DE102013206334A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Stefan Haase
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel an mindestens einem Ende von einer mindestens dreischichtigen Vielschichtstruktur begrenzt ist, wobei die Vielschichtstruktur eine untere Druckaufnehmerplatte, eine Trägerschicht und eine obere Druckaufnehmerplatte umfasst, die in dieser Reihenfolge in Stapelrichtung der Brennstoffzellen angeordnet sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen.
  • Um eine höhere Spannung zu erzielen werden einzelne Brennstoffzellen üblicherweise in Reihe zu einem Brennstoffzellenstapel geschaltet. An jedem Ende eines Brennstoffzellenstapels befindet sich eine Endplatte. Die Endplatten werden miteinander über ein Verspannungssystem, wie beispielsweise einen Zuganker, verspannt, wodurch eine gleichmäßige Flächenpressung auf die Brennstoffzellen wirkt, die eine Trennung der Fluidströme und eine Dichtheit nach außen gewährleistet. Zwischen der Endplatte und dem Brennstoffzellenstapel befindet sich ein Stromabnehmer, der den elektrischen Strom aller Brennstoffzellen sammelt und vom Brennstoffzellenstapel ableitet. Eine Isolationsschicht isoliert den Stromabnehmer von der Endplatte sowohl thermisch als auch elektrisch. Da die Endplatten aus Vollmaterial, wie beispielsweise Aluminium oder Stahl, gefertigt werden, haben diese am Gesamtgewicht des Brennstoffzellensystems einen sehr hohen Gewichtsanteil von bis zu 30%, was gerade für Anwendungen in Leichtbauweise nachteilig ist.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges, stabiles Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das auf einfache Weise herstellbar ist und ein geringes Eigengewicht aufweist. Diese Aufgabe wird bei einem Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Brennstoffzellenstapel an mindestens einem Ende von einer mindestens dreischichtigen Vielschichtstruktur begrenzt ist, wobei die Vielschichtstruktur eine untere Druckaufnehmerplatte, eine Zwischenträgerschicht und eine obere Druckaufnehmerplatte umfasst, die in dieser Reihenfolge in Stapelrichtung der Brennstoffzellen angeordnet sind.
  • Erfindungsgemäß übernimmt die Vielschichtstruktur somit die Funktion einer Endplatte und kann über diese auch mittels eines geeigneten Verspannungssystems, wie beispielsweise einen Zuganker, Zugbänder oder Zugstangen, verspannt werden. Das Material, die Form und Schichtdicke der jeweiligen Schicht der Vielschichtstruktur werden dabei so gewählt, dass die Vielschichtstruktur den Anforderungen an eine ausreichende mechanische Stabilität genügt und einer Verformung beim Verspannen des Brennstoffzellenstapels somit effektiv entgegengewirkt wird. Die Schichten können aus verschiedenen Materialien gebildet sein, die Metalle oder Legierungen, wie beispielsweise Stahl und auch synthetische Materialien umfassen, wobei die jeweiligen Schichten alle oder teilweise aus demselben Material oder jeweils aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein können. Zwei oder mehrere Materialien können auch miteinander kombiniert werden. Durch geeignete Wahl der Materialien kann das Gewicht der Vielschichtstruktur gegenüber dem Gewicht einer herkömmlichen Endplatte reduziert werden ohne dass dies zu nachteiligen Effekten im Hinblick auf die mechanische Stabilität der Vielschichtstruktur führt. Vielschichtstrukturen können zudem mittels Standardprozessen kostengünstig ohne hohen technischen Aufwand hergestellt werden.
  • Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Brennstoffzellensystem ferner einen Stromabnehmer, der zwischen der unteren Druckaufnehmerplatte und dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Ein Stromabnehmer kann ferner vorteilhaft in die untere Druckaufnehmerplatte eingelassen sein.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die untere Druckaufnehmerplatte als Stromabnehmer ausgebildet. Durch die Ausgestaltung der unteren Druckaufnehmerplatte als Stromabnehmer, und insbesondere in Form einer goldbeschichteten Kupferschicht oder Aluminiumschicht, entfällt die Notwendigkeit eine separate Stromabnehmerschicht vorzusehen, so dass eine weitere Gewichtseinsparung beim Gewicht des Brennstoffzellensystems erzielt werden kann.
