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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung, bei welcher Funktionseinheiten einer Brennstoffzelle zur Ausbildung einer die Funktionseinheiten aufweisenden Rolle aufgewickelt sind. Anschlüsse dienen dem Beaufschlagen einer jeweiligen Funktionseinheit mit einem dieser Funktionseinheit zugeordneten Betriebsmittel. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenanordnung.
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Die
DE 197 39 019 C2 beschreibt eine Brennstoffzellenanordnung mit zwei auf eine innere, zylinderförmige Hülse aufgewickelten Brennstoffzellen, welche über eine Bipolarplatte miteinander gekoppelt sind. Die auf die innere Hülse aufgewickelten Brennstoffzellen befinden sich unter Druck in einer äußeren Hülse, so dass die sich zwischen den beiden Hülsen befindenden Komponenten der Brennstoffzellenanordnung gleichmäßig gegeneinander gedrückt werden. In der inneren Hülse befinden sich Öffnungen, über welche Betriebsmittel den Kathodenräumen und den Anodenräumen der Brennstoffzellen zugeführt werden. Nicht verbrauchte Betriebsmittel und Produkte der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff in der Brennstoffzelle werden über entsprechende Öffnungen in der äußeren Hülse wieder aus der Brennstoffzellenanordnung abgeführt. Jede Brennstoffzelle kontaktiert hierbei sowohl die innere als auch die äußere Hülse, und die Stirnflächen der zu einer Rolle aufgewickelten Brennstoffzellenanordnung sind gasdicht verschlossen.
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Die
DE 697 20 489 T2 beschreibt eine Brennstoffzellenanordnung, bei der zwei oder mehr Funktionseinheiten (MEAs) nebeneinander spiralförmig auf ein rohrförmiges Substrat aufgerollt sind. An einer Stirnseite dieser Brennstoffzellen-Rolle ist ein Anschluss zum Beaufschlagen mit Wasserstoff vorgesehen und an der gegenüberliegenden Stirnseite der Brennstoffzellen-Rolle ein Ausgangsanschluss zum Abführen des abgereicherten Wasserstoff. Die aufgerollten MEAs werden vom Inneren des rohrförmigen Substrats her mit Wasserstoff beaufschlagt und von außen mit Umgebungsluft.
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Als nachteilig bei einer derartigen Brennstoffzellenanordnung ist der Umstand anzusehen, dass es hierbei zu einer unbefriedigenden Versorgung der Funktionseinheiten mit dem jeweiligen Betriebsmittel kommen kann.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Brennstoffzellenanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche eine verbesserte Versorgung der Funktionseinheiten mit den jeweils zugeordneten Betriebsmitteln ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung umfasst Funktionseinheiten einer Brennstoffzelle, welche zur Ausbildung einer die Funktionseinheiten ausweisenden Rolle aufgewickelt sind. Hierbei sind Anschlüsse zum Beaufschlagen einer jeweiligen Funktionseinheit mit einem dieser Funktionseinheit zugeordneten Betriebsmittel vorgesehen. Zumindest einer der Anschlüsse ist an einer Stirnseite der Rolle angeordnet. Über einen solchen Anschluss kann – weitgehend unabhängig von der Länge der Funktionseinheit in Wicklungsrichtung der Rolle – eine besonders gute Versorgung der Funktionseinheit mit dem Betriebsmittel erreicht werden. An einer Stirnseite der Rolle angeordnete Anschlüsse können auch zum Abführen von Produkten der Brennstoffzelle vorgesehen sein, wobei unter einem solchen Produkt auch die von dieser erzeugte elektrische Energie zu verstehen ist.
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Dadurch, dass die Anschlüsse an der Rolle stirnseitig angeordnet sind, kann eine Mehrzahl von Brennstoffzellen mit den jeweils zugehörigen Funktionseinheiten zu der Rolle aufgewickelt werden, und über den stirnseitigen Anschluss der Funktionseinheiten ist ein Beaufschlagen der jeweiligen Funktionseinheiten mit den Betriebsmitteln einfach und sicher zu realisieren. Es ist nicht notwendig, dass die einzelnen Brennstoffzellen sowohl zum Inneren der Rolle als auch zur Außenseite der Rolle Kontakt haben, da die Beaufschlagung der einzelnen Brennstoffzellen mit Betriebsmitteln über die Stirnseite der Rolle erfolgt.
