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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage eines Gehäuses, das zur Aufnahme einer elektrochemischen Zelleinheit ausgebildet ist, insbesondere um eine Brennstoffzelle oder einen Elektrolyseur aufzunehmen, und ein Gehäuse zur Verwendung in einem solchen Verfahren.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen werden verwendet, um aus chemischer Energie - beispielsweise aus Wasserstoff - elektrische Energie herzustellen, Elektrolyseure für den umgekehrten Prozess, bei dem aus elektrischer Energie Wasserstoff produziert wird. Für die industrielle Anwendung werden sowohl Brennstoffzellen als auch Elektrolyseure in Form von Zellenstapeln gefertigt, die eine große Zahl von übereinander gestapelten elektrochemischen Zellen umfassen, die eine Zelleinheit bilden und die durch eine Spannvorrichtung gas- und flüssigkeitsdicht miteinander verspannt sind. Die Brennstoffzelle oder auch der Elektrolyseur werden anschließend mit einem Gehäuse umgeben, das die elektrischen Anschlüsse und die Anschlüsse für die Versorgung mit den entsprechenden Gasen und Flüssigkeiten aufweist. Durch Gehäuse mit standardisierten Größen und Anschlüssen können die elektrochemischen Zellen leicht beispielsweise in einem Fahrzeug montiert und dort angeschlossen werden. Das Gehäuse dient darüber hinaus dazu, die Brennstoffzelle bzw. die elektrochemische Zelleinheit vor äußeren Einflüssen zu schützen. In der Regel ist das Gehäuse aus Metall gefertigt, um die notwendige Abschirmung und einen robusten Schutz gegen äußere Einflüsse zu gewährleisten. Ein solches Gehäuse ist beispielsweise aus der
DE 10 2020 208 941 A1 bekannt und ist quaderförmig ausgeführt mit einem Gehäusedeckel und Seitenwänden, wobei der Gehäusedeckel am Brennstoffzellenstapel bzw. am Stapeldeckel der elektrochemischen Zelleinheit fixiert oder zumindest geführt ist. Dazu weist der rechteckige Deckel eine Öffnung auf, durch die ein Lagerbolzen gesteckt ist, der in eine entsprechende Ausnehmung im Stapeldeckel der elektrochemischen Zelleinheit eingreift. Der Lagerbolzen ist an seinem gegenüberliegenden Ende mit einem Halteflansch fest verbunden, der an der Außenseite des Gehäusedeckels anliegt. Der Halteflansch ist dabei im Wesentlichen als flacher Zylinder ausgeführt, der mit dem Gehäusedeckel zur Fixierung verklebt wird, das heißt, dass zwischen dem Halteflansch und dem Gehäusedeckel ein geeigneter Klebstoff eingebracht wird, wobei zur Verbesserung der Haltefähigkeit des Klebstoffs die entsprechenden Kontaktflächen aufgeraut werden. Eine solche Befestigung ist aus der
DE 10 2020 212 595 A1 bekannt.
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Um einen Potentialausgleich zwischen dem metallischen Gehäuse und dem Halteflansch herzustellen, muss eine niederohmige Verbindung zwischen dem Halteflansch und dem Gehäusedeckel hergestellt werden. Durch die Verwendung des Klebstoffs zwischen dem Halteflansch und dem Gehäusedeckel und durch das Aufrauen der entsprechenden Kontaktflächen wird jedoch ein Übergangswiderstand geschaffen, insbesondere dann, wenn es zur Korrosion an den aufgerauten Flächen kommt. Die gewünschte niederohmige Verbindung kann durch ein separates Leitungsband erreicht werden, das zwischen dem Halteflansch und dem Gehäusedeckel angebracht ist, jedoch ist dies mit zusätzlichem Aufwand und damit Kosten verbunden.
