DE102017109621A1

DE102017109621A1 - Elektrisches Gerät in Stapelbauweise

Info

Publication number: DE102017109621A1
Application number: DE102017109621.3A
Authority: DE
Inventors: Torsten Knöri; Kaspar Andreas Friedrich
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2017-05-04
Filing date: 2017-05-04
Publication date: 2018-11-08

Abstract

Es wird ein elektrisches Gerät in Stapelbauweise bereitgestellt, umfassend eine Mehrzahl von Zellen (17), wobei eine Zelle (17) eine stromerzeugende oder stromverbrauchende elektrische Einrichtung (18) aufweist, wobei mindestens eine Funktionsplatte (34) bereitgestellt ist, welche eine Faserverbundwerkstoff-Einrichtung (42) umfasst, wobei die Faserverbundwerkstoff-Einrichtung (42) elektrisch leitfähig ist, die mindestens eine Funktionsplatte (34) eine erste Seite (38) und eine mit der ersten Seite (38) elektrisch wirksam verbundene zweite Seite (40) aufweist, und wobei die erste Seite (38) oder die zweite Seite (40) eine Zelle (17) elektrisch wirksam kontaktiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät in Stapelbauweise, umfassend eine Mehrzahl von Zellen, wobei eine Zelle eine stromerzeugende oder stromverbrauchende elektrische Einrichtung aufweist.
Solche elektrische Geräte in Stapelbauweise werden auch als Stack bezeichnet. Ein Beispiel für ein solches elektrisches Gerät in Stapelbauweise ist ein Brennstoffzellen-Stack.
An elektrischen Anschlüssen des elektrischen Geräts ist ein nutzbarer Strom abgreifbar bzw. es lässt sich ein Strom einkoppeln.
Aus der DE 10 2011 056 756 A1 ist ein elektrisches Gerät in Stapelbauweise, welches elektrischen Strom bereitstellt oder verbraucht, bekannt. Dieses elektrische Gerät umfasst einen ersten elektrischen Anschluss, einen zweiten elektrischen Anschluss, eine erste Endplatte, eine zweite Endplatte, und eine stromerzeugende oder stromverbrauchende Einrichtung, welche zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte eingespannt angeordnet ist. Es ist eine erste Zwischenplatte vorgesehen, welche der ersten Endplatte zugeordnet ist und von dieser getrennt ist, und an welcher der erste elektrische Anschluss angeordnet ist, und es ist eine zweite Zwischenplatte vorgesehen, welche der zweiten Endplatte zugeordnet ist und von dieser getrennt ist, und an welcher der zweite elektrische Anschluss angeordnet ist, wobei die stromerzeugende oder stromverbrauchende Einrichtung zwischen der ersten Zwischenplatte und der zweiten Zwischenplatte angeordnet ist und mit der ersten Zwischenplatte und der zweiten Zwischenplatte elektrisch wirksam verbunden ist.
Aus der DE 10 2007 027 005 A1 ist eine elektrochemische Vorrichtung bekannt. Die elektrochemische Vorrichtung umfasst mindestens eine Zelleneinrichtung mit einer Brennstoffzelle und einer benachbarten Elektrolysezelle, wobei an einer Seite der Brennstoffzelle, die der Elektrolysezelle abgewandt ist, eine erste elektrische Kontakteinrichtung angeordnet ist, an einer Seite der Elektrolysezelle, welche der Brennstoffzelle abgewandt ist, eine zweite elektrische Kontakteinrichtung angeordnet ist, und zwischen der Brennstoffzelle und der Elektrolysezelle eine dritte elektrische Kontakteinrichtung angeordnet ist, und eine Schalteinrichtung, durch die alternativ schaltbar ist, dass die erste elektrische Kontakteinrichtung und die dritte elektrische Kontakteinrichtung elektrisch verbunden sind oder die zweite elektrische Kontakteinrichtung und die dritte elektrische Kontakteinrichtung elektrisch verbunden sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Gerät der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches auf einfache Weise bei verringertem Gewicht herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten elektrischen Gerät erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eine Funktionsplatte vorgesehen ist, welche eine Faserverbundwerkstoff-Einrichtung umfasst, wobei die Faserverbundwerkstoff-Einrichtung elektrisch leitfähig ist, die mindestens eine Funktionsplatte eine erste Seite und eine mit der ersten Seite elektrisch wirksam verbundene zweite Seite aufweist, und wobei die erste Seite oder die zweite Seite eine Zelle elektrisch wirksam kontaktiert.