  • Weiter vorteilhaft umfasst die Trägerschicht mindestens eine oder mehrere poröse Strukturen und/oder besteht mindestens teilweise aus Vollmaterial. Dies fördert die Leichtbauweise des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
  • Je nach Ausführungsform kann die poröse Struktur geordnet oder ungeordnet sein. Eine geordnete Struktur im Sinne der Erfindung ist eine solche, bei der z. B. röhrenartigen Strukturen, Hohlräume oder Aussparungen an definierter Stelle vorgenommen sind. Beispielsweise, wenn an einem Vollmaterial in vorbestimmtem Abstand parallel zueinander Ausnehmungen bzw. Durchbohrungen vorgenommen wurden. Eine ungeordnete Struktur im Sinne der Erfindung lässt im Wesentlichen keine Vorzugsrichtung oder Ausrichtung der Hohlräume erkennen. Eine solche ungeordnete Porenstruktur wird beispielsweise durch Schäumen von Metallen, beispielsweise von Aluminium, oder synthetischen Materialien, wie z. B. Polyurethan, erzielt.
  • Je höher der Anteil an Hohlräumen in der Trägerschicht ist, desto geringer ist das Gewicht der Trägerschicht, so dass durch geeignete Wahl der Materialien sowie das Vorsehen eines vorbestimmten Volumens an Hohlräumen in der Trägerschicht, eine erhebliche Gewichtsreduktion des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems erzielt werden kann, ohne dass die mechanische Stabilität der Trägerschicht merklich beeinträchtigt wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass mindestens die Trägerschicht der Vielschichtstruktur mindestens eine Stützstruktur aufweist, die entlang der Stapelrichtung der Vielschichtstruktur angeordnet ist, und die ausgebildet ist, den beim Verspannen des Brennstoffzellenstapels senkrecht wirkenden Verspannkräften derart entgegenzuwirken, dass eine Volumenreduktion der Trägerschicht minimiert wird. Eine Stützstruktur im Sinne der Erfindung ist im Einzelnen nicht beschränkt und ihre Funktion ist es, einer Volumenreduktion, also insbesondere einem Deformieren, Eindrücken oder Zusammenpressen der Trägerschicht beim Verspannen des Brennstoffzellenstapels, entgegenzuwirken. Beispielhafterweise seien hier Hülsen oder Nieten, ebenfalls beispielsweise aus Metall, genannt, die in etwa senkrecht zur Stapelrichtung der Vielschichtstruktur verlaufen. Die Stützstruktur kann neben der Trägerschicht auch die obere und/oder untere Druckaufnehmerplatte durchziehen, was eine zusätzliche Stabilisierung der gesamten Vielschichtstruktur bewirkt. Gerade Abstützgeometrien in Hülsenform sind besonders geeignet, da sie das Gesamtgewicht der Vielschichtstruktur nicht wesentlich beeinträchtigen. Ferner vorteilhaft ist die Stützstruktur aus demselben Material wie die Druckaufnehmerplatten ausgebildet.
  • Weiter vorteilhaft ist eine Fluidführung mit der Stützstruktur verbunden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Stützstruktur einen Hohlraum einschließt, durch den die Fluidführung durchgeführt werden kann. Hierdurch kann auf ein separates Vorsehen einer Fluidführung verzichtet werden, wodurch wiederum Gewicht eingespart wird. Zudem verläuft die Fluidführung vorzugsweise im Inneren der Stützstruktur und ist somit vor einwirkenden Kräften, wie sie beispielsweise beim Verspannen des Brennstoffzellenstapels einwirken, oder anderen mechanischen Belastungen, geschützt.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mindestens eine Fluidführung, wobei mindestens ein beschichteter Teil mindestens einer porösen Struktur der Trägerschicht und/oder mindestens ein Teil eines Vollmaterials der Trägerschicht als Fluidführung ausgebildet ist. Die Beschichtung der porösen Struktur und/oder das Einbringen oder Umformen eines geeigneten Vollmaterials zur Einrichtung einer Fluidführung durch die Trägerschicht dichtet die Fluidführung von anderen Teilbereichen der Trägerschicht ab und ist vorteilhaft, da die Fluidführung somit integrierter Bestandteil der Trägerschicht ist, und so wie die Trägerschicht selbst vor Deformation geschützt ist, ohne dass eine zusätzliche Verteilerstruktur angeordnet werden muss, die die durch die Vielschichtstruktur erzielte Gewichtsreduktion des Brennstoffzellensystems verringern würde. Mit anderen Worten werden so die bereits vorhandenen Hohlräume in der Trägerschicht optimal für weitere funktionelle Eigenschaften des Brennstoffzellensystems ausgenutzt. Die Integration der Fluidverteilerstruktur in den Bereich der als Endplatte fungierenden erfindungsgemäßen Vielschichtstruktur reduziert sowohl das Gesamtgewicht als auch das Gesamtvolumen des Brennstoffzellensystems und ist daher insbesondere für bauraumreduzierten Anwendungen vorteilhaft. Zudem ist eine solche Struktur kostengünstig mit Standardprozessen produzierbar.