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Erfindungsgemäß ist zumindest eine jeweilige Funktionseinheit in separate Segmente untergliedert, wobei jedes Segment einen Anschluss aufweist. Dadurch kann der Druck, mit dem das Betriebsmittel über den Anschluss in das jeweilige Segment eingebracht wird, vergleichsweise gering gehalten werden. Es kann nämlich jedes Segment vergleichsweise klein ausbildet sein, so dass über den Anschluss eine effiziente Versorgung mit dem Betriebsmittel gewährleistet ist.
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Eine besonders kostengünstige Fertigung der Brennstoffzellenanordnung ist erreichbar, wenn die Anschlüsse der separaten Segmente in einer Wicklungsrichtung eines die jeweilige Funktionseinheit aufweisenden Bands gesehen im Wesentlichen gleiche Abstände aufweisen. Solche Bänder sind nämlich kostengünstiger bereitstellbar als Bänder, bei welchen unterschiedliche Abstände zwischen den Anschlüssen der separaten Segmente vorgesehen werden sollen. Wenn Bänder mit äquidistant angeordneten Anschlüssen zu der Rolle aufgewickelt werden, nimmt der Umfang der Rolle mit jeder Wicklung des Bands zu, und die Anschlüsse zweier aufeinander folgender Segmente weisen in Umfangsrichtung der Rolle gesehen zunehmend größere Abstände voneinander auf. Sollen nun Anschlüsse mit einer gemeinsamen Leitung gekoppelt werden, etwa um über die Leitung den Segmenten Betriebsmittel zuzuführen oder um Produkte abzuführen, so kann dies über Leitungen geschehen, deren gekrümmter Verlauf diesen Abständen der Anschlüsse zueinander Rechnung trägt.
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In einer alternativen Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung entspricht in einer Wicklungsrichtung eines die jeweilige Funktionseinheit aufweisenden Bands gesehen ein Abstand zwischen zwei Anschlüssen aufeinander folgender Segmente im Wesentlichen dem Umfang einer Wicklung des Bands. Hierbei sind also an dem Band Anschlüsse mit zunehmend größerem Abstand voneinander vorgesehen, welcher dem beim Aufwickeln der Bänder zu der Rolle zunehmend größerem Umfang der Rolle berücksichtigt. Auf diese Weise kann dann eine gerade gemeinsame Leitung zum Einsatz kommen, um Anschlüsse der Segmente einer jeweiligen Funktionseinheit miteinander zu koppeln. Dies vereinfacht die Fertigung der Brennstoffzellenanordnung und ermöglicht so eine besonders kostengünstige Montage.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die jeweiligen Segmente in radialer Richtung übereinander gestapelt angeordnet, wobei sich Enden übereinander gestapelter Segmente im Wesentlichen auf gleichen radialen Linien der Rolle befinden. Die übereinander gestapelten Segmente, welche bei kreisförmiger Ausbildung der Rolle in demselben Kreisausschnitt zu liegen kommen, stellen hierbei einen dem jeweiligen Kreisausschnitt zugeordneten Brennstoffzellenstapel bereit. In einem solchen, räumlich begrenzten Stapel können die einzelnen Funktionseinheiten besonders gut über die Anschlüsse mit Betriebsmittel versorgt werden, da jedes Segment nur einen Abschnitt auf dem Umfang der Rolle einnimmt.
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Eine besonders einfache Versorgung von wenigstens zwei Anschlüssen einer jeweiligen Funktionseinheit lässt sich sicherstellen, wenn die wenigstens zwei Anschlüsse einer jeweiligen Funktionseinheit mit einer gemeinsamen Leitung gekoppelt sind. Handelt es sich bei den Anschlüssen um Anschlüsse zum Beaufschlagen der jeweiligen Funktionseinheit mit dem Betriebsmittel, so ist die Leitung als Verteilerleitung ausgebildet, sollen hingegen Produkte über die Anschlüsse abgeführt werden, als Sammelleitung. Die Leitung kann auch als Schiene ausgebildet sein, welche einer Kopplung von Anschlüssen wenigstens zweier Anoden bzw. wenigstens zweier Kathoden miteinander dient.