Eine Funktionsplatte ist beispielsweise jeweils zwischen benachbarten Zellen des elektrischen Geräts positioniert und stellt eine elektrisch wirksame Verbindung zwischen den benachbarten Zellen her. Dadurch lassen sich beispielsweise mehrere benachbarte Zellen über die Funktionsplatten in Reihe schalten. Es lässt sich dann beispielsweise zwischen Endplatten, zwischen welchen die in Reihe geschalteten Zellen angeordnet sind, ein nutzbarer Strom auskoppeln (im Falle einer stromerzeugenden Einrichtung) oder ein Strom einkoppeln (im Falle einer stromverbrauchenden Einrichtung).
Durch die elektrisch leitfähige Faserverbundwerkstoff-Einrichtung der mindestens einen Funktionsplatte kann diese auf technisch einfache Weise hergestellt werden. Es lässt sich das Gewicht der mindestens einen Funktionsplatte verringern. Hierdurch lässt sich das Gesamtgewicht des elektrischen Geräts ebenfalls verringern.
Insbesondere umfasst die Faserverbundwerkstoff-Einrichtung der mindestens einen Funktionsplatte elektrisch leitfähige Faserbündel, welche eine elektrisch wirksame Verbindung zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite der mindestens einen Funktionsplatte herstellen. Durch die elektrisch leitfähigen Faserbündel lässt sich auf einfache Weise eine elektrisch wirksame Verbindung zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite herstellen, falls ein Matrixmaterial der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung der mindestens einen Funktionsplatte lediglich eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Es wird dann durch die elektrisch leitfähigen Faserbündel eine elektrische Leitfähigkeit der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung längs einer beispielsweise vorhandenen Vorzugsrichtung der Faserbündel hergestellt. Hierdurch wird beispielsweise gezielt die elektrische Leitfähigkeit längs einer Verbindungsrichtung zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite der mindestens einen Funktionsplatte hergestellt bzw. verbessert.
Als elektrisch leitfähig werden in diesem Zusammenhang Materialien bezeichnet, deren elektrische Leitfähigkeit bei einer Temperatur von 20 bis 25°C größer als 1 · 10⁶ Siemens pro Meter ist. Geringe elektrische Leitfähigkeit bedeutet, dass die elektrische Leitfähigkeit bei einer Temperatur von 20 bis 25°C kleiner als 1 · 10³ Siemens pro Meter ist.
Günstig ist es dann, wenn die elektrisch leitfähigen Faserbündel längs einer Vorzugsrichtung ausgerichtet sind, und insbesondere wenn die Vorzugsrichtung parallel zu einer Verbindungsstrecke zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite der mindestens einen Funktionsplatte liegt und/oder parallel zu einer Längsachse des elektrischen Geräts liegt. Durch die Anordnung der elektrisch leitfähigen Faserbündel längs der Vorzugsrichtung lässt sich auf einfache Weise zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite der mindestens einen Funktionsplatte eine verbesserte elektrisch wirksame Verbindung herstellen.
Insbesondere umfasst die Faserverbundwerkstoff-Einrichtung der mindestens einen Funktionsplatte elektrisch leitfähige Faserbündel eines ersten Typs, welche aus einem elektrisch leitfähigen Strukturmaterial hergestellt sind. Es lässt sich dadurch die elektrisch wirksame Verbindung zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite der mindestens einen Funktionsplatte auf technisch einfache Weise herstellen.
