-
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Spannungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
-
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu Protonen H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 → 2 H+ + 2 e-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O2 + 2 e- → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2- + 2 H+ → H2O).
-
Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.
-
Um den Brennstoffzellenstapel zusammenzuhalten, sind an den Stapelenden Endplatten angeordnet, die den Stapel zu beiden Seiten begrenzen, wobei der Stapel also zwischen den Endplatten angeordnet ist. Durch Zugkräfte wird der Stapel unter Druck gesetzt. Hierdurch werden auch die Endplatten erheblichen Kräften ausgesetzt. Um eine Beschädigung der Endplatten und auch des Stapels zu vermeiden, werden die Endplatten durch Federn abgefedert. Zur Anordnung der Federn liegen die Federn auf einer Einlageplatte auf, die wiederum auf der Endplatte liegt. Die Endplatte, die Einlageplatte und die Federn bilden zusammen einer Endplattenanordnung, die ferner noch eine Endplattenkappe aufweisen kann, die die Endplattenanordnung abschließt.
-
Üblicherweise weist die Einlageplatte Federaufnahmeelemente in Form von Aussparungen auf, die komplementär zu der Form der Federn ausgebildet sind. Die Federn können damit in die Aussparungen eingebracht werden, womit die Federn innerhalb der Endplattenanordnung positioniert werden. Über die Federn nimmt die Einlageplatte sowohl beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels als auch bei dessen Betrieb mechanische Spannungen auf. Als Reaktion auf diese Spannung kann die Einlageplatte den Spannungen nachgeben und selber beschädigt werden beziehungsweise wiederum die Biopolarplatten mechanisch belasten, was diese beschädigen und/oder deren Funktion beeinträchtigen kann. Für ein kompaktes Design der Endplattenanordnung ist die Einlageplatte bevorzugt flach ausgestaltet. Die bereits beschriebenen auf die Einlageplatte übertragenen Kräfte und die hierdurch verursachte Bruchgefahr verhindert allerdings, die Einlageplatte flach auszubilden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Endplattenanordnung für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, welche diese Nachteile nicht aufweist.
-
Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Einlageplatte für eine Endplattenanordnung eines Brennstoffzellenstapel gelöst.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Einlageplatte für eine Endplattenanordnung eines Brennstoffzellenstapels beschrieben, umfassend eine Mehrzahl von Segmentstrukturen, wobei eine erste Segmentstruktur und eine zweite Segmentstruktur derart gekoppelt sind, dass die erste Segmentstruktur und die zweite Segmentstruktur zumindest teilweise relativ zueinander verkippbar sind.
-
Hierdurch wird der Einlageplatte eine besondere Flexibilität verliehen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten durchgehenden, unsegmentierten Einlageplatten vermissen lassen. Durch die Segmentstrukturen kann eine hohe Flexibilität gewährleistet werden, die den hohen mechanischen Anforderungen in einem Brennstoffzellenstapel Genüge tun.
-
Für ein kompaktes Design der Endplattenanordnung ist die Einlageplatte bevorzugt flach ausgestaltet. Durch die Segmentstruktur weist die erfindungsgemäße Einlageplatte eine hinreichende Flexibilität auf, sodass diese auch relativ flach ausgestaltet werden kann, ohne dass es durch die übertragenen Kräfte zu einer Beschädigung kommt. Die erfindungsgemäße Einlageplatte ermöglicht somit ein kompaktes Design der Endplattenanordnung, wie dies insbesondere bei Verwendung in Fahrzeugen von Bedeutung ist.
-
Insbesondere weist die Einlageplatte wenigstens drei, bevorzugt fünf oder mehr Segmentstrukturen auf.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Einlageplatte beschrieben, wobei die erste Segmentstruktur auf einer ersten Seite wenigstens ein Eingreifelement aufweist, und die zweite Segmentstruktur auf einer zweiten Seite wenigstens ein Aufnahmeelement aufweist, und wobei das Eingreifelement in das Aufnahmeelement eingreift, um die erste Segmentstruktur und die zweite Segmentstruktur zu koppeln.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Einlageplatte beschrieben, wobei die Eingreifelemente als Stege gebildet sind und die Aufnahmeelemente als Aussparung gebildet sind.