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Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn mittels der Leitung eine Abweichung eines Ist-Abstands wenigstens zweier in Umfangsrichtung der Rolle aufeinander folgender Anschlüsse von einem Soll-Abstand dieser Anschlüsse ausgleichbar ist. Es ist dann zum Koppeln der Anschlüsse mit der Leitung ausreichend, wenn die Anschlüsse in einem durch die Leitung definierbaren Toleranzbereich zu liegen kommen.
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Bei mit zunehmenden Umfang der Rolle größer werdenden Abständen der aufeinander folgenden Anschlüsse voneinander kann die Leitung einen geraden Verlauf aufweisen und so das Koppeln der Anschlüsse miteinander ermöglichen. Bei in dem Band der jeweiligen Funktionseinheit äquidistant angeordneten Anschlüssen sind die Anschlüsse mit einer Leitung koppelbar, welche einen bogenförmigen Verlauf aufweist.
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Die Brennstoffzellenanordnung kann wenigstens zwei elektrisch in Reihe oder parallel geschaltete Brennstoffzellenstapel umfassen. Hierbei können die einzelnen Brennstoffzellenstapel bei im Wesentlichen kreisförmiger Rolle Kreisausschnitten der Rolle entsprechen. Auch kann durch eine Rolle ein Brennstoffzellenstapel gebildet sein und es können zwei Rollen über ihre Stirnseiten miteinander gekoppelt sein, um eine elektrische Reihenschaltung oder Parallelschaltung von Brennstoffzellenstapeln zu realisieren.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Funktionseinheiten der Brennstoffzelle eine im Wesentlichen wellenförmige Kühleinheit umfassen. Durch die Wellenform der Kühleinheit weist diese eine gewisse Flexibilität auf, so dass eine Dickenänderung der Rolle, beispielsweise infolge thermischer Ausdehnung und Schwellung von Komponenten der Brennstoffzelle, kompensiert werden kann. Anstelle von einer eine Krümmung aufweisenden Wellenform können auch unstetige, also Winkel – insbesondere rechte Winkel – aufweisende Verläufe der unebenen Kühleinheit vorgesehen sein. Die Kühleinheit kann aus einem Metall und/oder aus einem Elastomer gebildet sein, welches in der unebenen oder wellenförmigen Ausbildung die flexiblen Eigenschaften aufweist.
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Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn an zumindest einer der Stirnseiten der Rolle eine Kühleinheit angeordnet ist. Wenn eine solche, stirnseitige Kühleinheit vorgesehen ist, kann eine aufgewickelte Kühleinheit mit einer geringeren Kühlwirkung Verwendung finden oder die aufgewickelte Kühleinheit kann komplett entfallen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenanordnung werden Bänder mit Funktionseinheiten einer Brennstoffzelle zur Ausbildung einer die Funktionseinheiten aufweisenden Rolle aufgewickelt. Die Funktionseinheiten werden hierbei so angeordnet, dass wenigstens ein Anschluss zum Beaufschlagen einer jeweiligen Funktionseinheit mit einem dieser Funktionseinheit zugeordneten Betriebsmittel sich an einer Stirnseite der Rolle befindet. Dies ermöglicht eine verbesserte Versorgung der Funktionseinheit mit dem Betriebsmittel.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden separate Segmente einer jeweiligen Funktionseinheit so ausgerichtet, dass jeweilige Anschlüsse eines jeden Segments in der Rolle an einer vorbestimmten Position zu liegen kommen und zwar insbesondere derart, dass eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung der Rolle aufeinanderfolgenden Anschlüssen mit einer gemeinsamen Leitung koppelbar sind.
