DE102017101515A1

DE102017101515A1 - Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem mit einem solchen

Info

Publication number: DE102017101515A1
Application number: DE102017101515.9A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Voigt; Ian Stewart
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2017-01-26
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2018-07-26

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (10), der einen Zellstapel (20) mit abwechselnd angeordneten Flussfeldplatten (25, 26) und Membran-Elektroden-Anordnungen (22) umfasst, wobei endständig des Zellstapels (20) jeweils eine endständige Flussfeldplatte (26) angeordnet ist, sowie eine erste und zweite Endplattenanordnung (30), zwischen denen der Zellstapel (20) angeordnet ist. Um ein laterales Verschieben des Zellstapels (20) relativ zur der Endplattenanordnung (30) zu verhindern, weisen die Endplattenanordnung (30) und/oder die endständige Flussfeldplatte (26) Mittel (40, 41, 42, 43, 45, 46) zur formschlüssigen und/oder zur reibschlüssigen Verbindung dieser Komponenten miteinander auf, beispielsweise in Gestalt einer rahmenartigen in Stapelrichtung (z) vorstehenden Erhebung (41) der Endplattenanordnung (30), in welche die endständige Flussfeldplatte (26) eingesetzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit reduzierter Lateralverschiebungsneigung des Zellstapels bezüglich der Endplattenanordnung. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem, das einen solchen Brennstoffzellenstapel aufweist, sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl in einem Zellstapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Flussfeldplatten (auch Bipolar- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen.
Der Zellstapel ist üblicherweise zwischen zwei Endplattenanordnungen angeordnet, die mittels Befestigungselementen miteinander verspannt sind, um die Einzelzellen abzudichten und zusammenzuhalten.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2 H⁺ + 2 e^-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O₂ + 2 e^- → O^2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2- + 2 H⁺ → H₂O). Der über die elektrische Leitung erfolgende Stromfluss kann zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers bzw. zum Laden einer Batterie genutzt werden.
DE 11 2004 002 300 T5 offenbart einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren in Reihe gestapelten Mehrzellenmodulen. Jedes der Mehrzellenmodule weist eine Vielzahl gestapelter Brennstoffzellen auf, die zwischen Endbrennstoffzellen angeordnet sind. Die Mehrzellenmodule sind zwischen Anschlussplatten, elektrischen Isolierelementen und Endplatten gestapelt. Die Endbrennstoffzellen eines Mehrzellenmoduls sind nach außen verlängert, um einen überstehenden Abschnitt zu bilden, wobei Befestigungselemente zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels durch Löcher der überstehenden Abschnitte geführt sind. Hierdurch ist Mehrzellenmodul vor Verrutschen in der Richtung senkrecht zu der Brennstoffzellenstapelrichtung geschützt. Ferner können zwei benachbarte Endbrennstoffzellen mittels Klebedichtungen miteinander verklebt sein.
DE 10 2015 114 636 A1 beschreibt ein System zum Ausrichten von Brennstoffzellen und Reduzieren von Relativbewegungen zwischen benachbarten Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel. Dazu sind entlang einem Rand der Bipolarplatten gewölbte Bezugspunkte angeordnet, welche eine ineinander gesetzte Passung mit Bezugspunkten einer benachbarten Bipolarplatte ermöglichen. Dadurch wird eine Beständigkeit gegenüber einer Gleitbewegung zwischen benachbarten Brennstoffzellen erhöht, die ansonsten bei Auftreten einer starken Beschleunigung entstehen kann.
JP 2009-070674 A offenbart einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl an Einzelzellen, welche zwischen einer Stromkollektorplatte, einer Isolierplatte und einer Endplatte je Stapelende gestapelt sind. Der Brennstoffzellenstapel umfasst externe Zurückhaltemittel, welche sich über eine gesamte Länge des Brennstoffzellenstapels erstrecken. Durch die Zurückhaltemittel wird eine Positionsverschiebung der Einzelzellen bei Einwirkung einer Aufprallkraft rechtwinkelig zur Stapelrichtung verhindert.