Bei einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Faserverbundwerkstoff-Einrichtung der mindestens einen Funktionsplatte elektrisch leitfähige Faserbündel eines zweiten Typs umfasst, welche ein Strukturmaterial mit einer elektrischen Leitfähigkeit von weniger als 1 · 10³ Siemens pro Meter aufweisen, wobei die Faserbündel zweiten Typs eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen, welche das Strukturmaterial der Faserbündel zweiten Typs umgibt. Die elektrische Leitfähigkeit der Faserbündel zweiten Typs wird durch die elektrisch leitfähige Beschichtung hergestellt. Es können dann zur Herstellung der elektrisch wirksamen Verbindung zwischen der ersten Seite und der zweiten Seite der mindestens einen Funktionsplatte auch solche Faserbündel verwendet werden, deren Strukturmaterial nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Günstigerweise umfasst die Faserverbundwerkstoff-Einrichtung der mindestens einen Funktionsplatte elektrisch leitfähige metallische und/oder elektrisch leitfähige nicht-metallische Komponenten, welche innerhalb eines Matrixmaterials der Faserbundwerkstoff-Einrichtung zufällig angeordnet sind und/oder eine zufällige Orientierung aufweisen. Hierdurch lässt sich eine richtungsunabhängige elektrische Leitfähigkeit der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung realisieren.
Insbesondere umfasst die mindestens eine Funktionsplatte eine Kanalstruktur, welche an der ersten Seite und/oder der zweiten Seite der mindestens einen Funktionsplatte angeordnet ist. Mit der Kanalstruktur lässt sich der stromerzeugenden oder stromverbrauchenden elektrischen Einrichtung ein Fluid, wie beispielsweise Brennstoff oder Oxidator, zuführen. Die Kanalstruktur kann ferner dazu genutzt werden, um der mindestens einen Funktionsplatte bzw. der stromerzeugenden oder stromverbrauchenden elektrischen Einrichtung ein Kühlmittel zuzuführen.
Günstig ist es dann, wenn die Kanalstruktur offene und/oder geschlossene Kanäle aufweist, welche an der ersten Seite und/oder an der zweiten Seite der mindestens einen Funktionsplatte angeordnet sind. Durch offene Kanäle kann der stromerzeugenden oder stromverbrauchenden elektrischen Einrichtung auf einfache Weise ein Fluid zugeführt werden oder von dieser ein Fluid abgeführt werden. Die geschlossenen Kanäle lassen sich beispielsweise zum Durchpumpen von Kühlmittel nutzen.
Bei einer Ausführungsform weist die Kanalstruktur Verteilungskanäle und/oder Anschlüsse zur Fluidzuführung zu der elektrischen Einrichtung und/oder zur Fluidabführung von der elektrischen Einrichtung auf. Hierdurch lässt sich Fluid an die elektrische Einrichtung zuführen oder von dieser abführen.
Insbesondere ist die mindestens eine Funktionsplatte gasundurchlässig und/oder fluidundurchlässig. Dadurch wird eine Vermischung eines ersten Fluids an der ersten Seite der mindestens einen Funktionsplatte mit einem zweiten Fluid an der zweiten Seite der mindestens einen Funktionsplatte verhindert. Die mindestens eine Funktionsplatte kann dann beispielsweise als Bipolarplatte in einem Brennstoffzellenstapel eingesetzt werden.
Die Gas-Permeabilität der Funktionsplatte ist beispielsweise kleiner als 14 µl · min^-1 · cm^-1.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Funktionsplatte zwischen einer ersten Zelle und einer weiteren Zelle angeordnet ist, dass die erste Seite der mindestens einen Funktionsplatte eine Seite der ersten Zelle elektrisch wirksam kontaktiert, und dass die zweite Seite der mindestens einen Funktionsplatte eine Seite der weiteren Zelle elektrisch wirksam kontaktiert. Die mindestens eine Funktionsplatte wirkt dann als Abstandshalter zwischen benachbarten Zellen. Die benachbarten Zellen lassen sich mittels der Funktionsplatten auf einfache Weise in Reihe schalten.
