DE102019219798A1

DE102019219798A1 - Fuel cell with a stack structure

Info

Publication number: DE102019219798A1
Application number: DE102019219798.1A
Authority: DE
Inventors: Jochen Wessner; Gudrun Oehler; Eberhard Maier; Harald Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-06-17
Also published as: WO2021121801A1; CN115136365A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle (10) mit einem Stapelaufbau (12) aus einer Anzahl übereinander angeordneter Einzelelemente (14), die über eine erste Endplatte (20) und eine zweite Endplatte (22) miteinander verspannt sind. Die Endplatten (20, 22) sind als Verbundbauteil (24) mit verschiedenen Steifigkeitsbereichen (36, 38) ausgebildet.The invention relates to a fuel cell (10) with a stack structure (12) made up of a number of individual elements (14) arranged one above the other, which are braced to one another via a first end plate (20) and a second end plate (22). The end plates (20, 22) are designed as a composite component (24) with different stiffness ranges (36, 38).

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit einem Stapelaufbau aus einer Anzahl übereinander angeordneter Einzelelemente, die über eine erste Endplatte und eine zweite Endplatte miteinander verspannt sind, sowie eine Verwendung der Brennstoffzelle als Energiequelle für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.The invention relates to a fuel cell with a stack structure of a number of individual elements arranged one above the other, which are braced to one another via a first end plate and a second end plate, and a use of the fuel cell as an energy source for an electrically powered vehicle.

Stand der TechnikState of the art

Für Brennstoffzellen, insbesondere PEN-Brennstoffzellen ist es wichtig, dass die einzelnen, in Reihe geschalteten Einzelzellen oder Einzelelemente, homogen miteinander verpresst werden. Da ein typischer Brennstoffzellenstapel bis zu 1200 Einzelelemente, beispielsweise Anodenelemente, Kathodenelemente und/ oder Strömungsbleche umfassen kann, haben Fertigungstoleranzen einen großen Einfluss auf die Qualität der Verspannung. Daher wird üblicherweise an den beiden Enden des Stapels eine elastische Zwischenlage zur Nivellierung eingebaut. Aus WO 2008/081962 A1 ist eine flächige, elastische Platte bekannt, die zwischen den Einzelzellen und den Endplatten eines Stapelaufbaus eingebracht wird und welche sich orthogonal zur Verspannungskraft scherelastisch verformen kann.For fuel cells, in particular PEN fuel cells, it is important that the individual, series-connected individual cells or individual elements are pressed together homogeneously. Since a typical fuel cell stack can comprise up to 1200 individual elements, for example anode elements, cathode elements and / or flow plates, manufacturing tolerances have a great influence on the quality of the bracing. For this reason, an elastic intermediate layer is usually installed at both ends of the stack for leveling purposes. Out WO 2008/081962 A1 a flat, elastic plate is known which is introduced between the individual cells and the end plates of a stack structure and which can be deformed in a shear-elastic manner orthogonally to the tensioning force.

Aus US 5,789,091 ist ein Brennstoffzellenstapel mit Spannbändern bekannt. Zur Aufrechterhaltung eines Stapelaufbaus aus Einzelelementen zwischen einem Paar von Endplatten sind Spannbänder vorgesehen, welche die Endplattenanordnung und die dazwischen angeordneten Einzelelemente des Stapels umschließen. Zumindest eine der Endplatten umfasst ein nachgiebiges Element, welches mit einem jeden der Spannbänder zusammenwirkt, derart, dass die erste Endplatte in die zweite Endplatte gedrückt wird, so dass eine Kompressionskraft auf den Stapelaufbau ausgeübt wird zur Sicherstellung einer Abdichtung und des elektrischen Kontaktes zwischen den einzelnen den Stapelaufbau formenden Schichten der Brennstoffzelle.Out U.S. 5,789,091 a fuel cell stack with tensioning straps is known. To maintain a stack structure of individual elements between a pair of end plates, tensioning straps are provided which enclose the end plate arrangement and the individual elements of the stack arranged between them. At least one of the end plates comprises a resilient element which cooperates with each of the tensioning straps such that the first end plate is pressed into the second end plate so that a compressive force is exerted on the stack structure to ensure a seal and electrical contact between the individual Layers of the fuel cell that form the stack structure.

Es ist weiterhin bekannt, dass die Steifigkeit der gestapelten Einzelelemente im Bereich der aktiven Membranfläche oder bei Gasdiffusionslagen aus Carbonfasermatten im Randbereich mit verbauten Dichtungen unterschiedlich ist. Des Weiteren sind Endplatten bekannt, die geometrisch beispielsweise als Stranggussprofile ausgeführt werden, um eine hohe Steifigkeit begünstigen, d.h. geringes Gewicht zu erreichen.It is also known that the stiffness of the stacked individual elements in the area of the active membrane surface or in the case of gas diffusion layers made of carbon fiber mats in the edge area with built-in seals is different. Furthermore, end plates are known which are geometrically designed, for example, as continuously cast profiles in order to promote high rigidity, i.e. to achieve low weight.

