DE102012024963B4 - Fuel cell arrangement with a closed housing - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellen-Anordnung mit einem geschlossenen Gehäuse, in dem eine Anzahl von zu einem Brennstoffzellen-Stapel (2) zusammengefassten Einzelzellen (1) angeordnet ist,
wobei das Gehäuse aus einem Gehäuseunterteil (3) und einem Gehäusedeckel (4) gebildet ist
und wobei zumindest zwischen dem Gehäusedeckel (4) und dem Brennstoffzellen-Stapel (2) ein elastisch verformbares Element (6) angeordnet ist, mittels dessen Druck auf den Brennstoffzellen-Stapel (2) ausübbar ist,
wobei der Brennstoffzellen-Stapel (2) mittels zumindest eines Spannelementes in Stapelrichtung vorgespannt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass eine den Boden des Gehäuseunterteiles (3) bildende Wandung zumindest einen Anschluss (A) für eine Medienführung aufweist,
dass ferner eine Position des zumindest einen Anschlusses (A) mit an dem Brennstoffzellen-Stapel (2) ausgebildeten Anschlusselementen zur Medienführung korrespondiert;
und dass die Verbindung zwischen dem Anschluss (A) und dem Brennstoffzellen-Stapel (2) als formschlüssige Steckverbindung ausgebildet ist.

Figure DE102012024963B4_0000
Fuel cell arrangement with a closed housing in which a number of individual cells (1) combined to form a fuel cell stack (2) are arranged,
the housing being formed from a lower housing part (3) and a housing cover (4).
and wherein an elastically deformable element (6) is arranged at least between the housing cover (4) and the fuel cell stack (2), by means of which pressure can be exerted on the fuel cell stack (2),
wherein the fuel cell stack (2) is pretensioned in the stacking direction by means of at least one tensioning element,
characterized in that a wall forming the bottom of the lower housing part (3) has at least one connection (A) for a media guide,
that furthermore a position of the at least one connection (A) corresponds to connection elements for media routing formed on the fuel cell stack (2);
and that the connection between the connection (A) and the fuel cell stack (2) is designed as a positive plug connection.
Figure DE102012024963B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a fuel cell arrangement according to the preamble of claim 1.

Aus der DE 11 2007 001 515 T5 ist eine Brennstoffzelle bekannt. Die Brennstoffzelle weist einen Zellenschichtungskörper, in dem eine Mehrzahl von Zellen aneinander geschichtet sind; eine Endplatte, die außerhalb des Zellenschichtungskörpers in einer Zellenschichtungsrichtung angeordnet ist; und eine Anpressvorrichtung, die zwischen dem Zellenschichtungskörper und der Endplatte angeordnet ist, um eine Druckbelastung auf den Zellenschichtungskörper zu justieren, auf. Die Anpressvorrichtung beinhaltet ein Paar von Plattenelementen, ein elastisches Element, das zwischen diesen Plattenelementen angeordnet ist, um die Plattenelemente durch eine Federkraft voneinander zu trennen, und einen Belastungsanzeigebereich, der ein Anzeigeelement aufweist, das an einem der Plattenelemente so befestigt ist, dass es aus der äußeren Oberfläche des anderen Plattenelementes herausragt.From the DE 11 2007 001 515 T5 a fuel cell is known. The fuel cell includes a cell laminated body in which a plurality of cells are laminated; an end plate arranged outside of the cell laminated body in a cell laminated direction; and a pressing device disposed between the cell laminated body and the end plate to adjust a compressive load on the cell laminated body. The pressing device includes a pair of plate members, an elastic member interposed between these plate members to separate the plate members from each other by a spring force, and a load indicating portion having an indicator member fixed to one of the plate members so that it is off the outer surface of the other plate member protrudes.

Darüber hinaus offenbart die JP 2011-175807 A einen Brennstoffzellen-Stapel für ein Fahrzeug. Der Brennstoffzellen-Stapel umfasst eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, welche in vertikaler Richtung aufeinander gestapelt sind und deren Elektrodenoberflächen horizontal angeordnet sind. Ein Strömungspfad eines Oxidationsgases und ein Strömungspfad eines Brenngases sind derart ausgebildet, dass diese einander gegenüberliegend in entgegen gesetzte Richtung verlaufen. Der Strömungspfad des Brenngases erstreckt sich entlang der Fahrtrichtung eines Brennstoffzellen-Fahrzeuges, so dass sich das Brenngas von einem Frontbereich zu einem Heckbereich des Fahrzeuges innerhalb des Brennstoffzellen-Stapels verteilt.In addition, the JP 2011-175807 A a fuel cell stack for a vehicle. The fuel cell stack includes a plurality of fuel cells which are stacked in the vertical direction and the electrode surfaces of which are arranged horizontally. A flow path of an oxidizing gas and a flow path of a fuel gas are formed so as to face each other in opposite directions. The flow path of the fuel gas extends along the running direction of a fuel cell vehicle, so that the fuel gas spreads from a front area to a rear area of the vehicle within the fuel cell stack.

Aus der DE 10 2006 042 109 A1 ist ein Gehäuse zum Aufnehmen eines Brennstoffzellenstapels mit einer ersten Gehäuseschale und einer zweiten Gehäuseschale bekannt, wobei die erste und zweite Gehäuseschale mit einer Spanneinrichtung so gegeneinander verspannbar sind, dass durch die Elastizitätskraft der Spanneinrichtung der aufzunehmende Brennstoffzellenstapel in seiner Stapelrichtung verspannbar ist.From the DE 10 2006 042 109 A1 discloses a housing for accommodating a fuel cell stack with a first housing shell and a second housing shell, the first and second housing shells being able to be clamped against one another with a clamping device in such a way that the fuel cell stack to be accommodated can be clamped in its stacking direction by the elastic force of the clamping device.