Die vorgeschriebenen Systeme sind ausgelegt, ein laterales Verrutschen der Einzelzellen des Zellstapels untereinander zu verhindern. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass im Falle von Stößen oder Vibrationen, wie sie beispielsweise bei Fahrzeuganwendungen und insbesondere bei Unfällen auftreten können, ein laterales Verrutschen des Zellstapels gegenüber den Endplattenanordnungen auftreten kann.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellenstapel zur Verfügung zu stellen, der eine Lateralverschiebung des Zellstapels gegenüber den Endplattenanordnungen erschwert oder sogar verhindert.
Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus in den Unteransprüchen genannten Merkmalen sowie der Beschreibung und den Figuren.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel umfasst einen Zellstapel mit abwechselnd angeordneten Flussfeldplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen. Am Ende des Zellstapels ist dabei jeweils eine endständige Flussfeldplatte angeordnet. Der Brennstoffzellenstapel umfasst ferner eine erste Endplattenanordnung und eine zweite Endplattenanordnung, zwischen denen der Zellstapel angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist die Endplattenanordnung und/oder die endständige Flussfeldplatte des Zellstapels Mittel zur formschlüssigen Verbindung und/oder Mittel zur reibschlüssigen Verbindung von Endplattenanordnungen und endständiger Flussfeldplatte miteinander auf. Die Mittel zur form- und/oder reibschlüssigen Verbindung sind dabei so ausgelegt, dass eine Relativbewegung des Zellstapels bezüglich der Endplattenanordnung(en) in einer Richtung orthogonal zu einer Stapelrichtung des Zellstapels erschwert oder sogar verhindert ist.
Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel stellt somit sicher, dass bei Stößen oder Vibrationen, wie sie beispielsweise in Brennstoffzellenfahrzeugen auftreten können, ein Verschieben des Zellstapels innerhalb der Endplattenanordnungen und damit das Auftreten von Undichtigkeiten verhindert wird.
Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels unterbundene Relativbewegung zwischen Zellstapel und Endplattenanordnung wird nachfolgend auch Lateralbewegung oder Lateralverschiebung genannt. Es versteht sich dabei, dass sich diese Relativbewegung auf eine Raumrichtung senkrecht zur Stapelrichtung des Zellstapels bzw. parallel zur der Plattenebene der einzelnen Stapelkomponenten bezieht. Bezeichnet man die Stapelrichtung in einem kartesischen Koordinatensystem mit z, so bezieht sich die zu verhindernde Relativbewegung auf eine in der xy-Ebene liegende Richtung. Vorzugsweise sind die form- und/oder reibschlüssigen Verbindungsmittel ausgebildet, eine Relativbewegung in sämtlichen in xy-Ebene verlaufende Richtungen zu erschweren.
Unter einer „formschlüssigen Verbindung“ beziehungsweise „Formschluss“ wird vorliegend eine lösbare Verbindung der beiden Verbindungspartner Endplattenanordnung und endständige Flussfeldplatte verstanden, die durch ein geometrisches Ineinandergreifen der beiden Verbindungspartner beziehungsweise von Strukturelementen von diesen herbeigeführt wird. Dabei besteht der Formschluss in einer Ebene senkrecht zur Stapelrichtung des Zellstapels, das heißt innerhalb der xy-Ebene. In Stapelrichtung (z-Richtung) des Zellstapels hingegen ist im Rahmen der Erfindung ein Formschluss zwar nicht ausgeschlossen, jedoch nicht notwendig.
