DE102012010994A1

DE102012010994A1 - Endplatte für eine Brennstoffzelle sowie Brennstoffzelle mit einer solchen

Info

Publication number: DE102012010994A1
Application number: DE102012010994A
Authority: DE
Inventors: Benno Andreas-Schott; Andre Uhle; Markus Ritter
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2012-06-02
Filing date: 2012-06-02
Publication date: 2013-12-05
Also published as: WO2013178536A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Endplatte (16) mit zwei Hauptflächen (28, 30) für einen, mittels Zugelementen (18) zusammengepressten Brennstoffzellenstapel (12) einer Brennstoffzelle (10). Die Endplatte (16) umfasst:
– einen Grundkörper (34) aus einem, einen Kunststoff umfassenden oder aus diesem bestehenden Material,
– eine mit dem Grundkörper (34) verbundene oder in diesen eingebettete Tragestruktur (32) umfassend
– eine Mehrzahl an Rippen (40), welche sich zwischen und rechtwinklig zu den zwei Hauptflächen (28, 30) der Endplatte (16) erstrecken und
– Formelemente (42) zum Einleiten von durch die Zugelemente (18) aufbringbaren Kräften in die Tragestruktur (32), wobei die Formelemente (42) an Nebenflächen (50) der Endplatte (16) und an Endabschnitten der Rippen (40) angeordnet und mit den Rippen (40) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Endplatte für einen, mittels Zugelementen zusammengepressten Brennstoffzellenstapel einer Brennstoffzelle. Zudem betrifft die Erfindung eine Brennstoffzelle umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Endplatte.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Gasdiffusionselektrode (Anode und Kathode) ist. Daneben sind auch Brennstoffzellentypen bekannt, die statt einer Membran einen Flüssigelektrolyten aufweisen. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten bzw. die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100°C beschränkt. In Abgrenzung von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen), deren elektrolytische Leitfähigkeit auf einem durch elektrostatische Komplexbindung an ein Polymergerüst der Polymerelektrolytmembran gebundenen Elektrolyten beruht (beispielsweise eine Phosphorsäure-dotierte Polybenzimidazol(PBI)-Membrane) und die bei Temperaturen von 160°C betrieben werden, wird dieser Brennstoffzellentyp auch als Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet.
Wie einleitend erwähnt, wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen wird. Zwischen den Brennstoffzellen sind in der Regel sogenannte Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien sicherstellen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Brennstoffzellen.
Die WO 02/13286 A2 beschreibt eine elektrisch leitfähige Platte einer Brennstoffzelle, welche als Bipolarplatte oder Monopolarplatte ausgeformt sein kann. Die Platte ist mittels eines Spritzgussverfahrens hergestellt und besteht im Wesentlichen aus einem thermoplastischen Grundwerkstoff, welcher mit einem nichtmetallischen Stoff, beispielsweise Kohlenstoff, sowie Metallfasern versetzt ist. Die Metallfasern sorgen für eine erhöhte Leitfähigkeit im Inneren der Endplatte, während der nichtmetallische Stoff für eine Leitfähigkeit an den Oberflächen der Endplatten und zwischen den Metallfasern sorgt.
In 1 ist schematisch eine Brennstoffzelle 10 gemäß dem Stand der Technik dargestellt, welche einen Brennstoffzellenstapel 12 mit mehreren Einzelzellen 14, zwei Endplatten 16 und Zugelementen 18 umfasst. Die Einzelzellen 14 umfassen wiederum eine Membran-Elektroden-Einheit 20, mit z. B. einer protonenleitenden Membran 22 und beidseitig an der Membran angeordneten Gasdiffusionselektroden 24 (Anode und Kathode). Anstelle der protonenleitenden Membran 22 kann auch ein Flüssigelektrolyt eingesetzt werden. Die Membran-Elektroden-Einheiten 20 sind wiederum zwischen Bipolarplatten 26 angeordnet. Die Bipolarplatten 26 versorgen die Gasdiffusionselektroden 24 mit Betriebsmedien, wozu in der Regel geeignete Kanäle in den Bipolarplatten 26 vorgesehen sind. Zudem verbinden die Bipolarplatten 26 zwei angrenzende Membran-Elektroden-Einheiten 20 elektrisch leitfähig, wodurch diese in Reihe geschaltet sind. Die beiden endständigen Bipolarplatten 26 werden auch als Monopolarplatten bezeichnet, da diese nur einseitig die anschließende MEA 20 mit dem jeweiligen Betriebsmedium versorgen und zu diesem Zweck nur auf einer ihrer Seiten über entsprechende Kanäle verfügen.
