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Die Erfindung betrifft einen eingehausten Brennstoffzellenstapel, umfassend eine Vielzahl von Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel sowie ein Verfahren zur Herstellung eines eingehausten Brennstoffzellenstapels.
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Stand der Technik
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Wasserstoff basierte Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff mit Hilfe von Sauerstoff in elektrische Energie. Als Nebenprodukte entstehen Wärme und Wasser. Zur Leistungssteigerung können mehrere Brennstoffzellen gestapelt werden, so dass ein Brennstoffzellenstapel, auch „Stack“ genannt, entsteht. Ein solcher kann mehrere Hundert Einzelzellen umfassen. Die mit Hilfe eines Brennstoffzellenstapels erzeugte elektrische Energie kann beispielsweise zum Antreiben eines Fahrzeugs genutzt werden.
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Bei der Herstellung eines Brennstoffzellenstapels werden die Brennstoffzellen gestapelt, das heißt aufeinandergelegt, und zwar in der Weise, dass in den einzelnen Brennstoffzellen ausgebildete Öffnungen exakt übereinanderliegen und Versorgungskanäle, insbesondere für die beiden Reaktanten, ausbilden. Die gestapelten Brennstoffzellen werden anschließend verbunden. Zur Herstellung eines eingehausten Brennstoffzellenstapels wird der Verbund aus gestapelten Brennstoffzellen in ein Gehäuse eingesetzt. In Abhängigkeit von der jeweiligen Einbausituation kann der Brennstoffzellenstapel stehend oder liegend verbaut werden. Beim liegenden Verbau wird der Brennstoffzellen-Verbund derart im Gehäuse orientiert, dass die einzelnen Brennstoffzellen aufrecht stehend im Gehäuse aufgenommen sind. Das heißt, dass die Stapelrichtung der Brennstoffzellen nicht mehr senkrecht, sondern im Wesentlichen horizontal verläuft. Die Brennstoffzellen liegen nicht mehr übereinander, sondern nebeneinander.
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Wie beispielhaft in der 5 dargestellt, wirken auf einen horizontal liegenden Brennstoffzellenstapel 1 Kräfte F, insbesondere eine Gewichtskraft, die vom Eigengewicht und von äußeren Einwirkungen, wie beispielsweise Erschütterungen, abhängt. Diese führen bei einer Lagerung bestehend aus einem Festlager 12 und einem Loslager 13 dazu, dass sich der Brennstoffzellenstapel 1 durchbiegt und sich die einzelnen Brennstoffzellen 2 gegeneinander verschieben. Die Kombination aus Festlager 12 und Loslager 13 wird jedoch benötigt, um thermisch bedingte Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels 1 auszugleichen. Zugleich sollte die Lagerung ein Umspülen des Brennstoffzellenstapels 1 mit Umgebungsluft ermöglichen, um schädliche Mengen an Wasserstoff, die während des Betriebs im Wege der Leckage aus dem Brennstoffzellenstapel 1 austreten, zu verdünnen und aus dem Gehäuse abzuführen.
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Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die mechanische Stabilität eines in einem Gehäuse aufgenommenen, horizontal liegenden Brennstoffzellenstapels zu erhöhen. Insbesondere soll verhindert werden, dass sich der Brennstoffzellenstapel durchbiegt und sich die Brennstoffzellen gegeneinander verschieben. Thermisch bedingte Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels sowie ein Umspülen des Brennstoffzellenstapels sollen dabei weiterhin möglich sein.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der eingehauste Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner werden ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel sowie ein Verfahren zur Herstellung eines eingehausten Brennstoffzellenstapels angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorgeschlagene eingehauste Brennstoffzellenstapel umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung. Der Brennstoffzellenstapel ist dabei von einem Gehäuse umgeben und derart innerhalb des Gehäuses orientiert ist, dass die Brennstoffzellen aufrecht stehend im Gehäuse aufgenommen sind. Der Brennstoffzellenstapel liegt dabei innerhalb des Gehäuses auf einer Stützstruktur auf, die in Stapelrichtung nachgiebig ist und mindestens einen Strömungskanal zum Umspülen des Brennstoffzellenstapels mit Luft oder einem anderen Medium ausbildet.
