DE102005018056A1

DE102005018056A1 - Stromabnehmereinrichtung und Endplatteneinrichtung für eine Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102005018056A1
Application number: DE102005018056A
Authority: DE
Inventors: Özer ARAS
Original assignee: P 21 POWER FOR 21ST CENTUR; P 21-POWER FOR 21ST CENTURY GmbH
Current assignee: P 21 POWER FOR 21ST CENTUR; P 21-POWER FOR 21ST CENTURY GmbH
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2006-10-26

Abstract

Es wird unter anderem eine Stromabnehmereinrichtung (10) für eine Brennstoffzelle beschrieben, die eine elektrisch leitende Leitschicht (11) zur Stromabnahme aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Leitschicht (11) zusätzlich auch als Federelement ausgebildet ist. In der Stromabnehmereinrichtung (10) sind somit die beiden Komponenten Stromabnehmer und Federelement in einem einzigen Bauteil, nämlich der Leitschicht (11), kombiniert. Dadurch können die erforderliche Einbauhöhe und die Fertigungskosten dieser Komponenten reduziert werden. Weiterhin werden eine entsprechend verbesserte Endplattenanordnung für eine Brennstoffzelle sowie ein Brennstoffzellenstapel mit einer oder mehreren hintereinander angeordneten Brennstoffzellen beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst eine Stromabnehmereinrichtung sowie eine Endplattenanordnung für eine Brennstoffzelle. Weiterhin betrifft die Erfindung auch einen Brennstoffzellenstapel.
Brennstoffzellen sind seit langem bekannt und haben in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischen Wege, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden.
Bei der Brennstoffzelle werden die zwischen elektrisch neutralen Molekülen oder Atomen ablaufenden Oxidations- und Reduktionsprozesse in der Regel über Elektrolyten räumlich getrennt. Eine Brennstoffzelle besteht grundsätzlich aus einem Anodenteil, an den ein Brennstoff zugeführt wird. Weiterhin weist die Brennstoffzelle einen Kathodenteil auf, an den ein Oxidationsmittel zugeführt wird. Räumlich getrennt sind der Anoden- und Kathodenteil durch den Elektrolyten. Bei einem derartigen Elektrolyten kann es sich beispielsweise um eine Membran handeln. Solche Membranen haben die Fähigkeit, Ionen durchzuleiten, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten.
Bei einer PEM-Brennstoffzelle beispielsweise können als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle etwa Wasserstoff als Kraftstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet werden. Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder leichter zu speichernden Kraftstoff wie etwa Erdgas, Methanol, Benzin, Diesel oder anderen Kohlenwasserstoffen betreiben, muss man den Kohlenwasserstoff in einer Vorrichtung zum Erzeugen oder Aufbereiten eines Kraftstoffs zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln.
Eine Brennstoffzelle weist in der Regel mehrere Schichten auf, die sandwichartig übereinander beziehungsweise nebeneinander angeordnet sind. Ebenso sind Brennstoffzellenstapel bekannt, bei denen eine Anzahl von Brennstoffzellen hintereinander angeordnet sind. Ein solcher Brennstoffzellenstapel wird auch als Brennstoffzellenstack bezeichnet.
In einer Brennstoffzelle beziehungsweise in einem Brennstoffzellenstapel sind in der Regel eine Reihe von Plattenelementen vorgesehen. Hierbei kann es sich um so genannte Bipolarplatten und/oder Endplatten handeln. Bipolarplatten sind beispielsweise auf der Anoden- und/oder Kathodenseite der Brennstoffzelle vorgesehen. Sie können wenigstens einen Führungskanal für ein Medium aufweisen, beispielsweise Führungskanäle zum Zuführen des Kraftstoffs und/oder des Oxidationsmittels. Zwischen den Bipolarplatten kann dann der jeweilige Elektrolyt der Brennstoffzelle angeordnet sein. Die Endplatten einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellenstapels bilden als so genannte Endplattenanordnungen den äußeren Abschluss der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstacks. Derartige Endplatten können ebenfalls Führungskanäle für entsprechende Medien aufweisen. Weiterhin verfügen die Endplatten in der Regel über zentrale Medieneinlässe und Medienauslässe.