Vorzugsweise erfolgt der Formschluss durch geeignete integrale Ausgestaltungen der Verbindungspartner Endplattenanordnung und/oder endständige Flussfeldplatte. Das heißt, dass kein separates Verbindungselement zur Herstellung des Formschlusses erforderlich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur formschlüssigen Verbindung eine rahmenartige, in Stapelrichtung (z-Richtung) vorstehende Erhebung der Endplattenanordnung, in welche die endständige Flussfeldplatte des Zellstapels formschlüssig eingesetzt ist. Mit anderen Worten wird somit innerhalb der rahmenartigen Erhebung der Endplattenanordnung eine Aufnahme oder ein Sitz für die endständige Flussfeldplatte ausgebildet, in welche /n die Flussfeldplatte passgenau eingesetzt ist. Vorteil dieser Ausführung ist, dass lediglich seitens der Endplattenanordnung eine Modifikation zur Erzeugung der formschlüssigen Verbindung erfolgen muss und die endständige Flussfeldplatte keinerlei Modifikation bedarf. Zudem wird durch den insbesondere ununterbrochen umlaufenden Rahmen der Endplattenanordnung eine Lateralbewegung des Zellstapels gegenüber der Endplattenanordnung besonders effektiv verhindert.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur formschlüssigen Verbindung zumindest ein in Stapelrichtung vorstehendes Formschlusselement der Endplattenanordnung sowie zumindest eine hierzu korrespondierende Ausnehmung (Vertiefung) der endständigen Flussfeldplatte. Die Sicherheit der Fixierung kann dadurch erhöht werden, dass eine Mehrzahl solcher Formschlusselemente seitens der Endplattenanordnung und Ausnehmungen seitens der endständigen Flussfeldplatte vorgesehen sind. Diese Ausführung ermöglicht einen Zuschnitt der Endplattenanordnung, der nicht oder nur wenig gegenüber dem Zellstapel hervorsteht.
Die verschiedenen vorgenannten Mittel zur formschlüssigen Verbindung erleichtern zudem den Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels, indem sie das Ausrichten des Stapels bezüglich der Endplattenanordnung in Form von Einrastpunkten erleichtern.
Unter einer „reibschlüssigen Verbindung“ (auch kraftschlüssigen Verbindung) wird eine Verbindung verstanden, welche die in Lateralrichtung (xy-Ebene) wirkende Haftreibung zwischen den beiden Verbindungspartnern bestehend aus Endplattenanordnung und endständiger Flussfeldplatte verglichen mit gleichartigen Verbindungspartnern aber ohne Mittel zum Reibschluss vergrößern. Die Mittel zur reibschlüssigen Verbindung führen somit zu einer Erhöhung der Haftreibkraft zwischen Endplattenanordnung und endständiger Flussfeldplatte in Lateralrichtung. Somit kann es zu einem Verschieben des Zellstapels bezüglich der Endplattenanordnung nur kommen, wenn die lateral einwirkende Lastkraft die Haftreibkraft übersteigt.
Vorzugsweise umfassen die Mittel zur reibschlüssigen Verbindung eine Maßnahme zur Erhöhung der zwischen der Endplattenanordnung und/oder der endständigen Flussfeldplatte wirkenden Haftkraft. Vorzugsweise ist die Maßnahme eine Anordnung eines Elements mit hohem Haftreibungskoeffizienten.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung umfassen die Mittel zur reibschlüssigen Verbindung ein auf der Endplattenanordnung und/oder der endständigen Flussfeldplatte angeordnetes Elastomerelement (Elements mit hohem Haftreibungskoeffizienten). Dabei kann das Elastomerelement beispielsweise aus Silikon, einem Gummi, Kautschuk oder dergleichen bestehen. In einer speziellen Ausbildung dieser Ausführung weist das Elastomerelement die Form eines umlaufenden Rings oder einer umlaufenden Wulst auf. Hierzu kann die Endplattenanordnung und/oder die endständige Flussfeldplatte eine Vertiefung, insbesondere eine Nut aufweisen, in welche das Elastomerelement angeordnet ist. Vorteil eines solchen Elastomerelements ist, dass dieses neben der Erhöhung der Haftreibung auch eine abdichtende Funktion aufweisen kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Mittel zur reibschlüssigen Verbindung eine auf der Endplattenanordnung und/oder der endständigen Flussfeldplatte aufgebrachte Haftbeschichtung eines Materials mit einem Haftreibungskoeffizienten, der größer ist als der der unbeschichteten Endplattenanordnung beziehungsweise Flussfeldplatte. Eine solche Haftbeschichtung kann voll- oder teilflächig vorgesehen sein. Vorteil der Haftbeschichtung ist, dass diese eine vergleichsweise große Fläche bedecken kann und somit besonders wirksam die Haftreibekraft zwischen endständiger Flussfeldplatte und Endplattenanordnung vergrößert.
