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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In der
US 2013/0230785 A1 ist ein Brennstoffzellenstapel offenbart, welcher einen ersten Anschlusssockel, eine erste Isolierplatte, eine erste Endplatte und einen ersten Isolierkragen aufweist. Der Isolierkragen weist ein erstes rohrförmiges Teil und einen ersten Flansch auf. Das erste rohrförmige Teil ist dabei in einem ersten Medienverteilerrohr vorgesehen und der erste Flansch ist an einem Ende des ersten rohrförmigen Teils angeordnet. Das andere Ende des ersten rohrförmigen Teils ragt aus dem ersten Medienverteilerrohr heraus und steht mit einer inneren Umfangsfläche des ersten Medienverteilerrohrs in Kontakt, wobei das erste rohrförmige Teil relativ zur inneren Umfangsfläche mittels eines Dichtelements einer äußeren Umfangsfläche des ersten rohrförmigen Teils verschiebbar ist. Der erste Flansch ist mit der ersten Isolierplatte mittels eines endseitig angeordneten Dichtelements verbunden.
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Weiterhin ist in der
US 2009/0197149 A1 eine Brennstoffzellenanordnung offenbart, umfassend einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, eine lösbare Klemme zum Halten der Komponenten des Brennstoffzellenstapels und ein Gehäuse zur Aufnahme des Brennstoffzellenstapels. Das Gehäuse umfasst an einem geschlossenen Ende abragende Endstücke, welche mit Dichtungen versehen sind. Die Endstücke sind mit Kanalstrukturen zur Zuführung und Abführung von Gasen und Elektrolyten verbunden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Brennstoffzellenanordnung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Brennstoffzellenanordnung umfasst als Komponenten einen Brennstoffzellenstapel, zumindest eine Endplatte, die den Brennstoffzellenstapel stirnseitig abschließt, und eine Anzahl von Anschlüssen für eine korrespondierende Anzahl von Strömungskanälen, die in den Brennstoffzellenstapel hineinführen. Weiterhin umfasst die Brennstoffzellenanordnung als Komponenten ein Gehäuse, in welchem der Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, eine Medienverteilereinheit, durch welche hindurch eine Anzahl von Leitungen zur Medienzuführung zu den Strömungskanälen und/oder zur Medienabführung von den Strömungskanälen angeordnet sind, und eine Anzahl von Dichtelementen zur Abdichtung der Komponenten zueinander. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest zwei erste Dichtelemente mittels jeweils eines Stegs miteinander verbunden sind, wobei jeweils eines der miteinander verbundenen ersten Dichtelemente zwischen zwei sich gegenüberliegenden Anlageflächen einer Leitung und eines Anschlusses angeordnet ist und wobei jeweils eine Stirnfläche des Dichtelemente einer Anlagefläche der zwei Komponenten zugewandt und gegen diese axial, d. h. senkrecht zu den Stirnflächen, verpresst ist.
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Die derart ausgebildete Brennstoffzellenanordnung ermöglicht eine einfache Montage insbesondere der Medienverteilereinheit, da mittels der axial verpressten ersten Dichtelemente keine exakte Positionierung der Leitungen gegenüber der Anschlüsse erforderlich ist, sondern auch leichte seitliche Versatze toleriert werden. Auch die Anordnung mehrerer miteinander verbundener erster Dichtelemente anstelle mehrerer separater erster Dichtelemente ermöglicht eine vereinfachte Montage. Weiterhin ist damit eine Abdichtung der zumindest einen Leitung gegenüber dem Strömungskanal des Brennstoffzellenstapels gegenüber dem Stand der Technik verbessert. Darüber hinaus ist eine Demontage gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht, da entsprechende Komponenten der Brennstoffzellenanordnung bei der Demontage aneinander vorbeigezogen werden können, d. h. beispielweise senkrecht zur Längsausrichtung des Brennstoffzellenstapels, wohingegen sie bei einem radial verpressten Dichtelement auseinander gezogen werden müssten, wofür entsprechender Bauraum benötigt wird. Damit sind eine Wartung und ein Austausch von Komponenten der Brennstoffzellenanordnung gegenüber dem Stand der Technik vereinfacht.