Um eine Abdichtung, insbesondere zwischen den Bipolarplatten 26 und den Membran-Elektroden-Einheiten 20, sowie einen elektrisch leitfähigen Kontakt der Bipolarplatten 26 zu den Membran-Elektroden-Einheiten 20 auch bei Vibrationen zu gewährleisten, wird der Brennstoffzellenstapel 12 verpresst. Dies erfolgt in der Regel über zwei Endplatten 16, welche an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels 12 angeordnet sind, in Kombination mit mehreren Zugelementen 18. Die Zugelemente 18 leiten Zugkräfte in die Endplatten 16, sodass die Endplatten 16 den Brennstoffzellenstapel 12 zusammenpressen. Eine aufgebrachte Verpresskraft kann beispielsweise 50 kN betragen. Die Endplatten 16 sind dadurch im Wesentlich auf Scherung und Biegung beansprucht. Um eine möglichst gleichmäßige Druckverteilung im Brennstoffzellenstapel 12 sicherzustellen, sind die Endplatten 16 oftmals massiv ausgeführt und somit relativ schwer. Zudem besteht die Möglichkeit über konstruktive Ausgestaltungen eine Durchbiegung der Endplatten 16 zu verringern, um einen möglichst gleichmäßigen Anpressdruck der Endplatte 16 auf den Brennstoffzellenstapel 12 zu erreichen.
So beschreibt DE 10 2008 043 827 A1 eine Endplatte für einen Brennstoffzellenstapel einer Brennstoffzelle und ein Verfahren zur Herstellung der Endplatte. Die Endplatte umfasst ein Kernelement mit einer zumindest einseitig offenen Wabenstruktur, welche mit einem Schaumstoff gefüllt ist. Das Kernelement ist auf der mindestens einen offenen Seite der Wabenkonstruktion mit einem Plattenelement verklebt, welches die Wabenstruktur verschließt.
DE 10 2005 018 058 A1 beschreitet einen anderen Ansatz und beschreibt eine Endplatte für einen Brennstoffzellenstapel mit einem zumindest teilweise in einen Kunststoffkörper eingebetteten, blattförmigen und elastischen Verstärkungselement. Das elastische Verstärkungselement ist so geformt, dass es unter Belastung eine Kontaktoberfläche der Endplatte zu dem Brennstoffzellenstapel in eine vorgegebene Form, passend zur Form des Stapels bringt.
Zudem ist bekannt, Endplatten aus einem Vollmaterial zu fräsen, wodurch die derart gefertigten Endplatten relativ teuer und dennoch oftmals recht schwer sind.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Endplatte bereitzustellen, welche eine zu gewährleistende Steifigkeit bei einer geringen Masse aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Endplatte mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die erfindungsgemäße Endplatte mit zwei Hauptflächen für einen, mittels Zugelementen zusammengepressten Brennstoffzellenstapel einer Brennstoffzelle umfasst:

– einen Grundkörper aus einem, einen Kunststoff umfassenden oder aus diesem bestehenden Material,
– eine mit dem Grundkörper verbundene oder in diesen eingebettete Tragestruktur umfassend
– eine Mehrzahl an Rippen, welche sich zwischen und rechtwinkelig zu den zwei Hauptflächen der Endplatte erstrecken und
– Formelemente zum Einleiten von durch die Zugelemente aufbringbaren Kräften in die Tragestruktur, wobei die Formelemente an Nebenflächen der Endplatte und an Endabschnitten der Rippen (bezüglich ihrer Längserstreckung) angeordnet und mit den Rippen verbunden sind.

Die Hauptflächen bezeichnen jene Flächen der Endplatte, welche im montierten Zustand einer Brennstoffzelle entweder dem Brennstoffzellenstapel zugewandt oder abgewandt sind. Die Nebenflächen sind jene Flächen der Endplatte, welche die beiden Hauptflächen am Rand der Endplatte verbinden.
Die Tragestruktur kann mit dem Grundkörper beispielsweise über Verbindungselemente, z. B. Schrauben oder Nieten, oder ein Einlegen der Tragestruktur in den Grundkörper verbunden sein. Die Tragestruktur kann in den Grundkörper eingebettet sein, indem bevorzugt die Rippen der Tragestruktur von dem Material des Grundkörpers zumindest teilweise umspritzt sind. Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine formschlüssige und somit besonders stabile Verbindung zwischen Grundkörper und Tragestruktur. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, indem die Tragestruktur innerhalb eines Spritzgusswerkzeuges umspritzt wird, wodurch eine vergleichsweise kostengünstige Herstellung der Endplatte bei größeren Stückzahlen gewährleistet ist.
Die Formelemente können mit den Rippen beispielsweise über Verbindungselemente verbunden sein. Bevorzugt sind die Formelemente stoffschlüssig, beispielsweise über eine Schweißverbindung, mit den Rippen verbunden. Ferner kann die Verbindung zwischen den Rippen und den Formelementen auch derart integral ausgebildet sein, dass die Rippen und die Formelemente aus einem einzigen Rohteil, beispielsweise als ein Guss, gefertigt sind.