Bisher eingesetzte Silikonmatten als scherelastische Elemente weisen fertigungsbedingt Toleranzen auf, so dass sich diese nicht durch eine verbesserte Ebenheit oder Toleranz auszeichnen. So hat eine Silikonplatte von 2mm Dicke eine Toleranz von ca. 0,2 mm, was in 10% Pressungsvarianz resultieren kann. Auch die Härte schwankt typischerweise bei Elastomerdichtungen um ca. 10%.Silicone mats that have previously been used as shear-elastic elements have manufacturing-related tolerances, so that they are not characterized by improved flatness or tolerance. A silicone plate with a thickness of 2 mm has a tolerance of approx. 0.2 mm, which can result in a pressure variance of 10%. The hardness of elastomer seals also typically fluctuates by around 10%.

Weiterhin hängt es davon ab, ob die Einzelelemente innerhalb des Stapelaufbaus als beispielsweise aus Graphit gefräste Bipolarplatten oder als geprägte Bleche ausgeführt sind. Die Anzahl der zu verbauenden Elemente sollte für eine kostengünstige Massenfertigung möglichst gering sein, was jedoch durch das Vorsehen zusätzlicher Ausgleichselemente konterkariert würde.It also depends on whether the individual elements within the stack structure are designed as bipolar plates milled from graphite, for example, or as embossed metal sheets. The number of elements to be installed should be as small as possible for inexpensive mass production, which would, however, be counteracted by the provision of additional compensation elements.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Brennstoffzelle mit einem Stapelaufbau vorgeschlagen, aus einer Anzahl übereinander angeordneter Einzelelemente, die über eine erste Endplatte und eine zweiten Endplatte miteinander verspannt sind. Die Endplatten sind erfindungsgemäß als Verbundbauteile mit verschiedenen Steifigkeitsbereichen ausgeführt.According to the invention, a fuel cell with a stack structure is proposed, consisting of a number of individual elements arranged one above the other, which are braced to one another via a first end plate and a second end plate. According to the invention, the end plates are designed as composite components with different stiffness ranges.

Durch lokal unterschiedliche Steifigkeiten, wie beispielsweise durch unterschiedliche E-Module bzw. Querdehnungszahlen der eingesetzten Materialien, kann ein Verbundbauteil als Endplatte mit Steifigkeitsbereichen realisiert werden, so dass die Montage eines Brennstoffzellenstapels wesentlich vereinfacht werden kann. Durch die erfindungsgemäße Lösung können den Steifigkeitsanforderungen an die gestapelten Einzelelemente im aktiven Membranbereich und im Randbereich der Dichtungen bestmöglich entsprochen werden.A composite component can be implemented as an end plate with stiffness areas, so that the assembly of a fuel cell stack can be significantly simplified. The solution according to the invention enables the rigidity requirements of the stacked individual elements in the active membrane area and in the edge area of the seals to be met in the best possible way.

In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können die Endplatten jeweils ein Einlegeteil mindestens im ersten Bereich aufweisen, welcher einen ersten Steifigkeitsbereich darstellt; daneben kann auf eine Endplatte ein scherelastisches Element aufgelegt sein, in welchem sich wiederum ein weiteres elastisches Element befindet. Alternativ dazu kann auch ein planes Rahmenelement vorgesehen sein, in dessen Zentrum ein weicher oder harter Kern eingebettet ist.In a further development of the solution proposed according to the invention, the end plates can each have an insert at least in the first area, which represents a first stiffness area; in addition, a shear-elastic element can be placed on an end plate, in which in turn another elastic element is located. As an alternative to this, a planar frame element can also be provided, in the center of which a soft or hard core is embedded.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle stellen die Endplatten, bzw. deren Bereiche, die außerhalb des mindestens einen ersten Bereiches liegen, einen zweiten Steifigkeitsbereich dar.In the fuel cell proposed according to the invention, the end plates, or their areas that lie outside the at least one first area, represent a second stiffness area.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle übersteigt die Steifigkeit des Materials in dem mindestens einen ersten Bereich, das den ersten Steifigkeitsbereich darstellt, die Steifigkeit des zweiten Steifigkeitsbereiches. Dieser zweite Steifigkeitsbereich liegt insbesondere im Randbereich der Endplatten.In the fuel cell proposed according to the invention, the rigidity of the material in the at least one first area, which represents the first rigidity area, exceeds the rigidity of the second rigidity area. This second one The stiffness range lies in particular in the edge region of the end plates.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle liegen Krafteinleitungspunkte zur Einleitung einer Vorspannkraft in den Stapelaufbau, an den Endplatten, insbesondere in dem mindestens einen ersten Bereich. Da dieser den ersten Steifigkeitsbereich darstellt, ist sichergestellt, dass über die dort liegenden, auf Einleitungspunkten eine homogene Flächenpressung innerhalb des Stapelaufbaus erreicht werden kann.In the fuel cell proposed according to the invention, force introduction points for introducing a pretensioning force into the stack structure are located on the end plates, in particular in the at least one first area. Since this represents the first stiffness area, it is ensured that a homogeneous surface pressure can be achieved within the stack structure via the points located there on the introduction points.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle entspricht die Fläche des mindestens einen ersten Bereiches einer Fläche eines aktiven Membranbereiches der Einzelelemente. Durch den mindestens einen ersten Bereich kann eine homogene Flächenpressung zwischen den Einzelelementen des Stapelaufbaus, insbesondere eine gasdichte Anlage, zwischen den aktiven Membranbereichen innerhalb des Stapelaufbaus erreicht werden. Durch die Geometrie des mindestens einen ersten Bereiches, insbesondere dessen Fläche, die der Fläche des aktiven Membranbereiches eines Einzelelementes entspricht, kann insbesondere erreicht werden, dass eine homogene Flächenpressung im Bereich von Dichtelementen am aktiven Membranbereich erreicht wird, so dass ein gasdichter Stapelaufbau erreicht wird.In the fuel cell proposed according to the invention, the area of the at least one first area corresponds to an area of an active membrane area of the individual elements. The at least one first area enables homogeneous surface pressure to be achieved between the individual elements of the stack structure, in particular a gas-tight system, between the active membrane areas within the stack structure. The geometry of the at least one first area, in particular its area which corresponds to the area of the active membrane area of an individual element, can in particular achieve a homogeneous surface pressure in the area of sealing elements on the active membrane area, so that a gas-tight stack structure is achieved.