-
Gemäß einer Ausführungsform weisen die Eingreifelemente in Form von Stegen in einer Richtung senkrecht zu der Eingreifrichtung lochförmige Durchgänge auf. Beim Eingreifen der Eingreifelemente in die Aussparungen kommen die Durchgänge der Eingreifelemente der ersten Segmentstruktur und Durchgänge der Eingreifelemente der zweiten Segmentstruktur aufeinander zu liegen. In den hierdurch entstehenden Gesamtdurchgang kann nun ein dünner Stab eingebracht werden, welcher als Drehachse ermöglicht, dass die erste Segmentstruktur und die zweite Segmentstruktur relativ zueinander verkippbar sind. Die beiden Segmentstrukturen werden also scharnierartig miteinander gekoppelt.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Einlageplatte beschrieben, wobei die erste Segmentstruktur auf einer ersten Seite wenigstens ein Aufnahmeelement aufweist, und die zweite Segmentstruktur auf einer zweiten Seite wenigstens ein Eingreifelement aufweist, und wobei das Eingreifelement in das Aufnahmeelement eingreift, um die erste Segmentstruktur und die zweite Segmentstruktur zu koppeln.
-
Die Eingreifelemente und die Aufnahmeelemente sind auf einer Seite einer Segmentstruktur bevorzugt alternierend angeordnet und schließen unmittelbar aneinander an. Bevorzugt sind die Segmentstrukturen einstückig ausgebildet, zumindest im Hinblick auf die Ausbildung der Eingreifelement und Aufnahmeelemente.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Einlageplatte beschrieben, wobei die Einlageplatte ferner eine dritte Segmentstruktur aufweist, welche mit der zweiten Segmentstruktur derart gekoppelt ist, dass die dritte Segmentstruktur und die zweite Segmentstruktur zumindest teilweise relativ zueinander verkippbar sind. Auch gemäß dieser Ausführungsform sind die Eingreifelemente bevorzugt als Stege gebildet und die Aufnahmeelemente als Aussparungen gebildet.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Einlageplatte beschrieben, wobei wenigstens eine Segmentstruktur eine Federaufnahme aufweist, wobei die Federaufnahme bevorzugt als Aussparung in der Segmentstruktur ausgebildet ist.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Einlageplatte beschrieben, wobei die Einlageplatte aus einem Metall, bevorzugt aus Stahl oder Aluminium gebildet ist.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Endplattenanordnung für einen Brennstoffzellenstapel, umfassend eine Endplatte, eine Mehrzahl von Federn sowie eine erfindungsgemäße Einlageplatte, wobei die Einlageplatte eine Mehrzahl von Federaufnahmen aufweist, welche die Federn auf der Einlageplatte positionieren.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Endplattenanordnung beschrieben, wobei zwischen der Endplatte und der Einlageplatte eine weitere Metallplatte angeordnet ist, die bevorzugt nicht mehr als 400 µm dick ist, insbesondere nicht mehr als 300 µm dick ist.
-
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
-
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
-
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels;
- 2 in seitlicher Ansicht eine aus dem Stand der Technik bekannte Endplattenanordnung;
- 3 in Draufsicht eine aus dem Stand der Technik bekannte Endplatte mit aufliegender Einlageplatte;
- 4 in Draufsicht zwei Segmentstrukturen für eine erfindungsgemäße Einlageplatte;
- 5 in Draufsicht eine erfindungsgemäße Einlageplatte;
- 6 in einer Ansicht von unten eine erfindungsgemäße Einlageplatte;
- 7 in seitlicher Ansicht eine erfindungsgemäße Einlageplatte in unterschiedlichen Anordnungen.
-
1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen insgesamt mit 100 bezeichneten Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Brennstoffzellenstapel 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch den Brennstoffzellenstapel 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
-
Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine Vielzahl von abwechselnd, an deren Flachseiten aneinander gereihten (gestapelten) Membran-Elektroden-Anordnungen 10 und Bipolarplatten 12. Insgesamt bilden also mehrere gestapelte Einzelzellen 11 den Brennstoffzellenstapel 100, wobei sowohl eine der Einzelzellen 11, als auch der Brennstoffzellenstapel 100 allgemein als Brennstoffzelle bezeichnet werden können. Der Brennstoffzellenstapel 100 weist beidseitig Endplattenanordnungen 18 auf. Zwischen den Bipolarplatten 12 und den jeweiligen Membran-Elektroden-Anordnungen 10 sind nicht dargestellte Anoden- und Kathodenräume angeordnet, welche von umlaufenden Dichtungen 20 begrenzt werden. Unter anderem, um die Dichtfunktion der Dichtungen 20 herzustellen, wird der Brennstoffzellenstapel 100 in der Stapelrichtung S mittels eines Spannsystems zusammengepresst (verpresst). Das Spannsystem umfasst üblicherweise eine äußere Spannvorrichtung (nicht gezeigt).
