DE10123579A1 - End plates used for PEM fuel cell stacks consist of expanded aluminum or other expanded light metal - Google Patents

End plates used for PEM fuel cell stacks consist of expanded aluminum or other expanded light metal

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Abstract

End plates consist of expanded aluminum or other expanded light metal. Independent claims are also included for the following: (a) a housing made from expanded aluminum or other expanded light metal; and (b) a process for the production of the end plates or the housing comprising inserting aluminum or other light metal into a corresponding mold by expanding. Preferred Features: At least one end plate is formed as a container for the external casing and thermal insulation.

Description

Die Erfindung befasst sich mit der Herstellung von Endplatten und Isolation für PEM-Brennstoffzellenstacks, die auf Grund der Anforderung bei der An­ wendung und der Serienproduktion zu optimieren sind.The invention is concerned with the manufacture of end plates and insulation for PEM fuel cell stacks, which due to the requirement at the An application and series production are to be optimized.

Stand der TechnikState of the art

Bekannt ist, dass ein PEM-Stack durch zwei Endplatten mit zugehörigen mehreren Spannbolzen verspannt sein muss. Über die notwendig Spannkraft der Spannbolzen muss eine gleichmäßig verteilte Flächenlast auf die Zell­ membranen, Dichtungen, Bipolarplatten und Kühlplatten gebracht werden. Um ein Durchbiegen der Endplatten in den erforderlichen Toleranzen zu hal­ ten, sind die Endplatten entsprechend dem gewählten Material und ihrem Wi­ derstandmoment zu dimensionieren.It is known that a PEM stack is associated with two end plates several clamping bolts must be clamped. About the necessary tension the clamping bolt must have an evenly distributed surface load on the cell membranes, seals, bipolar plates and cooling plates are brought. To halve a bending of the end plates in the required tolerances ten, the end plates are according to the selected material and their Wi to measure the torque.

Bekannt ist weiter, dass die Endplatten aus massiven Leichtmetallen herge­ stellt werden, damit das Gesamtgewicht des Stacks für die Anwendung hand­ habbar bleibt. Außerdem werden in diesen Endplatten zusätzliche Ausfräsun­ gen zum Zwecke der Gewichtsersparnis vorgenommen.It is also known that the end plates are made of solid light metals be made to handle the total weight of the stack for use remains available. In addition, additional milling is carried out in these end plates made for the purpose of saving weight.

Dieses Verfahren erreicht zwar das Ziel, nämlich eine Gewichtsersparnis und enge Toleranzen in der Durchbiegung, führt aber nicht zu einer befriedigen­ den Lösung hinsichtlich eines optimalen Produktionsverfahrens und einer besseren Gewichtsersparnis und hat den weiteren Nachteil der Wärmeverlus­ te aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit.This method achieves the goal, namely a weight saving and narrow tolerances in the deflection, but does not lead to a satisfactory the solution regarding an optimal production process and one better weight saving and has the further disadvantage of heat loss due to the good thermal conductivity.

Zweck der ErfindungPurpose of the invention

Die Erfindung hat den Zweck, in einem Produktionsschritt Endplatten herzu­ stellen, die bessere Eigenschaften hinsichtlich Gewicht und Durchbiegung,. d. h. ein günstiges Verhältnis von Steifigkeit zur Dichte und eine geringere Wärmeleitfähigkeit haben.The invention has the purpose of producing end plates in one production step which have better properties in terms of weight and deflection. d. H. a favorable ratio of rigidity to density and a lower one Have thermal conductivity.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem in einer Negativform mit den Konturen der Endplatten und den dazugehörigen Bohrungen, Durchfüh­ rungen und Kanälen Aluminium aufgeschäumt wird. Das aufgeschäumte Aluminium - Schaumaluminium - hat die Eigenschaft einer sehr hohen Biegestei­ figkeit bei sehr geringem Gewicht. Desweiteren können bei höheren Kräften aus den Spannbolzen zusätzlich Hülsen zur Einleitung der Spannkräfte in die Struktur des Schaumaluminiums in einem Arbeitsgang mit eingeschäumt werden.The object is achieved by using in a negative form the contours of the end plates and the associated holes, bushing pillars and channels aluminum is foamed. The foamed aluminum  - Foam aluminum - has the property of a very high bending stiffness ability with very low weight. Furthermore, with higher forces from the clamping bolts, additional sleeves for introducing the clamping forces into the Structure of the foam aluminum foamed in one step become.

Für den Leistungsbetrieb und die Handhabung der Brennstoffzelle ergeben sich bei Verwenden von Schaumaluminium an Stelle von massiven Alumini­ um als Vorteile eine wesentliche Gewichtsersparnis und die geringe Ausdeh­ nung der Endplatten auf Grund des kleinen Temperaturkoeffizienten für die Dehnung sowie die Verringerung der Wärmeverluste über die freie Oberfläche infolge der geringeren Wärmeleitfähigkeit. Die Porösität des Schaumalumini­ ums oder Schaummetalls ist entsprechend den Anforderungen für die thermi­ schen und mechanischen Werte einstellbar.For performance operation and handling of the fuel cell when using foam aluminum instead of solid aluminum to the advantages of a substantial weight saving and the small expansion end plates due to the small temperature coefficient for the Elongation and reduction of heat loss over the free surface due to the lower thermal conductivity. The porosity of the foam aluminum um or foam metal is in accordance with the requirements for thermi mechanical and mechanical values.