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Die für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 schematisch in einer Perspektivansicht eine Brennstoffzellenanordnung, bei welcher Funktionseinheiten von Brennstoffzellen aufgewickelt sind und eine Rolle bilden, an deren oberer Stirnseite Leitungen zum Beaufschlagen der Funktionseinheiten mit Betriebsmitteln und zum Abgreifen der Anoden- bzw. Kathodenpotentiale angeordnet sind;
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2 ein Band mit separaten Segmenten einer Funktionseinheit im nicht aufgerollten Zustand, wobei jedem Segment ein Anschluss zugeordnet ist;
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3 zwei unterschiedliche Anordnungen von Anschlüssen der Segmente an der oberen Stirnseite einer Rolle;
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4 eine Draufsicht auf einen Ausschnitt aus einer Rolle, welche als Kühleinheit ein gewelltes Band aufweist;
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5 das gewellte Band im nicht aufgewickelten Zustand;
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6 schematisch einen Prozess des Zusammenfügens von vier Funktionseinheiten einer Brennstoffzelle, wobei die einzelnen Bänder mit den Funktionseinheiten in Form von Bandrollen vorliegen;
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7 schematisch eine Rolle, welche aus den gestapelten Bändern der Funktionseinheiten durch Aufrollen erhalten wurde sowie die zugehörigen Leitungen zum Versorgen mit Betriebsstoffen und zum Abführen von Produkten;
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8 schematisch den Prozess des Zusammenfügens von Funktionseinheiten einer Brennstoffzellenanordnung, bei welcher keine Kühleinheit in der aufgewickelten Rolle vorgesehen ist;
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9 eine Rolle sowie zwei deckelförmige Kühleinheiten, welche an den Stirnseiten der Rolle angebracht werden können; und
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10 schematisch eine Rolle, bei welcher mehrere Brennstoffzellenstapel einen Ring bilden.
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Bei einer in 1 gezeigten Brennstoffzellenanordnung 1 sind einzelne Funktionseinheiten 2 so aufgewickelt, dass sie eine Rolle 3 bilden. Die Funktionseinheiten 2 sind in 1 nicht im Detail gezeigt, sondern lediglich als kompletter Stapel, welcher die einzelnen funktionalen Komponenten einer Brennstoffzelle umfasst.
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Die Funktionseinheiten umfassen eine Kathode und eine Anode, welche jeweils als Gasdiffusionselektroden mit einer Gasdiffusionsschicht und einer Katalysatorschicht ausgebildet sein können. Die Katalysatorschicht ist dann einer Polymerelektrolytmembran (PEM) zugewandt, und an der Katalysatorschicht findet die elektrochemische Reaktion, also etwa die Umsetzung von Wasserstoff mit Sauerstoff zu Wasser statt. Auf die PEM kann eine Katalysatorschicht aufgebracht sein, so dass die Membran dann als katalysatorbeschichtete Membran (CCM, Catalyst Coated Membrane) ausgebildet ist. Weitere Funktionseinheiten umfassen bipolare Separatorelemente, welche zwischen jeweils zwei die Membran und die Elektroden umfassenden Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) angeordnet sind. Die Separatorelemente dienen dem elektrischen Kontaktieren benachbarter Einzelzellen der Brennstoffzellenanordnung 1 und der Verteilung von Kühlmittel, also der Kühlung der Brennstoffzellen.
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2 zeigt ein Band 4 mit Anoden 5 als Beispiel für eine der Funktionseinheiten 2 der Brennstoffzellenanordnung 1. Hierbei sind die Anoden 5 als separate Segmente ausgebildet, welche eine jeweilige Länge 6, 7, 8 aufweisen. Jedes der Segmente der Anoden 5 weist einen Anschluss 9 auf, welcher über einen oberen Rand 10 des Bands 4 übersteht. Über den Anschluss 9 ist die jeweilige Anode 5 mit Wasserstoff beaufschlagbar.
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Auf dem Band 4 ist die Länge 6 des (in 2 rechten) Segments mit der dieser zugeordneten Anode 5 geringer als die Länge 7 des nächsten Segments mit der Anode 5. Die Länge 8 des linken Segments ist wiederum größer als die Länge 7. Wenn das Band 4 gemeinsam mit den die übrigen Funktionseinheiten 2 der Brennstoffzelle aufweisenden Bändern zu der Rolle 3 aufgewickelt wird (vgl. 1), so ragen die Anschlüsse 9 an der Stirnseite der Rolle 3 über den oberen Rand der Rolle 3 hinaus. Dadurch, dass die Längen 6, 7, 8 vom Anfang in Richtung Ende des Bandes 4 bei der in 2 gezeigten Ausführungsform länger werden ist es erreichbar, dass die Anschlüsse 9 in der Rolle 3 mit einer gewissen Toleranz im Bereich einer geraden Wasserstoffleitung 11 zu liegen kommen (vgl. 1), an welche diese Anschlüsse 9 angeschlossen werden.