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Vorzugsweise sind die ersten Dichtelemente jeweils in einer in Umfangsrichtung geschlossenen Form ausgebildet, wobei die Stege jeweils radial vom Umfang abragen. Der Steg ermöglicht eine axiale Verpressung der ersten Dichtelemente, da dieser einen Widerstand bildet, so dass die ersten Dichtelemente beispielsweise nicht von einer inneren Wandung der Leitungen umschlossen werden können.
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Besonders bevorzugt sind dabei die miteinander verbundenen ersten Dichtelemente und die Stege einteilig miteinander ausgebildet, wodurch eine Herstellung der Verbindung der ersten Dichtelemente einfach und kostengünstig realisierbar ist.
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Zweckmäßigerweise sind die ersten Dichtelemente jeweils aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet. Dafür eignet sich insbesondere ein Material, welches elektromagnetische Wellen absorbiert, z. B. Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, Hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk oder Fluorkarbon-Kautschuk.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Gehäuse einen Gehäusedeckel, der in einer Längsausrichtung des Brennstoffzellenstapels parallel zur zumindest einen Endplatte angeordnet ist und mindestens eine Aussparung zur Hindurchführung zumindest einer der Anschlüsse oder zumindest einer der rohrförmigen Leitungen umfasst.
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Der Gehäusedeckel ist vorzugsweise durch Verschrauben mit dem anderen Bestandteil des Gehäuses verbunden. Dadurch ist eine dichte Anordnung des Brennstoffzellenstapels gegenüber einer äußeren Umgebung sichergestellt. Die in den Gehäusedeckel eingebrachte Aussparung ermöglicht eine Verbindung zwischen der Endplatte des Brennstoffzellenstapels und der Medienverteilerplatte, so dass Medien dem Brennstoffzellenstapel zugeführt und wieder von dem Brennstoffzellenstapel abgeführt werden können. Zum Brennstoffzellenstapel zuzuführende Medien sind beispielsweise Reaktanden, d. h. ein Brennstoff, zum Beispiel Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, zum Beispiel Sauerstoff. Ein vom Brennstoffzellenstapel abzuführendes Medium ist beispielsweise ein sich aus den Reaktanden bildendes Reaktionsprodukt, üblicherweise Wasser. Ein Medium, welches dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen und auch wieder aus diesem abzuführen ist, ist beispielsweise ein Temperiermedium zur Kühlung und/oder Erwärmung des Brennstoffzellenstapels.
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Vorzugsweise umfasst der Gehäusedeckel zumindest ein zweites Dichtelement, welches an einer der Endplatte zugewandten Stirnseite angeordnet ist und die zumindest eine Aussparung randseitig umschließt. Der Gehäusedeckel ist damit gegenüber der Endplatte abgedichtet, wobei das zumindest eine zweite Dichtelement axial gegen die Endplatte und gegen den Gehäusedeckel verpresst ist.
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Des Weiteren umfasst der Gehäusedeckel ein drittes Dichtelement, welches auf einer dem Gehäuse zugewandten Stirnseite des Gehäusedeckels angeordnet ist und einen Randbereich der Stirnseite zumindest abschnittsweise umschließt. Damit ist der Gehäusedeckel zum Gehäuse abgedichtet, wodurch eine elektromagnetische Verträglichkeit der Brennstoffzellenanordnung sichergestellt ist, da so der Brennstoffzellenstapel gegenüber der äußeren Umgebung abgeschirmt ist.
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Eine Alternative dazu bietet ein Formschluss zwischen dem Gehäusedeckel und dem Gehäuse, welcher mittels korrespondierend ausgeformter Hinterschneidungen realisiert ist. Durch Einbringen solcher Hinterschneidungen können gegenüber der Verwendung des dritten Dichtelements Kosten eingespart werden.