In der Regel ist das Material des Grundkörpers elektrisch isolierend und die Endplatte derart ausgebildet, dass zumindest an jener Hauptfläche der Endplatte, welche dazu vorgesehen ist, dem Brennstoffzellenstapel zugewandt zu werden, die Tragestruktur durch den Grundkörper vom Brennstoffzellenstapel elektrisch isoliert ist. Dadurch ist eine Isolation der Tragestruktur von spannungsführenden Teilen des Brennstoffzellenstapels gegeben.
Zudem kann über den Grundkörper eine Führung von Betriebsmedien zum Brennstoffzellenstapel erfolgen. Bevorzugt bildet der Grundkörper die beiden Hauptflächen durchdringende Kanäle auf, welche die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Betriebsmedien gewährleistet. Durch diese Ausgestaltung kann der Brennstoffzellenstapel kompakt und platzsparend mit den Betriebsmedien versorgt werden. Die Betriebsmedien umfassen Reaktanten, also Brennstoff (z. B. Wasserstoff) und Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff oder Luft) sowie Kühlmedien, insbesondere Kühlflüssigkeit. Ferner können Reaktionsprodukte (z. B. Wasser) über die Kanäle der Endplatten abgeführt werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, durch die, die Rippen umfassende Tragestruktur in Kombination mit dem Kunststoff-Grundkörper eine steife und zugleich leichte Endplatte zur Verfügung stellen zu können. Die Rippen, welche sich rechtwinklig, also normal zwischen den Hauptplatten der Endplatte erstrecken, zeichnen sich durch ein hohes axiales Widerstandsmoment aus, wenn die Endplatte, wie aus dem Stand der Technik bekannt, belastet wird. Das axiale Widerstandsmoment wird zur Bestimmung einer maximal auftretenden Normalspannung, also Zug- und/oder Druckspannung innerhalb eines Biegebalkens genutzt. Die maximal auftretende Normalspannung berechnet sich zu:

σ_max: maximal auftretende Normalspannung
M_b: Biegemoment
W_ax: axiales Widerstandsmoment

Für eine exemplarische Ausgestaltung der Rippen als ein einfacher, geradliniger Biegebalken mit einem rechteckigen Vollquerschnitt berechnet sich das axiale Widerstandsmoment zu: W_ax = b·h² / 6

b: Breite
h: Höhe

Die Höhe der Rippe entspricht einer Erstreckung der Rippe rechtwinklig zu den Hauptflächen einer exemplarisch ebenen Endplatte. Die Breite der Rippe entspricht einer Erstreckung der Rippe parallel zu den Hauptflächen der exemplarisch ebenen Endplatte und rechtwinklig zu der Längserstreckung der Rippen. Wie aus der oben stehenden Formel zur Berechnung des axialen Biegemoments erkennbar ist, fließt die Höhe der Rippe quadratisch in das Widerstandsmoment ein, wohingegen mit zunehmender Breite das Widerstandsmoment nur linear zunimmt. Somit kann festgestellt werden, dass je größer die Höhe der Rippe im Vergleich zu ihrer Breite bei konstanter Querschnittsfläche A = b·h der Rippe ist, desto höher ist auch ihr axiales Widerstandsmoment. Vorzugsweise beträgt die Höhe der Rippen wenigstens ein 2-faches, bevorzugt wenigstens ein 5-faches, insbesondere bevorzugt wenigstens ein 10-faches der Breite der Rippen.
Somit kann im Wesentlichen eine Aufgabenteilung der Tragestruktur und des Grundkörpers erfolgen. Die Tragestruktur sorgt für die Aufnahme zumindest eines Großteils der von den Zugelementen eingeleiteten Kräfte und eine möglichst geringe Verformung der Endplatte. Der Grundkörper trägt zur Stabilisierung der Tragestruktur bei und verteilt die Kräfte gleichmäßig auf den Brennstoffzellenstapel. Zudem dient der Grundkörper in der Regel zur Zuführung der Betriebsmedien zu dem Brennstoffzellenstapel und isoliert die Tragestruktur von spannungsführenden Teilen des Brennstoffzellenstapels.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Rippen Aussparungen auf, die die Rippen vorzugsweise über deren gesamte Breite durchdringen, d. h. Durchgangsöffnungen. Durch die Aussparungen der Rippen wird eine weitere Gewichtsreduzierung erzielt. Dabei bilden die Rippen Stege aus, welche die Aussparungen umlaufend begrenzen. Insbesondere bilden die Rippen an Bereichen, die den Hauptflächen der Endplatte zugewandt sind, durchgehende Stege aus, die entlang den Hauptflächen der Endplatte verlaufen. Durch diese Ausgestaltung weisen die Rippen in mittleren Bereichen ihrer Höhe Materialaussparungen auf. In den Bereichen der Rippen nahe den Hauptflächen der Endplatte bleibt jedoch jeweils ein durchgehender, im Wesentlichen in Längserstreckung der Rippen verlaufender Steg erhalten. Durch diese Ausgestaltung ist eine besonders gute Ausnutzung des Materials der Rippen gegeben. Die höchsten bei der Biegung auftretenden Normalspannungen innerhalb einer Rippe mit Vollquerschnitt treten in Randbereichen der Rippen nahe den Hauptflächen der Endplatte auf. Die durchgehenden, entlang der Hauptflächen verlaufenden Stege sind somit in diesen besonders belasteten Randbereichen angeordnet, während in mittleren Bereichen der Rippen, welche bei einem Vollquerschnitt weniger belastet sind, Material ausgespart ist. Somit werden trotz der Aussparungen praktisch keine Einbußen hinsichtlich der Stabilität, insbesondere der auftretenden Normalspannungen verursacht. In den mittleren Bereichen der Rippen können zwischen den Aussparungen Verbindungsstege zur Abstützung der Stege zueinander ausgebildet werden, welche die durchgehenden, in Längserstreckung verlaufenden Stege verbinden.