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Vorteile der Erfindung
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Montage eines Gehäuses zur Aufnahme einer elektrochemischen Zelleinheit kann ein Potentialausgleich zwischen dem Gehäusedeckel und dem Halteflansch, der der Fixierung des Gehäusedeckels dient, in einfacher Weise sichergestellt werden. Dazu weist der Gehäusedeckel des Gehäuses eine Öffnung zur Durchführung eines Lagerbolzens auf, der zur Lagerung der elektrochemischen Zelleinheit dient. Der Lagerbolzen ist fest mit einem Halteflansch verbunden, der mit dem Lagerbolzen fest verbunden ist und eine Anlagefläche aufweist, die in der Montageposition an einer aufgerauten Kontaktfläche des Gehäusedeckels anliegt. Dazu werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt: Eine elektrische Spannung wird zwischen dem Halteflansch und dem Gehäusedeckel angelegt und der dadurch fließende elektrische Strom solange aufrechterhalten, bis eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Gehäusedeckel und dem Halteflansch hergestellt ist.
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Bei der Montage des Gehäuses zur Aufnahme der elektrochemischen Zelleinheit werden die Seitenwände des Gehäuses montiert und die elektrochemische Zelleinheit eingebracht. Anschließend wird der Gehäusedeckel aufgelegt und die Zelleinheit gelagert mit Hilfe des Lagerbolzens, welcher fest mit dem Halteflansch verbunden ist. Dabei wird der Lagerbolzen durch die Öffnung des Gehäusedeckels geführt und in einer Öffnung in der elektrochemischen Zelleinheit bzw. in dessen Stapeldeckel aufgenommen. Dadurch liegt der Halteflansch mit einer Anlagefläche auf einer Kontaktfläche des Gehäusedeckels auf. Die Kontaktfläche wird vor der Montage aufgeraut, beispielsweise durch eine Laserbehandlung, und ein Klebstoff zwischen Teile der Anlagefläche und der Kontaktfläche eingebracht. Durch die Aufrauhung verbessert sich der Kontakt des Klebstoffs, und die Verbindung zwischen der Kontaktfläche und der Anlagefläche wird so zusätzlich gefestigt.
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Teile der Anlagefläche und der aufgerauten Kontaktfläche liegen jedoch direkt ohne Zwischenlage einer Klebstoffschicht aneinander an, wodurch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Halteflansch und dem Gehäuse zum Potentialausgleich hergestellt wird. Um den Übergangswiderstand an der Kontaktfläche zu minimieren, wird eine elektrische Spannung zwischen dem Halteflansch und dem Gehäusedeckel angelegt. Der Strom fließt dabei hauptsächlich zwischen dem Halteflansch und dem Gehäusedeckel durch die Anlagefläche und die aufgeraute Kontaktfläche in dem Bereich, in dem keine Klebstoffschicht vorhanden ist. Da der elektrische Widerstand im Bereich der Kontaktfläche aufgrund der Aufrauhung relativ hoch ist, fällt dort ein Großteil der elektrischen Leistung ab und erhitzt bei entsprechender Stromstärke die Kontaktfläche so stark, dass es zu einem lokalen Aufschmelzen kommt und so zu einer stoffschlüssigen Verbindung durch die Ausbildung von stromleitfähigen Pfaden zwischen den Bauteilen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ähnlich einem Widerstandsschweißen, so dass eine niederohmige Verbindung zwischen dem Stapeldeckel und dem Gehäusedeckel hergestellt wird. Der angelegte elektrische Strom muss dazu entsprechend groß sein, vorzugsweise einige hundert Ampere.
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In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die aufgeraute Kontaktfläche durch ein Laserverfahren hergestellt, um mehr Angriffsfläche für den Klebstoff zu schaffen. Darüber hinaus kann so in einfacher Weise ein geeigneter elektrischer Widerstand zwischen dem Halteflansch und dem Gehäusedeckel ausgebildet werden, damit durch den Strom leitfähige Strompfade entstehen. Der Strom wird dabei so eingestellt, dass zwischen dem Gehäusedeckel und dem Halteflansch ein elektrischer Widerstand von weniger als 0,01 Ohm erreicht wird, um einen Potentialausgleich sicherzustellen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Anlagefläche des Halteflansches eine Rücksetzung auf, wobei in den Spalt zwischen der Rücksetzung und dem Gehäusedeckel ein Klebstoff zur Fixierung des Halteflansches am Gehäusedeckel eingebracht wird. Durch die Rücksetzung bleibt der Klebstoff in diesem Bereich und ergibt eine tragfähige Verbindung zwischen dem Halteflansch und dem Gehäusedeckel, ohne dass es zur Beeinträchtigung der Anlagefläche kommt, die direkt an der Kontaktfläche aufliegt. Die Klebeverbindung beeinträchtigt so nicht das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen elektrisch leitfähiger Pfade.