-
Zum Aufbau einer äußeren Spannung, welche auf die Strukturelemente im Brennstoffzellenstapel 100 übertragen wird, leiten längliche Zugkörper 22 der äußeren Spannvorrichtungen (nicht gezeigt) Zugkräfte zwischen den beiden Endplatten 18 weiter, sodass die Endplattenanordnung 18 mittels der Zugkörper 22 zueinander gezogen werden. Dazu erstrecken sich die Zugkörper 22 in einer Stapelrichtung S1 bzw. S2 des Brennstoffzellenstapels 100. Hierdurch entstehen beträchtliche Drücke innerhalb des Stapels.
-
2 zeigt in seitlicher Ansicht eine aus dem Stand der Technik bekannte Endplattenanordnung umfassend die Endplatte 15 und eine zugehörige Einlageplatte 30. Um den zwischen den Endplatten 15 wirkenden Kräfte Rechnung zu tragen, wird die Endplatte 15 durch Federn 16 abgefedert. Zur Anordnung der Federn 16 liegen die Federn 16 auf der Einlageplatte 30 auf, die wiederum auf der Endplatte 15 liegt. Die Einlageplatte 30 weist Aussparungen 50 auf, die komplementär zu der Form der Federn 16 ausgebildet sind. Die Federn 16 können damit in die Aussparungen 50 eingelegt werden, womit die Federn 16 innerhalb der Endplattenanordnung 18 positioniert werden. Die Federn 16 sind dabei Bestandteil der Endplattenanordnung 18, die ferner noch eine Endplattenkappe 17 aufweisen kann. Über die Federn 16 nimmt die Einlageplatte 17 sowohl beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels als auch bei dessen Betrieb mechanische Spannungen auf. Als Reaktion auf diese Spannungen kann die Einlageplatte den Spannungen nachgeben und wiederum die Biopolarplatten mechanisch belasten, was diese beschädigen und/oder deren Betrieb beinträchtigen kann.
-
3 zeigt in Draufsicht eine aus dem Stand der Technik bekannte Einlageplatte 30. Die bekannte Einlageplatte 30 liegt auf einer Endplatte 15 auf. Die Einlageplatte 30 weist, wie bereits beschrieben die Aussparungen 50 auf, die komplementär zu der Form entsprechender Federn ausgebildet sind. Rund ausgebildete Federn können also in die runden Aussparungen 50 eingelegt werden, womit die Federn innerhalb einer Endplattenanordnung positioniert werden. Die aus dem Stand der Technik bekannten Einlageplatten 30 weisen insbesondere in dem Bereich, der die Aussparungen 50 aufweist, keine segmentierte Struktur auf. Eine kontinuierliche, einstückige Ausführung der Einlageplatten 30, insbesondere in dem Bereich, der die runden Aussparungen 50 aufweist, ist bekannt.
-
4 zeigt in Draufsicht zwei Segmentstrukturen 40, 40.2 für eine erfindungsgemäße Einlageplatte. Die erste Segmentstruktur 40 weist auf einer ersten Seite 46 mehrere Eingreifelemente 42 auf, und die zweite Segmentstruktur 40 weist auf einer zweiten Seite 48 mehrere Aufnahmeelement 44 auf. Die Eingreifelemente 42 greifen nun in die Aufnahmeelemente 44 ein, um die erste Segmentstruktur 40 und die zweite Segmentstruktur 40 miteinander zu koppeln. Dies ist durch die gestrichelten Pfeile gezeigt. Ferner weist die erste Segmentstruktur 40 auf der ersten Seite 46 mehrere Aufnahmeelemente 44 auf, und die zweite Segmentstruktur 40 weist auf der zweiten Seite 48 mehrere Eingreifelement 42 auf. Bei Kopplung der beiden Segmentstrukturen greifen die Eingreifelemente 42 in die Aufnahmeelemente 44 ein. Die eine erste Segmentstruktur 40 und eine zweite Segmentstruktur 40 werden hierdurch derart gekoppelt, dass die erste Segmentstruktur 40 und die zweite Segmentstruktur 40 zumindest teilweise relativ zueinander verkippbar sind. Wie aus der Figur ersichtlich ist, sind die Aufnahmeelemente 44 als Aussparungen in den Segmentstrukturen 40 gebildet. Durch die Bildung der Aussparungen 44 verbleiben Stege an den Rändern der Segmentstrukturen, die als die Eingreifelemente 42 dienen. Hierdurch ist eine einfache Fertigung der Segmentstrukturen möglich, wobei jede Segmentstruktur in einer speziellen Ausführungsform einstückig ausgebildet ist.