Endplatten beziehungsweise Endplattenanordnungen für Brennstoffzellen/Brennstoffzellenstapel sind im Stand der Technik bereits bekannt. In der DE 101 35 025 A1 beispielsweise ist ein Brennstoffzellengerät beschrieben, bei dem ein Brennstoffzellenstapel mit gleichmäßigem Druck festgezogen werden soll. Der Brennstoffzellenstapel weist Endplatten auf, die jeweils eine nach innen -zu den Brennstoffzellen hin- gerichtete Fläche aufweisen. An dieser Innenfläche der Endplatte ist dann eine auf verschiedene Weise ausgestaltete Druckplatte angeordnet.
Aufgrund der temperaturbedingten Längenänderung und den auftretenden Setz- und Fließerscheinungen der Brennstoffzellenkomponenten verändert sich im Betrieb der Verpressungsdruck auf die Membran-Elektrolyt-Anordnung (MEA) und die Dichtung. Dabei verursacht eine zu hoher Verpressungsdruck die Beschädigung der MEA und ein zu niedriger Druck die Verminderung der Leistung der Brennstoffzelle. Fällt der Verpressungsdruck unter einen Minimaldruck, führt dies zu Undichtigkeiten der Brennstoffzelle. Es ist daher erforderlich, dass sich an einer Brennstoffzelle beziehungsweise an einem Brennstoffzellenstapel ein Federsystem zur Kompensation der Längenänderung befindet.
Derartige Federsysteme sind aus dem Stand der Technik bereits ebenfalls bekannt. So ist etwa aus der WO 01/56104 A2 ein Brennstoffzellenstapel bekannt, der an seinen Enden zunächst über zwei Endplattenanordnungen verfügt. Diese Endplattenanordnungen bestehen aus Druckplatten und Kolben, wobei jeweils eine Druckplatte und ein Kolben wenigstens einen Hohlraum umgrenzen. Um eine gleichmäßige Druckverteilung zu erreichen, ist weiterhin vorgesehen, dass in dem wenigstens einen Hohlraum inkompressive Druckmedien oder aber Federelemente vorgesehen sind. An den Kolben schließen sich dann eine Isolierplatte sowie eine Kontaktplatte an, wobei es sich bei der Kontaktplatte um eine Stromabnehmereinrichtung handelt. Die Stromabnehmereinrichtung ist somit ein von den Druckplatten und Kolben unabhängiges Bauteil.
Zur Stromabnahme an Brennstoffzellen beziehungsweise Brennstoffzellenstapeln werden -beispielsweise an den Endseiten- Stromabnehmereinrichtungen angebracht, bei denen es sich bisher um Stromabnehmerplatten handelt. Diese Stromabnehmereinrichtungen sind mit Speicherelementen zum Speichern elektrischer Energie und/oder elektrischen Verbrauchern und/oder Steuerelektroniken verbunden. Hierbei werden üblicherweise metallische Platten, die unter Umständen korrosionsgeschützt sind, als Stromabnehmerplatten verwendet. Bei den Stromabnehmerplatten kann es sich beispielsweise um Kupferplatten handeln, die mit Gold beschichtet werden. Während des Betriebs der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels gelangen die metallischen Komponenten der Stromabnehmereinrichtungen üblicherweise in Kontakt mit den Betriebsmedien Wasser, Kraftstoff und/oder Luft, so dass es zu Korrosionsprozessen kommen kann. Nur durch aufwändige leitfähige Beschichtung, beispielsweise mit galvanisch aufgebrachtem Gold, kann eine lange Lebensdauer der Platten überhaupt erreicht werden. Ein Beispiel für eine bekannte Stromabnehmerplatte ist in der DE 203 05 084 U1 beschrieben.
Wie vorstehend ausgeführt wurde, sind zur sicheren Kompensation der Längenänderung der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels derzeit Federelementpakete notwendig. Hierbei kann es sich beispielsweise um Pakete von Tellerfedern handeln. Die Folge dieses bekannten Konzeptes ist jedoch eine vergrößerte Einbauhöhe und eine zum Teil undefinierte Funktionsweise, die beispielsweise durch Reibung zwischen den Tellerfedern verursacht werden kann. Dies ist für den Betrieb der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels jedoch von Nachteil.
Weiterhin sind die Fertigungskosten der bisher bekannten Stromabnehmereinrichtungen in Form von Stromabnehmerplatten, die üblicherweise in oder an der Endplattenanordnung für die Brennstoffzellen vorgesehen sind, sehr hoch. Diesbezüglich besteht der Bedarf, die Fertigungskosten deutlich zu reduzieren.

Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Stromabnehmereinrichtung für eine Brennstoffzelle, eine Endplatteneinrichtung für eine Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzellenstapel anzugeben, bei der/dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll erreicht werden, dass die Stromabnehmereinrichtung und/oder die Endplattenanordnung und/oder der Brennstoffzellenstapel bei möglichst geringem Platzbedarf kostengünstig hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Stromabnehmereinrichtung mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, die Endplattenanordnung mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 14 sowie den Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 16. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung. Merkmale, Vorteile und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Stromabnehmereinrichtung beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Endplattenanordnung sowie dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel. Merkmale, Vorteile und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Endplattenanordnung beschrieben sind, gelten selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Stromabnehmereinrichtung sowie dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel. Schließlich gelten Merkmale, Vorteile und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Stromabnehmereinrichtung sowie der erfindungsgemäßen Endplattenanordnung.

Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Stromabnehmereinrichtung für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, die zumindest eine elektrisch leitende Leitschicht zur Stromabnahme aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass diese Leitschicht nunmehr gleichzeitig auch als Federelement ausgebildet ist.

Mit der vorliegenden Erfindung wird somit erstmals eine Lösung beschrieben, mittels derer die funktionale Integration der beiden Komponenten Stromabnehmer und Federelement zu einem Bauteil realisiert werden konnte. Dadurch können die Einbauhöhe und die Fertigungskosten dieser Komponenten deutlich reduziert werden.

Die in der Stromabnehmereinrichtung vorgesehene Leitschicht dient zunächst der Abführung der erzeugten Elektrizität aus der Brennstoffzelle beziehungsweise dem Brennstoffzellenstapel. Sie besteht daher aus einem elektrisch leitenden Material. Weiterhin ist die Leitschicht auch als Federelement ausgebildet. Dieses Federelement kann zum Druck- beziehungsweise Spannungsausgleich innerhalb der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels herangezogen werden. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Materialien beziehungsweise bestimmte Ausgestaltungsformen für die Leitschicht beschränkt. Verschiedene nicht ausschließliche Beispiele hierzu werden im weiteren Verlauf der Beschreibung erläutert. Wichtig für die zu verwendenden Materialen der Leitschicht ist lediglich, dass diese Materialien sowohl elektrisch leitend als auch in der Lage sind, eine Federwirkung zu erzielen. Die Federeigenschaften der Leitschicht können entsprechend den Anforderungen über die Variation der Geometrie, des Werkstoffs und der Schichtdicke angepasst werden.

Unter einer „Schicht" ist hier im weitesten Sinne ein flächiger Bereich mit einer gewissen Dicke zu verstehen, der im Wesentlichen einen einheitlichen Materialaufbau aufweist.

Nachfolgend werden einige Beispiele für Materialien beschrieben, aus denen die Leitschicht bestehen kann. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Leitschicht aus einem leitfähigen Kunststoff hergestellt ist. Vorteilhaft kann auch vorgesehen sein, dass die Leitschicht zumindest bereichsweise aus einem Metall gebildet ist. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Metalle beschränkt. Beispielsweise ist es denkbar, die Leitschicht wie bisher bekannt aus Kupfer herzustellen. Natürlich ist es auch denkbar, für die Leitschicht andere, billigere Metalle zu verwenden. Zu denken ist hier beispielsweise an eisenhaltige Metalle wie beispielsweise Stahl, Edelstahl und dergleichen. Natürlich ist die Erfindung nicht auf die vorgenannten Materialbeispiele beschränkt.

Vorteilhaft kann die Leitschicht als federndes Metallblech ausgebildet sein. Ein solches Metallblech kann einfach und damit kostengünstig hergestellt werden. Je nach Anforderung und Verwendungszweck kann das Metallblech eine unterschiedliche Dicke aufweisen. In diesem Zusammenhang ist es selbstverständlich auch möglich, die Leitschicht in Form einer metallischen Folie oder dergleichen auszugestalten.