Bei den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzellen können die an diesen eingesetzten Endplatten aus thermoplastischem oder duroplastischem Polymer gefertigt werden. In die Endplatten können Einlegeteile, insbesondere in wannenförmigen Aufnahmen eingelegt werden, wobei die Einlegeteile aus thermoplastischem oder duroplastischem Polymer gefertigt werden können, und im Bereich der Krafteinleitungspunkte optional ein erhöhter Glasfaseranteil vorliegt.In the fuel cells proposed according to the invention, the end plates used on them can be made of thermoplastic or thermosetting polymer. Insert parts, in particular trough-shaped receptacles, can be inserted into the end plates, the insert parts being able to be made of thermoplastic or thermosetting polymer, and optionally an increased glass fiber content being present in the area of the force introduction points.

In einer weiteren vorteilhafteren Realisierung kann das Verbundteil beispielsweise als ein Spritzgussbauteil gefertigt sein, bei welchem zwei Polymere miteinander kombiniert werden. Alternativ kann der steifere Bereich des Spritzgusspolymers bzw. dessen Polymer gezielt mit Fasern verstärkt sein; Verstärkungsfasern in diesem Bereich können gezielt so ausgerichtet sein, dass einzelne Bereiche durch die Orientierung der Fasern im Spritzguss des faserverstärkten Polymers steifer sind und andere Bereiche nachgiebiger ausgestaltet sind. „Die Endplatte wird aus zum Beispiel thermoplastischem oder duroplastischem Polymer gefertigt, bei dem Glasfaseranteile zur Aussteifung im Spritzgussprozess derart ausgerichtet werden, dass die Steifigkeit zum Beispiel an den Krafteinleitungspunkten besonders hoch ist.In a further, more advantageous implementation, the composite part can be manufactured, for example, as an injection-molded component in which two polymers are combined with one another. Alternatively, the stiffer area of the injection molding polymer or its polymer can be specifically reinforced with fibers; Reinforcing fibers in this area can be specifically aligned in such a way that individual areas are stiffer due to the orientation of the fibers in the injection molding of the fiber-reinforced polymer and other areas are made more flexible. “The end plate is made of thermoplastic or thermosetting polymer, for example, in which the glass fiber components for reinforcement in the injection molding process are aligned in such a way that the rigidity, for example at the force introduction points, is particularly high.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann eine Faserverstärkung für den steiferen Bereich vorgenommen werden. So zum Beispiel werden Kurzfasern in das geschmolzene Polymer eingemischt hinsichtlich der Steifigkeit weicherer Bereich wird durch ein anderes Polymer dargestellt, oder ohne Fasern oder mit der Beimischung von Fasern hergestellt, die jedoch anders orientiert sind, verglichen mit der Orientierung der Fasern im Membranbereich. Alternativ können im weicheren Bereich elastische Gummikügelchen eingemischt werden, um diesen Bereich hinsichtlich seiner Steifigkeit gezielt weicher zu machen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, das Polymer in einem Bereich aufzuschäumen und in einem anderen Bereich nicht.In the solution proposed according to the invention, fiber reinforcement can be carried out for the stiffer area. For example, short fibers are mixed into the molten polymer in terms of stiffness, a softer area is represented by another polymer, or produced without fibers or with the addition of fibers that are, however, oriented differently compared to the orientation of the fibers in the membrane area. Alternatively, elastic rubber balls can be mixed in in the softer area in order to make this area softer in terms of its rigidity. It is also possible to foam the polymer in one area and not in another area.

Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Brennstoffzelle als Energiequelle für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.The invention also relates to the use of the fuel cell as an energy source for an electrically powered vehicle.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung können die Endplatten als Verbundbauteile hergestellt werden, so dass die Steifigkeit im erhaltenen Verbundbauteil lokal sehr unterschiedlich ist. Des Weiteren könnten geometrische Strukturen zusätzlich vorhanden sein. Durch die lokal unterschiedlichen Steifigkeiten, bei denen zumindest ein erster Steifigkeitsbereich und ein zweiter Steifigkeitsbereich vorliegen, kann das Verbundbauteil als Einzelbauteil gefertigt werden, was die Montage wesentlich vereinfacht. Die unterschiedlichen Steifigkeitsbereiche lassen sich beispielsweise durch entsprechende Materialwahl hinsichtlich der E-Module bzw. der Querdehnzahlen erreichen und beeinflussen. Des Weiteren kann bei einer Endplatte der Randbereich einen zweiten Steifigkeitsbereich darstellen. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können in vorteilhafter Weise die Endplatten aus thermoplastischem oder aus duroplastischem Polymer gefertigt werden. Es können Einlegeteile, die insbesondere in beispielsweise wannenförmigen Aufnahmen innerhalb der Endplatten angeordnet sind eingesetzt werden, die insbesondere im Bereich der Krafteinleitungspunkte zur Einleitung der Vorspannkraft in den Stapelaufbau einen höheren Glasfaseranteil aufweisen.With the solution proposed according to the invention, the end plates can be manufactured as composite components, so that the rigidity in the composite component obtained is very different locally. Furthermore, geometric structures could also be present. Due to the locally different stiffnesses, in which there is at least a first stiffness range and a second stiffness range, the composite component can be manufactured as an individual component, which considerably simplifies assembly. The different stiffness ranges can be achieved and influenced, for example, by selecting the appropriate material with regard to the modulus of elasticity or the Poisson's ratio. Furthermore, in the case of an end plate, the edge area can represent a second rigidity area. In the solution proposed according to the invention, the end plates can advantageously be manufactured from thermoplastic or from thermosetting polymer. It is possible to use inserts which are arranged in, for example, trough-shaped receptacles within the end plates, which have a higher proportion of glass fiber, in particular in the area of the force introduction points for introducing the pretensioning force into the stack structure.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausbildung der Endplatten als Verbundbauteil mit unterschiedlichen Steifigkeitsbereichen kann einerseits die Montage eines Brennstoffzellenstapels vereinfacht werden; andererseits kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erreicht werden, dass zur Erzielung einer kostengünstigen Massenfertigung die Anzahl der zur verbauenden Bauteile gering gehalten werden kann, bzw. auf ein unabänderliches Minimum beschränkt werden kann.The construction of the end plates proposed according to the invention as a composite component with different stiffness ranges can on the one hand simplify the assembly of a fuel cell stack; on the other hand it can be achieved by the solution proposed according to the invention that the number of components to be built can be kept low or limited to an unalterable minimum in order to achieve cost-effective mass production.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung können hinsichtlich der Bauhöhe des Stapelaufbaus Vorteile erzielt werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Materialdicke der eingesetzten Einzelelemente zu variieren. In diesem Falle ist jedoch analog zur Federrate in der Dicke von Randbereich zu Membranbereich um einen Faktor zwei zu variieren; erfindungsgemäß wäre die Steifigkeit um einen Faktor zwei zu variieren, was durch Wechsel des Polymers oder durch Variation des Füllgrades leicht möglich wäre.With the solution proposed according to the invention, advantages can be achieved with regard to the overall height of the stack structure. Alternatively, it is possible to vary the material thickness of the individual elements used. In this case, however, analogous to the spring rate, the thickness of the edge area to the membrane area must be varied by a factor of two; according to the invention, the stiffness would have to be varied by a factor of two, which would be easily possible by changing the polymer or by varying the degree of filling.

FigurenlisteFigure list

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.The invention is described in more detail below with reference to the drawings.

Es zeigen:

1 eine Brennstoffzelle mit einem Stapelaufbau aus Einzelelementen, die über als Verbundbauteil gefertigte Endplatten fixiert sind,
2 die Draufsicht auf ein Einzelelement mit Durchbrüchen und einem aktiven Membranbereich,
3 die Draufsicht auf eine Endplatte mit Durchbrüchen sowie einem in einer Aufnahme angeordneten Einlegeteil und
4 eine schematische Darstellung eines Sensorfelds.