Für Endplatten eines typischen 750 W PEM-Stacks ergibt dies für die zwei Endplatten jede mit den Abmessungen von 14 cm × 14 cm × 3 cm und einem spez. Gewicht für massives Aluminium von 2,7 g/cm3 und einem spez. Ge­ wicht für Schaumaluminium von 0,6 g/cm3 ein Gewicht von 3,2 kg für das Massivaluminium und 0,7 kg für das Schaumaluminium und somit eine Ge­ wichtsersparnis von 78% resp. von 2,5 kg. Enthalten die Endplatte aus mas­ siven Aluminium Ausfräsungen von bis zu 30% - mit dem Nachteil einer ver­ größerten Oberfläche die einen zusätzlichen Wärmeverlust zur Folge hat -, so ergibt sich immer noch eine Gewichtsersparnis von 67% resp. von 1,5 kg. Für mobile, insbesondere tragbare Brennstoffzellenanlagen z. B. für Camping, Ex­ peditionen, Safaris etc. ist diese Gewichtsersparnis ein Vorteil.For end plates of a typical 750 W PEM stack, this results for the two end plates each with the dimensions of 14 cm × 14 cm × 3 cm and a spec. Weight for solid aluminum of 2.7 g / cm 3 and a spec. Ge weight for foam aluminum of 0.6 g / cm 3, a weight of 3.2 kg for the massive aluminum and 0.7 kg for the foam aluminum and thus a weight saving of 78% resp. of 2.5 kg. If the end plate made of massive aluminum has millings of up to 30% - with the disadvantage of a larger surface area which results in additional heat loss - there is still a weight saving of 67% resp. of 1.5 kg. For mobile, especially portable fuel cell systems such. B. for camping, expeditions, safaris etc. this weight saving is an advantage.

Ausführungsbeispielembodiment

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläu­ tert.The invention is explained below using exemplary embodiments tert.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Ausführung bestehend aus einer erfindungsgemäßen Endplat­ te mit Gehäuse (1) und vorbereiteter zweiter erfindungsgemäßer Endplatte (2) mit Stackeinbauten (3), den Spannbolzen (4) und den zugehörigen Spannmuttern (5). Fig. 1 shows an embodiment consisting of an end plate te according to the invention with housing ( 1 ) and prepared second end plate according to the invention ( 2 ) with stack internals ( 3 ), the clamping bolt ( 4 ) and the associated clamping nuts ( 5 ).

Fig. 2 eine Ausführung bestehend aus zwei erfindungsgemäßen Endplat­ ten (2), mit Stackeinbauten (3), den Spannbolzen (4) und den zuge­ hörigen Spannmuttern (5). Fig. 2 shows an embodiment consisting of two Endplat th invention ( 2 ), with stack internals ( 3 ), the clamping bolt ( 4 ) and the associated clamping nuts ( 5 ).

Fig. 3 eine Ausführung bestehend aus zwei erfindungsgemäßen Endplat­ ten (2), mit Stackeinbauten (3), dem einzelnen Gehäuse (6), den Spannbolzen (4) und den zugehörigen Spannmuttern (5). Fig. 3 shows an embodiment consisting of two Endplat th invention ( 2 ), with stack internals ( 3 ), the individual housing ( 6 ), the clamping bolt ( 4 ) and the associated clamping nuts ( 5 ).

Die Anordnung gemäß Fig. 1 besteht aus der erfindungsgemäßen Endplatte (2) aus Schaummetall und der erfindungsgemäßen Endplatte mit Gehäuse (1) aus Schaummetall. Die Spannbolzen (4) sind in die Endplatte (2) für die Aufnahme und Montage der Stackeinbauten (3) eingezogen. Nach dem Sta­ cking wird die Endplatte (2) mit den Stackelementen in das Gehäuse mit End­ platte (1) eingeschoben.The arrangement according to Fig. 1 consists of the inventive end plate (2) made of foam metal and the end plate of the invention with the housing (1) made of foam metal. The clamping bolts ( 4 ) are drawn into the end plate ( 2 ) for the mounting and assembly of the stack internals ( 3 ). After stacking, the end plate ( 2 ) with the stack elements is inserted into the housing with the end plate ( 1 ).

Die Anordnung gemäß Fig. 2 zeigt ein Stack, bestehend aus zwei erfin­ dungsgemäßen Endplatten (2) aus Schaummetall.The arrangement according to FIG. 2 shows a stack consisting of two end plates ( 2 ) according to the invention made of foam metal.

Die Anordnung gemäß Fig. 3 zeigt ein Stack, bestehend aus zwei erfin­ dungsgemäßen Endplatten (2) aus Schaummetall und einem einzeln montier­ ten Gehäuse aus Schaummetall (6).The arrangement according to FIG. 3 shows a stack consisting of two end plates ( 2 ) according to the invention made of foam metal and an individually assembled housing made of foam metal ( 6 ).