Vorzugsweise kann die Leitschicht zumindest bereichsweise eine strukturierte Form aufweisen. Unter einer „Strukturierung" ist hier im Weitesten eine reliefartig ausgebildete Oberfläche, eine Oberfläche mit einem bestimmten Muster, eine Oberfläche mit -vorzugsweise nach einem bestimmten Muster angeordneten-Aussparungen, Löchern, Ausnehmungen, oder dergleichen zu verstehen. Besonders vorteilhaft kann die Leitschicht durch ein strukturiertes und federndes Metallblech realisiert werden.

Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass die Leitschicht zumindest bereichsweise eine Struktur in Form einer zumindest im wesentlichen zick-zack-förmigen Faltung aufweist. Eine derart ausgestaltete Leitschicht kann beispielsweise durch Stanzen, Prägen, Rollen und/oder Falten eines einzigen Werkstücks, hier beispielsweise eines plattenförmigen oder folienartigen Materials, hergestellt werden.

Als ein Beispiel für eine derart ausgebildete Leitschicht könnte beispielsweise das so genannte Streckmetall herangezogen werden. Hierbei handelt es sich generell um ein durch Stanzen feiner Einschnitte in ein Blech hergestelltes Werkstück, wobei das Werkstück nach dem Stanzen abschließend auseinander gezogen werden kann.

In weiterer Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass die Leitschicht aus einer Anzahl von Federelementstreifen gebildet ist, wobei die Federelementstreifen benachbart zueinander angeordnet sind. Benachbarte Streifen können dabei miteinander verbunden werden, wobei es grundsätzlich ausreichend ist, wenn die Verbindung nur an wenigen Stellen erfolgt. Eine derartige Struktur weist eine hohe Flexibilität auf, was insbesondere eine gleichmäßige und flächige Einleitung der Verpressungskräfte trotz Verformung der Leitschicht ermöglicht.

Vorzugsweise kann auch vorgesehen sein, dass die Leitschicht zumindest bereichsweise beschichtet ist. Eine solche Beschichtung hat den Vorteil, das als Grundsubstrat für die Leitschicht kostengünstige Materialien verwendet werden können, wie beispielsweise unedle Metalle oder dergleichen, und dass zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit anschließend ein besonders gut leitendes Metall, beispielsweise Gold, Kupfer und dergleichen auf dem Grundsubstrat aufgebracht wird. Hierdurch lassen sich die Herstellungskosten der Leitschicht und damit der gesamten Stromabnehmereinrichtung weiter reduzieren. In einem vorteilhaften, nicht ausschließlichen Ausführungsbeispiel kann die Oberfläche eines strukturierten Metallblechs, das beispielsweise aus Edelstahl bestehen kann, vor dem Einsatz in der Stromabnehmereinrichtung vergoldet werden, wodurch eine deutliche Reduzierung der Fertigungskosten zu erwarten ist.

In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Leitschicht zumindest bereichsweise mit einem elektrisch leitfähigen Material ummantelt wird. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Ummantelungsmaterialien beschränkt. Einige nicht ausschließliche Beispiele hierzu werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert. Insbesondere kann die Zusammensetzung des Ummantelungsmaterials hinsichtlich der Erhöhung der Leitfähigkeit und der Dauerstabilität an die jeweils herrschenden Anforderungen angepasst und entsprechend optimiert werden.

Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Ummantelungsmaterial kohlenstoffhaltig ist. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Ummantelungsmaterial graphithaltig ist oder vollständig aus Graphit gebildet ist. In anderer Ausgestaltung ist auch möglich, dass das Ummantelungsmaterial metallhaltig oder aus einem Metall gebildet ist. Natürlich sind auch Materialkombinationen der zuvor beschriebenen Beispiele möglich.

In weiterer Ausgestaltung kann das Ummantelungsmaterial ein Kompositmaterial mit elektrisch leitfähigen Eigenschaften sein. Die Verwendung eines Kompositmaterials aus zwei oder mehr Einzelkomponenten hat den Vorteil, dass bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit beziehungsweise der Dauerstabilität auf die jeweils vorherrschenden Anforderungen beziehungsweise das Einsatzgebiet der Stromabnehmereinrichtung eingegangen werden kann.