Ferner bevorzugt weist die erste Hauptfläche der beiden Hauptflächen der Endplatte eine, bezüglich der Längserstreckung der Rippen nach außen gewölbte Form auf. Insbesondere weisen zu diesem Zweck die Rippen an ihrer, der ersten Hauptfläche zugewandten Kante einen entsprechenden bogenförmigen Verlauf auf, während ihre der zweiten Hauptfläche zugewandte Kante vorzugsweise geradlinig ausgebildet ist. Durch die nach außen gewölbte Form ist eine Optimierung der Endplatte bezüglich eines Biegemomentenverlaufs innerhalb der Endplatte und insbesondere innerhalb der Rippen gegeben. Durch diese Ausgestaltung wird wiederum eine optimale Materialausnutzung und somit eine Gewichtsreduktion ermöglicht.
Vorzugsweise durchziehen die Rippen den Grundkörper von einer, einer Nebenfläche der Endplatte zugewandten Seite des Grundkörpers zu einer, einer gegenüberliegenden Nebenfläche der Endplatte zugewandten Seite des Grundkörpers. Somit kann eine Anbindung der Formelemente an die Rippen außerhalb des Grundkörpers erfolgen, wodurch die Formelemente leicht zugänglich sind.
Vorzugsweise sind die Rippen bezüglich einer Ebene ihrer Längserstreckung geradlinig ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung können unerwünschte Torsionsmomente in den Rippen vermieden werden. Zudem sind die Rippen in der Regel parallel zueinander angeordnet.
Da die Tragestruktur dazu bestimmt ist, die auf die Endplatte aufgebrachten Kräfte bei nur geringer Verformung aufzunehmen, weist ein die Tragestruktur ausbildendes Material in der Regel ein möglichst hohes E-Modul auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Tragestruktur ein Metall oder eine Legierung, insbesondere ein Stahl, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfasst oder daraus besteht. Metalle und Legierungen, insbesondere Stahl und Aluminium, zeichnen sich durch ein hohes E-Modul sowie ein hohes Verhältnis von E-Modul zu Dichte aus. Somit ist es möglich, eine besonders leichte und zugleich stabile Tragestruktur zu realisieren.
Ferner bevorzugt ist vorgesehen, dass das Material des Grundkörpers Fasern, insbesondere Glasfasern, umfasst, welche in das Kunststoffmaterial eingebettet sind. Somit ist in Kombination mit dem Kunststoff des Materials ein faserverstärkter Kunststoff, insbesondere glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK), realisiert. GFK zeichnet sich insbesondere durch seine Korrosionsbeständigkeit und seine elektrischen Isolationseigenschaften aus. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Material ein Verbundwerkstoff aus einer Polyetherimid(PEI)-Matrix mit einem Glasfaseranteil von 30% als Faserverstärkung (z. B. das unter dem Handelsnamen „Ultem” der Firma General Electric bekannte Material).