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Für eine mechanisch stabile Befestigung des Brennstoffzellenstapels mit dem Gehäuse weist das Gehäuse zumindest eine Befestigungsöffnung auf, in welche eine Aufnahmeplatte mit einer Durchführungsöffnung für ein Befestigungsmittel eingesetzt ist. Die zumindest eine Befestigungsöffnung und die Durchführungsöffnung sind, insbesondere um einen Längenausgleich für eine exakte Positionierung und Befestigung des Brennstoffzellenstapels im Gehäuse zu ermöglichen, langlochförmig ausgebildet. Damit sind die Befestigungsmittel, z. B. Schrauben, in Längsausrichtung des Gehäuses in den Langlöchern verschiebbar, zumindest vor einem vollständigen Festschrauben.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die die Endplatte auf einer dem Brennstoffzellenstapel zugewandten Stirnseite weitere erste Dichtelemente, die jeweils zwischen einer Anlagefläche eines Randbereichs eines der Anschlüsse und einer Anlagefläche eines Randbereichs eines der Strömungskanäle angeordnet sind. Damit sind die Anschlüsse gegenüber der Strömungskanäle zusätzlich abgedichtet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine teilweise Explosionsdarstellung einer Brennstoffzellenanordnung mit einer Medienverteilereinheit in perspektivischer Vorderansicht,
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2 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt der Brennstoffzellenanordnung gemäß 1 mit einer Vorderseite einer Endplatte,
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3 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt der Brennstoffzellenanordnung gemäß 1 mit einer Rückseite der Endplatte,
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4 schematisch eine teilweise Explosionsdarstellung der Brennstoffzellenanordnung mit der Medienverteilereinheit in perspektivischer Rückansicht, und
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5 schematisch eine teilweise Explosionsdarstellung einer Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Stand der Technik.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 bis 4 zeigen eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung B, umfassend einen Brennstoffzellenstapel 1, eine Medienverteilereinheit 2 und ein Gehäuse 3, in verschiedenen Ansichten.
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1 zeigt dabei eine teilweise Explosionsdarstellung der Brennstoffzellenanordnung B mit der Medienverteilereinheit 2 in perspektivischer Vorderansicht. Die 2 und 3 zeigen jeweils einen vergrößerten Ausschnitt der Brennstoffzellenanordnung B gemäß 1, wobei eine den Brennstoffzellenstapel 1 stirnseitig abschließende Endplatte 1.1 näher dargestellt ist und 2 einen unteren Bereich einer Vorderseite und 3 einen unteren Bereich einer Rückseite der Endplatte 1.1 zeigen. 4 zeigt die Brennstoffzellenanordnung B in teilweiser Explosionsdarstellung mit der Medienverteilereinheit 2 in perspektivischer Rückansicht.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung B ist insbesondere zur Integration in ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von Antriebsenergie in einem Fahrzeug geeignet und/oder ausgebildet.
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Dazu umfasst der Brennstoffzellenstapel 1 eine Mehrzahl von nicht näher dargestellter Brennstoffzellen, mittels derer eine chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.
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An jeder Stirnseite des Brennstoffzellenstapels 1 ist eine abschließende Endplatte 1.1 angeordnet, wobei eine der Endplatten 1.1 eine Kathodenendplatte und die andere der Endplatten 1.1 eine Anodenendplatte ist. Die im vorliegenden Ausführungsbeispiel gezeigte, der Medienverteilereinheit 2 zugewandte Endplatte 1.1 ist beispielsweise die Kathodenendplatte.
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Die Endplatten 1.1 sind beispielsweise jeweils aus einem metallischen Werkstoff gebildet und bilden eine strömungstechnische Schnittstelle zur Zu- und Abführung von Medien für einen Betrieb der Brennstoffzellenanordnung B.