Es versteht sich, dass die vorgenannten verschiedenen Mittel zur form- und reibschlüssigen Verbindung mit Vorteil auch in Kombination miteinander realisiert sein können.
Vorzugsweise ist die Endplattenanordnung aus mehreren Komponenten aufgebaut, umfassend eine in Kontakt mit der endständigen Flussfeldplatte stehenden Stromabnehmerplatte, eine Isolatorplatte und eine Endplatte. Aufgabe der Stromabnehmerplatte ist die Herstellung des elektrischen Kontakts zu den stromführenden Elementen des Zellstapels. Insbesondere ist die Stromabnehmerplatte mit elektrischen Anschlüssen zu einem äußeren Stromkreis verbunden. Aufgabe der Isolatorplatte ist, den Zellstapel und die Stromabnehmerplatte elektrisch nach außen zu isolieren. Die endständige Endplatte hat einerseits die Funktion des integralen Zusammenhalts der Teilplatten der Endplattenanordnung. Ferner dient die Endplatte der Endplattenanordnung der Anordnung von Anschlüssen für die Medienversorgung des Brennstoffzellenstapels. Zu diesem Zweck weist die Endplattenanordnung Anschlüsse für die Medieneinlässe und Medienauslässe für den Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff), des Oxidationsmittels (zum Beispiel Luft) und das Kühlmittel auf. Schließlich sind in den Endplattenanordnungen, insbesondere in deren Endplatten Befestigungsmittel verankert, mit denen der Zellstapel in Stapelrichtung verspannt wird.
Die Mittel zur formschlüssigen und/oder reibschlüssigen Verbindung sind vorzugsweise auf oder in der Stromabnehmerplatte und/oder der Isolatorplatte der Endplattenanordnung vorgesehen, da diese Platten der endständigen Flussfeldplatte des Zellstapels zugewandt sind beziehungsweise mit dieser in direktem Kontakt stehen.
Es versteht sich, dass die Erfindung Ausgestaltungen umfasst, in denen lediglich eine der beiden Endplattenanordnungen und die daran anschließende endständige Flussfeldplatte erfindungsgemäß mit form- und/oder reibschlüssigen Verbindungsmittels ausgestattet sind. Vorzugsweise sind jedoch beide Endplattenanordnungen und endständige Flussfeldplatten in der erfindungsgemäßen Weise realisiert.
Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung aufweist. Neben dem Brennstoffzellenstapel umfasst das System üblicherweise eine Anodengasversorgung für die Zu- und Ableitung des Anodenbetriebsmediums, insbesondere Wasserstoff, in den und aus dem Brennstoffzellenstapel. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem eine Kathodengasversorgung zur Zu- und Abführung des Kathodenbetriebsmediums, insbesondere Luft, in den und aus dem Brennstoffzellenstapel. Weiterhin schließt das Brennstoffzellensystem einen Kühlkreis für den Brennstoffzellenstapel ein. Darüber hinaus gehören üblicherweise ein elektronisches Steuersystem zur Steuerung des Betriebs des Brennstoffzellenstapels sowie seiner Peripheriekomponenten zum Brennstoffzellensystem.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel bzw. dem Brennstoffzellensystem aufweist. Bei dem Fahrzeug handelt es sich vorzugsweise um ein Elektrofahrzeug, bei dem eine von dem Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Energie der Versorgung eines Elektrotraktionsmotors und/oder einer Traktionsbatterie bedient.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines Brennstoffzellenstapels,
2 eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels nach Stand der Technik,
3 eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung,
4 eine schematische Aufsicht auf eine Endplattenanordnung des Brennstoffzellenstapels nach 3,
5 eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung,
6 eine schematische Aufsicht auf eine Endplattenanordnung des Brennstoffzellenstapels nach 5,
7 eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer dritten Ausführung der Erfindung,
8 eine schematische Aufsicht auf eine Endplattenanordnung des Brennstoffzellenstapels nach 7 und
9 eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer vierten Ausführung der Erfindung.