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Die unter dem Brennstoffzellenstapel angeordnete Stützstruktur stützt diesen und verhindert somit, dass dieser sich durchbiegt. Die Stützstruktur erstreckt sich hierzu in Längen- und/oder Breitenrichtung des Brennstoffzellenstapels jeweils zumindest über einen Teilbereich, vorzugsweise über die gesamte Länge und/oder Breite des Brennstoffzellenstapels. Sofern die Ausdehnung der Stützstruktur in Längen- und/oder Breitenrichtung kleiner als die des Brennstoffzellenstapels ist, erfolgt vorzugsweise die Anordnung der Stützstruktur im Wesentlichen mittig in Bezug auf die entsprechende Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels. Die Stützstruktur kann zudem mehrteilig ausgebildet sein, so dass der Brennstoffzellenstapel in mehreren Bereichen durch die Stützstruktur unterstützt ist.
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Dadurch, dass der Brennstoffzellenstapel im Gehäuse auf einer Stützstruktur aufliegt, wird ein Abstand des Brennstoffzellenstapels zum Gehäuseboden eingehalten. Dieser Abstand kann zum Umspülen des Brennstoffzellenstapels genutzt werden. Da die Stützstruktur mindestens einen Strömungskanal ausbildet, kann der Brennstoffzellenstapel auch im Bereich der Stützstruktur umspült werden. Dadurch ist sichergestellt, dass aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Leckagemengen sicher verdünnt und abgeführt werden. Bei einer mehrteiligen Ausbildung der Stützstruktur können Abstände zwischen den Teilen der Stützstruktur als Strömungskanäle genutzt werden. Da zudem die Stützstruktur in Stapelrichtung nachgiebig ist, lässt sie weiterhin thermisch bedingte Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels zu.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Stützstruktur punkt- oder linienförmige Kontaktbereiche zur Kontaktierung des aufliegenden Brennstoffzellenstapels auf. Das heißt, dass der Brennstoffzellenstapel nicht vollflächig auf der Stützstruktur aufliegt, sondern lediglich im Bereich der punkt- oder linienförmigen Kontaktbereiche. Die Zwischenräume können zum Umspülen des Brennstoffzellenstapels genutzt werden. Die punkt- oder linienförmigen Kontaktbereiche sind bevorzugt regelmäßig, beispielsweise in gleichen Abständen in Längen- und/oder Breitenrichtung bzw. in einem regelmäßigen Raster, angeordnet. Durch die regelmäßige Anordnung der punkt- oder linienförmigen Kontaktbereiche wird eine gleichmäßige Abstützung des Brennstoffzellenstapels erreicht.
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Zur Ausbildung linienförmiger Kontaktbereiche wird vorgeschlagen, dass die Stützstruktur eine in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels wellenförmige und/oder gefaltete Struktur aufweist. Derartige Strukturen weisen eine gewisse Formelastizität auf, so dass hierüber die gewünschte Nachgiebigkeit der Stützstruktur in Stapelrichtung erzielbar ist. Senkrecht zur Stapelrichtung ist die Stützstruktur dagegen ausreichend belastbar, um den Brennstoffzellenstapel zu stützen. Gefaltete Strukturen bilden vorzugsweise Grate aus, auf denen der Brennstoffzellenstapel aufliegt. Die Grate können abgeflacht ausgebildet sein, um die Auflagerfläche in den linienförmigen Kontaktbereichen zu vergrößern.