Weiterhin ist aus der DE 10 2006 060 809 A1 eine Vorrichtung bekannt, welche einen thermisch isolierenden Behälter und eine in dem Behälter angeordnete Hochtemperatur-Brennstoffzellensystemkomponente, die von einer Isolierschicht aus einem ersten Material umgeben ist, umfasst. Auf die Isolierschicht wirkt eine Verspanneinrichtung ein, welche ein oder mehrere sich an einem Behältergehäuse abstützende und auf die Isolierschicht einwirkende plattenförmige Elemente aus einem zweiten Material umfasst, das bei einem Anpressdruck elastisch verformbar ist, bei dem das erste Material nicht verformbar ist.Furthermore, from the DE 10 2006 060 809 A1 a device is known which comprises a thermally insulating container and a high-temperature fuel cell system component which is arranged in the container and is surrounded by an insulating layer made of a first material. A bracing device acts on the insulating layer, which comprises one or more plate-shaped elements made of a second material which are supported on a container housing and act on the insulating layer and which is elastically deformable at a contact pressure at which the first material is not deformable.

Die DE 11 2004 001 327 B3 beschreibt eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Mehrzahl von Multizellenmodulen, die in Reihe angeordnet sind, und mit einem externen Element sowie einem externen Sicherungselement. Das Multizellenmodul weist eine Multizellenanordnung, die durch Stapeln einer Mehrzahl von Zellen ausgebildet ist, und einen Modulrahmen mit einer ersten Wand auf, die die Multizellenanordnung umgibt und die sich in einer Zellstapelrichtung der Multizellenanordnung erstreckt. Dabei erstreckt sich das externe Element außerhalb der Mehrzahl der Multizellenmodule und in der Zellstapelrichtung entlang der Multizellenmodule, wobei das externe Sicherungselement zwischen einer Innenoberfläche des externen Elements und einer Außenoberfläche der ersten Wand des Modulrahmens des Multizeilenmoduls vorgesehen ist.The DE 11 2004 001 327 B3 describes a fuel cell assembly having a plurality of multi-cell modules arranged in series and having an external element and an external fuse element. The multi-cell module includes a multi-cell assembly formed by stacking a plurality of cells, and a module frame having a first wall that surrounds the multi-cell assembly and that extends in a cell stacking direction of the multi-cell assembly. Here, the external member extends outside the plurality of multi-cell modules and along the multi-cell modules in the cell stacking direction, and the external securing member is provided between an inner surface of the external member and an outer surface of the first wall of the module frame of the multi-cell module.

Ferner beschreibt die DE 103 08 382 B3 ein Verfahren zum Verspannen eines Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapels. Dabei wird ein Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel durch Auflegen einer Last einem definierten Druck ausgesetzt. Weiterhin wird der Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel aufgeheizt, wobei Dichtungsmaterial aufgeschmolzen wird und zu einer Abdichtung der Einzelzellen führt. Zusätzlich wird der Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel abgekühlt und mit einem ersten Mittel zum Verspannen verspannt, wobei der so verspannte Hochtemperatur-Brennstoffzellenstapel mit einer Isolation umgeben wird und außerhalb der Isolation mit einem zweiten Mittel zum Verspannen verspannt wird.Also describes the DE 103 08 382 B3 a method for bracing a high temperature fuel cell stack. A high-temperature fuel cell stack is subjected to a defined pressure by applying a load. Furthermore, the high-temperature fuel cell stack is heated, with sealing material being melted and sealing off the individual cells. In addition, the high-temperature fuel cell stack is cooled and braced with a first bracing means, the high-temperature fuel cell stack thus braced being surrounded by insulation and braced outside the insulation with a second bracing means.

Aus der DE 10 2007 012 763 A1 ist eine Brennstoffzellen-Anordnung mit einem geschlossenen Gehäuse bekannt, in dem eine Anzahl von zu einem Brennstoffzellen-Stapel zusammengefassten Einzelzellen angeordnet ist. Das Gehäuse ist aus einem Gehäuseunterteil und einem Gehäusedeckel gebildet, wobei zwischen dem Gehäusedeckel und dem Brennstoffzellen-Stapel ein elastisch verformbares Element angeordnet ist, mittels dessen Druck auf den Brennstoffzellen-Stapel ausübbar ist.From the DE 10 2007 012 763 A1 a fuel cell arrangement with a closed housing is known, in which a number of individual cells combined to form a fuel cell stack are arranged. The housing is formed from a lower housing part and a housing cover, with an elastically deformable element being arranged between the housing cover and the fuel cell stack, by means of which pressure can be exerted on the fuel cell stack.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Brennstoffzellenanordnung mit einem geschlossenen Gehäuse anzugeben.The invention is based on the object of specifying a fuel cell arrangement which is improved over the prior art and has a closed housing.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.The object is achieved according to the invention by the features specified in claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent claims.

Eine Brennstoffzellen-Anordnung weist ein geschlossenes Gehäuse auf, in dem eine Anzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Einzelzellen angeordnet ist. Dabei ist das Gehäuse aus einem Gehäuseunterteil und einem Gehäusedeckel gebildet, wobei zumindest zwischen dem Gehäusedeckel und dem Brennstoffzellen-Stapel ein elastisch verformbares Element angeordnet ist, mittels dessen Druck auf den Brennstoffzellen-Stapel ausübbar ist.A fuel cell arrangement has a closed housing in which a number of individual cells combined to form a fuel cell stack are arranged. The housing is formed from a lower housing part and a housing cover, with an elastically deformable element being arranged at least between the housing cover and the fuel cell stack, by means of which pressure can be exerted on the fuel cell stack.