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Zum Brennstoffzellenstapel 1 zuzuführende Medien sind beispielsweise ein erster Reaktand und ein zweiter Reaktand, d. h. ein Brennstoff, zum Beispiel Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, zum Beispiel Sauerstoff, wobei der Sauerstoff dem Brennstoffzellenstapel 1 beispielsweise in Form von Luft zuzuführen ist. Ein vom Brennstoffzellenstapel 1 abzuführendes Medium ist beispielsweise ein sich aus den Reaktanden bildendes Reaktionsprodukt, üblicherweise Wasser, d. h. die Medienverteilereinheit 2 trägt vorzugsweise auch zur Entwässerung des Brennstoffzellenstapels 1 bei. Des Weiteren kann auch ein nicht verbrauchter Anteil des jeweiligen Reaktanden wieder aus dem Brennstoffzellenstapel 1 abzuführen sein. Dabei ist insbesondere der nicht verbrauchte Anteil des Wasserstoffs zweckmäßigerweise wieder über einen nicht näher dargestellten Rückführungskanal dem Brennstoffzellenstapel 1 zuzuführen, so dass es sich bei diesem Anteil des Reaktanden Wasserstoff dann um ein abzuführendes und wieder zuzuführendes Medium handelt. Ein Medium, welches dem Brennstoffzellenstapel 2 zuzuführen und auch wieder aus diesem abzuführen ist, ist beispielsweise ein Temperiermedium zur Kühlung und/oder Erwärmung des Brennstoffzellenstapels 1, beispielsweise Kühlwasser oder eine andere Kühl- oder Temperierflüssigkeit.
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Um dies zu ermöglichen, weist die der Medienverteilereinheit 2 zugewandte Endplatte 1.1 eine Anzahl von Anschlüssen 1.1.1 auf, die einer Anzahl von Strömungskanälen SK zugeordnet sind, wobei die Strömungskanäle SK ausgehend von den Anschlüssen 1.1.1 jeweils in den Brennstoffzellenstapel 1 hineinführen.
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Die Anschlüsse 1.1.1 sind jeweils als Durchgangsöffnung ausgebildet und bilden ein Eingang oder Ausgang der Strömungskanäle SK.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Endplatte 1.1 in einem unteren Bereich und in einem oberen Bereich jeweils drei Anschlüsse 1.1.1 auf, die gemeinsam unter Bildung eines Kragens von einer Stirnseite der Endplatte 1.1 axial in Richtung der Medienverteilereinheit 2 abragen. Alternativ können die Randbereiche der Anschlüsse 1.1.1 auch randseitig mit der Oberfläche der Endplatte 1.1 abschließen.
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Die Anschlüsse 1.1.1 im oberen Bereich bilden dabei beispielsweise Schnittstellen zur Zuführung des Temperiermediums, des Oxidationsmittels und des Brennstoffs zum Brennstoffzellenstapel 1. Die Anschlüsse 1.1.1 im unteren Bereich bilden dahingegen Schnittstellen zur Abführung des Temperiermediums, der Luft mit dem nicht verbrauchten Anteil des Sauerstoffs und des nicht verbrauchten Anteils des Wasserstoffs vom Brennstoffzellenstapel 1.
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Die der Medienverteilereinheit 2 zugewandten Randbereiche der Anschlüsse 1.1.1 sind jeweils von einem ersten Dichtelement 4.1 umschlossen, welches eine in Umfangsrichtung geschlossene und zum Randbereich des jeweiligen Anschlusses 1.1.1 korrespondierende Form aufweist. Wie in 2 näher dargestellt, ist jeweils ein erstes Dichtelement 4.1 mit dem benachbart angeordneten ersten Dichtelement 4.1 mittels eines Stegs 4.1.1 verbunden, wobei die Stege 4.1.1 vorzugsweise einteilig mit den ersten Dichtelementen 4.1 ausgebildet sind. Wie in 3 gezeigt, können die Anschlüsse 1.1.1 zusätzlich auf der dem Brennstoffzellenstapel 1 zugewandten Seite ebenfalls derartige erste Dichtelemente 4.1 aufweisen, welche vorzugsweise gleich mit den ersten Dichtungselementen 4.1 auf der gegenüberliegenden Seite der Endplatte 1.1 ausgebildet sind. Damit können die ersten Dichtungselemente 4.1 für beide Stirnseiten der Endplatte 1.1 in einem gemeinsamen Prozess hergestellt werden.