Vorzugsweise bildet der Grundkörper Versteifungsrippen aus, insbesondere gekreuzte Versteifungsrippen, die vorzugsweise rechtwinklig bezüglich den beiden Hauptflächen der Endplatte angeordnet sind. Durch die gekreuzten Versteifungsrippen kann die Masse des Grundkörpers gesenkt und/oder die Steifigkeit des Grundkörpers erhöht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Formelemente als entlang den Nebenflächen der Endplatte verlaufende Profilleisten, insbesondere U-Profilleisten, ausgebildet, über welche die Rippen miteinander verbunden sind. Durch die Profilleisten können mehrere, insbesondere alle Formelemente entlang einer Nebenfläche der Endplatte realisiert sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist an einer ersten Hauptfläche der Hauptflächen der Endplatte ein Zugblech angeordnet, über welches wenigstens ein Teil der Formelemente miteinander verbunden ist. Insbesondere verbindet das Zugblech zumindest einander gegenüberliegende Formelemente miteinander, vorzugsweise jene Formelemente, welche bezüglich der Längserstreckung der Rippen auf einander gegenüberliegenden Seiten der Rippen angeordnet sind. Die erste Hauptfläche entspricht bei einer Anordnung der Endplatte in einer Brennstoffzelle der von dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Hauptfläche der Endplatte. Das Zugblech kann die Formelemente verbinden, indem das Zugblech mit den Formelementen z. B. verschraubt, vernietet oder verschweißt ist. Bevorzugt ist das Zugblech auf die Formelemente aufgelegt, sodass bei einem Verspannen der Endplatte mittels der Zugelemente das Zugblech kraftschlüssig mit den Formelementen verbunden ist. Das Zugblech stellt dabei eine Verstärkung der Endplatte an ihrer, vom Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite dar. Bei einer Biegebelastung der Endplatte fungiert das Zugblech als Verstärkung der Endplatte entlang der ersten Hauptfläche, an der die höchsten Dehnungen in Form einer Verlängerung der Endplatte auftreten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist an einer zweiten Hauptfläche der beiden Hauptflächen der Endplatte eine Stromabnehmerplatte angeordnet und teilweise mit dem Material des Grundkörpers umspritzt. Insbesondere sind die Ränder der Stromabnehmerplatte zumindest teilweise mit dem Material des Grundkörpers umspritzt. Die zweite Hauptfläche, an welcher die Stromabnehmerplatte angeordnet ist, entspricht bei einer Anordnung der Endplatte in einer Brennstoffzelle der dem Brennstoffzellenstapel zugewandten Seite der Endplatte. Durch diese Ausgestaltung kann die Stromabnehmerplatte bereits beim Umspritzen der Rippen mit dem Material des Grundkörpers formschlüssig in die Endplatte integriert werden. Die Stromabnehmerplatte ist zur Sicherstellung einer guten elektrischen Leitfähigkeit in der Regel aus Kupfer gefertigt.
Die Endplatte kann auch eine Stromabnehmerplatte aufweisen, welche beispielsweise über Verbindungselemente mit der Endplatte verbunden ist.
Ferner wird eine Brennstoffzelle umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Einzelzellen, wenigstens eine erfindungsgemäße Endplatte und Zugelemente zur Verfügung gestellt, wobei die Zugelemente dazu ausgebildet sind, in die wenigstens eine Endplatte Kräfte einzuleiten, sodass die Einzelzellen zusammengepresst werden. Die Kräfte der Zugelemente, also Zugkräfte werden von der Endplatte aufgenommen und möglichst gleichmäßig auf den Brennstoffzellenstapel verteilt, wodurch dieser verpresst wird.
Vorzugsweise sind beide Endplatten der Brennstoffzelle in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildet.
Vorzugsweise ist die Tragestruktur durch den Grundkörper von dem Brennstoffzellenstapel und insbesondere von der Stromabnehmerplatte elektrisch isoliert.
Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug umfassend eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt. Die Brennstoffzelle dient vorzugsweise zur Versorgung eines Elektroantriebs des Kraftfahrzeugs mit elektrischem Strom.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Brennstoffzelle gemäß Stand der Technik,
2 eine erfindungsgemäße Endplatte,
3 eine Tragestruktur der erfindungsgemäßen Endplatte,
4 eine erfindungsgemäße Endplatte mit einem Zugblech in einer perspektivischen Draufsicht,
5 die erfindungsgemäße Endplatte mit einem Zugblech aus 4 in einer perspektivischen Unteransicht und
6 eine erfindungsgemäße Endplatte mit einer Stromabnehmerplatte.
Auf 1 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen.
2 stellt eine Endplatte 16 mit einer ersten Hauptfläche 28 und einer zweiten Hauptfläche 30 gemäß der vorliegenden Erfindung nach einer bevorzugten Ausgestaltung dar. Die vier, die beiden Hauptflächen 28, 30 verbindenden, relativ kleinen Flächen werden im Folgenden als Nebenflächen 50 bezeichnet. Die zweite Hauptfläche 30 ist jene Seite, welche bei einer fertig verbauten Brennstoffzelle 10 dem Brennstoffzellenstapel 12 zugewandt ist. Die Endplatte umfasst eine Tragestruktur 32, welche mit einem Grundkörper 34 verbunden oder in diesen eingebettet sein kann. Ein Material des Grundkörpers 34 umfasst einen Kunststoff oder besteht aus diesem und kann beispielsweise ein Verbundwerkstoff sein. Als Material des Grundkörpers 34 eignet sich beispielsweise ein Verbundwerkstoff aus Polyetherimid mit einem 30-prozentigen Glasfaseranteil. Der Grundkörper 34 kann wie gezeigt Kanäle 36 ausbilden, um dem Brennstoffzellenstapel 12 über die Endplatte 16 Betriebsmedien sowie Kühlmittel zuzuführen. Betriebsmedien sind beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff (Luft), welche in den Membran-Elektroden-Einheiten 20 der Brennstoffzelle 10 unter Abgabe elektrischer Energie zu Wasser umgesetzt werden. Der Grundkörper 34 kann eine Vielzahl gekreuzter Versteifungsrippen 38 aufweisen, welche dem Grundkörper 34 eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht verleihen.