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Zur Ausbildung punktförmiger Kontaktbereiche kann die Stützstruktur eine Vielzahl von Erhebungen, wie beispielsweise Noppen, aufweisen. Diese sind vorzugsweise in einem regelmäßigen Raster angeordnet. Die Erhebungen können auf ihrer Oberseite abgeflacht ausgebildet sein, um die Auflagerfläche in den punktförmiger Kontaktbereichen zu vergrößern.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Stützstruktur in den punkt- oder linienförmigen Kontaktbereichen jeweils eine Nut zur bereichsweisen Aufnahme einer Brennstoffzelle aufweist. Bei einer wellenförmigen Stützstruktur ist jeweils eine Nut im Bereich des oberen Scheitelpunkts einer Welle angeordnet. Bei einer gefalteten Stützstruktur ist jeweils eine Nut im Bereich eines Grats angeordnet. Punktuelle Erhebungen, beispielsweise in Form von Noppen, können ebenfalls Nuten aufweisen. Mit Hilfe der Nuten wird eine formschlüssige Verbindung zwischen einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels und der Stützstruktur erreicht, die jedoch weiterhin thermisch bedingte Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels zulässt.
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Stützstrukturen mit punktuellen Erhebungen erleichtern das Umspülen des Brennstoffzellenstapels, da ein maximaler Freiraum zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Gehäuseboden verbleibt. Zudem kann allein über die verbleibenden Zwischenräume der Brennstoffzellenstapel sowohl in Längen- als auch in Breitenrichtung umspült werden. Die Ausbildung eines gesonderten Strömungskanals ist demnach nicht erforderlich.
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Stützstrukturen, die eine in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels wellenförmige und/oder gefaltete Struktur aufweisen, besitzen den Vorteil einer hohen Formelastizität und erleichtern somit den thermischen Längenausgleich des Brennstoffzellenstapels. Zum Umspülen des Brennstoffzellenstapels bilden sie quer zur Stapelrichtung Strömungskanäle aus. In Stapelrichtung wird ein Umspülen jedoch durch die einzelnen Wellen bzw. Falten behindert.
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Daher wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass der mindestens eine Strömungskanal in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels verläuft. Dies gilt im Besonderen, wenn die Stützstruktur eine in Stapelrichtung wellenförmige und/oder gefaltete Struktur aufweist. Denn dann sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich, die ein Umspülen des Brennstoffzellenstapels in Stapelrichtung ermöglichen. In der Richtung quer zur Stapelrichtung kann über die verbleibenden Freiräume zwischen den einzelnen Wellen bzw. Falten gespült werden.
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Bevorzugt weist daher die Stützstruktur zur Ausbildung des mindestens einen Strömungskanals mindestens eine Ausnehmung und/oder Aussparung auf. Vorzugsweise ist in jeder Welle bzw. in jeder Falte der Stützstruktur mindestens eine Ausnehmung und/oder Aussparung vorgesehen. Auf diese Weise wird ein in Stapelrichtung durchgehender Strömungskanal ausgebildet. Der Verlauf des Strömungskanals muss dabei nicht zwingend gerade sein. Das heißt, dass die mehreren Ausnehmungen und/oder Aussparungen über die Breite und/oder Höhe der Stützstruktur versetzt zueinander angeordnet sein können.
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Die Stützstruktur ist ferner bevorzugt aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff, beispielsweise aus Kunststoff, gefertigt. Dadurch ist sichergestellt, dass der Brennstoffzellenstapel vom Gehäuse elektrisch isoliert ist.
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Des Weiteren wird ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen. In dem Brennstoffzellensystem kann der Brennstoffzellenstapel horizontal liegend verbaut werden, ohne dass die Gefahr eines Durchbiegens und/oder Verschiebens der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels gegeneinander besteht, da der Brennstoffzellenstapel auf einer Stützstruktur liegt. In Stapelrichtung ist die Stützstruktur nachgiebig, so dass sie thermisch bedingte Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels zulässt. Ferner bildet sie mindestens einen Strömungskanal zum Umspülen des Brennstoffzellenstapels aus.