1 zeigt in einer stark schematisierten Seitenansicht einen insgesamt mit 10 bezeichneten Brennstoffzellenstapel. Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst einen Zellstapel 20 einer Vielzahl von in einer Stapelrichtung z gestapelten Einzelzellen 21, auch Einheitszellen genannt. Jede Einzelzelle 21 setzt sich aus einer in 1 nicht näher dargestellten Membran-Elektroden-Anordnung zusammen, die zwischen zwei Flussfeldplatten angeordnet ist. Der Zellstapel 20 ist zwischen zwei Endplattenanordnungen 30 angeordnet. Nicht dargestellt sind Befestigungselemente, die üblicherweise die beiden Endplattenanordnungen 30 miteinander verbinden und den Zellstapel 20 in Stapelrichtung z verpressen, um diesen fluiddicht nach außen abzudichten.
Der in 1 gezeigte Brennstoffzellenstapel 10 ist Teil eines hier nicht weiter gezeigten Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem umfasst neben dem Brennstoffzellenstapel 10 eine Anodengasversorgung, welche ein Anodenbetriebsgas, üblicherweise Wasserstoff, dem Brennstoffzellenstapel 10 zuführt und aus diesem abführt. Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner eine Kathodengasversorgung, welche ein Kathodenbetriebsgas, insbesondere Luft, dem Brennstoffzellenstapel zuführt und aus diesem abführt. Zudem beinhaltet das Brennstoffzellensystem einen Kühlkreis für den Brennstoffzellenstapel 10. Die Anschlüsse für das Anodenbetriebsgas, Kathodenbetriebsgas sowie des Kühlmittels sind üblicherweise in den Endplattenanordnungen 30 integriert. Dabei können sämtliche zuführenden und abführenden Anschlüsse in nur einer der beiden Endplattenanordnungen 30 integriert sein oder auf beide Endplattenanordnungen 30 verteilt vorliegen.
Das Brennstoffzellensystem kann Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs sein, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor zum Antrieb des Fahrzeugs aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem mit elektrischer Energie versorgt wird.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines herkömmlichen Brennstoffzellenstapels 10', um die einzelnen Komponenten näher auszuführen. Dabei ist der Zellstapel 20 lediglich teilweise dargestellt, wobei es sich versteht, dass sich die Einzelzellen 21 in großer Anzahl wie dargestellt wiederholen. Jede Einzelzelle umfasst eine Membran-Elektroden-Anordnung 22, die jeweils eine ionisch leitfähige Membran aufweist, welche zwischen zwei katalytischen Elektroden, nämlich einer Anode und einer Kathode sandwichartig eingeschlossen ist (Einzelkomponenten nicht dargestellt). Beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung 22 schließen eine anodenseitige Flussfeldplatte (Anodenplatte) 23 sowie eine kathodenseitige Flussfeldplatte (Kathodenplatte) 24 an. Die Anoden- und Kathodenplatten 23, 24 weisen jeweils ein der Membran-Elektroden-Anordnung 22 zugewandtes offenes Flussfeld auf, über das das Anoden- beziehungsweise Kathodenbetriebsgas den Elektroden zugeführt wird. Häufig sind jeweils eine Anodenplatte 23 und Kathodenplatte 24 miteinander verbunden. Ein solches Verbundbauteil aus Anoden- und Kathodenplatte 23, 24 wird auch als Bipolarplatte 25 bezeichnet. Zwischen zwei benachbarten Anoden- und Kathodenplatten 23, 24, also innerhalb einer Bipolarplatte 25 ist häufig ein Kühlmittelfeld ausgebildet, durch welches das Kühlmittel geleitet und die Brennstoffzelle temperiert wird. An den beiden äußersten Enden des Zellstapels 20 ist jeweils nur eine Anodenplatte 23 beziehungsweise eine Kathodenplatte 24 angeordnet. Diese endständigen Flussfeldplatten 26 werden auch als Unipolarplatten bezeichnet.