Die Tragestruktur 32 (ohne Grundkörper 34) ist im Detail in 3 ersichtlich, wobei die Blickrichtung auf die Tragestruktur 32 im Vergleich zu 2 um 180° gedreht ist, sodass die in 3 oben dargestellte Seite der zweiten Hauptfläche 30 und die unten dargestellte Seite der ersten Hauptfläche 28 entspricht. Die dargestellte Tragestruktur 32 umfasst eine Vielzahl an Rippen 40 sowie zwei Formelemente 42, welche an einander gegenüberliegenden Enden der Rippen 40 (bezüglich deren Längserstreckung) angeordnet sind. Die Rippen 40 sind wie gezeigt bevorzugt geradlinig ausgeführt und parallel zueinander angeordnet. Die Formelemente 42 sind im gezeigten Fall als Profilleisten in Form von U-Profilen ausgeführt, wobei die Rippen 40 rechtwinklig zu der zweiten Hauptfläche 30 einer gedachten Endplatte 16 angeordnet sind. Die Rippen 40 weisen Aussparungen 44 auf, sodass sich entlang der ersten und der zweiten Hauptfläche 28, 30 durchgehende Stege 46 bilden, welche über Verbindungsstege 48 miteinander verbunden sind. Die Tragestruktur 32 ist beispielsweise aus Stahl (z. B. X5CrNi18-10) insbesondere als Schweißkonstruktion gefertigt, wobei die Rippen 40 beispielsweise kostengünstig aus einem Blech mittels Laserschneiden oder als Stanzteil hergestellt werden können. Wie gezeigt, können die Rippen 40 durch Ausnehmungen in den Profilleisten in diese gesteckt sein, wodurch eine weitere Stabilisierung der Tragestruktur 32 erreicht wird.
Nicht in 3 dargstellt sind Verbindungsmittel der Formelemente 42, über welche eine Befestigung der Zugelemente 18 (s. 1) erfolgt. Beispielsweise können die Formelemente 42 über Bohrungen verfügen, durch welche die Zugelemente geführt werden. Bei den dargestellten U-Profilleisten ist vorzugsweise in den einander gegenüberliegenden abgewinkelten Abschnitten der U-Profile eine Vielzahl von miteinander fluchtenden Bohrungen (paarweise) vorgesehen, so dass ein Zugelement jeweils durch zwei Bohrungen der U-Profilleiste geführt wird.
Die Tragestruktur 32 kann wie in 2 gezeigt den Grundkörper 34 durchziehen. Zudem kann die Tragestruktur 32 in den Grundkörper 34 eingebettet sein. Dies erfolgt in der Regel, indem die Tragestruktur 32 in einem Spritzgusswerkzeug zumindest teilweise mit dem Material des Grundkörpers 34 umspritzt wird. Dabei durchdringt das Material des Grundkörpers 34 auch die Ausnehmungen 44 der Rippen 40, wodurch eine besonders stabile formschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper 34 und der Tragestruktur 32 hergestellt ist. Zudem weist die erste Hauptfläche 28 der Endplatte 16 eine in Längserstreckung der Rippen 40 gewölbte Form auf.
Die in 2 gezeigte Endplatte 16, mit der aus 3 bekannten Tragestruktur 32, weist folgende Funktion auf:
Die Endplatte 16 liegt analog zur in 1 gezeigten Endplatte 1 auf einem Ende des Brennstoffzellenstapels 12 auf, wobei die ebene zweite Hauptfläche 30 in Richtung des Brennstoffzellenstapels 12 weist. Über die Kanäle 36 werden dem Brennstoffzellenstapel die für eine Stromerzeugung nötigen Betriebsmedien zugeführt. Zugelemente 18 beaufschlagen die Endplatte 16 mit Zugkräften, welche über die Formelemente 42 in die Tragestruktur 32 und aufgrund des oben erwähnten Formschlusses zwischen Tragestruktur 32 und Grundkörper 34 auch in den Grundkörper 34 eingeleitet werden. Die Zugelemente 18 können beispielsweise über Gewindeelemente, z. B. Muttern und/oder Federn vorgespannt sein und in nicht dargestellte Öffnungen der Formelemente 42 eingreifen. Die Endplatte 16 wird durch die Vorspannung der Zugelemente 18 im Wesentlichen auf Scherung und Biegung beansprucht. Die hochkant zwischen den beiden Hauptflächen 28, 30 angeordneten Rippen 40 zeichnen sich durch ein hohes axiales Widerstandsmoment aus, wodurch Normalspannungen und somit Dehnungen innerhalb der Endplatte auf einen akzeptablen Wert begrenzt werden. Die gewölbte Form der ersten Hauptfläche 28 kann insbesondere an einen, aus Simulationen zu erwartenden Biegemomentenverlauf innerhalb der Endplatte 16 angepasst sein, wodurch ein gewünschtes Verformungsverhalten der Endplatte 16 erreicht werden kann. Der Grundkörper 34 stabilisiert insbesondere durch seine gekreuzten Versteifungsrippen 38 die Tragestruktur 32 und verteilt die von den Zugelementen 18 aufgebrachten Kräfte gleichmäßig auf den Brennstoffzellenstapel 12.