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Eine Montage der ersten Dichtelemente 4.1 ist durch die Verbindung mittels der Stege 4.1.1 besonders vereinfacht, da die Dichtelemente 4.1 als ein Teil über die Anschlüsse 1.1.1 positioniert werden. Zudem verhindern die Stege 4.1.1 eine radiale Verpressung der ersten Dichtelemente 4.1 bei der Montage der Medienverteilereinheit 2, worauf im Folgenden eingegangen wird.
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Die ersten Dichtelemente 4.1 sind vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet, welches elektromagnetische Wellen absorbiert, wie beispielsweise Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk, Hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk oder Fluorkarbon-Kautschuk. Die ersten Dichtelemente 4.1 dienen dabei insbesondere einer abdichtenden Verbindung zwischen den Anschlüssen 1.1.1 und rohrförmigen Leitungen L, die der Zuführung der Medien zu den Strömungskanälen SK dienen und die jeweils zumindest abschnittsweise durch die Medienverteilereinheit 2 hindurchgeführt sind. Die rohrförmigen Leitungen L werden im Folgenden noch näher beschrieben.
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Die ersten Dichtelemente 4.1 sind dabei im montierten Zustand der Brennstoffzellenanordnung B jeweils zwischen dem Randbereich des Anschlusses 1.1.1 und einer Anlagefläche einer der röhrenförmigen Leitungen L angeordnet und axial gegen diese verpresst. D. h., eine Stirnfläche des ersten Dichtelementes 4.1 ist dem Randbereich des Anschlusses 1.1.1 und die andere Stirnfläche ist der Anlagefläche der rohrförmigen Leitung L zugewandt, wobei eine Verpresskraft senkrecht zu den Stirnflächen des ersten Dichtelements 4.1 und damit axial auf das erste Dichtelement 4.1 wirkt. Eine Stirnfläche der ersten Dichtungselemente 4.1 ist hierbei eine der Medienverteilereinheit 2 und eine der Endplatte 1.1 zugewandte Seite.
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Die ersten Dichtungselemente 4.1, die auf der gegenüberliegenden Stirnseite der Endplatte 1.1 angeordnet sind, werden dabei mit einer Anlagefläche des Brennstoffzellenstapels 1 im Randbereich der Strömungskanäle SK axial verpresst. Damit ist die Endplatte 1.1 auch gegen den Brennstoffzellenstapel 1 abgedichtet.
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Die Stege 4.1.1 verhindern ein Umschließen der ersten Dichtungselemente 4.1 durch eine innere Wandung der rohrförmigen Leitungen L, da diese einen Widerstand beim Verpressen der Medienverteilereinheit 2 mit dem Brennstoffzellenstapel 1 und dem Gehäuse 3 bilden. Damit werden auch leichte Versatze bei der Montage der Medienverteilereinheit 2 toleriert, so dass diese gegenüber radial zu verpressenden Dichtungen einfacher montierbar ist.
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Mittels der abdichtenden Verbindung wird insbesondere eine elektrische Kontaktierung von spannungsführenden Teilen des Brennstoffzellenstapels 1 mit elektrisch leitfähigen Teilen der Brennstoffzellenanordnung B, z. B. Komponenten der Medienverteilereinheit 2, vermieden. Zudem ist eine kompakte Verbindung zwischen der Medienverteilereinheit 2 und dem Brennstoffzellenstapel 1 sichergestellt, wobei Toleranzen bei der Positionierung der rohrförmigen Leitungen L auf die Anschlüsse 1.1.1 mittels der zuvor beschriebenen ersten Dichtelemente 4.1 gegeben sind, was eine Montage der Brennstoffzellenanordnung B gegenüber radial verpressten Dichtungen vereinfacht.