Beispielsweise ist bei dem elektrischen Gerät eine alternierende Abfolge von Zellen und Funktionsplatten vorgesehen, wobei zwischen benachbarten Zellen jeweils mindestens eine Funktionsplatte angeordnet ist. Dies ermöglicht einen einfachen und regelmäßigen Aufbau des elektrischen Geräts.
Günstigerweise stellen die Funktionsplatten eine elektrisch wirksame Verbindung zwischen den benachbarten Zellen her. Es sind dann die elektrischen Einrichtungen der Zellen über jeweilige Funktionsplatten in Reihe geschaltet. Hierdurch wird beispielsweise ein ausgekoppelter nutzbarer Strom (im Falle einer stromerzeugenden Einrichtung) vergrößert.
Insbesondere ist die alternierende Abfolge von Zellen und Funktionsplatten zwischen einer ersten Endplatte und einer zweiten Endplatte angeordnet. Die Zellen (und andere Komponenten des elektrischen Geräts) können dann beispielsweise zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte eingespannt werden. Komponenten des elektrischen Geräts werden dann insbesondere durch eine Druckkraft zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte gehalten. Dadurch lässt sich das elektrische Gerät auf technisch einfache Weise realisieren.
Beispielsweise ist eine erste Funktionsplatte zwischen der ersten Endplatte und den Zellen angeordnet und/oder eine zweite Funktionsplatte zwischen der zweiten Endplatte und den Zellen angeordnet, wobei die erste Funktionsplatte eine elektrisch wirksame Verbindung zwischen der ersten Endplatte und den Zellen hergestellt und/oder die zweite Funktionsplatte eine elektrisch wirksame Verbindung zwischen der zweiten Endplatte und den Zellen herstellt. Hierdurch lässt sich eine elektrisch wirksame Verbindung zwischen den Zellen und der ersten Endplatte und/oder der zweiten Endplatte herstellen. Dies ermöglicht es (beispielsweise für den Fall einer stromerzeugenden elektrischen Einrichtung), einen nutzbaren elektrischen Strom an der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte abzugreifen.
Bei einer Ausführungsform umfasst die erste Endplatte und/oder die zweite Endplatte eine Faserverbundwerkstoff-Einrichtung, welche elektrisch leitfähig ist. Es lässt sich dadurch die erste Endplatte und/oder zweite Endplatte auf technisch einfache Weise ausbilden. Dies ermöglicht es, einen elektrisch wirksamen Kontakt zwischen den Zellen und der ersten Endplatte und/oder der zweiten Endplatte herzustellen.
Beispielsweise ist die elektrische Einrichtung eine stromerzeugende oder stromverbrauchende elektrochemische Einrichtung oder thermoelektrische Einrichtung.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist oder umfasst die elektrische Einrichtung eine Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle oder Batteriezelle oder thermoelektrische Generatorzelle.
Günstig ist es, wenn an der ersten Seite und/oder an der zweiten Seite der mindestens einen Funktionsplatte eine elektrisch leitfähige Schutzschicht angeordnet ist, in welche Faserbündel der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung eingebettet sind. Es lassen sich dadurch mögliche mechanische Beschädigungen von Komponenten, welche die erste Seite und/oder die zweite Seite der mindestens einen Funktionsplatte kontaktieren, vermeiden oder zumindest verringern. Mögliche Beschädigungen treten beispielsweise durch einen mechanischen Kontakt von Enden der Faserbündel der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung mit Komponenten an der ersten Seite und/oder an der zweiten Seite auf. Durch die Schutzschicht werden die Faserbündel bzw. deren Enden räumlich von den jeweiligen Komponenten an der ersten Seite und/oder an der zweiten Seite der mindestens einen Funktionsplatte abgeschirmt. Es lässt sich dadurch beispielsweise eine Beschädigung einer Elektrode, welche die erste Seite und/oder die zweite Seite kontaktiert, verhindern.