4 stellt eine Endplatte 16 mit einer ersten und einer zweiten Hauptfläche 28, 30 gemäß der vorliegenden Erfindung nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung dar. Die beiden Formelemente 42 in Form von U-Profilleisten sind über ein Zugblech 52 miteinander verbunden. Die Verbindung zwischen dem Zugblech 52 und den Formelementen 42 kann beispielsweise eine Schweißverbindung sein. Bevorzugt ist das Zugblech 52 jedoch auf den Grundkörper 34 und die Tragestruktur 32 mit den zugehörigen Formelementen 42 aufgelegt. Dazu können die Formelemente 42 und das Zugblech 52 nicht dargestellte Öffnungen aufweisen, durch welche die Zugelemente 18 analog zu 1 gesteckt sind. Die Zugelemente 18 können auf der Seite der ersten Hauptfläche 28 beispielsweise einen vergrößerten Durchmesser größer einem Durchmesser der Öffnung aufweisen, oder mit Muttern versehen sein, welche auf dem Zugblech 52 aufliegen. Durch die Zugkräfte der Zugelemente 18 wird das Zugblech 52 auf die Formelemente 42 gepresst, sodass das Zugblech 52 mit den Formelementen 42 über Reibung kraftschlüssig verbunden ist. Das Zugblech 52 kann wie dargestellt Ausnehmungen aufweisen. Eine gebräuchliche Blechdicke des Zugblechs 52 beträgt z. B. ca. 2 mm, wobei auch die Rippen 40 und die als U-Profilleisten ausgebildeten Formelemente 42 diese Dicke aufweisen können.
Wird die Endplatte 16 über die Zugelemente 18 auf den Brennstoffzellenstapel 12 gepresst, so wird durch die Biegung der Endplatte 16 diese an ihrer, der ersten Hauptfläche 28 zugewandten Seite gestreckt. Das Zugblech 52 wirkt dieser Streckung entgegen.
5 zeigt die aus 4 bekannte Endplatte 16 mit Blick auf die zweite Hauptfläche 30. Der Grundkörper 34 der Endplatte 16 kann an der zweiten Hauptfläche 30 eine Aussparung 54 zur Aufnahme einer Stromabnehmerplatte 56 aufweisen. Innerhalb der Brennstoffzelle 10 kontaktiert die Stromabnehmerplatte 56 den Brennstoffzellenstapel und sorgt für eine Weiterleitung der, von der Brennstoffzelle 10 freigesetzten, elektrischen Energie.
6 zeigt eine Draufsicht auf die zweite Hauptfläche 30 der Endplatte 10, wobei abweichend zu 5, Ränder der Stromabnehmerplatte 56 vom Material des Grundkörpers 34 umspritzt sind. Dadurch ist die Stromabnehmerplatte 56 formschlüssig mit dem Grundkörper 34 verbunden. Im rechten Teil von 6 ist eine Schnittansicht gezeigt, wobei die Schnittebene A-A rechtwinklig zu der zweiten Nebenfläche 30 und durch die Längserstreckung der Rippe 40 verläuft. In der Schnittansicht ist gut ersichtlich, dass die Stromabnehmerplatte 56 durch das Material des Grundkörpers 34 von der Tragestruktur 32 getrennt ist. In der Regel ist das Material des Grundkörpers 34 elektrisch isolierend, wodurch die Tragestruktur 32 von der Stromabnehmerplatte 56 oder auch von spannungsführenden Teilen des Brennstoffzellenstapels 12 elektrisch isoliert ist. Zudem ist ersichtlich, dass der Grundkörper 34 die Ausnehmungen 44 der Rippen 40 durchdringt, wodurch die Tragestruktur 32 formschlüssig in den Grundkörper 34 eingebettet ist.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle 10 kann analog der in 1 gemäß dem Stand der Technik gezeigten Brennstoffzelle 10 aufgebaut sein, wobei wenigstens eine der in 1 gezeigten Endplatten 16 durch die erfindungsgemäße Endplatte 16 ersetzt ist. Wie bereits erläutert, werden die Endplatten 16 durch, von den Zugelementen 18 aufgebrachten Zugkräften an den Brennstoffzellenstapel 12 gepresst. Dadurch wird der Brennstoffzellenstapel 12 zusammengepresst, sodass auch bei einer Vibrationsbelastung der Brennstoffzelle 10 elektrisch leitfähige Kontakte, z. B. zu der Stromabnehmerplatte 56, oder auch ein ausreichender Anpressdruck von Dichtelementen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 20 und den Bipolarplatten 26 gewährleistet ist.