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Bei der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform entspricht die Länge 6, 7, 8 eines Segments der Anode 5 jeweils dem Umfang einer Wicklung des Bands 4, und die Anschlüsse 9 sind an jedem Segment in einem festen Abstand zu einem Ende des Segments angeordnet. Dadurch nehmen auch die Abstände der Anschlüsse 9 voneinander mit zunehmender Länge der Segmente zu. Im aufgewickelten Band kommen dann die Anschlüsse 9 mit Toleranzen im Bereich einer Linie zu liegen. Über die im Bereich dieser Linie verlaufende Wasserstoffleitung 11 können also die einzelnen Anoden 5 des Bands 4 mit Wasserstoff versorgt werden.
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In analoger Weise sind an den Segmenten der Bänder mit den übrigen Funktionseinheiten 2 Anschlüsse 9 vorgesehen, welche im aufgewickelten Zustand der Rolle 3 stirnseitig über die Rolle 3 überstehen und mit entsprechenden Leitungen gekoppelt sind (vgl. 1).
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Über eine Sauerstoffleitung 12, welche mit jeweiligen Anschlüssen 9 von Kathodensegmenten eines Bands gekoppelt ist, können die Kathodensegmente in der Rolle 3 mit Luft und/oder Sauerstoff versorgt werden. Ein weiteres Band übernimmt die Funktion einer Kühleinheit. Die jeweiligen Anschlüsse 9 der Kühleinheit-Segmente sind mit einer Kühlmittelleitung 13 gekoppelt, welche ebenfalls an der oberen Stirnseite der Rolle 3 angeordnet ist. Über eine Kathodenschiene 14 erfolgt ein Abgriff der Kathodenpotentiale an entsprechenden Anschlüssen 9 von Kathodensegmenten und über eine Annodenschiene 15 derjenige der Anodenpotentiale. Über an den Schienen angeordnete Kontaktplatten 16 kann die von den Brennstoffzellen gelieferte elektrische Energie abgenommen und einem Verbraucher zur Verfügung gestellt werden. Die Leitungen und Schienen können auf der Stirnseite der Rolle 3 – wie vorliegend beispielhaft gezeigt – sternförmig angeordnet sein.
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In einem zentralen Innenraum 17 der Rolle 3, welcher einen Radius Ri aufweist, können Nebenaggregate der Brennstoffzellenanordnung 1 untergebracht sein, etwa ein Tank für Wasserstoffgas, ein Gebläse zum Beaufschlagen der Sauerstoffleitung 12 mit Luft und dergleichen.
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Mit zunehmendem Durchmesser der Rolle 3, also mit zunehmend größerem Radius Ra, lassen sich zunehmend mehr Segmente und somit Brennstoffzellen in der Rolle 3 unterbringen, so dass von der Brennstoffzellenanordnung 1 bei relativ geringen Betriebstemperaturen elektrischer Strom mit hoher Leistung erzeugt werden kann.
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3 zeigt eine Rolle 3, bei welcher die Anschlüsse 9 – beispielsweise der Segmente der Anoden 5 – innerhalb eines Toleranzbereichs 18 zu liegen kommen, welcher die Verwendung einer geraden Wasserstoffleitung 11 ermöglicht, um über die einzelnen Anschlüsse 9 die jeweiligen Segmente der Anoden 5 mit Wasserstoff zu beaufschlagen. Die Anschlüsse 9 brauchen also nicht exakt auf einer Linie zu liegen, sondern die einen geraden Verlauf aufweisende Wasserstoffleitung 11 ermöglicht einen Anschließen der Anschlüsse 9 an diese Wasserstoffleitung 11 auch wenn eine Abweichung eines Ist-Abstands von in Umfangsrichtung der Rolle 3 aufeinander folgenden Anschlüssen 9 von einem Soll-Abstand der Anschlüsse 9 vorliegt.
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In analoger Weise ist in 3 ein Toleranzbereich 19 dargestellt, in welchem die Anschlüsse 9 zu liegen kommen, wenn die Anschlüsse 9 in dem Band 4 äquidistant angeordnet sind. Wenn die Anschlüsse 9 hierbei bezogen auf das jeweilige Segment an der gleichen Stelle des Segments angeordnet sind, bedeuten äquidistante Anschlüsse 9 auch Segmente gleicher Länge. Wenn ein solches Band mit äquidistanten Anschlüssen 9 aufgewickelt wird, können diese Anschlüsse 9, welche dann in dem bogenförmigen Toleranzbereich 19 zu liegen kommen, mit einer Wasserstoffleitung 11 gekoppelt werden, welche einen bogenförmigen und keinen geraden Verlauf aufweist.