Die Anordnung gemäß Fig. 3 zeigt ein vorbereitetes Stack für den Einbau in das Gehäuse (6).The arrangement according to Fig. 3 shows a prepared stack for mounting in the housing (6).

Die Pressung der Stackeinbauten erfolgt über die Spannbolzen (4) und die Spannmuttern (5).The stack internals are pressed using the clamping bolts ( 4 ) and the clamping nuts ( 5 ).

Die zugehörigen mit eingeschäumten Adapter, Bohrungen, Kanäle und Rohr­ leitungen für elektrische und mechanische Bauelemente, Sensoren, Gase und Flüssigkeiten sind in den Figuren nicht mit eingezeichnet. The associated with foamed adapter, holes, channels and pipe cables for electrical and mechanical components, sensors, gases and Liquids are not shown in the figures.  

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Gehäuse mit Endplatte aus Schaummetall mit dazugehörigen Bohrun­ gen, Durchführungen und Kanälen für Sensoren, Gase und Flüssigkei­ ten
Housing with end plate made of foam metal with associated holes, bushings and channels for sensors, gases and liquids

22

Endplatte aus Schaummetall mit dazugehörigen Bohrungen, Durchfüh­ rungen und Kanälen für Sensoren, Gase und Flüssigkeiten
End plate made of foam metal with associated holes, bushings and channels for sensors, gases and liquids

33

Stackeinbauten
stack fixtures

44

Spannbolzen
clamping bolt

55

Spannmuttern
clamping nuts

66

Gehäuse aus Schaummetall mit dazugehörigen Bohrungen, Durchfüh­ rungen und Kanälen für Sensoren, Gase und Flüssigkeiten
Foam metal housing with associated holes, bushings and channels for sensors, gases and liquids

Claims (7)

1. Endplatten für Brennstoffzellenstacks, bestehend aus aufgeschäumtem Aluminium oder einem anderen aufgeschäumten Leichtmetall.1. End plates for fuel cell stacks, consisting of foamed Aluminum or another foamed light metal. 2. Endplatten nach Anspruch 1, wobei zugehörige Adapter, Bohrungen, Ka­ näle und Rohrleitungen für elektrische und mechanische Bauelemente, Sen­ soren, Gase und Flüssigkeiten vorgesehen sind und diese eine feste Verbin­ dung mit dem aufgeschäumten Aluminium bzw. dem aufgeschäumten Leicht­ metall eingehen.2. End plates according to claim 1, wherein associated adapters, holes, Ka channels and pipelines for electrical and mechanical components, sen sensors, gases and liquids are provided and these are a fixed connection with the foamed aluminum or the foamed light shrink metal. 3. Endplatten nach Anspruch 1 und/oder 2, wobei mindestens eine End­ platte zusätzlich als Behälter für die äußere Umhüllung und thermische Iso­ lation sowie mit Medienkanälen des Stacks ausgebildet ist.3. End plates according to claim 1 and / or 2, wherein at least one end plate also as a container for the outer casing and thermal insulation tion as well as with media channels of the stack. 4. Gehäuse für Brennstoffzellenstacks als äußere Umhüllung und thermi­ sche Isolation, bestehend aus aufgeschäumtem Aluminium oder einem ande­ ren aufgeschäumten Leichtmetall.4. Housing for fuel cell stacks as an outer casing and thermi insulation, consisting of foamed aluminum or another foamed light metal. 5. Gehäuse nach Anspruch 4, wobei zugehörige Adapter, Bohrungen, Kanä­ le und Rohrleitungen für elektrische und mechanische Bauelemente, Senso­ ren, Gase und Flüssigkeiten vorgesehen sind und diese eine feste Verbindung mit dem aufgeschäumten Aluminium bzw. dem aufgeschäumten Leichtmetall eingehen.5. Housing according to claim 4, wherein associated adapters, holes, Kanä oils and pipes for electrical and mechanical components, Senso Ren, gases and liquids are provided and these a firm connection with the foamed aluminum or the foamed light metal received. 6. Verfahren zur Herstellung von Endplatten gemäß Anspruch 1 oder eines Gehäuses gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium oder ein anderes Leichtmetall durch Aufschäumen in die entsprechende Form ge­ bracht wird.6. A method for producing end plates according to claim 1 or one Housing according to claim 4, characterized in that aluminum or another light metal ge by foaming into the appropriate shape is brought. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zugehörige Adapter, Bohrungen, Kanäle und Rohrleitungen für elektrische und mechani­ sche Bauelemente, Sensoren, Gase und Flüssigkeiten mit eingeschäumt wer­ den und hierdurch eine feste Verbindung mit dem aufgeschäumten Alumini­ um bzw. dem aufgeschäumten Leichtmetall eingehen.7. The method according to claim 6, characterized in that associated Adapters, bores, channels and pipes for electrical and mechanical components, sensors, gases and liquids foamed in the and thereby a firm connection with the foamed aluminum around or the foamed light metal.
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