Show it:

1 a fuel cell with a stack structure of individual elements that are fixed via end plates made as a composite component,
2 the top view of a single element with openings and an active membrane area,
3 the top view of an end plate with openings and an insert arranged in a receptacle and
4th a schematic representation of a sensor field.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

Der Darstellung gemäß 1 ist eine Brennstoffzelle 10 als Stapelaufbau 12 aus Einzelelementen 14 zu entnehmen. Der Stapelaufbau 12 ist aus Einzelelementen 14 aufgebaut, die übereinander liegend angeordnet sind und eine Stapelhöhe 16 einnehmen. Die Einzelelemente 14, die den Stapelaufbau 12 bilden, sind durch eine erste Endplatte 20 und eine zweite Endplatte 22 gegeneinander verspannt. Die die Vorspannung des Stapelaufbaus 12 möglichen Spannelemente sind beispielsweise Verschraubungen oder Spannbänder oder dergleichen mehr. Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass der Stapelaufbau 12 der Brennstoffzelle 10 von Kanälen 18 durchzogen ist. Die einzelnen Kanäle 18 werden jeweils durch Durchbrüche 26, (vgl. Darstellung gemäß der 2 und 3) gebildet, die an den jeweiligen, den Stapelaufbau 12 darstellenden Einzelelementen 14, ausgeführt sind.According to the representation 1 is a fuel cell 10 as a stack structure 12th from individual elements 14th refer to. The stack structure 12th is made up of individual elements 14th built up, which are arranged one above the other and a stack height 16 take in. The individual elements 14th that are building the stack 12th form are through a first end plate 20th and a second end plate 22nd braced against each other. The bias of the stack structure 12th possible tensioning elements are, for example, screw connections or tensioning straps or the like. From the representation according to 1 shows that the stack structure 12th the fuel cell 10 of channels 18th is streaked. The individual channels 18th are each through breakthroughs 26th , (see illustration according to 2 and 3 ) formed, which are attached to the respective stack structure 12th representing individual elements 14th , are executed.

1 zeigt des Weiteren, dass die erste Endplatte 20 sowie die zweite Endplatte 22 jeweils als Verbundbauteile 24 ausgeführt sind. Beispielsweise sind die Verbundbauteile 24 so ausgebildet, dass diese mindestens einen ersten Bereich 32 aufweisen, der einen ersten Steifigkeitsbereich 36 darstellt.
Die Verbundbauteile 24 können jeweils wannenförmig ausgeführte Aufnahmen 34 umfassen, in welche Einlegeteile eingelassen sein können, die unterschiedliche Steifigkeitsbereiche 36, 38 ausbilden. 1 further shows that the first end plate 20th as well as the second end plate 22nd each as composite components 24 are executed. For example, the composite components 24 designed so that this has at least a first area 32 have a first stiffness range 36 represents.
The composite components 24 can each have trough-shaped recordings 34 include, in which inserts can be embedded, the different stiffness ranges 36 , 38 form.

2 zeigt die Draufsicht auf ein Einzelelement 14, welches Bestandteil des in 1 dargestellten Stapelaufbaus 12 ist. Das Einzelelement 14 in der Draufsicht gemäß 2 stellt ein flächiges Bauteil dar, und weist einen etwa quadratisch ausgeführten aktiven Membranbereich 28 auf. Im Randbereich 30 des Einzelelementes 14 gemäß der Draufsicht in 2 befinden sich die Durchbrüche 26, welche bei übereinander gelegten, innerhalb der Stapelaufbaus 12 angeordneten Einzelelementen 14 die jeweiligen Kanäle 18 bilden, wie sie in 1 dargestellt sind. Die Kanäle 18 verlaufen von der ersten Endplatte 20 zur zweiten Endplatte 22 durchgängig durch den Stapelaufbau 12. 2 shows the top view of a single element 14th , which is part of the in 1 stack structure shown 12th is. The single element 14th in plan view according to 2 represents a flat component and has an approximately square active membrane area 28 on. At the edge 30th of the single element 14th according to the top view in 2 are the breakthroughs 26th , which when placed one on top of the other within the stack structure 12th arranged individual elements 14th the respective channels 18th form as they are in 1 are shown. The channels 18th run from the first end plate 20th to the second end plate 22nd consistently through the stack structure 12th .

3 zeigt in der Draufsicht die zweite Endplatte 22. Auch die zweite Endplatte 22 weist die Durchbrüche 26 auf, die Teil der Kanäle 18 sind. Der mindestens eine erste Bereich stellt einen ersten Steifigkeitsbereich 36 dar, innerhalb dessen eine höhere Steifigkeit vorliegt, verglichen mit der Steifigkeit, die innerhalb eines zweiten Steifigkeitsbereiches 38 im Randbereich 30 der zweiten Endplatte 22 vorliegt. Die erste Endplatte 20 sowie die zweite Endplatte 22 werden vorzugsweise aus thermoplastischem oder duroplastischem Polymermaterial gefertigt. 3 shows the second end plate in plan view 22nd . Also the second end plate 22nd shows the breakthroughs 26th on that part of the channels 18th are. The at least one first area represents a first stiffness area 36 represents, within which there is a higher stiffness compared to the stiffness within a second stiffness range 38 at the edge 30th the second end plate 22nd is present. The first end plate 20th as well as the second end plate 22nd are preferably made of thermoplastic or thermosetting polymer material.