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Zudem sind jeweils die Anschlüsse 1.1.1 und die Anlageflächen der rohrförmigen Leitungen L mittels eines ersten Dichtelements 4.1 abgedichtet.
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Die Medienverteilereinheit 2 ist aus zwei aufeinander angeordneten Grundplatten 2.1, 2.2 ausgebildet. Die rohrförmigen Leitungen L sind jeweils zumindest abschnittsweise zwischen den beiden Grundplatten 2.1, 2.2 angeordnet. Die rohrförmigen Leitungen L sind dabei als Einlegeteile ausgebildet, welche in Einlegeausformungen 2.3 der Medienverteilereinheit 2 eingelegt sind.
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So ragen in der in den 1 und 4 dargestellten Ausführungsform lediglich Endabschnitte der rohrförmigen Leitungen L aus der Medienverteilereinheit 2 heraus.
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Zumindest eine der beiden Grundplatten 2.1, 2.2 ist zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig, aus einem metallischen Material ausgebildet, beispielsweise aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung, zum Beispiel in einem Gussverfahren. Vorzugsweise sind beide Grundplatten 2.1, 2.2 derart ausgebildet. Dadurch ist eine hohe Stabilität der Medienverteilereinheit 2 erreicht und insbesondere ist dadurch eine Abschirmung des Brennstoffzellenstapels 1 nach außen erreicht und somit eine elektromagnetische Verträglichkeit der Brennstoffzellenanordnung B sichergestellt, d. h., von der Brennstoffzellenanordnung B ausgehende elektromagnetische Störungen sind vermieden oder zumindest auf ein zulässiges und/oder vorgegebenes Maß reduziert.
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Die Medienverteilereinheit 2 ist mit dem Brennstoffzellenstapel 1 über eine form- und kraftschlüssige Verbindung mit der Endplatte 1.1 verbunden. Eine Befestigung der Medienverteilereinheit 2 an der Endplatte 1.1 erfolgt durch ein Verschrauben im Bereich der Anschlüsse 1.1.1 am Brennstoffzellenstapel 1, wobei entsprechende Schraubelemente durch dafür vorgesehene Schrauböffnungen der Grundplatten 2.1, 2.2 hindurchgeführt sind und beispielsweise in Gewinde, welche in der Endplatte 1.1 ausgebildet sind, eingeschraubt sind, so dass die Grundplatten 2.1, 2.2 mittels Schraubenköpfen der Schraubelemente gegeneinander und gegen den Brennstoffzellenstapel 1 gepresst sind.
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Die Medienverteilereinheit 2 ist darüber hinaus mit einem Gehäusedeckel 3.1 analog zur Endplatte 1.1 form- und kraftschlüssig verbunden, insbesondere verschraubt.
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Der Gehäusedeckel 3.1 ist in Längsausrichtung des Brennstoffzellenstapels 1 parallel zur Endplatte 1.1 angeordnet, so dass dieser zwischen der Endplatte 1.1 und der Medienverteilereinheit 2 angeordnet ist.
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Der Gehäusedeckel 3.1 weist in einem unteren Bereich und in einem oberen Bereich jeweils eine Aussparung 3.1.1 auf, durch die die Anschlüsse 1.1.1 der Strömungskanäle SK hindurchragen, wenn die Anschlüsse 1.1.1 in Form des Kragens in Richtung der Medienverteilereinheit 2 axial abragen, wie es in den vorliegenden Ausführungsbeispielen gezeigt ist. Alternativ ist es auch möglich, dass die rohrförmigen Leitungen L durch die Aussparungen 3.1.1 hindurchragen, wenn die Randbereiche der Anschlüsse 1.1.1 randseitig mit der Stirnseite der Endplatte 1.1 abschließen.