Durch die Anordnung des elastisch verformbaren Elementes zwischen dem Gehäusedeckel und dem Brennstoffzellen-Stapel ist derselbe in vorteilhafter Weise komprimierbar, so dass es möglich ist, den Brennstoffzellen-Stapel um zumindest eine weitere Einzelzelle zu erweitern, so dass beispielsweise eine Spannungsdegradation aufgrund üblicher Verschleißerscheinungen im Brennstoffzellen-Stapel ausgeglichen werden kann. Die Erweiterung des Brennstoffzellen-Stapels ist z. B. im Rahmen von Wartungs- und/oder Reparaturarbeiten an der Brennstoffzellen-Anordnung möglich. Somit ist es vorteilhaft möglich, die Lebensdauer des Brennstoffzellen-Stapels auf vergleichsweise einfache Art und Weise zu erhöhen.Due to the arrangement of the elastically deformable element between the housing cover and the fuel cell stack, the same can be compressed in an advantageous manner, so that it is possible to expand the fuel cell stack by at least one further individual cell, so that, for example, a stress degradation due to normal wear and tear in the fuel cell -Stack can be balanced. The expansion of the fuel cell stack is z. B. in the context of maintenance and / or repair work on the fuel cell assembly possible. It is thus advantageously possible to increase the service life of the fuel cell stack in a comparatively simple manner.

Weiterhin ist der Brennstoffzellen-Stapel mittels zumindest eines Spannelementes in Stapelrichtung verpresst, wodurch in vorteilhafter Weise eine kompakte Baueinheit zum Einbau ist das Gehäuse gebildet ist. Die Einzelzellen sind mittels des zumindest einen Spannelementes verpresst und können somit beim Einbau nicht gegeneinander verrutschen.Furthermore, the fuel cell stack is pressed in the stacking direction by means of at least one clamping element, as a result of which a compact structural unit for installation is formed in the housing in an advantageous manner. The individual cells are pressed by means of the at least one clamping element and can therefore not slip against one another during installation.

Erfindungsgemäß weist eine den Boden des Gehäuseunterteiles bildende Wandung zumindest einen Anschluss für eine Medienführung auf, wobei eine Position des zumindest einen Anschlusses mit an dem Brennstoffzellen-Stapel ausgebildeten Anschlusselementen zur Medienführunq korrespondiert. Dabei ist eine Verbindung zwischen dem Anschluss und dem Brennstoffzellen-Stapel als formschlüssige Steckverbindung ausgebildet.According to the invention, a wall forming the base of the lower housing part has at least one connection for media routing, with a position of the at least one connection corresponding to connection elements for media routing formed on the fuel cell stack. A connection between the connection and the fuel cell stack is designed as a positive plug connection.

Besonders bevorzugt ist eine Mehrzahl elastisch verformbarer Elemente zwischen dem Gehäusedeckel und dem Brennstoffzellen-Stapel angeordnet, so dass der aus den elastisch verformbaren Elementen resultierende Druck im Wesentlichen gleichmäßig auf den Brennstoffzellen-Stapel wirkt.A plurality of elastically deformable elements is particularly preferably arranged between the housing cover and the fuel cell stack, so that the pressure resulting from the elastically deformable elements acts essentially uniformly on the fuel cell stack.

Zudem ist es mittels des elastisch verformbaren Elementes oder den elastisch verformbaren Elementen möglich, Toleranzen innerhalb des Brennstoffzellen-Stapels und/oder auch hinsichtlich des Gehäuses und dem Brennstoffzellen-Stapel auszugleichen.In addition, it is possible by means of the elastically deformable element or the elastically deformable elements to compensate for tolerances within the fuel cell stack and/or with regard to the housing and the fuel cell stack.

Insbesondere ist die Brennstoffzellen-Anordnung Bestandteil eines Fahrzeuges, wobei die Einzelzellen des Brennstoffzellen-Stapels in Z-Richtung, d. h. in Richtung der Fahrzeughochachse gestapelt sind, wobei der Gehäusedeckel den oberen Abschluss bildet.In particular, the fuel cell assembly is part of a vehicle, the individual cells of the fuel cell stack in the Z direction, i. H. are stacked in the direction of the vehicle's vertical axis, with the housing cover forming the upper end.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das zumindest eine elastisch verformbare Element ein Federelement, insbesondere eine Schraubenfeder, die im geschlossenen Zustand des Gehäuses vorgespannt ist, so dass Druck auf den Brennstoffzellen-Stapel ausübbar ist, um diesen zu komprimieren. Bei Erweiterung des Brennstoffzellen-Stapels erhöht sich die Vorspannung des Federelementes, wodurch sich der auf den Brennstoffzellen-Stapel ausgeübte Druck erhöht. Das elastisch verformbare Element, bei welchem es sich beispielsweise um ein Federelement handelt, ist dabei vorteilhaft so gewählt, dass die Einzelzellen durch den aus der Vorspannung resultierenden Druck nicht beschädigt werden.In an advantageous embodiment, the at least one elastically deformable element is a spring element, in particular a helical spring, which is prestressed when the housing is closed, so that pressure can be exerted on the fuel cell stack in order to compress it. As the fuel cell stack expands, the preload on the spring element increases, thereby increasing the pressure exerted on the fuel cell stack. The elastically deformable element, which is, for example, a spring element, is advantageously selected in such a way that the individual cells are not damaged by the pressure resulting from the prestressing.

Besonders bevorzugt ist der Brennstoffzellen-Stapel in Stapelrichtung vorgespannt und/oder die den Brennstoffzellen-Stapel bildenden Einzelzellen sind zumindest zeitweise aneinander fixiert. Mittels der Vorspannung des Brennstoffzellen-Stapels und/oder der Aneinanderfixierung der Einzelzellen ist in Bezug auf den Brennstoffzellen-Stapel eine kompakte Baueinheit gebildet, die vergleichsweise einfach in dem Gehäuseunterteil anordbar ist. Sind die Einzelzellen zumindest zeitweise aneinander fixiert, können die Einzelzellen innerhalb des gebildeten Brennstoffzellen-Stapels nicht gegeneinander verrutschen, wodurch einerseits die Montage des Brennstoffzellen-Stapels selbst und andererseits der Einbau des Brennstoffzellen-Stapels in das Gehäuse vereinfacht sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Verpressung des Brennstoffzellen-Stapels mittels Folien und/oder Klebstoff realisiert werden, wobei insbesondere das Verkleben im vorgespannten Zustand des Brennstoffzellen-Stapels durchführbar ist.The fuel cell stack is particularly preferably prestressed in the stacking direction and/or the individual cells forming the fuel cell stack are fixed to one another at least temporarily. By means of the prestressing of the fuel cell stack and/or the fixing of the individual cells to one another, a compact structural unit is formed with respect to the fuel cell stack, which can be arranged comparatively easily in the lower housing part. If the individual cells are fixed to one another at least temporarily, the individual cells within the fuel cell stack formed cannot slip against one another, which simplifies the assembly of the fuel cell stack itself and the installation of the fuel cell stack in the housing. As an alternative or in addition, the fuel cell stack can be pressed by means of foils and/or adhesive, it being possible in particular for the gluing to be carried out in the prestressed state of the fuel cell stack.