3 ist des Weiteren zu entnehmen, dass innerhalb des mindestens einen ersten Bereiches 32, in dem der erste Steifigkeitsbereich 36 liegt, eine höhere Steifigkeit vorliegt, Krafteinleitungspunkte 40 angeordnet sind. Bei einem Vergleich der 2 und 3 zeigt sich, dass eine Fläche des mindestens einen ersten Bereiches 32 im Wesentlichen einer Fläche des aktiven Membranbereiches 28 des Einzelelementes 14 gemäß 2 entspricht. In 2 sind die Krafteinleitungspunkte 40 gestrichelt eingezeichnet. 3 it can also be seen that within the at least one first area 32 , in which the first stiffness range 36 is, there is a higher stiffness, force application points 40 are arranged. When comparing the 2 and 3 shows that an area of the at least one first area 32 essentially an area of the active membrane area 28 of the single element 14th according to 2 corresponds to. In 2 are the force introduction points 40 shown in dashed lines.

Werden nun eine Anzahl von Einzelelementen 14 im Stapelaufbau 12 übereinander liegend angeordnet, so liegen deren aktiven Membranbereiche 28 übereinander. Wird in einem derart aufgebauten Stapelaufbau 12 aus übereinander liegenden Einzelelementen 14 die Vorspannkraft eingeleitet, so liegen die Krafteinleitungspunkte 40 innerhalb des mindestens einen ersten Bereiches 32, in dem der erste Steifigkeitsbereich 36 liegt. Dies bedeutet, dass innerhalb der Fläche des mindestens einen ersten Bereiches 32 und damit innerhalb der aktiven Membranbereiche 28 der übereinanderliegenden Einzelelemente 14, eine homogene Flächenpressung bei Anlegen der Verspannkraft erreicht werden kann.Will now be a number of individual elements 14th in the stack structure 12th Arranged one above the other, their active membrane areas are located 28 on top of each other. Used in a stack structure constructed in this way 12th made of superimposed individual elements 14th the preload force is introduced, the force introduction points are located 40 within the at least one first area 32 , in which the first stiffness range 36 lies. This means that within the area of the at least one first area 32 and thus within the active membrane areas 28 the superimposed individual elements 14th , a homogeneous surface pressure can be achieved when the clamping force is applied.

Die Verspannkraft kann an den Krafteinleitungspunkten 40 beispielsweise über Vorspannelemente wie Zugschrauben oder Spannbänder oder dergleichen eingeleitet werden. Liegen die Krafteinleitungspunkte 40 innerhalb des mindestens einen ersten Bereiches d.h. des ersten Steifigkeitsbereiches 36, so kann bei der Verspannung des Stapelaufbaus 12 gemäß 1 eine gasdichte Anlage der Dichtungen einzelner aktiver Membranbereiche 28 an den Einzelelementen 14 erreicht werden. Wird der Stapelaufbau 12 verspannt, liegt eine gasdichte Anlage der Einzelelemente 14, insbesondere innerhalb der aktiven Membranbereiche 28 vor.The tension force can be applied at the force introduction points 40 for example, are introduced via prestressing elements such as tension screws or straps or the like. Are the force introduction points 40 within the at least one first range, ie the first stiffness range 36 , so can when bracing the stack structure 12th according to 1 a gas-tight installation of the seals of individual active membrane areas 28 on the individual elements 14th can be achieved. Will the stack build 12th braced, there is a gas-tight system of the individual elements 14th , especially within the active membrane areas 28 in front.

Von Bedeutung ist insbesondere, dass beispielsweise im Bereich der Krafteinleitungspunkte 40 in dem mindestens einen ersten Bereich 32 ein erhöhter Anteil von Glasfasern vorliegen kann, durch welchen dort, d.h. insbesondere im Bereich der Krafteinleitungspunkte 40, der erste Steifigkeitsbereich 36 dargestellt ist.It is particularly important that, for example, in the area of the force introduction points 40 in the at least one first area 32 an increased proportion of glass fibers can be present, through which there, ie in particular in the area of the force introduction points 40 , the first stiffness range 36 is shown.

Verglichen mit dem ersten Steifigkeitsbereich 36 bildet der Randbereich 30 der zweiten Endplatte 22 einen zweiten Steifigkeitsbereich 38, in dem die Materialsteifigkeit geringer ist, verglichen mit dem Material innerhalb des mindestens einen ersten Bereiches 32, welches den ersten Steifigkeitsbereich 36 darstellt.Compared to the first stiffness range 36 forms the edge area 30th the second end plate 22nd a second stiffness range 38 , in which the material stiffness is lower compared to the material within the at least one first area 32 , which is the first stiffness range 36 represents.