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Der Gehäusedeckel 3.1 weist jeweils in einem Randbereich der Aussparung 3.1.1, insbesondere auf einer der Endplatte 1.1 zugewandten Stirnseite, ein zweites Dichtelement 4.2 auf, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine in Umfangsrichtung geschlossene Form aufweist und somit die Aussparung 3.1.1 vollständig umschließt. Die zweiten Dichtelemente 4.2 dichten den Gehäusedeckel 3.1 gegenüber der Endplatte 1.1 ab, wobei die zweiten Dichtelemente 4.2 jeweils gegen den Gehäusedeckel 3.1 und gegen einen über die ersten Dichtungselemente 4.1 hinausgehenden Randbereich der Anschlüsse 1.1.1, z. B ein Randbereich des Kragens, axial verpresst sind, d. h., die Verpresskraft wirkt senkrecht zu den Stirnflächen der zweiten Dichtungselemente 4.2, wobei eine Stirnfläche der zweiten Dichtungselemente 4.2 hierbei eine dem Gehäusedeckel 3.1 und eine der Endplatte 1.1 zugewandte Seite entspricht.
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Die zweiten Dichtelemente 4.2 sind analog zu den ersten Dichtelementen 4.1 aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet.
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Der Gehäusedeckel 3.1 weist weiterhin ein drittes Dichtelement 4.3 auf, welches einen Randbereich der der Endplatte 1.1 zugewandten Stirnseite des Gehäusedeckels 3.1 abschnittsweise umschließt. Alternativ kann das dritte Dichtelement 4.3 den zuvor genannten Randbereich auch vollständig umschließen.
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Das dritte Dichtelement 4.3 dichtet den Gehäusedeckel 3.1 gegenüber dem Gehäuse 3 ab, so dass dadurch eine Abschirmung des Brennstoffzellenstapels 1 nach außen erreicht und eine elektromagnetische Verträglichkeit der Brennstoffzellenanordnung B gemeinsam mit der gegen die Endplatte 1.1 abgedichteten Medienverteilereinheit 2 sichergestellt ist.
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Alternativ oder zusätzlich können der Gehäusedeckel 3.1 und das Gehäuse 3 auch korrespondierende Hinterschneidungen aufweisen, wodurch der Gehäusedeckel 3.1 formschlüssig auf dem Gehäuse 3 anordenbar ist. Der Formschluss weist dabei im Querschnittsprofil eine Stufe auf, so dass ein Austreten elektromagnetischer Strahlen verhindert oder zumindest reduziert werden kann. Der stufenförmige Formschluss zwischen dem Gehäusedeckel 3.1 und dem Gehäuse 3 bietet dabei eine erhebliche Kostenreduzierung gegenüber der Anordnung des dritten Dichtelements 4.3, dessen Materialbeschaffungskosten vergleichsweise hoch sind.
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Der Gehäusedeckel 3.1 schließt das Gehäuse 3 stirnseitig im Bereich der Endplatte 1.1 ab, wobei der Brennstoffzellenstapel 1 in dem Gehäuse 3 angeordnet ist. Der Brennstoffzellenstapel 1 ist dabei mittels Spannmitteln, z. B. Spannbänder, verspannt.
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Zum Schutz des Brennstoffzellenstapels 2 im Gehäuse 3 gegen mechanische Einflüsse von außen, beispielsweise bei einer Kollision eines Fahrzeugs, in welchem die Brennstoffzellenanordnung B installiert ist, mit einem Hindernis, ist das Gehäuse 3 zweckmäßigerweise ausreichend stabil ausgebildet.
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Dazu ist das Gehäuse 3 aus Metall oder aus einer Kombination von metallischem Material und Kunststoff und/oder kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (CFC) ausgebildet.