Der Zellstapel 20 setzt sich somit aus einer Anzahl n Membran-Elektroden-Anordnungen 22, n-1 Bipolarplatten 25 und 2 Unipolarplatten 26 zusammen.
Die beiden Endplattenanordnungen 30 weisen jeweils eine Stromabnehmerplatte 33 auf, die in direktem Kontakt mit den endständigen Flussfeldplatten 26 stehen, um diese elektrisch mit einem äußeren Stromkreis (nicht dargestellt) zu verbinden. An die Stromabnehmerplatten 33 schließt jeweils eine Isolierplatte 32 an, die der elektrischen Isolierung des Brennstoffzellenstapels nach außen dient. Häufig ist wie dargestellt die Stromabnehmerplatte 33 in die Isolierplatte 32 bündig eingelegt, sodass eine ebene Fläche der Endplattenanordnung 30 dem Zellstapel 20 zugewandt ist. An die Isolierplatte 32 schließt eine Endplatte 31 an, die anders als hier schematisch dargestellt auch als ein Einsatz in der Isolierplatte 32 ausgeführt sein kann. Üblicherweise sind Endplatte 31, Isolierplatte 32 und Stromabnehmerplatte 33 als eine einzige Baugruppe ausgeführt.
Während die Einzelzellen 21 des Zellstapels 20 des herkömmlichen Brennstoffzellenstapels 10' durch die an den Endplattenanordnungen 30 angeordneten Befestigungselemente (nicht dargestellt) gegenüber einer relativen Lateralverschiebung gut geschützt sind, haben Fallversuche gezeigt, dass es in herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln 10' zu einem Verrutschen des Zellstapels 20 gegenüber den Endplattenanordnungen 30 in einer Richtung innerhalb der xy-Ebene kommen kann (siehe vertikale Pfeile in 2). Derartige Kräfteeinwirkungen können beim Transport des Brennstoffzellenstapels oder in Fahrzeuganwendungen durch Schock- und Vibrationsbelastungen und insbesondere auch im Falle eines Aufpralls auftreten.
Eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 10 ist in den 3 und 4 gezeigt. Dabei zeigt 3 eine Schnittansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels und 4 eine Aufsicht auf eine Endplattenanordnung 30 und zwar auf ihre dem Zellstapel 20 zugewandte Seite. Dabei beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente wie in den 1 und 2 und werden im Einzelnen nicht noch einmal erläutert.
Die Endplattenanordnung 30 gemäß 4 weist drei Medieneinlassöffnungen 34 für die Anschlüsse entsprechender Zuführleitungen für das Anodenbetriebsgas, Kathodenbetriebsgas sowie das Kühlmittel auf. Die Endplattenanordnung 30 verfügt ferner über drei Medienauslassöffnungen 35 für die Anschlüsse entsprechender Auslassleitungen für die drei genannten Betriebsmedien.
Gemäß der in den 3 und 4 dargestellten ersten Ausführung der Erfindung weist die Endplattenanordnung 30 einen in ihrem Randbereich umlaufenden Rahmen 41 auf, der gegenüber der übrigen Plattenstärke der Endplattenanordnung 30 in Richtung des Zellstapels 20 erhöht ist. Hierdurch wird eine Aufnahme 40 innerhalb der Endplattenanordnung 30 ausgebildet, in welche der Zellstapel 20 formschlüssig eingesetzt ist. Durch die rahmenartige Erhebung 41 der Endplattenanordnung 30 wird somit eine formschlüssige Verbindung zwischen Endplattenanordnung 30 und der endständigen Flussfeldplatte (Unipolarplatte) 26 innerhalb der xy-Ebene, die orthogonal zur Stapelrichtung z verläuft, erzielt. Somit wird ein laterales Verrutschen des Zellstapels 20 zwischen den Endplattenanordnungen 30 verhindert.