  • Weiter vorteilhaft ist seitlich am Stromabnehmer oder seitlich an der als Stromabnehmer ausgebildeten unteren Druckaufnehmerplatte eine Isolationsschicht angeordnet, und der als Fluidführung ausgebildete Teil eines Vollmaterials ist mit der Isolationsschicht verbunden. Hierdurch kann auf zusätzliche Abdichtungsvorrichtungen zur Trennung der Fluidströme und Gewährleistung der Dichtheit des Brennstoffzellensystems nach außen, verzichtet werden. Vorteilhafterweise werden hier stoffschlüssige Verbindungen zwischen der Isolationsschicht auf der einen Seite und der Fluidführung, die aus einem Vollmaterial, wie beispielsweise Metall, gebildet ist, auf der anderen Seite, gebildet. Dies senkt die Kosten für die Herstellung des Brennstoffzellensystems und vereinfacht seine Herstellung.
  • Ebenfalls vorteilhaft umfasst das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem Anschlüsse für Fluide, die mit der oberen Druckaufnehmerplatte verbunden sind und/oder Anschlüsse, die durch Ausnehmungen in der oberen Druckaufnehmerplatte durchgeführt werden und mit der Zwischenträgerschicht verbunden sind. Beispielsweise können die Anschlüsse für die Fluide oder Medien, wie beispielsweise Reaktionsfluide oder Kühlmedien, entweder in der oberen Druckaufnehmerplatte verschraubt oder anderweitig verbunden sein oder durch Ausnehmungen oder Aussparungen in der oberen Druckaufnehmerplatte durch diese durchgeleitet und dann mit Teilbereichen der Trägerschicht verschraubt oder anderweitig verbunden werden. Vorteilhafterweise sind Verbindungen, wie Verschraubungen, in der Trägerschicht an Teilbereichen aus Vollmaterial vorgesehen, da hier eine besonders stabile Verbindung erzielt werden kann, die auch eine ausreichende Dichtheit gegenüber Fluidaustritt gewährleistet. Die Integration der Anschlüsse in den Bereich der als Endplatte fungierenden erfindungsgemäßen Vielschichtstruktur reduziert das Gesamtvolumen des Brennstoffzellensystems und gestaltet dessen Anwendung insbesondere in bauraumreduzierten Anwendungen als vorteilhaft.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Material der Druckaufnehmerplatten ausgewählt ist aus: faserverstärkten Kunststoffen wie CFK (Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe), vorzugsweise mit HT-Kohlefasern (HeavyTow); Metallen, wie Magnesium und Aluminium; Legierungen, wie Stählen; Kunststoffen und Mischungen daraus. Geeignete Materialien und deren Kombinationen werden im Hinblick auf ein möglichst geringes Gesamtgewicht und eine hohe Stabilität und mechanische Belastbarkeit ausgewählt.
  • Weiter vorteilhaft ist mindestens eine Schicht der Vielschichtstruktur Teil eines Gehäuses des Brennstoffzellensystems und/oder bildet eine Trägerplatte und/oder weist Strukturen zur Befestigung des Brennstoffzellensystems auf. Dies trägt zur Gewichtseinsparung des Gesamtsystems bei. Damit die Vielschichtstruktur einen Teil eines Gehäuses des Brennstoffzellensystems bildet, ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Schicht der Vielschichtstruktur über den Brennstoffzellenstapel hinausragt. Diese Schicht kann somit Funktionen des Gehäuses, wie z. B. Stabilisierung des Brennstoffzellensystems, Korrosionsschutz, thermische Isolierung und dergleichen, übernehmen. Ein Vorsehen von Strukturen zur Befestigung des Brennstoffzellensystems an mindestens einer Schicht der Vielschichtstruktur erleichtert den Einbau des Brennstoffzellensystems, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
  • Zur Optimierung der Funktionalität des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems können in dieses weitere Bauteile, wie z. B. eine Rezirkulationspumpe, ein Rezirkulationskreislauf, Sensoren, Ventile, Befeuchtungssysteme, Injektoren, Fluideinspritzsysteme, integriert sein. Die hier angeführten optionalen Bauteile zur Integration in das Brennstoffzellensystem können durch weitere und/oder alternative Bauteile vervollständigt werden.
  • Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein Kraftfahrzeug beschrieben, das mindestens ein wie vorstehend beschriebenes Brennstoffzellensystem umfasst. Durch das verringerte Gewicht des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems bei sehr guter Stabilität kann auch das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugs verringert werden. Die für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschriebenen Weiterbildungen, Vorteile und Effekte finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
  • Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich folgende Vorteile:
    • – Das Brennstoffzellensystem hat ein reduziertes Gesamtgewicht bei sehr guter mechanischer Stabilität.
    • – Das Gesamtvolumen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist minimiert.
    • – Das Brennstoffzellensystem ist effektiv vor Deformation beim Verspannen des Brennstoffzellenstapels geschützt.
    • – Ebenfalls lässt sich das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit Standardprozessen kostengünstig herstellen.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
  • 1 einen Querschnitt durch einen Teil einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
  • 2 einen Querschnitt durch einen Teil einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, und
  • 3 einen Querschnitt durch einen Teil einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
  • In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile des Brennstoffzellensystems oder Brennstoffzellenstapels dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. in den Figuren beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile.
  • 1 stellt einen Querschnitt durch einen Teil einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems dar. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine obere Druckaufnehmerplatte 1, eine Trägerschicht 2 und eine untere Druckaufnehmerplatte 3. Diese drei Schichten ergeben zusammengefasst die erfindungsgemäße, mindestens dreischichtige Vielschichtstruktur. Weitere Zwischenschichten können vorgesehen sein. Die untere Druckaufnehmerplatte 3 grenzt an den Stromabnehmer 4 an, der die Verbindung zum Brennstoffzellenstapel 6 darstellt und von der unteren Druckaufnehmerplatte 3 durch die Isolationsschicht 5 getrennt ist.
  • Durch den mindestens dreischichtigen Aufbau der Vielschichtstruktur können die Materialien gemäß den Anforderungen an das Brennstoffzellensystem ausgewählt und eine Gewichtsreduktion erzielt werden.
  • Beispielsweise können die obere Druckaufnehmerplatte 1 und/oder die untere Druckaufnehmerplatte 3 aus Stahlplatten geformt, und die Trägerschicht aus einem geschäumten Kunststoffmaterial, wie z. B. Polyurethan, gebildet sein. Durch die Stahlplatten kann eine ausreichende Stabilität der Vielschichtstruktur gegenüber den bei der Verspannung des Brennstoffzellenstapels 6 wirkenden Kräften sowie mechanischen Belastungen bei Anwendung des Brennstoffzellensystems, bereitgestellt werden, so dass auf den Brennstoffzellenstapel 6 eine gleichmäßige Flächenpressung einwirkt. Zudem wird die Trägerschicht vor Deformation geschützt. Das geschäumte Kunststoffmaterial weist eine poröse Struktur mit offenen und geschlossenen Poren auf und hat sowohl aufgrund des gegenüber Metall an sich verringerten Gewichts des Kunststoffmaterials sowie des porösen Charakters mit Hohlräumen im Inneren der Trägerschicht 2 eine deutliche Gewichtsreduktion der als Vielschichtstruktur ausgebildeten Endplatte zur Folge.
  • Alternativ dazu kann beispielsweise eine der Schichten einen faserverstärkten Kunststoff aufweisen. Z. B. können die obere Druckaufnehmerplatte und/oder die untere Druckaufnehmerplatte glasfaser- oder karbonfaserverstärkte Kunststoffe enthalten und die Trägerschicht zumindest teilweise aus Vollmaterial, wie Aluminium oder Stahl, oder anderen Legierungen, bestehen. Das Vollmaterial kann beispielsweise durch mechanische Bearbeitung oder einen Ätzvorgang integrierte Hohlräume enthalten. Sowohl das gegenüber herkömmlich verwendeten Metallen reduzierte Eigengewicht der faserverstärkten Kunststoffe in der oberen und der unteren Druckaufnehmerplatte 1, 3, also auch die Integration von Hohlräumen in das Vollmaterial der Trägerschicht 2 reduzieren das Gesamtgewicht der Vielschichtstruktur.