Die in den Figuren dargestellten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Endplatte 16 zeichnen sich neben den bereits erwähnten Vorteilen durch eine reduzierte Gesamtmasse, sowie eine reduzierte thermische Masse, leicht zu realisierende Krafteinleitungsstellen und eine spritzgussgerechte Auslegung aus. Durch das zumindest teilweise Umspritzen der Tragestruktur 32 mit dem Material des Grundkörpers 34 ist zudem eine kostengünstige Fertigung größerer Stückzahlen bei einer gleichzeitig hohen Tragfähigkeit gegeben.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzelle
12: Brennstoffzellenstapel
14: Einzelzelle
16: Endplatte
18: Zugelement
20: Membran-Elektroden-Einheit
22: Membran, insbesondere protonenleitende Membran
24: Gasdiffusionselektrode
26: Bipolarplatte
28: erste Hauptfläche
30: zweite Hauptfläche
32: Tragestruktur
34: Grundkörper
36: Kanäle
38: gekreuzte Versteifungsrippen
40: Rippe
42: Formelement
44: Aussparung
46: durchgehende Stege
48: Verbindungsstege
50: Nebenfläche
52: Zugblech
54: Aussparung zur Aufnahme einer Stromabnehmerplatte
56: Stromabnehmerplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 02/13286 A2 [0005]
DE 102008043827 A1 [0008]
DE 102005018058 A1 [0009]

Claims

Endplatte (16) mit zwei Hauptflächen (28, 30) für einen, mittels Zugelementen (18) zusammengepressten Brennstoffzellenstapel (12) einer Brennstoffzelle (10), umfassend – einen Grundkörper (34) aus einem, einen Kunststoff umfassenden oder aus diesem bestehenden Material, – eine mit dem Grundkörper (34) verbundene oder in diesen eingebettete Tragestruktur (32) umfassend – eine Mehrzahl an Rippen (40), welche sich zwischen und rechtwinklig zu den zwei Hauptflächen (28, 30) der Endplatte (16) erstrecken und – Formelemente (42) zum Einleiten von durch die Zugelemente (18) aufbringbaren Kräften in die Tragestruktur (32), wobei die Formelemente (42) an Nebenflächen (50) der Endplatte (16) und an Endabschnitten der Rippen (40) angeordnet und mit den Rippen (40) verbunden sind.
Endplatte (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (40) den Grundkörper (34) von einer, einer Nebenfläche (50) der Endplatte (16) zugewandten Seite des Grundkörpers (34) zu einer, einer gegenüberliegenden Nebenfläche (50) der Endplatte (16) zugewandten Seite des Grundkörpers (34) durchziehen.
Endplatte (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (40) von dem Material des Grundkörpers (34) zumindest teilweise umspritzt sind.
Endplatte (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formelemente (42) als entlang der Nebenflächen (50) der Endplatte (16) verlaufende Profilleisten, insbesondere als U-Profilleisten, ausgebildet sind, über welche die Rippen (40) miteinander verbunden sind.
Endplatte (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer ersten Hauptfläche (28) der beiden Hauptflächen (28, 30) der Endplatte (16) ein Zugblech (52) angeordnet ist, über welches wenigstens ein Teil der Formelemente (42) miteinander verbunden sind.
Endplatte (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer zweiten Hauptfläche (30) der beiden Hauptflächen (28, 30) der Endplatte (16) eine Stromabnehmerplatte (56) angeordnet und zumindest teilweise mit dem Material des Grundkörpers (34) umspritzt ist, insbesondere Ränder der Stromabnehmerplatte (56) zumindest teilweise mit dem Material des Grundkörpers (34) umspritzt sind.
Endplatte (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (40) Aussparungen (44) aufweisen, derart, dass die Rippen (40) Stege (46, 48) ausbilden, welche die Aussparungen (44) begrenzen.
Endplatte (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Hauptfläche (28) der Endplatte (16) eine, bezüglich der Längserstreckung der Rippen (40) nach außen gewölbte Form aufweist.
Endplatte (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (34) Versteifungsrippen (38) aufweist, insbesondere gekreuzte Versteifungsrippen (38).
Endplatte (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragestruktur (32) ein Metall oder eine Legierung, insbesondere ein Stahl, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, umfasst oder daraus besteht.
Endplatte (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Grundkörpers (34) in den Kunststoff eingebettete Fasern, insbesondere Glasfasern umfasst.
Brennstoffzelle (10) umfassend einen Brennstoffzellenstapel (12) mit einer Mehrzahl von Einzelzellen (14), wenigstens eine Endplatte (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und Zugelemente (18), wobei die Zugelemente (18) dazu ausgebildet sind, in die wenigstens eine Endplatte (16) Kräfte einzuleiten, sodass der Brennstoffzellenstapel (12) zusammengepresst wird.