Die 5 und 6 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 10 beziehungsweise einer entsprechenden Endplattenanordnung 30. In diesem Beispiel weist die Endplattenanordnung 30, hier speziell die Stromabnehmerplatte 33, eine Mehrzahl von in Stapelrichtung z vorstehenden Formschlusselementen 42 auf. Korrespondierend mit diesen Formschlusselementen 42 weist die endständige Flussfeldplatte 26 des Zellstapels 20 eine Mehrzahl von Ausnehmungen 43 auf, in welche die Formschlusselemente 42 der Endplattenanordnung 30 formschlüssig eingreifen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Formschlusselemente 42 sowie die korrespondierenden Ausnehmungen 43 jeweils mit einer runden Kontur ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf runde Konturen beschränkt, vielmehr können die Formschlusselemente 42 sowie die korrespondierenden Ausnehmungen 43 jede beliebige Form aufweisen. Auch ist ihre Anzahl und örtliche Anordnung innerhalb der xy-Ebene nicht auf die gezeigte Ausführung beschränkt. Alternativ oder zusätzlich können auch entsprechende Formschlusselemente 42 im Bereich der Isolatorplatte 32 vorhanden sein.
Alternativ kann die endständige Flussfeldplatte 26 mit vorstehenden Formschlusselementen ausgestattet sein, die in korrespondierende Ausnehmungen der Endplattenanordnung 30 formschlüssig einliegen.
Die Formschlusselemente 42 und korrespondierenden Ausnehmungen 43 stellen somit eine formschlüssige, in xy-Ebene wirkende Verbindung zwischen Endplattenanordnung 30 und endständiger Flussfeldplatte 26 her, die ein laterales Verschieben dieser Komponenten verhindert.
Die 7 und 8 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 10 beziehungsweise einer Endplattenanordnung 30. In diesem Ausführungsbeispiel weist die Endplattenanordnung 30 eine umlaufende Nut 44 auf (7), in welcher ein Elastomerelement 45 eingelegt ist. Dabei ragt das Elastomerelement 45 etwas über die Oberfläche der Endplattenanordnung 30 hervor, sodass ein Kontakt mit der endständigen Flussfeldplatte 26 besteht. Das Elastomerelement 45 weist einen verglichen mit der übrigen Oberfläche der Endplattenanordnung 30 höheren Haftreibungskoeffizienten auf, wodurch die Haftreibkraft zwischen der Endplattenanordnung 30 und der endständigen Flussfeldplatte 26, die mit dem Elastomerelement 45 in Berührungskontakt steht, erhöht wird. Auf diese Weise wird eine reibschlüssige Verbindung zwischen der Endplattenanordnung 30 und der endständigen Flussfeldplatte 26 erzielt, welche ein laterales Verrutschen dieser beiden Elemente gegeneinander verhindert. Das Elastomerelement 45 kann beispielsweise aus einem Silikonmaterial oder einem Gummi bestehen.
9 zeigt einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel 10 gemäß einer vierten Ausführung der Erfindung. In dieser Ausführung weist die Endplattenanordnung 30, hier speziell die Stromabnehmerplatte 33 eine Haftbeschichtung 46 auf, welche einen vergleichsweise hohen Haftreibungskoeffizienten verglichen mit der nichtbeschichteten Oberfläche der Endplattenanordnung 30 aufweist. Als Material für die Haftbeschichtung 46 kommen beispielsweise Silikonbeschichtungen, Gummierungen, Klebstoffschichten und dergleichen infrage.