Nachfolgend werden einige nicht ausschließliche Beispiele für geeignete Kompositmaterialien beschrieben. So ist beispielsweise möglich, dass das Kompositmaterial ein Basismaterial aus einem Kunststoff, beispielsweise einem Duroplasten oder einem Thermoplasten aufweist. Der Fachmann kann hier anhand seines Fachwissens und abgestimmt auf die Einsatztemperatur, Verwendung und Kontaktmaterialien einen geeigneten Kunststoff problemlos auswählen.

Um die Leitfähigkeit des Materials, beispielsweise eines Polymers oder einer Polymerkomposition zu gewährleisten, kann dem Material eine leitfähige Beimischung beigefügt werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um kohlenstoffhaltige Materialien, Graphit, Metalle und dergleichen handeln. Um die Verarbeitbarkeit der Ummantelung zu erhalten, werden vorzugsweise Beimischungen aus feinpulvrigen Material bevorzugt. Die Beimischung kann beispielsweise korn- oder faserförmig sein.

Alternativ besteht die Möglichkeit, dass Ummantelungsmaterial aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff auszuwählen. Auf diese Weise kann der Vorgang der Beimischung und die Auswahl eines entsprechend leitfähigen Beimischungsmaterials vermieden werden. Eine Entscheidung über eine Beimischung oder die Verwendung eines leitenden Kunststoffs kann der Fachmann anhand der zu erwartenden Ströme beziehungsweise Spannungen leicht treffen. Selbstverständlich sind auch andere Ummantelungsmaterialien als die zuvor beschriebenen möglich.

Beispielsweise kann die Leitschicht als Zwischenschicht ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Stromabnehmereinrichtung beispielsweise schichtartig aus mehreren Schichten ausgebildet sein, wobei wenigstens eine der Schichten eine Leitschicht darstellt. „Zwischenschicht" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine Leitschicht dann jeweils zwischen zwei anderen Schichten angeordnet, insbesondere sandwichartig, angeordnet ist.

In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Stromabnehmereinrichtung einen Grundkörper aufweist, dass der Grundkörper wenigstens einen Aufnahmebereich für eine Leitschicht aufweist und dass eine Leitschicht innerhalb des wenigstens einen Aufnahmebereichs angeordnet ist. Der Grundkörper kann aus einem oder mehreren Materialien gebildet sein. Bei dem Aufnahmebereich handelt es sich vorzugsweise um eine Art Ausnehmung, Tasche, Aufnahmeraum oder dergleichen, der/die innerhalb des Grundkörpers ausgebildet ist. Beispielsweise weist der Aufnahmebereich an einem seiner Enden eine Aufnahmeöffnung auf, in die die Leitschicht eingesteckt, eingeschoben oder dergleichen werden kann. An seinem anderen Ende, sowie an den seitlichen Begrenzungen ist der Aufnahmebereich vorzugsweise geschlossen. Dieses geschlossene Ende, beziehungsweise die seitlichen Begrenzungen bilden dann eine Art Anschlag für die Leitschicht. Der Aufnahmebereich ist vorzugsweise allseitig- bis auf die Aufnahmeöffnung – geschlossen, wodurch ein Aufnahmeraum für die Leitschicht entsteht. Je nach Ausführungsform kann die Aufnahmeöffnung nach Einbringen der Leitschicht auch noch verschlossen werden. Der Grundkörper kann beispielsweise als monolithischer Grundkörper ausgebildet sein, in dem der Aufnahmebereich, beispielsweise in Form eines Aufnahmeraums, ausgebildet ist. In anderer Ausgestaltung ist auch denkbar, dass der Grundkörper aus wenigstens zwei Schichten besteht, die beabstandet zueinander angeordnet sind, wodurch sich ebenfalls ein Aufnahmebereich, etwa ein Aufnahmeraum, ergibt. An den endseitigen (längs- wie querseitig) Abschlüssen der Schichten sind dann geeignete Anschläge vorgesehen, wodurch der Aufnahmeraum – mit Ausnahme der Aufnahmeöffnung, allseitig begrenzt wird.