  • Geeignete Materialien, Schichtdicken und Formen der oberen Druckaufnehmerplatte 1, der Trägerschicht 2 und der unteren Druckaufnehmerplatte 3 werden im Hinblick auf die Stabilität der Vielschichtstruktur, ihre Funktion als Endplatte in einem Brennstoffzellensystem und insbesondere im Hinblick auf ein möglichst geringes Gesamtgewicht ausgewählt und kombiniert. Je größer die Porosität in den einzelnen Schichten, also je höher der Anteil an Hohlräumen und Aussparungen in den einzelnen Schichten, ist, desto geringer ist das Gesamtgewicht des Brennstoffzellensystems.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Im Gegensatz zu dem Brennstoffzellensystem aus 1 ist in dem vorliegenden Brennstoffzellensystem aus 2 die untere Druckaufnehmerplatte 3 als Stromabnehmer ausgebildet. Stromabnehmer und untere Druckaufnehmerplatte 3 sind damit ein Bauteil. Das Bereitstellen und Verarbeiten eines separaten Stromabnehmers entfällt. Dies senkt die Kosten des Brennstoffzellensystems und vereinfacht seine Herstellung. Ebenfalls werden damit das Gesamtvolumen und auch das Gesamtgewicht des Brennstoffzellensystems reduziert.
  • Beispielhaft sei ausgeführt, dass die untere Druckaufnehmerplatte 3 vorteilhafterweise in Form einer goldbeschichtete Kupferplatte oder Aluminiumplatte als Stromabnehmer ausgebildet ist.
  • Um die Isolation des Brennstoffzellenstapels 6 von der Trägerschicht 2 und der oberen Druckaufnehmerplatte 1 zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn die Trägerschicht und/oder die obere Druckaufnehmerplatte 1 aus einem nicht leitenden Material, wie beispielsweise einem nicht leitenden Kunststoff oder einem nicht leitenden faserverstärkten Kunststoff und dergleichen gebildet ist. Alternativ dazu kann aber auch eine separate Isolationsschicht vorgesehen sein.
  • 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil einer dritten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Im Gegensatz zu dem Brennstoffzellensystem aus 1 sind in dem vorliegenden Brennstoffzellensystem aus 3 zwei Stützstrukturen 10 vorhanden, die die obere Druckaufnehmerplatte 1, die Trägerschicht 2 und die untere Druckaufnehmerplatte 3 durchdringen. Die Stützstruktur 10 ist mit einer Isolationsschicht 5 verbunden.
  • Beispielsweise wird die Stützstruktur 10 aus Metallhülsen oder CFK gebildet, die auch als Hülsen für Zugelemente zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels 6 dienen können. Z. B. werden entsprechend vorgeformte Metallhülsen oder CFK-Hülsen durch die Vielschichtstruktur gebohrt und die von den Metallhülsen oder CFK-Hülsen umschlossenen Bereiche entfernt, so dass in den durch die Metallhülsen oder CFK-Hülsen begrenzten Bereichen Hohlräume entstehen. Dies stabilisiert die Vielschichtstruktur und insbesondere die Trägerschicht 2 gegen Verformung beim Verspannen des Brennstoffzellenstapels 6. Die gebildeten Hohlräume dienen der Isolation von Fluiden gegenüber der Trägerschicht 2, sofern diese fluiddurchlässig ist.
  • Alternativ können die Stützstrukturen 10 auch als Fluidführung oder Medienführung fungieren, so dass auf separate Fluid- oder Medienanschlüsse verzichtet werden kann. Die Fluidführung (oder Medienführung) ist somit in die Vielschichtstruktur integriert und wird durch diese geschützt.
  • In dem Brennstoffzellensystem aus 3 ist ferner eine Gewindebohrung 7 vorgesehen, die in die obere Druckaufnehmerplatte 1 und Teile der Trägerschicht 2 eingearbeitet ist. Sie dient als Anschluss einer Fluidführung 8. Mit dem unteren Ende der Gewindebohrung 7 ist somit eine Fluidführung 8 verbunden, die die Trägerschicht 2 und die untere Druckaufnehmerplatte 3 durchzieht. Hierdurch können die Reaktionsfluide zu den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 6 geleitet werden. Eine externe Fluidversorgung ist nicht notwendig, was sowohl Gewicht als auch Volumen im Brennstoffzellensystem einspart.
  • Anstelle einer Gewindebohrung 7 ist es ebenfalls möglich alternative Verbindungsstücke, z. B. wie Steckverbindungsanschlüsse, vorzusehen.