-
Bevorzugt weisen die Aufnahmeelemente 44 in Form von Aussparungen und/oder die Eingreifelemente 42 in Form von Stegen abgerundete Kanten in der Eingreifrichtung, d.h. in der Richtung der gestrichelten Pfeile auf. Hierdurch lässt sich erreichen, dass die erste Segmentstruktur 40 und die zweite Segmentstruktur 40 einfacher relativ zueinander verkippbar sind, ohne dass sich Kanten an den Rändern der Segmentstrukturen bei der Kippbewegung berühren.
-
Die Eingreifelemente 42 in Form von Stegen weisen in einer Richtung senkrecht zu der Eingreifrichtung, also senkrecht zu der Richtung, die durch die gestrichelten Pfeile angezeigt wird, Durchgänge auf (nicht gezeigt). In diese Durchgänge werden dünne Stäbe eingebracht (nicht gezeigt), welche als Drehachsen ermöglichen, dass die erste Segmentstruktur 40 und die zweite Segmentstruktur 40 relativ zueinander verkippbar sind.
-
5 zeigt in Draufsicht eine erfindungsgemäße Einlageplatte. Die Einlageplatte weist fünf miteinander gekoppelte Segmentstrukturen 40, 40.2, 40.3, 40.4 und 40.5 auf. Die erste Segmentstruktur 40 ist dabei direkt an die zweite Segmentstruktur 40 gekoppelt. Die erste Segmentstruktur 40 und die zweite Segmentstruktur 40 sind also relativ zueinander verkippbar beziehungsweise drehbar gelagert und zwar um die Achse R1. Entsprechend sind die zweite Segmentstruktur 40 und die dritte Segmentstruktur 40 relativ zueinander verkippbar beziehungsweise drehbar gelagert und zwar um die Achse R2. Entsprechend sind die dritte Segmentstruktur 40 und die vierte Segmentstruktur 40 relativ zueinander verkippbar beziehungsweise drehbar gelagert und zwar um die Achse R3. Entsprechend sind ferner die vierte Segmentstruktur 40 und die fünfte Segmentstruktur 40 relativ zueinander verkippbar beziehungsweise drehbar gelagert und zwar um die Achse R4. Hierdurch wird der Einlageplatte eine besondere Flexibilität verliehen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten durchgehenden, unsegmentierten Einlageplatten vermissen lassen. Insbesondere durch mehr als drei Segmentstrukturen, insbesondere fünf Segmentstrukturen oder mehr Segmentstrukturen, kann eine hohe Flexibilität gewährleistet werden, die den hohen mechanischen Anforderungen in einem Brennstoffzellenstapel Genüge tun. 6 zeigt in einer Ansicht von unten die erfindungsgemäße Einlageplatte gemäß 5.
-
7 zeigt in seitlicher Ansicht die erfindungsgemäße Einlageplatte gemäß 5 und 6. Wie bereits dargelegt, weist die Einlageplatte fünf miteinander gekoppelte Segmentstrukturen 40, 40.2, 40.3, 40.4 und 40.5 auf, wobei eine Verkippung bzw. Verdrehung um die Drehachsen R1, R2, R3, R4 und R5 erfolgen kann. Die hierdurch erreichte Flexibilität der Einlageplatte wird nun anhand von 7 dargestellt. Durch Drehung bzw. Verkippung der ersten Segmentstruktur 40 relativ zu der zweiten Segmentstruktur 40 um R1 wird die erste Anordnung C1 in die zweite Anordnung C2 überführt. Durch anschließende Drehung bzw. Verkippung der vierten Segmentstruktur 40 relativ zu der fünften Segmentstruktur 40 wird die zweite Anordnung C2 in die dritte Anordnung C3 überführt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Brennstoffzellenstapel
- 10
- Membran-Elektroden-Anordnung
- 11
- Einzelzelle
- 12
- Bipolarplatte
- 15
- Endplatte
- 16
- Feder
- 17
- Endplattenkappe
- 18
- Endplattenanordnung
- 20
- Dichtung
- 22
- länglicher Zugkörper
- S
- Stapelrichtung
- 30
- Einlageplatte
- 40
- Segmentstruktur
- 42
- Eingreifelement
- 44
- Aufnahmeelement
- 46
- erste Seite Segmentstruktur
- 48
- zweite Seite Segmentstruktur
- 50
- Federaufnahme / Aussparung
- R
- Rotationsachse
- C
- Anordnung Einlageplatte