Insbesondere ist oder umfasst ein Matrixmaterial der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung, in welches Faserbündel eingebettet sind, ein Kohlenstoffmaterial. Das Kohlenstoffmaterial bildet beispielsweise eine korrosionsstabile Schicht für Kohlefasern der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung aus. Hierdurch lässt sich eine Korrosion von Faserbündeln der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung verringern.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

1 eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines elektrischen Geräts in Form eines Brennstoffzellenstapels;
2 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Funktionsplatte des elektrischen Geräts gemäß 1;
3 eine Draufsicht in der Richtung A gemäß 2; und
4 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Funktionsplatte.

Ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Geräts in Stapelbauweise, welches in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine erste Endplatte 12 und eine der ersten Endplatte 12 gegenüberliegende zweite Endplatte 14. Zwischen der ersten Endplatte 12 und der zweiten Endplatte 14 ist ein Zwischenraum 16 gebildet, in welchem eine Mehrzahl von Zellen 17 angeordnet ist. Eine Zelle 17 ist oder umfasst eine stromerzeugende oder stromverbrauchende elektrische Einrichtung 18. An einer stromerzeugenden elektrischen Einrichtung 18 wird beispielsweise mithilfe einer Fluidbeaufschlagung nutzbarer elektrischer Strom erzeugt.
Die erste Endplatte 12 und die zweite Endplatte 14 weisen jeweils eine erste Seite 20 und eine zweite Seite 22 auf, welche der ersten Seite 20 gegenüberliegt. Die erste Seite 20 und die zweite Seite 22 sind zumindest näherungsweise parallel zueinander ausgerichtet. Die erste Seite 20 ist dem Zwischenraum 16 abgewandt. Die zweite Seite 22 ist dem Zwischenraum 16 zugewandt.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Zelle 17 eine Brennstoffzelle 24. Das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel des elektrischen Geräts 10 umfasst drei Brennstoffzellen 24a, 24b, 24c. Es ist grundsätzlich möglich, dass das elektrische Gerät 10 weniger oder mehr Zellen 17 bzw. Brennstoffzellen 24 umfasst.
Jede Brennstoffzelle 24 weist eine erste Seite 25a und eine zu der ersten Seite 25a gegenüberliegende zweite Seite 25b auf.
Die Brennstoffzelle 24 umfasst eine Elektroden-Membran-Einheit 26. Die Elektroden-Membran-Einheit 26 weist als Elektrolyt eine Membran 28 auf, wobei an einer Seite der Membran 28 eine erste Elektrode 30 und an einer gegenüberliegenden Seite eine zweite Elektrode 32 angeordnet sind. Eine der Elektroden ist eine Anode und die andere der Elektroden ist eine Kathode. Auf den Elektroden 30, 32 ist insbesondere eine Gasdiffusionsschicht angeordnet.
An der ersten Elektrode 30 ist die erste Seite 25a ausgebildet und an der zweiten Elektrode 32 ist die zweite Seite 25b ausgebildet.
Bei dem elektrischen Gerät 10 in Stapelbauweise ist es vorgesehen, dass zwischen benachbarten Zellen 17 jeweils eine Funktionsplatte 34 angeordnet ist. Durch die jeweiligen Funktionsplatten 34 sind benachbarte Zellen 17 räumlich voneinander getrennt. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass zwischen benachbarten Zellen 17 mehrere Funktionsplatten 34 positioniert sind.
Bei einer Mehrzahl von Zellen ist die Stapelreihenfolge beispielsweise Funktionsplatte - Zelle - Funktionsplatte - Zelle - Funktionsplatte usw.
Bei einem Ausführungsbeispiel des elektrischen Geräts 10 ist die Funktionsplatte 34 eine Bipolarplatte 36. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das elektrische Gerät 10 vier Bipolarplatten 36a, 36b, 36c, 36d.