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Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung eines eingehausten Brennstoffzellenstapels, umfassend eine Vielzahl von Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung, vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird der Brennstoffzellenstapel beim Einsetzen in ein Gehäuse derart orientiert, dass die Brennstoffzellen aufrecht stehend im Gehäuse aufgenommen sind. Zur Einhaltung eines Abstands zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Gehäuse wird eine Stützstruktur unter dem Brennstoffzellenstapel angeordnet, die ein Durchbigen des Brennstoffzellenstapels verhindert und mindestens einen Strömungskanal zum Umspülen des Brennstoffzellenstapels mit Luft oder einem anderen Medium ausbildet.
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Die Stützstruktur kann dabei insbesondere wie die Stützstruktur des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ausgebildet sein. Das heißt, dass sie punktuelle und/oder linienförmige Kontaktbereiche aufweisen kann, auf denen der Brennstoffzellenstapel aufliegt. Insbesondere kann die Stützstruktur eine wellenförmige oder gefaltete Struktur aufweisen. Zur Ausbildung punktförmiger Kontaktbereiche kann sie auch punktuelle Erhebungen in Form von Noppen besitzen. Alle genannten Strukturen bilden Strömungskanäle zum Umspülen des Brennstoffzellenstapels aus. Ferner sind sie in Stapelrichtung nachgiebig, so dass sie thermisch bedingte Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels zulassen. Bei Bedarf kann in der Stützstruktur mindestens eine Ausnehmung und/oder Aussparung zur Ausbildung eines Strömungskanals vorgesehen werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel,
- 2 einen schematischen Querschnitt durch den Brennstoffzellenstapel der 1,
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich einer Abstützung des Brennstoffzellenstapels,
- 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels und
- 5 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist ein erfindungsgemäßer eingehauster Brennstoffzellenstapel 1 zu entnehmen, der in einem Gehäuse 3 aufgenommen ist und eine Vielzahl von Brennstoffzellen 2 in gestapelter Anordnung aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 1 ist derart orientiert, dass die einzelnen Brennstoffzellen 2 aufrecht stehen bzw. nebeneinander angeordnet sind. Die Stapelrichtung 11 verläuft demnach horizontal. Der dargestellte Brennstoffzellenstapel 1 liegt innerhalb des Gehäuses 3 auf einer Stützstruktur 4 auf, so dass ein Durchbiegen des Brennstoffzellenstapels 1 verhindert wird. Die Stützstruktur 4 ist in Stapelrichtung 11 gefaltet und damit nachgiebig, so dass sie thermisch bedingte Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels 1 zulässt. Die einzelnen Falten weisen Grate 7 auf, so dass linienförmige Kontaktbereiche 6 ausgebildet werden, auf denen der Brennstoffzellenstapel 1 aufliegt. Die Grate 7 sind abgeflacht, um die Auflagerfläche zu vergrößern.
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Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, weist die Stützstruktur 4 Ausnehmungen 9 und Aussparungen 10 auf, so dass in Stapelrichtung 11 verlaufende Strömungskanäle 5 ausgebildet werden (siehe Pfeil in der 4). Der Brennstoffzellenstapel 1 kann somit über die Strömungskanäle 5 sowie über Zwischenräume 14, die quer zur Stapelrichtung 11 durch die gefaltete Stützstruktur 4 gebildet werden (siehe 1), mit Luft umspült werden.
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Wie beispielhaft in der 3 dargestellt, können die einzelnen Falten der Stützstruktur 4 im Bereich ihrer abgeflachten Grate 7 jeweils eine Nut 8 aufweisen. In diese kann eine Brennstoffzelle 2 bzw. eine Bipolarplatte einer Brennstoffzelle 2 eingesetzt werden, so dass ein Formschluss zwischen dem Brennstoffzellenstapel 1 und der Stützstruktur 4 hergestellt wird. Auf diese Weise ist die einzelne Brennstoffzelle 2 optimal abgestützt. Dabei muss nicht jede Brennstoffzelle 2 des Brennstoffzellenstapels 1 unmittelbar durch die Stützstruktur 4 abgestützt werden.
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Zur Erläuterung der 5 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