Durch die in den Endplatten 20 bzw. 22 ausgebildeten unterschiedlichen Steifigkeitsbereiche 36, 38 kann die Anzahl der zu verbauenden Elemente innerhalb eines Stapelaufbaus 12 begrenzt bleiben, so dass eine kostengünstige Massenfertigung möglich ist. Zusätzliche Ausgleichselemente, wie sie bislang eingesetzt werden, können entfallen. Bei der Herstellung der als Verbundbauteile 24 ausgebildeten Endplatten 20 bzw. 22 werden bevorzugt thermoplastische oder duroplastische Polymere eingesetzt. Glasfaseranteile werden zur Aussteifung innerhalb des Spritzgussprozesses beigegeben und derart ausgerichtet, dass sich die Steifigkeit, insbesondere der erste Steifigkeitsbereich 36, zumindest an den Krafteinleitungspunkten 40 innerhalb der Fläche des ersten Bereichs 32 bildet.Through those in the end plates 20th or. 22nd trained different stiffness areas 36 , 38 can determine the number of elements to be installed within a stack structure 12th remain limited, so that inexpensive mass production is possible. Additional compensation elements, as used up to now, can be omitted. In the manufacture of the composite components 24 trained end plates 20th or. 22nd thermoplastic or thermosetting polymers are preferably used. Glass fiber components are added for stiffening within the injection molding process and aligned in such a way that the stiffness, in particular the first stiffness range 36 , at least at the force application points 40 within the area of the first area 32 forms.

Als weitere Materialien zur Herstellung der unterschiedliche Steifigkeiten aufweisenden Verbundbauteile 24 kommen neben thermoplastischen oder duroplastischen Polymeren, Polyimide und PVDF, oder auch PPS oder PEEK zum Einsatz. Hinsichtlich der Erzeugung unterschiedlicher Steifigkeitsbereiche 36, 38 durch Beimischung von Komponenten zum Polymer, können außer Glasfasern in unterschiedlicher Orientierung, den genannten Materialien Kohlefasern, Glaskeramikpulver (glassy carbon) in einer Größe von 10 µm mit einer hohen Härte beigegeben werden. Glaskeramikpulver kann beispielsweise auch in PVDF eingearbeitet werden, welches an sich einen relativ weichen Werkstoff darstellt. Neben Glaskeramikpulver kann auch einfach Keramikpulver beigemischt werden, um die Steifigkeit von Polymermaterialien gezielt zu modifizieren.As further materials for the production of the composite components, which have different stiffnesses 24 are used in addition to thermoplastic or thermosetting polymers, polyimides and PVDF, or also PPS or PEEK. With regard to the generation of different stiffness ranges 36 , 38 By adding components to the polymer, in addition to glass fibers in different orientations, the materials mentioned, carbon fibers, glass ceramic powder (glassy carbon) in a size of 10 µm with a high degree of hardness can be added. Glass ceramic powder can, for example, also be incorporated into PVDF, which in itself is a relatively soft material. In addition to glass ceramic powder, ceramic powder can also simply be added in order to modify the rigidity of polymer materials in a targeted manner.

Verbundbauteile 24 können zum Beispiel als Spritzgussbauteil gefertigt werden, in dem zwei Polymermaterialien miteinander kombiniert sind. Ein steiferer Bereich des Polymers kann gezielt mit Fasern, so zum Beispiel den obenstehend erwähnten Keramikpulvern, dem Glasfaserkeramikpulver oder dergleichen verstärkt werden. Innerhalb des zu verstärkenden, bzw. zu versteifenden Bereiches des Verbundbauteiles 24 können die Verstärkungsfasern gezielt so ausgerichtet werden, dass die einzelnen Bereiche durch die Orientierung der Verstärkungsfasern während des Spritzgussprozesses dem faserverstärkten Polymer eine höhere Steifigkeit verliehen, verglichen mit anderen Bereichen, die eine geringere Steifigkeit aufweisen und die demzufolge nachgiebiger sind. Eine Faserverstärkung für den steiferen Bereich kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass dem geschmolzenen Polymer Kurzfasern beigemischt werden. Der weichere, d.h. nachgiebigere Bereich des Verbundbauteiles 24 kann mit einem anderen Polymer hergestellt werden, oder ohne Verstärkungsfasern oder mit Fasern, jedoch eine andere Orientierung aufweisen, verglichen mit der Orientierung der Verstärkungsfasern im aktiven Membranbereich 28. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, in den Bereich, der eine geringere Steifigkeit aufweisen soll, d.h. der nachgiebiger ausgestaltet werden soll, elastische Kügelchen, beispielsweise Gummikügelchen einzuarbeiten, um diesen Bereich hinsichtlich seiner Steifigkeit gezielt nachgiebiger zu machen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, beim Spritzgießverfahren eines der Polymere aufzuschäumen und das andere nicht aufzuschäumen, so dass auch auf diesem Wege im Verbundbauteil 24 Bereiche mit unterschiedlichen Steifigkeiten hergestellt werden können.Composite components 24 can be manufactured, for example, as an injection-molded component in which two polymer materials are combined with one another. A stiffer area of the polymer can be specifically reinforced with fibers, for example the ceramic powders mentioned above, the glass fiber ceramic powder or the like. Within the area of the composite component to be reinforced or stiffened 24 the reinforcing fibers can be specifically aligned in such a way that the individual areas, through the orientation of the reinforcing fibers during the injection molding process, give the fiber-reinforced polymer greater rigidity compared to other areas that have a lower rigidity and are consequently more flexible. A fiber reinforcement for the stiffer area can be done, for example, by adding short fibers to the molten polymer. The softer, ie more flexible, area of the composite component 24 can be made with a different polymer, or without reinforcement fibers or with fibers, but have a different orientation compared to the orientation of the reinforcement fibers in the active membrane area 28 . Furthermore, there is the possibility of incorporating elastic beads, for example rubber beads, into the area that is supposed to have a lower rigidity, ie which is to be designed to be more flexible, in order to make this area more flexible with regard to its rigidity in a targeted manner. Furthermore, there is the possibility of foaming one of the polymers in the injection molding process and not foaming the other, so that in this way too in the composite component 24 Areas with different stiffnesses can be produced.