Eine Bipolarplatte 36 hat jeweils eine erste Seite 38 und eine der ersten Seite 38 gegenüberliegende zweite Seite 40. Die erste Seite 38 ist der ersten Endplatte 12 zugewandt und die zweite Seite 40 ist der zweiten Endplatte 14 zugewandt.
Die erste Elektrode 30 einer Elektroden-Membran-Einheit 26 ist jeweils der zweiten Seite 40 einer Bipolarplatte 36 zugewandt. Die zweite Seite 40 der Bipolarplatte 36 kontaktiert die erste Seite 25a der ersten Elektrode 30 der Elektroden-Membran-Einheit 26 elektrisch. Die zweite Elektrode 32 der Elektroden-Membran-Einheit 26 ist dann der ersten Seite 38 einer weiteren Funktionsplatte 34 zugewandt. Die erste Seite 38 dieser weiteren Funktionsplatte 34 kontaktiert die zweite Seite 25b der zweiten Elektrode 32 elektrisch.
Jeweilige Kombinationen aus Bipolarplatte und Elektroden-Membran-Einheit sind beispielsweise zwischen der ersten Endplatte 12 und der zweiten Endplatte 14 eingespannt. In diesem Zusammenhang wird bezüglich der Herstellung und Verbindung von Komponenten des elektrischen Geräts 10 auf die deutsche Patentanmeldung mit Aktenzeichen 10 2011 056 756.9 (Anmeldetag 21. Dezember 2011) verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
Eine Bipolarplatte 36, welche ein Ausführungsbeispiel einer Funktionsplatte 34 ist, ist in 2 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt. Die Bipolarplatte 36 umfasst die erste Seite 38 und die der ersten Seite 38 gegenüberliegende zweite Seite 40.
Die geometrische Form der Bipolarplatte 36 kann grundsätzlich beliebig gewählt werden. Die Bipolarplatte 36 weist beispielsweise eine rechteckförmige, kreisförmige oder ovale Querschnittsfläche auf. Sie ist insbesondere quaderförmig oder zylinderförmig ausgebildet.
Die Bipolarplatte 36 umfasst eine Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 mit einem Matrixmaterial 43. Das Matrixmaterial 43 ist beispielsweise ein Polymermaterial wie z.B. ein Harz.
Die Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 weist parallel zu einer Querachse 44 eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 1 · 10⁶ Siemens pro Meter auf. Die Querachse 44 liegt hierbei quer und insbesondere senkrecht zu der ersten Seite 38 und der zweiten Seite 40 der Bipolarplatte 36. Sie liegt beispielsweise parallel zu einer kürzesten Verbindungsrichtung zwischen der ersten Seite 38 und der zweiten Seite 40.
Die Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 ist zwischen der ersten Seite 38 und der zweiten Seite 40 der Bipolarplatte 36 angeordnet.
Die Bipolarplatten 36 sind in dem Zwischenraum 16 des elektrischen Geräts 10 derart angeordnet, dass die Querachsen 44 zumindest näherungsweise parallel zu einer Längsachse 46 des elektrischen Geräts 10 liegen.
Die Längsachse 46 des elektrischen Geräts 10 liegt quer und insbesondere senkrecht zu den ersten Seiten 20 und den zweiten Seiten 22 der ersten Endplatte 12 und der zweiten Endplatte 14.
Die Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 umfasst Faserbündel 48, welche in das Matrixmaterial 43 eingebettet sind und insbesondere längs einer Vorzugsrichtung 50 ausgerichtet sind. Die Vorzugsrichtung 50 liegt insbesondere parallel zu der Querachse 44 der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42.
Bei einer Ausführungsform werden Faserbündel 48a eines ersten Typs verwendet, welche ein elektrisch leitfähiges Strukturmaterial aufweisen. Die Faserbündel 48a sind oder umfassen beispielsweise elektrisch leitfähige Kohlefasern (spezifischer elektrischer Widerstand 1,6 · 10^-5 Ohm · m).