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In vorteilhafter Weise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Klebstoff vor dem Anliegen des elektrischen Stroms angebracht. Damit ist der Halteflansch am Gehäusedeckel fixiert, so dass es durch die Ausbildung der Schweißverbindungen zu keiner Verschiebung des Halteflansches auf dem Gehäusedeckel kommt.
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Ein erfindungsgemäßes Gehäuse zur Aufnahme einer elektrochemischen Zelleinheit weist ein Gehäuse mit einem Volumen zur Aufnahme der elektrochemischen Zelleinheit auf, wobei das Gehäuse einen Gehäusedeckel umfasst, der eine Öffnung zur Durchführung eines Lagerbolzens zur Befestigung der elektrochemischen Zelleinheit aufweist. Darüber hinaus ist ein Halteflansch vorhanden, der mit dem Lagerbolzen fest verbunden ist und eine Anlagefläche aufweist, die zum Halten des Gehäusedeckels in einer vordefinierten Position an einer aufgerauten Kontaktfläche aufliegt, die zumindest einen Teil des Gehäusedeckels umfasst. Die Anlagefläche weist eine Rücksetzung auf, wobei in den Spalt zwischen der Rücksetzung und dem Gehäusedeckel ein Klebstoff zum Fixieren des Halteflansches am Gehäusedeckel eingebracht ist. In vorteilhafter Weise ist dabei der Gehäusedeckel und der Halteflansch aus einem metallischen Werkstoff gefertigt.
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Zeichnung
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Gehäuses zur Aufnahme einer elektrochemischen Zelleinheit dargestellt, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Dazu zeigt
- 1 einen Querschnitt durch ein solches Gehäuse mit der Position an der elektrochemischen Zelleinheit,
- 2 eine Draufsicht auf den Gehäusedeckel, wie in 1 dargestellt, und
- 3 einen Querschnitt durch den Gehäusedeckel und den Halteflansch zur Fixierung des Lagerbolzens.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist ein Querschnitt durch ein Gehäuse 1 zur Aufnahme einer elektrochemischen Zelleinheit 4 dargestellt. Das Gehäuse 1 ist im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und weist einen Gehäusedeckel 2 und mehrere Seitenwände 3 auf, die zusammen einen quaderförmigen Raum begrenzen, der der Aufnahme der elektrochemischen Zelleinheit 4 dient. Die elektrochemische Zelleinheit 4 umfasst eine Vielzahl von übereinander gestapelten elektrochemischen Zellen 5, die zwischen einem Stapeldeckel 6 und einer in der Zeichnung nicht dargestellten Bodenplatte verspannt sind, wobei der Stapeldeckel 6 mit der nicht gezeigten Bodenplatte über Spannbänder 7 verbunden und mit hoher Kraft gegen diese verspannt ist. Die Seitenwände 3 des Gehäuses 1 umgeben die elektrochemische Zelleinheit 4 mit einem Abstand, so dass diese gegenüber äußeren Einflüsse geschützt ist. Der Raum zwischen der elektrochemischen Zelleinheit 4 und dem Gehäuse 1 dient auch dazu, eventuell aus der elektrochemischen Zelleinheit austretende Gase oder Flüssigkeiten aufzufangen und Raum für die Installierung von Sensoren vorzusehen, um den Zustand der elektrochemischen Zelleinheit 4 zu überwachen. Der Gehäusedeckel 2 liegt auf den Seitenwänden 3 auf und schließt das Gehäuse nach oben ab. Zur Lagerung der elektrochemischen Zelleinheit 4 weist der Gehäusedeckel 2 eine mittige Öffnung 12 auf, durch die ein mit einem Halteflansch 10 verbundener Lagerbolzen 11 geführt ist, der in eine Aufnahmeöffnung 8 im Stapeldeckel 6 eingreift. Der Halteflansch 10 liegt an der Außenseite des Gehäusedeckels 2 auf, um ihn in dieser Position zu fixieren.