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Dadurch, dass die jeweiligen Anschlüsse 9 der Segmente in der Rolle 3 an einer vorbestimmten Position des jeweiligen Toleranzbereichs 18, 19 zu liegen kommen, können auf kostengünstige und einfache Weise die Leitungen – etwa die Wasserstoffleitung 11, die Sauerstoffleitung 12, die Kühlmittelleitung 13, die Kathodenschiene 14 und die Annodenschiene 15 – an die jeweiligen Anschlüsse 9 angeschlossen werden. Die beispielsweise sternförmig angeordneten Verteilerleitungen 28 (vgl. 7) können an der oberen Stirnseite der Rolle 3 angebracht werden.
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Unverbrauchte Betriebsmittel und Reaktionsprodukte der elektrochemischen Reaktion können über Sammelleitungen 30 abgeführt werden, welche an der unteren Stirnseite der Rolle 3 angeordnet sind (vgl. 7). Auch kann in alternativen Ausführungsformen ein Betriebsmittel von der oberen Stirnseite und ein Betriebsmittel von der unteren Stirnseite zugeführt werden, so dass sowohl eine gleichgerichtete Strömung der verschiedenen Medien als auch Gegenströmungen der verschiedenen Medien realisierbar sind. Ebenso können die Betriebsmittel für die Elektroden von der oberen Stirnseite und das Kühlmittel von der unteren Stirnseite der Rolle 3 her zugeführt werden oder umgekehrt.
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4 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung 1, bei welcher als Kühleinheit ein gewelltes Band 20 vorgesehen ist (vgl. 5). Das gewellte Band 20 kann aus einem Metall oder aus einem Elastomer gebildet sein. Die Wellenform, anstelle derer auch gezackte oder gewinkelte Formen vorgesehen sein können, verleiht der Kühleinheit 20 eine Flexibilität, welche es ermöglicht, Änderungen der Abmessung der Rolle 3 in radialer Richtung, etwa in Folge einer thermischen Ausdehnung der PEM, zu folgen und diese zu kompensieren.
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Die Kühleinheit in Form des Bands 20 ist jeweils zwischen Membran-Elektroden-Anordnungen umfassend die Anode 5, die Membran 21 und die Kathode 22 zwischengeschaltet (vgl. 4). Infolge der elektrischen Leitfähigkeit des Bands 20 dient dieses gleichzeitig der elektrischen Kontaktierung hintereinander geschalteter Einzelzellen und somit der Durchleitung des von den Einzelzellen erzeugten elektrischen Stroms.
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Zudem sind durch die Wellenform des Bands 20 Kanäle bereitgestellt, durch welche Kühlflüssigkeit in axialer Richtung die Rolle 3 durchströmen kann. In der in 4 gezeigten Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung 1 sind die Sauerstoffleitungen 12, die Kathodenschiene 14, die Wasserstoffleitung 11 und die Anodenschiene 15 gerade ausgebildet, da die jeweiligen Anschlüsse 9, welche stirnseitig aus der Rolle 3 herausragen, in einem entsprechenden geraden Toleranzbereich 18 (vgl. 3) zu liegen kommen.
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6 veranschaulicht die Herstellung der in 4 gezeigten Rolle 3, bei welcher das die Kühleinheit bereitstellende Band 20 mit aufgewickelt ist. Das Band 20 ist auf einer Bandrolle 23 als Endlosband bereitgestellt. In analoger Weise stellt eine Bandrolle 24 die als Gasdiffusionselektroden ausgebildeten Anoden 5 bereit, eine Bandrolle 25 die Membran 21 und eine Bandrolle 26 die ebenfalls als Gasdiffusionselektrode ausgebildete Kathode 22. Weitere (vorliegend nicht gezeigte) Bandrollen können vorgesehen sein, um Dichtungen für die Brennstoffzellen vorzusehen. Zusätzlich oder alternativ können die Dichtungen bereits in die einzelnen Bänder integriert sein, etwa durch Vorsehen von randlichen Sicken und Sicken zum Abgrenzen der Segmente untereinander.
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Die Segmente der einzelnen in Form der Bandrollen 23, 24, 25, 26 bereitgestellten Funktionseinheiten können gleiche Längen aufweisen oder vom Anfang zum Ende des Bandes hin zunehmen, je nachdem ob zwischen zwei Anschlüssen 9, welche an aufeinander folgenden Segmenten vorgesehen sind, gleiche oder größer werdenden Abstände vorgesehen werden sollen.