Ist vorgesehen, die Einzelzellen zumindest zeitweise aneinander zu fixieren, wird insbesondere eine stoffschlüssige Verbindung bevorzugt. Beispielsweise ist diese derart ausgeführt, dass sich ein Klebstoff innerhalb des Brennstoffzellen-Stapels bei Erreichen einer bestimmten Temperatur im Betrieb desselben auflöst, so dass die Einzelzellen nicht mehr aneinander fixiert sind. Somit ist es möglich, Einzelzellen ohne großen Aufwand aus dem Brennstoffzellen-Stapel zu entnehmen und beispielsweise auszutauschen.If the individual cells are intended to be fixed to one another at least temporarily, a bonded connection is particularly preferred. For example, this is designed in such a way that an adhesive within the fuel cell stack dissolves when a certain temperature is reached during operation of the same, so that the individual cells are no longer fixed to one another. It is thus possible to remove individual cells from the fuel cell stack and, for example, replace them without great effort.

Denkbar ist auch, dass die stoffschlüssige Verbindung beständig ist und die Einzelzellen über die gesamte Lebensdauer der Brennstoffzellen-Anordnung aneinander befestigt sind. Dadurch ist es möglich, dass ein Vorspannen des Brennstoffzellen-Stapels beispielsweise mittels Spannbänder entfallen kann, wodurch eine Teileanzahl des Brennstoffzellen-Stapels verringert ist.It is also conceivable that the material connection is permanent and the individual cells are attached to one another over the entire service life of the fuel cell arrangement. This makes it possible for the fuel cell stack to be prestressed, for example by means of tensioning straps, so that the number of parts in the fuel cell stack is reduced.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere Anschlüsse vorgesehen, wobei dem Brennstoffzellen-Stapel über einen Anschluss ein Treibgas und über einen weiteren Anschluss ein Oxidationsgas zuführbar ist. Hierzu sind die Anschlüsse als Durchgangsöffnungen in den Boden des Gehäuses eingebracht.In a further advantageous embodiment, a plurality of connections are provided, with a propellant gas being able to be supplied to the fuel cell stack via one connection and an oxidation gas being able to be supplied via a further connection. For this purpose, the connections are introduced as through openings in the bottom of the housing.

Vorzugsweise ist der zumindest eine Anschluss derart ausgebildet, dass ein Leitungsabschnitt zur Medienführung mittels zumindest eines Schnellverschlusses an dem Gehäuseunterteil befestigbar ist. Bevorzugt ist der zumindest eine Schnellverschluss außen am Gehäuse angeordnet. Mittels des Schnellverschlusses ist ein Leitungsabschnitt zur Medienführung mit dem Gehäuse verbindbar. Dadurch ist zumindest die äußere Medienführung von dem Gehäuse separiert, so dass der Leitungsabschnitt und/oder das Gehäuse bei einem Ausbau desselben voneinander separierbar sind.The at least one connection is preferably designed in such a way that a line section for media routing can be fastened to the lower housing part by means of at least one quick-release fastener. The at least one quick-release fastener is preferably arranged on the outside of the housing. A line section for media routing can be connected to the housing by means of the quick-release fastener. As a result, at least the outer media guide is separated from the housing, so that the line section and/or the housing can be separated from one another when the same is removed.

In besonders vorteilhafter Weise ist der zumindest eine Schnellverschluss an der den Boden bildenden Wandung des Gehäuseunterteiles befestigt, wobei der zumindest eine Schnellverschluss kraft- und/oder formschlüssig an dem Gehäuseunterteil befestigt ist, so dass der zumindest eine Schnellverschluss, beispielsweise bei Beschädigung desselben, weitestgehend zerstörungsfrei von dem Gehäuseunterteil abnehmbar ist.In a particularly advantageous manner, the at least one quick-release fastener is attached to the wall of the lower housing part that forms the base, the at least one quick-release fastener being fastened to the lower housing part in a non-positive and/or positive manner, so that the at least one quick-release fastener is largely non-destructive, for example if it is damaged can be removed from the housing base.

Alternativ oder zusätzlich kann der zumindest eine Schnellverschluss auch stoffschlüssig an dem Gehäuseunterteil befestigt sein.Alternatively or additionally, the at least one quick-release fastener can also be attached to the lower housing part in a materially bonded manner.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass an dem zumindest einen Anschluss innerhalb des Gehäuseunterteiles ein Dichtelement angeordnet ist, um zu erreichen, dass die Medienführung weitestgehend fluidisch dicht ausgebildet ist. Mittels der Vorspannung des zumindest einen elastisch verformbaren Elementes ist der Brennstoffzellen-Stapel gegen das Dichtelement pressbar, wodurch die Dichtwirkung optimiert ist.A particularly advantageous embodiment provides that a sealing element is arranged on the at least one connection inside the lower housing part in order to achieve that the media guide is designed to be as fluidically tight as possible. The fuel cell stack can be pressed against the sealing element by means of the prestressing of the at least one elastically deformable element, as a result of which the sealing effect is optimized.

