. Je nach Material ist auch thermisches Fügen zwischen Kontaktflächenplatte und Endplattengrundkörper möglich.
  • Vorliegend ist die Kontaktflächenplatte aus einem Kunststoff, welcher mit einer Kupferfolie der Stärke 0,2 mm auf der zu dem Brennstoffzellenstack hinweisenden Seite vollflächig belegt ist. Alternativ ist es auch möglich, die Kontaktflächenplatte komplett aus Metall vorzusehen. Die Kontaktflächenplatte hat einen leitenden Ausläufer, den Stromanschluß 9, mit welchem eine elektrische Verbindung von dem Brennstoffzellenstack über die Kontaktflächenplatte hin zu einem an den Stromanschluß 9 angeschlossenen elektrischen Verbraucher möglich wird.
  • Der Endplattengrundkörper 4 zeigt außerdem einen Einlaß 10 zur Zuleitung von Reaktionsgas (etwa Luft oder Wasserstoff) sowie einen Auslaß 11 für Reaktionsgas sowie einen Kühlmitteleinlaß 12, welcher mit der Kanalstruktur 6 zum Betreiben des Kühlkreislaufs verbunden ist. Der Einlaß 10 bzw. der Auslaß 11 für Gas sowie der Kühlmitteleinlaß 12 sind außerdem über nicht näher dargestellte Kanäle mit korrespondierenden Öffnungen des Brennstoffzellenstacks und der entsprechenden Zu- und Abfuhr von Gasen und Flüssigkeiten verbunden. Die Ein- bzw. Auslässe 10, 11 und 12 sind als Stutzen ausgebildet, welche als gesonderte Bauteile auf der dem Brennstoffzellenstack abgewandten Rückseite der Endplatte angebracht sind.
  • Fig. 3a und 3b zeigen eine Vorder- sowie eine Rückansicht eines erfindungsgemäßen Endplattengrundkörpers. Dieser hat einen im wesentlichen quadratischen Flachquerschnitt, Systeme mit rundem oder nichtquadratisch rechteckigem Querschnitt sind jedoch auch möglich. Der Endplattengrundkörper ist als ein Kunststoffspritzgußteil ausgeführt. In Fig. 3a ist die Kanalstruktur 6' mit den Stützelementen 7' zu sehen, auf welche später die Kontaktflächenplatte aufgelegt wird. Die dreiecksförmigen Ausnehmungen im Randbereich des Endplattengrundkörpers dienen der Verbindung des Kühlbereichs der Endplatte mit dem Kühlbereich des Brennstoffzellenstacks. Der Einlaß 10', der Auslaß 11' sowie der Kühlmitteleinlaß 12' sind als integrale Stutzen des Kunststoff- Endplattengrundkörpers 4' ausgebildet. Dies ist vorteilhaft in bezug auf Dichtigkeit, Herstellungsaufwand sowie mögliche elektrische Isolierung der Stutzen.
  • Der Einlaß 10' bzw. der Auslaß 11' münden in Öffnungen 10a' bzw. 11a', über welche eine gasleitende Verbindung mit dem Brennstoffzellenstack möglich ist. Der Kühlmitteleinlaß 12' mündet in die Kanalstruktur 6', welche durch Stützelemente 7' unterbrochen ist, welche im wesentlichen stegförmig und diagonal den Endplattengrundkörper durchkreuzen.
  • In Fig. 3b ist zu sehen, daß auf der Rückseite des Endplattengrundkörpers zur Erhöhung der Biegesteifigkeit des Endplattengrundkörpers ein randseitiger Rahmen mit zum Zentrum des Endplattengrundkörpers hin verlaufenden sternförmig zulaufenden Verstärkungsstreben angeordnet ist. Hierdurch wird eine vollflächige Verpressung des Brennstoffzellenstacks über dessen gesamte Fläche erreicht.
  • Fig. 4 zeigt in schematischer Weise, wie durch Ballierung der Kontaktflächenplatte eine homogene Anpressung an die Brennstoffzellenstackfläche erreicht wird. Hierzu ist in einen Endplattengrundkörper 4 eine Kontaktflächenplatten 5 so eingefügt, daß sie zu dem Brennstoffzellenstack 2 hin balliert ist. Bei einem axialen Verspannen von Endplattengrundkörper sowie Brennstoffzellenstack 2, welches z. B. durch eine Verschraubung in Randbereich stattfindet, kommt es im Zentralbereich der Kontaktflächenplatte 5 zu einer Verformung, wodurch in der Summe erreicht wird, daß durch die Kugelausschnittsform der Ballierung insgesamt eine homogene Anpressung der Kontaktflächenplatte auf die Stackfläche erreicht wird. Alternativ ist dieser Effekt auch durch eine Bombierung der Kontaktflächenplatte (siehe Beschreibungseinleitung) zu erreichen. Insgesamt ist also festzustellen, daß die Endplatte so verformt wird, daß sie an den Stack eine gleichmäßige Verpressung weitergeben kann, sowie daß sie außerdem das Setzungsverhalten des Stacks und/oder auch der Endplatte ausgleichen kann.