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Die Bänder mit der Anode 5, der Membran 21, der Kathode 22 sowie das die Kühleinheit bereitstellende Band 20 werden zunächst von der jeweiligen Bandrolle 24, 25, 26, 23 abgerollt und zu einem Bandstapel 27 zusammengefügt.
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Hierbei sind die Längen der jeweiligen Segmente so aufeinander abgestimmt, dass in dem Bandstapel 27 die einzelnen Funktionseinheiten segmentweise übereinander gestapelt zu liegen kommen. Um eine entsprechende Ausrichtung der Segmente relativ zueinander zu erreichen, können die Bänder optisch und/oder mechanisch erfassbare Markierungen aufweisen, welche mit einem entsprechenden Sensor erfasst werden können. Diese Informationen werden in einem Regelkreis verarbeitet, und eine Steuerungseinrichtung 28 gibt Signale aus, welche das Abrollen der Bänder von den jeweiligen Bandrollen 24, 25, 26, 23 steuert.
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Um Störungen beim Abrollen der Bandrollen 24, 25, 26, 23 zu kompensieren sind die Bandrollen 24, 25, 26, 23 flexibel, beispielsweise federnd, gelagert. Eine (nicht gezeigte) Nachführeinrichtung ermöglicht es unterschiedliche Zugkräfte F auf die einzelnen Bänder beim Abrollen von der jeweiligen Bandrolle 24, 25, 26, 23 auszuüben und so die Position der Segmente relativ zueinander bei Bedarf zu korrigieren.
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Besonders rationell und kostengünstig ist es, wenn die Bandrollen 24, 25, 26, 23 simultan abgerollt und zu dem Bandstapel 27 zusammengefügt werden. Es können jedoch auch die einzelnen Bänder schrittweise zusammengefügt werden, also zunächst das Band von der Bandrolle 24 mit dem Band von der Bandrolle 25, dann das Band von der Bandrolle 26 und schließlich das Band von der Bandrolle 23. Hier braucht dann die Nachführeinrichtung nur das jeweils gerade abzurollende Band nachzuführen, um die korrekte Relativlage der Segmente zueinander sicherzustellen.
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Der Bandstapel 27 wird anschließend gegen eine Zugkraft aufgerollt, um die Rolle 3 zu bilden. Die hierbei auf die Rolle 3 einwirkende, nach innen gerichtete radiale Kraft sorgt dafür, dass das Verspannen der einzelnen Segmente gegenüber einander und somit das Abdichten in einem einzigen Schritt, nämlich im Schritt des Aufrollens zu der Rolle 3 erfolgt. Mit dem Aufrollen kann durch Integrieren von Dichtungen in Bandform oder durch auf den Bändern der Funktionseinheiten vorgesehene Dichtungen direkt die Abdichtung der einzelnen Segmente gegenüber benachbarten Segmenten realisiert werden. Anstelle von in die Bänder eingebrachten Sicken oder dergleichen Dichtelementen können also auch Bänder mit Dichtfunktionssegmenten vorgesehen werden.
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Es lässt sich so eine voll automatisierte und kostengünstige Herstellung von Brennstoffzellen in Rollenform erreichen, welche als Energielieferant für mobile Anwendungen, insbesondere für Fahrzeuge, oder für stationäre Anwendungen zur Verfügung stehen. Anstelle von Bandrollen 24 25, 26, 23 können hierbei auch flache Stränge zum Einsatz kommen.
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An der Rolle 3 können dann die – beispielsweise sternförmig angeordneten Verteilerleitungen 29 bzw. Sammelleitungen 30 so angeordnet werden, dass die einzelnen Anschlüsse mit der jeweiligen Leitung oder Schiene gekoppelt werden (vgl. 7).
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8 veranschaulicht ein Herstellungsverfahren, bei welchem lediglich die in den Bandrollen 24, 25, 26 zur Verfügung gestellten Funktionseinheiten, nämlich die Anode 5, die Membran 21 und die Kathode 22 zu einem Bandstapel 27 zusammengefügt werden, welcher anschließend zu einer Rolle 3 aufgerollt wird. Die Rolle 3 weist also keine in diese integrierte, aufgewickelte Kühleinheit auf.