Besonders vorteilhaft sind bzw. ist das Gehäuseunterteil und/oder der Gehäusedeckel aus Metall und/oder Faserverbundkunststoff gebildet, wobei das Gehäuse in Leichtbauweise herstellbar ist, um vorteilhaft Gewicht der Brennstoffzellen-Anordnung zu verringern. Beispielsweise ist das Gehäuseunterteil und/oder der Gehäusedeckel aus einer Aluminium- und/oder einer Magnesiumlegierung und/oder aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff und/oder einem kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff gebildet.Particularly advantageously, the lower housing part and/or the housing cover is made of metal and/or fiber-reinforced plastic, with the housing being able to be produced in a lightweight construction in order to advantageously reduce the weight of the fuel cell arrangement. For example, the lower housing part and/or the housing cover is formed from an aluminum and/or a magnesium alloy and/or from a carbon-fibre-reinforced plastic and/or from a carbon-fibre-reinforced carbon.

Zudem kann vorgesehen sein, dass das Gehäuseunterteil und/oder der Gehäusedeckel zumindest bereichsweise elektrisch isolieren bzw. isoliert, um eine sogenannte Isolationsstrecke zu bilden. Auch können bzw. kann das Gehäuseunterteil und/oder der Gehäusedeckel thermisch isolieren, so dass ein Wärmemanagement insbesondere für eine Kaltstartfähigkeit der Brennstoffzellen-Anordnung verbessert ist.Provision can also be made for the lower housing part and/or the housing cover to insulate or insulate electrically at least in regions in order to form a so-called insulation gap. The lower housing part and/or the housing cover can also thermally insulate, so that heat management is improved, in particular for a cold start capability of the fuel cell arrangement.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:

  • 1 schematisch eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Anordnung und
  • 2 schematisch eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Anordnung.
show:
  • 1 schematically a sectional view of a first embodiment of a fuel cell assembly according to the invention and
  • 2 schematically shows a sectional view of a second embodiment of the fuel cell assembly according to the invention.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.

In 1 ist eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Brennstoffzellen-Anordnung dargestellt. Die Brennstoffzellen-Anordnung weist einen aus einer Anzahl von Einzelzellen 1 gebildeten Brennstoffzellen-Stapel 2 und ein aus einem Gehäuseunterteil 3 und einem Gehäusedeckel 4 gebildetes Gehäuse auf. Die Brennstoffzellen-Anordnung ist für ein Fahrzeug vorgesehen, wobei u. a. mittels des Brennstoffzellen-Stapels 2 elektrische Energie erzeugt wird, die anschließend mittels eines Elektromotors in kinetische Energie umgewandelt wird.In 1 a sectional view of a first embodiment of a fuel cell arrangement is shown. The fuel cell arrangement has a fuel cell stack 2 formed from a number of individual cells 1 and a housing formed from a lower housing part 3 and a housing cover 4 . The fuel cell arrangement is provided for a vehicle, electric energy being generated by means of the fuel cell stack 2, among other things, which is then converted into kinetic energy by means of an electric motor.

Der Brennstoffzellen-Stapel 2 ist in dem Gehäuseunterteil 3 angeordnet, welches mittels des Gehäusedeckels 4 verschließbar ist.The fuel cell stack 2 is arranged in the lower housing part 3 which can be closed by means of the housing cover 4 .

Das Gehäuseunterteil 3 und/oder der Gehäusedeckel 4 sind bevorzugt in der sogenannten Leichtbauweise hergestellt, um das Gewicht der Brennstoffzellen-Anordnung zu verringern.The lower housing part 3 and/or the housing cover 4 are preferably manufactured using the so-called lightweight construction in order to reduce the weight of the fuel cell arrangement.

Bevorzugt sind das Gehäuseunterteil 3 und/oder der Gehäusedeckel 4 aus Metall, beispielsweise einer Aluminium- und/oder Magnesiumlegierung und/oder aus Kunststoff, insbesondere aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und/oder aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff gebildet. Sind bzw. ist das Gehäuseunterteil 3 und der Gehäusedeckel 4 aus einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und/oder aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kohlenstoff als Kunststoff gebildet, so sind das Gehäuseunterteil 3 und der Gehäusedeckel 4 elektrisch isolierend.The lower housing part 3 and/or the housing cover 4 are preferably made of metal, for example an aluminum and/or magnesium alloy and/or plastic, in particular carbon fiber reinforced plastic and/or carbon fiber reinforced carbon de. If the lower housing part 3 and the housing cover 4 are made of a carbon fiber-reinforced plastic and/or a carbon fiber-reinforced carbon plastic, then the lower housing part 3 and the housing cover 4 are electrically insulating.

In einer alternativen Ausführungsform sind bzw. ist das Gehäuseunterteil 3 und/oder der Gehäusedeckel 4 nur abschnittsweise aus Kunststoff gebildet, so dass das Gehäuseunterteil 3 und/oder der Gehäusedeckel 4 in diesen Abschnitten elektrisch isoliert, um eine Isolationsstrecke zu bilden. Vorzugsweise sind bzw. ist das Gehäuseunterteil 3 und/oder der Gehäusedeckel 4 in vorgegebenen Abschnitten aus Kunststoff gebildet, so dass eine Handhabung des Gehäuses vereinfacht ist. Dazu kann weiterhin vorgesehen sein, dass die elektrisch isolierenden Bereiche hervorgehoben gekennzeichnet sind, wodurch die Handhabung erheblich vereinfacht ist.In an alternative embodiment, the lower housing part 3 and/or the housing cover 4 is only partially made of plastic, so that the lower housing part 3 and/or the housing cover 4 is electrically insulated in these sections to form an insulating gap. The lower housing part 3 and/or the housing cover 4 are preferably made of plastic in predetermined sections, so that handling of the housing is simplified. For this purpose, provision can also be made for the electrically insulating areas to be marked in a highlighted manner, as a result of which handling is considerably simplified.