Vorteilhaft kann die Stromabnehmereinrichtung wenigstens eine Stromabnahmevorrichtung aufweisen. Eine solche Stromabnahmevorrichtung kann beispielsweise eine Stromabnahmeöse, ein Stromabnahmekabel, eine Stromabnahmelasche oder dergleichen sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Endplattenanordnung für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, wobei diese Endplattenanordnung eine Stromabnehmereinrichtung und ein Federsystem aufweisen soll. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Stromabnehmereinrichtung eine elektrisch leitfähige Leitschicht aufweist und dass die elektrisch leitfähige Leitschicht darüber hinaus auch als Federelement ausgebildet ist.

Auf diese Weise können die Komponenten der Endplattenanordnung reduziert werden. Dadurch lassen sich zum Einen die Fertigungskosten reduzieren. Zum Anderen wird auch eine gleichmäßige und flächige Einleitung der Verpressungskräfte trotz Verformung der Endplatten möglich. Die beiden Komponenten Stromabnahme und Federsystem sind nunmehr in einem einzigen Bauteil vereinigt.

Vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Endplattenanordnung eine wie weiter oben beschriebene erfindungsgemäße Stromabnehmereinrichtung aufweist.

Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt, wobei der Brennstoffzellenstapel eine oder mehrere hintereinander angeordnete Stoffzellen aufweist. Die Brennstoffzellen sind vorteilhaft plattenartig aufgebaut, wobei die einzelnen Platten sandwichartig hintereinander angeordnet sind. An den Enden des Brennstoffzellenstapels ist jeweils eine Endplattenanordnung vorgesehen. Weiterhin weist der Brennstoffzellenstapel wenigstens eine Stromabnehmereinrichtung auf. Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass die Stromabnehmereinrichtung eine elektrisch leitfähige Leitschicht aufweist und dass die elektrisch leitfähige Leitschicht darüber hinaus auch als Federelement ausgebildet ist.

Dabei kann die Stromabnehmereinrichtung Bestandteil einer Endplattenanordnung sein. Ebenso ist es natürlich auch denkbar, dass die Stromabnehmereinrichtung und die Endplattenanordnung räumlich voneinander getrennt sind und dass die Stromabnehmereinrichtung benachbart zu den Endplattenanordnungen oder zwischen einzelnen Brennstoffzellen irgendwo im Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Die lokale Anordnung der Stromabnehmereinrichtung hängt von der jeweiligen Ausgestaltung der Brennstoffzellen beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels ab. Vorteilhaft wird die Stromabnehmereinrichtung jedoch im Bereich der Endplattenanordnung oder aber in der Endplattenanordnung selbst vorzusehen sein.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel kann dessen Längenänderung sicher kompensiert werden. Gleichzeitig kommt es zu einer definierten Funktionsweise des Federelements, insbesondere bezüglich der Einleitung der Verpressungskräfte trotz Verformung der Leitschicht und damit der Stromabnehmereinrichtung sowie gegebenenfalls der Endplattenanordnung. Darüber hinaus kann die Einbauhöhe des Brennstoffzellenstapels reduziert werden, weil die Komponenten Stromabnehmer und Federelement nunmehr zu einem einzigen Bauteil integriert worden sind. Auf diese Weise lassen sich obendrein auch die Fertigungskosten des Brennstoffzellenstapels reduzieren.

Vorteilhaft kann die Stromabnehmereinrichtung in der wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Weise ausgebildet sein. In weiterer Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass die Endplattenanordnung in der wie weiter oben beschriebenen erfindungsgemäßen Weise ausgestaltet ist.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den Einsatz im Zusammenhang mit bestimmten Brennstoffzellentypen beschränkt. Beispielsweise können die Brennstoffzellen als so genannte PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein. Bei einer solchen Brennstoffzelle besteht der Elektrolyt aus einer Protonen leitenden Membran. Ebenso ist es möglich, die vorliegende Erfindung auch für andere Brennstoffzellentypen vorzusehen.