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Zur Befestigung des Brennstoffzellenstapels 1 im Gehäuse 3 weist das Gehäuse 3 Befestigungsöffnungen 3.2 auf, in welche Aufnahmeplatten 3.3 einsetzbar sind. Auf diese Weise ist der Brennstoffzellenstapel 1 mittels Befestigungsschrauben 3.4 mit dem Gehäuse 3 zu verschrauben. Sowohl die Befestigungsöffnungen 3.2 als auch die Durchführungsöffnungen für die Befestigungsschrauben 3.4 in den Aufnahmeplatten 3.3 sind, um einen Längenausgleich für eine exakte Positionierung und Befestigung des Brennstoffzellenstapels 1 im Gehäuse 3 zu ermöglichen, langlochförmig ausgebildet, so dass die Befestigungsschrauben 3.4 in Längsrichtung des Gehäuses 3 in den Langlöchern verschiebbar sind, zumindest vor einem vollständigen Festschrauben.
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Um das Gehäuse 3 dichtend zu verschließen, sind auf die Aufnahmeplatten 3.3 jeweils eine nicht dargestellte Dichtung und eine ebenfall nicht dargestellte Abdeckung aufzusetzen. Mittels weiterer Befestigungselemente ist nach dem Befestigen des Brennstoffzellenstapels 1 im Gehäuse 3 die jeweilige Abdeckung zusammen mit der jeweiligen Dichtung und der jeweiligen Aufnahmeplatte 3.3 dichtend am Gehäuse 3 zu befestigen.
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In 5 ist eine Brennstoffzellenanordnung B gemäß dem Stand der Technik gezeigt, wobei die rohrförmigen Leitungen L ohne die Medienverteilereinheit 2 dargestellt sind.
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Die an der Endplatte 1.1 angeordneten Anschlüsse 1.1.1 weisen dabei separate Dichtungen auf, deren Funktion mit der Funktion der ersten Dichtungselemente 4.1, nämlich der Abdichtung der rohrförmigen Leitungen L gegenüber der Anschlüsse 1.1.1, korrespondiert. Die Dichtungen werden dabei von der inneren Wandung der jeweiligen rohrförmigen Leitung L umschlossen, so dass die Dichtungen radial mit den rohrförmigen Leitungen L verpresst werden, d. h. die Verpresskraft wirkt radial auf den äußeren Umfang der Dichtungen.
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Zwei der Anschlüsse 1.1.1, welche beispielsweise der Zuführung und Abführung des Oxidationsmittels zum Brennstoffzellenstapel 1 oder vom Brennstoffzellenstapel 2 dienen, weisen jeweils eine Dichtung auf, welche analog zu den zweiten Dichtungselementen 4.2 ohne Stege 4.1.1 ausgebildet sind und axial mit den Anschlüssen 1.1.1 und der rohrförmigen Leitung L verpresst werden.
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Die rohrförmigen Leitungen L müssen gemäß dem gezeigten Stand der Technik exakt positioniert werden, um eine ausreichend hohe Abdichtung der rohrförmigen Leitungen L zu den Anschlüssen 1.1.1 sicherzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenstapel
- 1.1
- Endplatte
- 1.1.1
- Anschluss
- 2
- Medienverteilereinheit
- 2.1, 2.2
- Grundplatte
- 2.3
- Einlegeausformungen
- 3
- Gehäuse
- 3.1
- Gehäusedeckel
- 3.1.1
- Aussparung
- 3.2
- Befestigungsöffnung
- 3.3
- Aufnahmeplatte
- 3.4
- Befestigungsschraube
- 4.1
- erstes Dichtelement
- 4.1.1
- Steg
- 4.2
- zweites Dichtelement
- 4.3
- drittes Dichtelement
- B
- Brennstoffzellenanordnung
- L
- rohrförmige Leitungen
- SK
- Strömungskanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0230785 A1 [0002]
- US 2009/0197149 A1 [0003]