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Der Halteflansch 10 ist im Wesentlichen als flacher Zylinder ausgebildet und weist eine Anlagefläche 16, die auf einer am Gehäusedeckel 2 ausgebildeten Kontaktfläche 13 aufliegt. Dazu zeigt 2 eine Draufsicht auf den Gehäusedeckel 2 mit Kennzeichnung der Kontaktfläche 13, die kreisringförmig die Öffnung 12 umgibt. Die Kontaktfläche 13 ist aufgeraut, beispielweise durch eine Laserbearbeitung. Durch die Rauigkeit kann Klebstoff besser haften, so dass eine sichere und hoch belastbare Verbindung zwischen dem Halteflansch 10 und dem Gehäusedeckel 2 erreicht wird.
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Zur Montage des Gehäuses 1 wird der Gehäusedeckel 2 auf die Seitenwände 3 aufgelegt und der mit dem Halteflansch 10 verbundene Lagerbolzen 11 eingeführt. Der Lagerbolzen 11 greift in die Aufnahmeöffnung 8 ein und lagert so die elektrochemischen Zelleinheit 4 in axialer Richtung. Dabei weist der Halteflansch 10 eine Rücksetzung 14 auf, die als umlaufende Ringnut ausgebildet ist, so dass ein Spalt zwischen der Rücksetzung 14 und dem Gehäusedeckel 2 entsteht, wie in 3 in einem Querschnitt durch den Halteflansch 11 und den Gehäusedeckel 2 dargestellt. In diesen Spalt wird ein Klebstoff 15 eingebracht, der aufgrund der aufgerauten Kontaktfläche 13 gut auf dem Gehäusedeckel 2 haftet, so dass eine belastbare Verbindung zwischen dem Halteflansch 10 und dem Gehäusedeckel 2 erreicht wird. Innerhalb des durch den Klebstoff 5 gebildeten Rings liegt die Anlagefläche 16 an der Kontaktfläche 13 auf, ohne dass Klebstoff in diesem Bereich vorhanden ist.
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Da die Kontaktfläche 13 aufgeraut ist, ergeben sich nur punktuelle Kontakte zwischen der Anlagefläche 16 und der Kontaktfläche 13 und damit ein vergleichsweiser hoher elektrischer Widerstand zwischen dem Halteflansch 10 und dem Gehäusedeckel 2. Zur Ausbildung einer niederohmigen Verbindung zwischen diesen Bauteilen wird eine Stromquelle 20 durch Leitungen 21 mit dem Halteflansch 10 und dem Gehäusedeckel 12 verbunden und ein Strom mit hoher Stromstärke von beispielsweise 600 Ampere (600 A) eingeleitet. Da der elektrische Widerstand im Bereich der Kontaktfläche 13 am höchsten ist, kommt es dort zu einer Erhitzung und zu punktuellen Aufschmelzungen, die leitende Strompfade zwischen dem Halteflansch 10 und dem Gehäusedeckel 2 bilden. Damit bildet sich eine niederohmige Verbindung zwischen diesen Bauteilen, wobei ein elektrische Widerstand von weniger als 0,01 Ohm (10 mΩ) erreicht wird. Das Verfahren entspricht im Wesentlichen einem Widerstandsschweißverfahren, wobei die mechanische Haltekraft zwischen Halteflansch 10 und Gehäusedeckel 2 hauptsächlich durch die Klebeverbindung hergestellt wird, während die punktuellen Aufschmelzungen nur die niederohmige Verbindung zum Ziel haben. Da der Strom zwischen dem Halteflansch 10 und dem Gehäusedeckel 2 nicht oder nur in geringem Umfang im Bereich des Klebers 15 fließt, kann diese Mikroverschweißung während der Aushärtezeit des Klebers 15 erfolgen und damit taktzeitneutral, d.h., dass die Ausbildung der Schweißverbindung keine Verlängerung der Fertigungszeit bedeutet.
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Neben der Kontaktfläche 13 kann in diesem Ausführungsbeispiel auch die Anlagefläche 16 aufgeraut sein, was ebenfalls durch ein Laserverfahren geschehen kann. Auch andere Aufrauverfahren, wie beispielsweise Ätzen, können allein oder zusätzlich zum Einsatz kommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020208941 A1 [0002]
- DE 102020212595 A1 [0002]