Darüber hinaus kann das Gehäuse thermisch isoliert sein, wodurch ein Wärmemanagement der Brennstoffzellen-Anordnung verbessert ist und dadurch eine Kaltstartfähigkeit optimiert werden kann.In addition, the housing can be thermally insulated, as a result of which thermal management of the fuel cell arrangement is improved and cold start capability can thereby be optimized.

Das Gehäuseunterteil 3 weist fünf Wandungen auf, wobei eine Öffnung des Gehäuseunterteiles 3 nach oben gerichtet ist. In eine den Boden des Gehäuseunterteiles 3 bildende Wandung sind zwei Durchgangslöcher eingebracht, in welchen jeweils beispielsweise ein Rohrstück als Anschluss A zur Medienführung angeordnet ist. Die Anschlüsse A ragen im Inneren des Gehäuseunterteiles 3 von der den Boden bildenden Wandung ab. Eine Position der Anschlüsse A korrespondiert mit an dem Brennstoffzellen-Stapel 2 ausgebildeten nicht gezeigten Anschlusselementen zur Medienführung.The lower housing part 3 has five walls, with an opening of the lower housing part 3 being directed upwards. In a wall forming the bottom of the lower housing part 3, two through-holes are introduced, in each of which, for example, a piece of pipe is arranged as connection A for media routing. The connections A protrude inside the lower housing part 3 from the wall forming the base. A position of the connections A corresponds to connection elements, not shown, formed on the fuel cell stack 2 for media routing.

Auf dem jeweiligen Anschluss A ist im Gehäuseunterteil 3 ein Dichtelement 5 angeordnet, so dass die Medienführung im Verbindungsbereich zwischen Anschluss A und Brennstoffzellen-Stapel 2 fluidisch dicht ausgeführt ist. Insbesondere ist die Verbindung zwischen dem Anschluss A und dem Brennstoffzellen-Stapel 2 als formschlüssige Steckverbindung ausgebildet.A sealing element 5 is arranged on the respective connection A in the lower housing part 3, so that the media routing in the connection area between connection A and the fuel cell stack 2 is designed to be fluid-tight. In particular, the connection between the connection A and the fuel cell stack 2 is designed as a positive plug connection.

Die Medienführung außerhalb des Gehäuseunterteiles 3 ist insbesondere als nicht näher gezeigte Leitungsabschnitte ausgebildet, wobei sich ein jeweiliger Leitungsabschnitt außerhalb des Gehäuseunterteiles 3 von einem Anschluss A zu einer nicht näher dargestellten jeweiligen Speichervorrichtung erstreckt. In jeweils einer Speichervorrichtung ist ein Medium zum Betrieb des Brennstoffzellen-Stapels 2 gespeichert, wobei es sich bei den Medien um ein Brenngas und ein Oxidationsgas handelt. Darüber hinaus befindet sich auch ein weiterer Anschluss für ein Kühlmedium in der den Boden bildenden Wandung des Gehäuseunterteiles 3. D. h., dass sich alle erforderlichen Anschlüsse A zum Betrieb des Brennstoffzellen-Stapels 2 an dem Gehäuse, insbesondere dem Gehäuseunterteil 3 befinden. Da alle Anschlüsse A an der den Boden bildenden Wandung angeordnet sind und der Brennstoffzellen-Stapel 2 in Richtung der Fahrzeughochachse gestapelt ist, kann Wasser, welches im Betrieb des Brennstoffzellen-Stapels 2 entsteht, in Richtung Boden des Gehäuseunterteiles 2 abgeleitet werden. Dort kann wenigstens eine Komponente angeordnet sein, mittels welcher das Wasser abscheidbar ist. Dadurch kann im Wesentlichen vermieden werden, dass das Wasser bei Minustemperaturen im Gehäuse friert, wodurch die Funktion des Brennstoffzellen-Stapels 2 beeinträchtigt sein kann.The media routing outside the lower housing part 3 is designed in particular as line sections not shown in detail, with a respective line section extending outside the lower housing part 3 from a connection A to a respective storage device not shown in detail. A medium for operating the fuel cell stack 2 is stored in each storage device, the media being a fuel gas and an oxidation gas. In addition, there is also a further connection for a cooling medium in the wall of the lower housing part 3 that forms the base. Since all connections A are arranged on the wall forming the floor and the fuel cell stack 2 is stacked in the direction of the vertical axis of the vehicle, water that occurs during operation of the fuel cell stack 2 can be drained in the direction of the bottom of the lower housing part 2 . At least one component can be arranged there, by means of which the water can be separated. This can essentially prevent the water from freezing in the housing at sub-zero temperatures, as a result of which the function of the fuel cell stack 2 can be impaired.

Die Leitungsabschnitte sind mittels Schnellverschlüssen an dem jeweiligen Anschluss A befestigbar, wobei die außerhalb des Gehäuseunterteiles 3 angeordneten Schnellverschlüsse vergleichsweise stabil ausgebildet sind. Beispielsweise sind diese als sogenannte Bügelverschlüsse ausgebildet.The line sections can be fastened to the respective connection A by means of quick-release fasteners, the quick-release fasteners arranged outside of the lower housing part 3 being of comparatively stable design. For example, these are designed as so-called clip locks.

Alternativ dazu können die Leitungsabschnitte auch mittels anderer geeigneter Vorrichtungen an dem jeweiligen Anschluss A befestigt sein.As an alternative to this, the line sections can also be fastened to the respective connection A by means of other suitable devices.