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Stattdessen wird an den Stirnseiten der Rolle 3 eine obere, als Deckel 31 ausgebildete Kühleinheit angeordnet und an der unteren Stirnseite der Rolle 3 ein ebensolcher Deckel 32. Die Deckel 31, 32 werden von einem Kühlmedium durchströmt und sorgen so für die Kühlung der zwischen den Deckeln 31, 32 angeordneten und zu der Rolle 3 aufgerollten Funktionseinheiten der Brennstoffzellenanordnung.
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In alternativen Ausführungsformen kann auch zusätzlich zu der in der Rolle 3 aufgewickelten Kühleinheit 20 (vgl. 4) ein an der oberen Stirnseite der Rolle 3 angeordneter Deckel 31 und/oder ein an der unteren Stirnseite angeordneter Deckel 32 vorgesehen sein.
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Auch können die Leitungen bzw. Schienen zum Versorgen der Segmente mit den jeweiligen Betriebsmitteln bzw. zum Abgreifen der elektrischen Potentiale in einen Deckel integriert ausgebildet sein, welcher zusätzlich die Funktion einer Kühleinheit aufweisen kann. Ein die Verteilerleitungen 29 bzw. die Sammelleitungen 30 aufweisender Deckel kann auch der thermischen und/oder elektrischen Isolierung und/oder der Isolierung der Betriebsmittel voneinander dienen, und zwar derart, dass keine Leckage zwischen Segmenten stattfindet.
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10 zeigt eine Ausführungsform einer Brennstoffzellenanordnung 1, bei welcher jeweilige Segmente der Funktionseinheiten 2 in radialer Richtung übereinander gestapelt sind. Durch einen solchen Segmentstapel 33 ist so ein einzelner Brennstoffzellenstapel bereitgestellt, welcher benachbart zu einem weiteren Brennstoffzellenstapel 33 angeordnet ist. Die Segmente sind hierfür in der Rolle 3 so gegenüber einander ausgerichtet, dass sich Enden übereinander gestapelter Segmente in der Rolle 3 auf gleichen radialen Linien 34 befinden. An den radialen Linien 34 grenzen die benachbarten Segmentstapel 33 oder Brennstoffzellenstapel aneinander.
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Jeder der Segmentstapel 33 weist die (vorliegend nicht gezeigten) Leitungen zum Beaufschlagen der Funktionseinheiten 2 mit den jeweiligen Betriebsmitteln bzw. die Schienen zum Abgreifen der Potentiale auf. Des Weiteren ist jeder Segmentstapel 33 nach innen durch eine Endplatte 35 und nach außen durch eine Endplatte 36 abgeschlossen, über welche der Strom abgenommen werden kann.
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Die einzelnen Segmentstapel 33 können elektrisch in Reihe geschaltet oder auch parallel geschaltet sein. Um zwei benachbarte Brennstoffzellenstapel in elektrisch in Reihe zu schalten kann die äußere Endplatte 36 eines der Segmentstapel 33 mit der inneren Endplatte 35 des benachbarten Segmentstapels 33 über eine Schiene 37 gekoppelt werden.
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Bei der in 10 gezeigten Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung 1 entspricht die Länge eines jeweiligen Segments der Funktionseinheit 2 nicht einem vollen Umfang einer Wicklung des die Funktionseinheit 2 aufweisenden Bands, sondern lediglich der Größe eines Kreisausschnitts. Hierbei weisen die außen liegenden Segmente zunehmend größere Längen auf, um den zunehmenden Umfang der Rolle 3 beim Aufwickeln der Funktionseinheiten 2 zu kompensieren.
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Anstatt mehrere Brennstoffzellenstapel 33 innerhalb einer Rolle 3 in Wicklungsrichtung gesehen nebeneinander anzuordnen, kann auch durch eine Rolle 3 ein erster Brennstoffzellenstapel bereitgestellt sein, welcher mit einer stirnseitig auf der Rolle 3 angeordneten weiteren Rolle 3 elektrisch gekoppelt sein kann, durch welche ein weiterer Brennstoffzellenstapel bereitgestellt ist.
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Dadurch kann ein modularer Aufbau der Brennstoffzellenanordnung 1 realisiert werden, welcher in der Lage ist, unterschiedlichen Leistungsanforderungen der Brennstoffzellenanordnung 1 gerecht zu werden.