Darüber hinaus ist es auch denkbar, die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit Elektrolyseuren einzusetzen. Derartige Elektrolyseure sollen deshalb vom Umfang der vorliegenden Erfindung mit umfasst sein. Bei einem Elektrolyseur handelt es sich generell um eine Vorrichtung zur Zerlegung von Wasser durch Elektrolyse in seine Grundkomponenten Wasserstoff und Sauerstoff. Generell wird zwischen alkalischen Elektrolyseuren, PEM-Elektrolyseuren und Hochtemperatur-Elektrolyseuren unterschieden. Ein PEM-Elektrolyseur besteht aus einer protonendurchlässigen Polymer-Membran, die beidseitig mit porösen Elektroden, beispielsweise Platin-Elektroden, kontaktiert ist. An dieser wird eine äußere Spannung angelegt, was beispielsweise mittels der erfindungsgemäßen Stromabnehmereinrichtung erfolgen kann. Auf der Anodenseite des Elektrolyseurs wird Wasser zugeführt. Die katalytische Wirkung, beispielsweise des Platins, führt zur Zersetzung des Wassers an der Anodenseite. Es entstehen Sauerstoff, Elektronen und Wasserstoff-Ionen. Die Wasserstoff-Ionen diffundieren durch die Protonen leitende Membran auf die Kathodenseite, wo sie mit den Elektronen zu Wasserstoffen kombinieren.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Dabei ist in der einzigen 1 eine Stromabnehmereinrichtung 10 für eine Brennstoffzelle beziehungsweise für einen Elektrolyseur dargestellt.
Die Stromabnehmereinrichtung 10 ist in Form einer Stromabnehmerplatte ausgebildet, wobei diese Stromabnehmerplatte einer nicht dargestellten Endplattenanordnung einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellenstapels zugeordnet oder aber Bestandteil einer solchen Endplattenanordnung sein kann. Die Stromabnehmerplatte 10 besteht zunächst aus einer elektrisch leitenden Leitschicht 11. Die Leitschicht 11 hat die Funktion, einen elektrischen Strom zu leiten. Dies kann beispielsweise in der Brennstoffzelle beziehungsweise dem Brennstoffzellenstapel erzeugter Strom sein, der abgeführt werden soll. Ebenso ist es natürlich auch denkbar, dass über die Leitschicht 11 ein Strom zugeführt wird, beispielsweise wenn die Stromabnehmerplatte 10 im Zusammenhang mit einem Elektrolyseur eingesetzt wird.
Die Leitschicht 11 ist mit einer Stromabnahmevorrichtung 14 verbunden. Die Stromabnahmevorrichtung 14 besteht aus einer Art Lasche, die mit der Leitschicht 11 verbunden ist. Ebenso ist es natürlich auch denkbar, dass die Lasche den Endbereich der Leitschicht 11 darstellt. In der Lasche ist eine Stromabnahme-Öse vorgesehen, an der ein Kabel oder dergleichen angeklemmt werden kann.
Die in der Figur dargestellte Leitschicht 11 hat neben ihrer Funktion der Stromleitung auch noch die Funktion eines Federelements. Über diese Federeigenschaften der Leitschicht 11 wird eine Kompensation der Längenänderung der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels kompensiert.
Im dargestellten Beispiel handelt es sich bei der Leitschicht 11 um ein strukturiertes Metallblech, das die Struktur einer zick-zack-förmigen Faltung aufweist. Eine derartige Struktur kann beispielsweise durch eine entsprechende Stanzung und Faltung einer dünnen Metallplatte oder einer Metallfolie erzeugt werden. Ebenso ist es natürlich auch denkbar, dass zur Erzeugung der Leitschicht 11 zunächst eine Anzahl von einzelnen Federelementstreifen 12 hergestellt wird, wobei die Federelementstreifen 12 benachbart zueinander angeordnet werden und in ihrer Gesamtheit die Leitschicht 11 bilden. Dazu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die einzelnen Federelementstreifen 12 punktuell miteinander verbunden werden. Auf diese Weise entsteht eine flexible Leitschicht 11, was insbesondere im Zusammenhang mit der erforderlichen Federwirkung von Vorteil ist.
Die Leitschicht 11 ist vorteilhaft aus einem Metall, beispielsweise aus Edelstahl oder dergleichen hergestellt. Optional kann vorgesehen sein, dass das Metall vorab noch vergoldet worden ist.
Die bisher aus dem Stand der Technik bekannten massiven und starren Stromabnehmerplatten werden nunmehr durch eine strukturierte und federnde Leitschicht 11, beispielsweise ein Metallblech ersetzt. Zusätzlich kann die Leitschicht 11 noch mit einem elektrisch leitfähigen Material 13 ummantelt werden. Dieses Ummantelungsmaterial 13 kann beispielsweise kohlenstoffhaltig, metallhaltig oder dergleichen sein. Natürlich ist es auch möglich, dass das Ummantelungsmaterial 13 in Form eines Kompositmaterials mit elektrisch leitfähigen Eigenschaften ausgebildet ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Leitschicht 11 beispielsweise mit Graphit ummantelt sein.
Die Federeigenschaften der Leitschicht 11 können entsprechend den Anforderungen über die Variation der Geometrie, des Werkstoffs und der Schichtdicke angepasst werden. Ebenso kann die Zusammensetzung des Ummantelungsmaterials 13 hinsichtlich der Erhöhung der Leitfähigkeit und der Dauerstabilität optimiert werden.
Die in der Figur dargestellte Stromabnehmereinrichtung 10 realisiert erstmals die funktionale Integration der beiden Komponenten Stromabnehmer und Federelement zu einem einzigen Bauteil. Dadurch können die erforderliche Einbauhöhe und die Fertigungskosten deutlich reduziert werden.