In dieses wiederum können elastische Elemente mit verschiedenen Steifigkeiten eingelegt sein. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, ein plan ausgeführtes Rahmenelement einzusetzen, in dessen Zentrum ein Kern aus einem Material oder einer Materialmischung eingelegt werden kann, der eine größere oder eine geringere Steifigkeit aufweist.In this, in turn, elastic elements with different stiffnesses can be inserted. Alternatively, there is also the possibility of using a planar frame element, in the center of which a core made of a material or a material mixture can be inserted, which has a greater or lesser rigidity.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorfelds. Ein Sensorfeld ist als Einzelelement 14 in der Brennstoffzelle 10 aufgenommen. Dabei kann das Einzelelement 14, welches das Sensorfeld enthält, an beliebiger Stelle innerhalb der Brennstoffzelle 10 angeordnet sein oder im Bereich der ersten Endplatte 20 oder im Bereich der zweiten Endplatte 22 vorgesehen sein. Auch die Verwendung mehrerer Sensorfelder als Einzelelemente 14 innerhalb der Brennstoffzelle 10 ist möglich. Mittels der Sensorfelder ist die Ermittlung einer lokalen Flächenpressung innerhalb der Brennstoffzelle 10 möglich. 4th shows a schematic representation of a sensor field. A sensor field is a single element 14th in the fuel cell 10 recorded. The single element 14th containing the sensor field at any point within the fuel cell 10 be arranged or in the area of the first end plate 20th or in the area of the second end plate 22nd be provided. Also the use of several sensor fields as individual elements 14th inside the fuel cell 10 is possible. The local surface pressure within the fuel cell can be determined by means of the sensor fields 10 possible.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the range specified by the claims, which are within the scope of expert action.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

WO 2008/081962 A1 [0002]
US 5789091 [0003]

Claims

Fuel cell (10) with a stack structure (12) made up of a number of individual elements (14) arranged one above the other, which are braced to one another via a first end plate (20) and a second end plate (22), characterized in that the end plates (20, 22) are designed as composite components (24) with different stiffness areas (36, 38).

Fuel cell (10) according to Claim 1 , characterized in that the end plates (20, 22) have at least one first region (32) which represents a first stiffness region (36).

Fuel cell (10) according to the Claims 1 and 2 , characterized in that the end plates (20, 22) outside of the at least one first area (32) have a second stiffness area (38).

Fuel cell (10) according to the Claims 1 to 3 , characterized in that the stiffness of the material in the first stiffness range (36) exceeds the stiffness of the material of the second stiffness range (38).

Fuel cell (10) according to the Claims 1 to 4th , characterized in that force introduction points (40) for introducing a pretensioning force into the stack structure (12) are located on the end plates (20, 22) in at least one first area (32) which represents the first stiffness area (36).

Fuel cell (10) according to the Claims 1 to 5 , characterized in that an area of the at least one area (32) corresponds to an area of an active membrane area (28) of the individual elements (14).

Fuel cell (10) according to the Claims 1 to 6th , characterized in that the first stiffness area (36) achieves a homogeneous surface pressure between the individual elements (14), in particular a gas-tight contact between the active membrane areas (28) of the individual elements (14).

Fuel cell (10) according to the Claims 1 to 7th , characterized in that the end plates (20, 22) are made of thermoplastic or thermosetting polymer or polyimide, PVDF, PPS or PEEK.

Fuel cell (10) according to the Claims 1 to 8th , characterized in that the at least one first area (32) is made of thermoplastic or thermosetting polymer and there is an increased proportion of reinforcing fibers in the area of the force introduction points (40).

Fuel cell (10) according to Claim 9 , characterized in that carbon fibers, glass ceramic powder or ceramic powder are added as reinforcing fibers.

Fuel cell (10) according to the Claims 1 to 10 , characterized in that the stack structure (12) of individual elements (14) contains at least one individual element (14) with a sensor field or with at least one individual sensor for determining a local surface pressure in the stack structure (12).

Fuel cell (10) according to the Claims 1 to 11 characterized in that the reinforcing fibers are aligned above the polymer in such a way that the individual stiffness areas (36, 38) are given by the orientation of the reinforcing fibers in the injection molding process.

Use of the fuel cell (10) according to one of the preceding claims as an energy source for an electrically powered vehicle.