Die Faserbündel 48 bilden Leitpfade zwischen der ersten Seite 38 und der zweiten Seite 40 der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 aus. Die elektrische Leitfähigkeit der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 ist richtungsabhängig; sie ist parallel zu der Vorzugsrichtung 50 der Faserbündel 48 am größten und senkrecht zu der Vorzugsrichtung 50 am kleinsten. Auf diese Weise lässt sich die elektrische Leitfähigkeit zwischen der ersten Seite 38 und der zweiten Seite 40 der Bipolarplatte 36 gezielt längs der Vorzugsrichtung 50 erhöhen.
Die Faserbündel 48 sind innerhalb des Matrixmaterials 43 der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 zwischen der ersten Seite 38 und der zweiten Seite 40 angeordnet. Es wird hierdurch eine verbesserte elektrisch wirksame Verbindung zwischen der ersten Seite 38 und der zweiten Seite 40 hergestellt.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass das Matrixmaterial 43 der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 Faserbündel 48b eines zweiten Typs umfasst, deren Strukturmaterial eine geringe elektrische Leitfähigkeit von beispielsweise weniger als 1 · 10³ Siemens pro Meter aufweist. Die Faserbündel 48b sind beispielsweise Glasfasern, welche Eigenschaften eines elektrischen Isolators aufweisen.
Es ist vorgesehen, dass zur Herstellung einer hinreichenden elektrischen Leitfähigkeit der Faserbündel 48b zweiten Typs eine elektrisch leitfähige Beschichtung auf das Strukturmaterial der Faserbündel 48b aufgebracht wird. Die elektrisch leitfähige Beschichtung wird beispielsweise durch physikalische Gasabscheidung oder chemische Gasabscheidung oder eine Kombination aus Tauch- und Galvanoverfahren auf das Strukturmaterial der Faserbündel 48b zweiten Typs aufgebracht.
Die elektrisch leitfähige Beschichtung umfasst beispielsweise metallische oder nicht-metallische Komponenten mit einer elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 1 · 10⁶ Siemens pro Meter.
Die Faserbündel 48b zweiten Typs weisen innerhalb der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 dieselbe Funktionsweise wie die Faserbündel 48a ersten Typs auf. Die Faserbündel 48b sind längs der Vorzugsrichtung 50 angeordnet. Auf diese Weise wird die elektrische Leitfähigkeit der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 parallel zur Vorzugsrichtung 50 weiter erhöht. Durch die Faserbündel 48a, 48b ersten Typs und/oder zweiten Typs wird ein elektrisch wirksamer Kontakt zwischen der ersten Seite 38 und der zweiten Seite 40 der Bipolarplatte 36 hergestellt.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass das Matrixmaterial 43 der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 elektrisch leitfähige metallische und/oder elektrisch leitfähige nicht-metallische Komponenten 51 aufweist, welche innerhalb des Matrixmaterials 43 der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 eine zufällige Orientierung aufweisen. Diese elektrisch leitfähigen Komponenten 51 werden beispielsweise bei der Herstellung der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung einem Vorläufermaterial des Matrixmaterials 43 beigemischt. Sie sind dann diffus und insbesondere ohne eine bestimmte Vorzugsrichtung innerhalb des Matrixmaterials 43 angeordnet. Hierdurch entsteht innerhalb des Matrixmaterials 43 ein richtungsunabhängiges elektrisch leitendes Netzwerk. Auf diese Weise wird eine richtungsunabhängige elektrische Leitfähigkeit der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 weiter erhöht.
Elektrisch leitfähige Komponenten 51, welche dem Matrixmaterial 43 der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 beigemischt werden können, sind beispielsweise Kupfer oder Graphit.
Die Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 der Bipolarplatte 36 ist aus Materialien hergestellt, welche eine geringe Gas-Permeabilität sowie eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen.
Insbesondere ist die Gas-Permeabilität der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 kleiner als 14 µl · min^-1 · cm^-1. Die thermische Leitfähigkeit der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 ist insbesondere größer als 20 W · m^-1 · K^-1.