10: Stromabnehmereinrichtung für eine Brennstoffzelle
11: elektrisch leitende Leitschicht
12: Federelementstreifen
13: Ummantelungsmaterial
14: Stromabnahmevorrichtung

Claims

Stromabnehmereinrichtung (10) für eine Brennstoffzelle, mit einer elektrisch leitenden Leitschicht (11) zur Stromabnahme, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (11) zusätzlich als Federelement ausgebildet ist.
Stromabnehmereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (11) zumindest bereichsweise aus Metall gebildet ist.
Stromabnehmereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (11) als federndes Metallblech ausgebildet ist.
Stromabnehmereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (11) zumindest bereichsweise eine strukturierte Form aufweist.
Stromabnehmereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (11) zumindest bereichsweise eine Struktur in Form einer zick-zack-förmigen Faltung aufweist.
Stromabnehmereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (11) aus einer Anzahl von Federelementstreifen (12) gebildet ist und dass die Federelementstreifen (12) benachbart zueinander angeordnet sind.
Stromabnehmereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (11) zumindest bereichsweise beschichtet ist.
Stromabnehmereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistschicht (11) zumindest bereichsweise mit einem elektrisch leitfähigen Material (13) ummantelt ist.
Stromabnehmereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ummantelungsmaterial (13) kohlenstoffhaltig, insbesondere graphithaltig oder Graphit, ist.
Stromabnehmereinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ummantelungsmaterial (13) ein Kompositmaterial mit elektrisch leitfähigen Eigenschaften ist.
Stromabnehmereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (11) als Zwischenschicht ausgebildet ist.
Stromabnehmereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabnehmereinrichtung (10) einen Grundkörper aufweist, dass der Grundkörper einen Aufnahmebereich zur Aufnahme einer Leitschicht (11) aufweist und dass die Leitschicht (11) innerhalb des Aufnahmebereichs angeordnet ist.
Stromabnehmereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens eine Stromabnahmevorrichtung (14) aufweist.
Endplattenanordnung für eine Brennstoffzelle, mit einer Stromabnehmereinrichtung (10) und mit einem Federsystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabnehmereinrichtung (10) eine elektrisch leitfähige Leitschicht (11) aufweist und dass die elektrisch leitfähige Leitschicht (11) darüber hinaus auch als Federelement ausgebildet ist.
Endplattenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Stromabnehmereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Brennstoffzellenstapel, mit einer oder mehreren hintereinander angeordneten Brennstoffzellen, wobei an den Enden des Brennstoffzellenstapels jeweils eine Endplattenanordnung vorgesehen ist und wobei der Brennstoffzellenstapel wenigstens eine Stromabnehmereinrichtung (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabnehmereinrichtung (10) eine elektrisch leitfähige Leitschicht (11) aufweist und dass die elektrisch leitfähige Leitschicht (11) darüber hinaus auch als Federelement ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromabnehmereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplattenanordnung nach Anspruch 14 oder 15 ausgebildet ist.