  • Die Fluidführung 8 ist im Einzelnen nicht beschränkt, ist aber derart gebildet, dass sie eine Diffusion bzw. einen Austritt von Fluid in umgebende Bereiche verhindert. Beispielsweise kann die Fluidführung aus einem Vollmaterial, wie z. B. einem Metallröhrchen, bestehen oder aber eine fluiddichte Beschichtung von Poren im Inneren der Trägerschicht 2 darstellen.
  • Mit der Gewindebohrung 7 können Einschrauber 9 oder andere Verbindungsstücke für das Zuführen oder Abführen von Fluid vorgesehen sein, die passgenau und fluiddicht mit der Gewindebohrung 7, Steckverbindung oder dergleichen, verbunden werden können.
  • Durch die Integration der Fluidverteilerstruktur und der Anschlüsse für die Fluide in den Bereich der als Endplatte dienenden erfindungsgemäßen Vielschichtstruktur können das Gesamtgewicht und das Gesamtvolumen des Brennstoffzellensystems reduziert werden.
  • Das vorbeschriebene Brennstoffzellensystem findet vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug Verwendung.
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    obere Druckaufnehmerplatte
    2
    Trägerschicht
    3
    untere Druckaufnehmerplatte
    4
    Stromabnehmer
    5
    Isolationsschicht
    6
    Brennstoffzellenstapel
    7
    Gewindebohrung
    8
    Fluidführung
    9
    Einschrauber für Fluidzuführung bzw. Fluidabführung
    10
    Stützstruktur

Claims (13)

  1. Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel (6) zusammengefassten Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (6) an mindestens einem Ende von einer mindestens dreischichtigen Vielschichtstruktur begrenzt ist, wobei die Vielschichtstruktur eine untere Druckaufnehmerplatte (3), eine Trägerschicht (2) und eine obere Druckaufnehmerplatte (1) umfasst, die in dieser Reihenfolge in Stapelrichtung der Brennstoffzellen angeordnet sind.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem ferner einen Stromabnehmer (4) umfasst, der zwischen der unteren Druckaufnehmerplatte (3) und dem Brennstoffzellenstapel (6) angeordnet ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Druckaufnehmerplatte (3) als Stromabnehmer ausgebildet ist.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (2) mindestens eine oder mehrere poröse Strukturen umfasst und/oder mindestens teilweise aus Vollmaterial besteht.
  5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Trägerschicht (2) der Vielschichtstruktur mindestens eine Stützstruktur (10) aufweist, die entlang der Stapelrichtung der Vielschichtstruktur angeordnet ist, und die ausgebildet ist, den beim Verspannen des Brennstoffzellenstapels (6) senkrecht wirkenden Verspannkräften derart entgegenzuwirken, dass eine Volumenreduktion der Trägerschicht (2) minimiert wird.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fluidführung (8) mit der Stützstruktur (10) verbunden ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem mindestens eine Fluidführung (8) umfasst, wobei mindestens ein beschichteter Teil mindestens einer porösen Struktur der Trägerschicht (2) und/oder mindestens ein Teil eines Vollmaterials der Trägerschicht (2) als Fluidführung (8) ausgebildet ist.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass seitlich am Stromabnehmer (4) oder seitlich an der als Stromabnehmer ausgebildeten unteren Druckaufnehmerplatte (3) eine Isolationsschicht (5) angeordnet ist, und der als Fluidführung (8) ausgebildete Teil eines Vollmaterials mit der Isolationsschicht (5) verbunden ist.
  9. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlüsse für Fluide mit der oberen Druckaufnehmerplatte (1) verbunden sind und/oder dass Anschlüsse durch Ausnehmungen in der oberen Druckaufnehmerplatte (1) durchgeführt werden und mit der Zwischenträgerschicht (2) verbunden sind.
  10. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Druckaufnehmerplatten 1, 3, ausgewählt ist aus: faserverstärkten Kunststoffen; Metallen, wie Magnesium und Aluminium; Legierungen, wie Stählen; Kunststoffen und Mischungen daraus.
  11. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht der Vielschichtstruktur Teil eines Gehäuses des Brennstoffzellensystems ist und/oder eine Trägerplatte bildet und/oder Strukturen zur Befestigung des Brennstoffzellensystems aufweist.
  12. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Bauteile, wie z. B. eine Rezirkulationspumpe, ein Rezirkulationskreislauf, Sensoren, Ventile, Befeuchtungssysteme, Injektoren, Fluideinspritzsysteme, integriert sind.
  13. Kraftfahrzeug umfassend mindestens ein Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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