In dem Gehäuseunterteil 3 ist der Brennstoffzellen-Stapel 2 angeordnet, wobei die Einzelzellen 1 in Z-Richtung, also in Richtung der Fahrzeughochachse gestapelt sind. Der Brennstoffzellen-Stapel 2 ist mittels nicht gezeigter Spannelemente axial, d. h. in Spannrichtung verpresst, wobei als Spannelemente Spannbänder einsetzbar sind. Mittels der Spannelemente ist der Brennstoffzellen-Stapel 2 als kompakte Einheit gebildet und die Einzelzellen 1 können innerhalb des Brennstoffzellen-Stapels 2 nicht verrutschen. Denkbar ist auch ein Einsatz von Folie oder anderer geeigneter Mittel, mittels derer der Brennstoffzellen-Stapel 2 verpresst werden kann.The fuel cell stack 2 is arranged in the lower housing part 3, the individual cells 1 being stacked in the Z direction, ie in the direction of the vertical axis of the vehicle. The fuel cell stack 2 is axially, i. H. pressed in the clamping direction, with clamping straps being used as clamping elements. The fuel cell stack 2 is formed as a compact unit by means of the clamping elements and the individual cells 1 cannot slip within the fuel cell stack 2 . It is also conceivable to use foil or other suitable means, by means of which the fuel cell stack 2 can be pressed.

Alternativ oder zusätzlich können die Einzelzellen 1 zumindest zeitweise stoffschlüssig aneinander fixiert werden, wobei der Brennstoffzellen-Stapel 2 bei der stoffschlüssigen Fixierung, z. B. mittels Klebstoff, vorgespannt, also komprimiert ist. Auch mittels der stoffschlüssigen Verbindung der Einzelzellen 1 sind dieselben zumindest gegen ein Verrutschen insbesondere beim Einbau des Brennstoffzellen-Stapels 2 in das Gehäuseunterteil 3 gesichert.Alternatively or additionally, the individual cells 1 can be fixed to one another at least temporarily in a materially bonded manner, with the fuel cell stack 2 being fixed in a materially bonded manner, e.g. B. by means of adhesive, biased, so is compressed. Also by means of the integral connection of the individual cells 1, the same are at least secured against slipping, in particular when the fuel cell stack 2 is installed in the lower housing part 3.

Sowohl mittels der Spannelemente und/oder anderer geeigneter Mittel als auch mittels der stoffschlüssigen Verbindung der Einzelzellen 1 ist der Brennstoffzellen-Stapel 2 kompakt ausgebildet, wodurch der Einbau in das Gehäuseunterteil 3 und der Ausbau aus dem Gehäuseunterteil 3 wesentlich vereinfacht ist.The fuel cell stack 2 is designed to be compact both by means of the clamping elements and/or other suitable means and by means of the integral connection of the individual cells 1, as a result of which installation in the lower housing part 3 and removal from the lower housing part 3 is significantly simplified.

Das Gehäuseunterteil 3 ist mittels des Gehäusedeckels 4 verschließbar, welcher ebenfalls fünf Wandungen aufweist.The lower housing part 3 can be closed by means of the housing cover 4, which also has five walls.

Zwischen dem Brennstoffzellen-Stapel 2 und dem Gehäusedeckel 4 sind mehrere elastisch verformbare Elemente 6 in Form von Federelementen, insbesondere in Form von Schraubenfedern angeordnet, deren Federachsen sich in Richtung der Fahrzeughochachse erstrecken. Die elastisch verformbaren Elemente 6 sind bevorzugt zumindest kraft-, form- und/oder stoffschlüssig an dem Gehäusedeckel 4 befestigt.A plurality of elastically deformable elements 6 in the form of spring elements, in particular in the form of helical springs, are arranged between the fuel cell stack 2 and the housing cover 4, the spring axes of which extend in the direction of the vertical axis of the vehicle. The elastically deformable elements 6 are preferably fastened to the housing cover 4 at least in a non-positive, positive and/or material manner.

Alternativ oder zusätzlich können die elastisch verformbaren Elemente 6 auch als andere geeignete Elemente, wie beispielsweise eine Kompressionsplatte und/oder -matte ausgebildet sein.Alternatively or additionally, the elastically deformable elements 6 can also be in the form of other suitable elements, such as a compression plate and/or compression mat.

Im geschlossenen Zustand des Gehäuses sind die elastisch verformbaren Elemente 6 vorgespannt, so dass Druck auf den Brennstoffzellen-Stapel 2 ausgeübt wird, wodurch der Brennstoffzellen-Stapel 2 gegen die den Boden bildende Wandung des Gehäuseunterteiles 3 gepresst wird. Dadurch wird der Brennstoffzellen-Stapel 2 auch gegen die Dichtelemente 5 im Bereich der Anschlüsse gepresst, wodurch die Dichtwirkung erhöht werden kann und wodurch Toleranzen, insbesondere Fertigungstoleranzen und Wärmeausdehnungen von Bauteilen ausgeglichen werden können.In the closed state of the housing, the elastically deformable elements 6 are pretensioned, so that pressure is exerted on the fuel cell stack 2, as a result of which the fuel cell stack 2 is pressed against the wall of the housing lower part 3 forming the base. As a result, the fuel cell stack 2 is also pressed against the sealing elements 5 in the area of the connections, as a result of which the sealing effect can be increased and tolerances, in particular manufacturing tolerances and thermal expansions of components, can be compensated for.

Um den Brennstoffzellen-Stapel 2 aus dem Gehäuse zu entnehmen, wird der Gehäusedeckel 4 von dem Gehäuseunterteil 3 abgenommen und eine Hochvolt-Schnittstelle zu dem Brennstoffzellen-Stapel 2 getrennt. Anschließend ist der Brennstoffstoffzellen-Stapel 2 als kompakte Einheit ohne großen Aufwand aus dem Gehäuseunterteil 3 entnehmbar.In order to remove the fuel cell stack 2 from the housing, the housing cover 4 is removed from the housing bottom part 3 and a high-voltage interface to the fuel cell stack 2 is disconnected. The fuel cell stack 2 can then be removed from the lower housing part 3 as a compact unit without great effort.

Zur mechanischen Entlastung des Gehäusedeckels 4 im geschlossenen Zustand des Gehäuses kann vorgesehen sein, dass der Brennstoffzellen-Stapel 2, wie oben beschrieben, mittels einer eigenen Kompressionsvorrichtung, insbesondere der Spannelemente, komprimierbar ist.For mechanical relief of the housing cover 4 in the closed state of the housing, it can be provided that the fuel cell stack 2, as described above, can be compressed by means of its own compression device, in particular the clamping elements.