Claims (20)

1. Brennstoffzellensystem (1), bei dem ein aus mehreren Zwischenplatten aufgebauter Brennstoffzellenstack (2) zwischen zwei Endplatten (3) zum Zusammenpressen der Zwischenplatten eingefaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Endplatte (3) einen Endplattengrundkörper (4) sowie eine damit verbundene Kontaktflächenplatte (5) zur elektrischen Kontaktierung des Brennstoffzellenstacks aufweist, wobei der Endplattengrundkörper (4) Kanalstrukturen (6) für einen Kühlkreislauf zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks aufweist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Endplattengrundkörper (4) aus Kunststoff ist.
3. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Endplattengrundkörper (4) aus Metalldruckguß, aus Metallguß oder aus Metallschaum ist.
4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Endplattengrundkörper (4) zugewandte Seite (5.1) der Kontaktflächenplatte (5) eine Begrenzungswand des Kühlkreislaufes ist.
5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Endplattengrundkörper (4) und/oder die Kontaktflächenplatte (5) Stützelemente (7) zur Verteilung der auf die Kontaktflächenplatte (5) wirkenden Drucklast hin zu dem Endplattengrundkörper (4) aufweist.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kontaktflächenplatte (5) und Endplattengrundkörper (4) Dichtungsmittel angeordnet sind.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte (5) in den Endplattengrundkörper (4) eingespritzt oder mit diesem verschmolzen ist.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte (5) aus Metall ist.
9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte (5) eine metallisch beschichtete Kunststoffplatte ist.
10. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte mit einem Stromanschluß (9) zum elektrischen Verbinden des Brennstoffzellensystems (1) mit einem elektrischen Verbraucher in Kontakt steht.
11. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatte (3) Ein- (10) und/oder Auslässe (11) für Gase oder Flüssigkeiten aufweist, wobei die Ein- und/oder Auslässe jeweils über Kanäle mit korrespondierenden Öffnungen des Brennstoffzellenstacks in Verbindung stehen.
12. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatte (3) mit den Kanalstrukturen (6) für den Kühlkreislauf verbundene Kühlmittelein- (12) und Kühlmittelauslässe aufweist.
13. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- (10; 12) und/oder Auslässe (11) als lochartige Öffnungen in der Endplatte, als integrale Stutzen oder als als gesonderte Bauteile ausgeführte Stutzen ausgebildet sind.
14. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatte Durchgangslöcher (13) zum Durchführen von Spannbolzen oder Aussparungen zur Aufnahme von Spannbändern zur Ausübung von Druck auf die Brennstoffzellenstacks aufweist.
15. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte auf ihrer dem Brennstoffzellenstack (2) zugewandten Seite eine solche dreidimensionale Struktur aufweist, daß Reaktanten über diese Struktur führbar sind.
16. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11., dadurch gekennzeichnet, daß der Endplattengrundkörper (5) auf seiner den Brennstoffzellenstack (2) zugewandten Seite Dichtungen zur Abdichtung der Ein- (10) oder Auslässe (11) für Gase oder Flüssigkeiten sowie elektrochemisch aktiver Bereiche des Brennstoffzellenstacks (2) aufweist.
17. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11., dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte (5) auf ihrer dem Brennstoffzellenstack (2) zugewandten Seite Dichtungen zur Abdichtung der Ein- (10) oder Auslässe (11) für Gase oder Flüssigkeiten sowie elektrochemisch aktiver Bereiche des Brennstoffzellenstacks (2) aufweist.
18. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte (5) zusätzlich auf ihrer dem Endplattengrundkörper (4) zugewandten Seite Dichtungen aufweist.
19. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte so in den Endplattengrundkörper eingefügt ist, daß die Kontaktflächenplatte zu dem Brennstoffzellenstack hin balliert ist.
20. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte zum Endplattengrundkörper hin im Wesentlichen eben und zum Brennstoffzellenstack hin bombiert ist.
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