Durch die Haftbeschichtung 46 wird somit zwischen der Endplattenanordnung 30 und der endständigen Flussfeldplatte 26 eine reibschlüssige Verbindung hergestellt, welche ein laterales Verrutschen der beiden Komponenten gegeneinander verhindert.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der 3 bis 9 sind form- und reibschlüssigen Verbindungen lediglich für eine der beiden Endplattenanordnungen 30 und eine der beiden endständigen Flussfeldplatten (Unipolarplatten) 26 dargestellt. Es versteht sich, dass vorzugsweise beide Endplattenanordnungen 30 und/oder beide endständigen Flussfeldplatten 26 in der erfindungsgemäßen Weise ausgestaltet sind.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellenstapel
10': Brennstoffzellenstapel gemäß Stand der Technik
20: Zellstapel
21: Einzelzelle
22: Membran-Elektroden-Anordnung
23: anodenseitige Flussfeldplatte / Anodenplatte
24: kathodenseitige Flussfeldplatte / Kathodenplatte
25: Flussfeldplatte / Bipolarplatte
26: endständige Flussfeldplatte / Unipolarplatte
30: Endplattenanordnung
31: Endplatte
32: Isolierplatte
33: Stromabnehmerplatte
34: Medieneinlassöffnungen
35: Medienauslassöffnungen
40: Aufnahme / Sitz
41: Rahmen
42: Formschlusselement
43: Vertiefung
44: Nut
45: Elastomerelement
46: Haftbeschichtung
z: Stapelrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112004002300 T5 [0005]
DE 102015114636 A1 [0006]
JP 2009070674 A [0007]

Claims

Brennstoffzellenstapel (10), umfassend - einen Zellstapel (20) mit abwechselnd angeordneten Flussfeldplatten (25, 26) und Membran-Elektroden-Anordnungen (22), wobei endständig des Zellstapels (20) jeweils eine endständige Flussfeldplatte (26) angeordnet ist, und - eine erste und zweite Endplattenanordnung (30), zwischen denen der Zellstapel (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplattenanordnung (30) und/oder die endständige Flussfeldplatte (26) des Zellstapels (20) Mittel (40, 41, 42, 43) zur formschlüssigen Verbindung und/oder Mittel (45, 46) zur reibschlüssigen Verbindung von Endplattenanordnung (30) und endständiger Flussfeldplatte (26) miteinander aufweist oder aufweisen, so dass eine Relativbewegung des Zellstapels (20) bezüglich der Endplattenanordnung (30) in einer Richtung orthogonal zu einer Stapelrichtung (z) des Zellstapels (20) erschwert ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (40, 41, 42, 43) zur formschlüssigen Verbindung eine Aufnahme (40) oder eine rahmenartige in Stapelrichtung (z) vorstehende Erhebung (41) der Endplattenanordnung (30) umfassen, in welche die endständige Flussfeldplatte (26) formschlüssig eingesetzt ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (40, 41, 42, 43) zur formschlüssigen Verbindung zumindest ein in Stapelrichtung (z) vorstehendes Formschlusselement (42) der Endplattenanordnung (30) sowie zumindest eine korrespondierende Ausnehmung (43) der endständigen Flussfeldplatte (26) umfassen.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (45, 46) zur reibschlüssigen Verbindung eine Maßnahme zur Erhöhung der zwischen der Endplattenanordnung (30) und der endständigen Flussfeldplatte (26) wirkenden Haftreibkraft umfassen.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (45, 46) zur reibschlüssigen Verbindung ein auf der Endplattenanordnung (30) und/oder der endständigen Flussfeldplatte (26) angeordnetes Elastomerelement (45) umfassen.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (45, 46) zur reibschlüssigen Verbindung eine auf der Endplattenanordnung (30) und/oder der endständigen Strömungsfeldplatte (26) aufgebachte Haftbeschichtung (46) umfassen.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplattenanordnung (30) eine in Kontakt mit der endständigen Flussfeldplatte (26) des Zellstapels (20) stehende Stromabnehmerplatte (33), eine Isolatorplatte (32) und eine Endplatte (31) aufweist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (40, 41, 42, 43) zur formschlüssigen Verbindung und/oder die Mittel (45, 46) zur reibschlüssigen Verbindung auf oder in der Stromabnehmerplatte (33) und/oder der Isolatorplatte (32) vorgesehen sind.
Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9.