Zur Erzielung einer höheren Leistung des Brennstoffzellen-Stapels 2 und/oder zum Ausgleich von Spannungsdegradation, beispielsweise aufgrund von Verschleißerscheinungen, ist es möglich, den Brennstoffzellen-Stapel 2 um weitere Einzelzellen 1 zu erweitern, wie in 2 gezeigt ist. Z. B. kann die Erweiterung in einer Werkstatt bei Durchführung von Reparatur- und/oder Wartungsarbeiten an der Brennstoffzellen-Anordnung ausgeführt werden.In order to achieve a higher performance of the fuel cell stack 2 and/or to compensate for voltage degradation, for example due to signs of wear, it is possible to expand the fuel cell stack 2 with additional individual cells 1, as in 2 is shown. For example, the expansion can be carried out in a workshop when carrying out repair and/or maintenance work on the fuel cell arrangement.

In Abhängigkeit der Anzahl der Einzelzellen 1 um die der Brennstoffzellen-Stapel 2 erweitert werden soll, ist ein tieferer Gehäusedeckel 4 erforderlich, so dass das Gehäuse geschlossen werden kann. Hierzu müssen die seitlichen Wandungen des Gehäusedeckels 4 höher ausgebildet sein.Depending on the number of individual cells 1 by which the fuel cell stack 2 is to be expanded, a deeper housing cover 4 is required so that the housing can be closed. For this purpose, the side walls of the housing cover 4 must be higher.

Auch zwischen dem tiefer ausgebildeten Gehäusedeckel 4 und dem Brennstoffzellen-Stapel 2 ist eine Anzahl von elastisch verformbaren Elementen 5 angeordnet, um Druck auf den Brennstoffzellen-Stapel 2 auszuüben.A number of elastically deformable elements 5 are also arranged between the lower housing cover 4 and the fuel cell stack 2 in order to exert pressure on the fuel cell stack 2 .

Claims (8)

Brennstoffzellen-Anordnung mit einem geschlossenen Gehäuse, in dem eine Anzahl von zu einem Brennstoffzellen-Stapel (2) zusammengefassten Einzelzellen (1) angeordnet ist, wobei das Gehäuse aus einem Gehäuseunterteil (3) und einem Gehäusedeckel (4) gebildet ist und wobei zumindest zwischen dem Gehäusedeckel (4) und dem Brennstoffzellen-Stapel (2) ein elastisch verformbares Element (6) angeordnet ist, mittels dessen Druck auf den Brennstoffzellen-Stapel (2) ausübbar ist, wobei der Brennstoffzellen-Stapel (2) mittels zumindest eines Spannelementes in Stapelrichtung vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Boden des Gehäuseunterteiles (3) bildende Wandung zumindest einen Anschluss (A) für eine Medienführung aufweist, dass ferner eine Position des zumindest einen Anschlusses (A) mit an dem Brennstoffzellen-Stapel (2) ausgebildeten Anschlusselementen zur Medienführung korrespondiert; und dass die Verbindung zwischen dem Anschluss (A) und dem Brennstoffzellen-Stapel (2) als formschlüssige Steckverbindung ausgebildet ist.Fuel cell arrangement with a closed housing in which a number of individual cells (1) combined to form a fuel cell stack (2) are arranged, the housing being formed from a housing base (3) and a housing cover (4) and at least between an elastically deformable element (6) is arranged on the housing cover (4) and the fuel cell stack (2), by means of which pressure can be exerted on the fuel cell stack (2), the fuel cell stack (2) being clamped by means of at least one clamping element in stacking direction, characterized in that a wall forming the base of the lower housing part (3) has at least one connection (A) for media routing, that furthermore a position of the at least one connection (A) is formed on the fuel cell stack (2). Corresponding connection elements for media management; and that the connection between the connection (A) and the fuel cell stack (2) is designed as a positive plug connection. Brennstoffzellen-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elastisch verformbare Element (6) ein Federelement, insbesondere eine Schraubenfeder ist.Fuel cell arrangement after claim 1 , characterized in that the at least one elastically deformable element (6) is a spring element, in particular a helical spring. Brennstoffzellen-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die den Brennstoffzellen-Stapel (2) bildenden Einzelzellen (1) zumindest zeitweise aneinander fixiert sind.Fuel cell arrangement after claim 1 or 2 , characterized in that the fuel cell stack (2) forming individual cells (1) are at least temporarily fixed to each other. Brennstoffzellen-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (1) stoffschlüssig aneinander fixiert sind.Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the individual cells (1) are fixed to one another in a materially joined manner. Brennstoffzellen-Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Anschluss (A) derart ausgebildet ist, dass ein Leitungsabschnitt zur Medienführung mittels zumindest eines Schnellverschlusses an dem Gehäuseunterteil (3) befestigbar ist.Fuel cell arrangement after claim 4 , characterized in that the at least one connection (A) is designed in such a way that a line section for media guidance can be fastened to the lower housing part (3) by means of at least one quick-release fastener. Brennstoffzellen-Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Schnellverschluss an der den Boden bildenden Wandung des Gehäuseunterteiles (3) befestigt ist.Fuel cell arrangement after claim 4 or 5 , characterized in that the at least one quick-release fastener is fastened to the wall of the lower housing part (3) forming the base. Brennstoffzellen-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zumindest einen Anschluss (A) innerhalb des Gehäuseunterteiles (3) ein Dichtelement (5) angeordnet ist.Fuel cell arrangement according to one of Claims 4 until 6 , characterized in that a sealing element (5) is arranged on the at least one connection (A) inside the lower housing part (3). Brennstoffzellen-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseunterteil (3) und/oder der Gehäusedeckel (4) aus Metall und/oder Faserverbundkunststoff gebildet sind bzw. ist.Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the lower housing part (3) and/or the housing cover (4) are made of metal and/or fiber composite plastic.
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