Die Bipolarplatte 36 weist insbesondere eine Kanalstruktur 52 auf, welche an der ersten Seite 38 und/oder an der zweiten Seite 40 angeordnet ist (3). Die Kanalstruktur 52 umfasst Kanäle 54, welche beispielsweise als offene Kanäle und/oder als geschlossene Kanäle ausgebildet sind. Die Kanäle 54 erstrecken sich beispielsweise in einer Ebene, welche senkrecht zur Querachse 44 der Bipolarplatte 36 liegt.
Die Kanäle 54 der Kanalstruktur 52 sind beispielsweise als Verteilungskanäle ausgebildet, welche ein Gas flächig über die erste Seite 38 bzw. die zweite Seite 40 der Bipolarplatte 36 verteilen. Auf diese Weise lässt sich das Gas flächig verteilt einer entsprechenden ersten Elektrode 30 bzw. zweiten Elektrode 32 einer Elektroden-Membran-Einheit 26 zuführen.
Über die Kanalstruktur 52, welche einer Kathode zugeordnet ist, lässt sich die Kathode mit Oxidator beaufschlagen. Hierdurch lässt sich beispielsweise die Kathode der Elektroden-Membran-Einheit 26 mit Oxidator beaufschlagen. Über die Kanalstruktur 52, welche einer Anode zugeordnet ist, lässt sich die Anode mit Brennstoff wie beispielsweise Wasserstoff beaufschlagen.
Die Kanalstruktur 52 umfasst Anschlüsse 56a, 56b, über welche Fluid zugeführt bzw. abgeführt werden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform einer Funktionsplatte, welche in 4 in einer Schnittansicht schematisch gezeigt und dort mit 58 bezeichnet ist, sind Komponenten, welche zu denjenigen der Funktionsplatte 34 identisch sind, mit denselben Bezugszeichen belegt. Für diese Komponenten gilt die Beschreibung des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels der Funktionsplatte 34 weiterhin.
Bei der Funktionsplatte 58 sind eine oder mehrere Schutzschichten 60 vorgesehen, welche an der ersten Seite 38 und/oder an der zweiten Seite 40 der Funktionsplatte 58 angeordnet sind. Die Schutzschicht 60 kontaktiert das Matrixmaterial 43 der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 an der ersten Seite 38 bzw. an der zweiten Seite 40 flächig. Die Schutzschicht 60 kontaktiert das Matrixmaterial 43 der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 insbesondere stoffschlüssig.
Die Schutzschicht 60 ist aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt. Sie ist oder umfasst beispielsweise ein Kohlenstoffmaterial. Die Schutzschicht 60 steht in elektrisch wirksamem Kontakt mit der ersten Seite 38 bzw. der zweiten Seite 40.
Die Faserbündel 48 weisen jeweils Enden 62 auf, welche in ein Strukturmaterial der Schutzschicht 60 eingetaucht sind. Die Enden 62 werden insbesondere von dem Strukturmaterial der Schutzschicht 60 vollständig umschlossen.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist eine Schutzschicht 60a an der ersten Seite 38 und eine Schutzschicht 60b an der zweiten Seite 40 positioniert. Die Schutzschichten 60a, 60b schirmen dort das Matrixmaterial 43 der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 räumlich ab.
Äußere Begrenzungen der Funktionsplatte 58 in einer Richtung längs zur Querachse 44 werden durch eine erste Seite 64 an der Schutzschicht 60a und eine der ersten Seite 64 gegenüberliegende zweite Seite 66 an der Schutzschicht 60b gebildet. Die erste Seite 64 und die zweite Seite 66 sind jeweils Außenseiten der entsprechenden Schutzschichten 60a, 60b.
Die Schutzschichten 60a, 60b sind über die elektrisch leitende Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42, welche zwischen den beiden Schutzschichten 60a, 60b angeordnet ist, elektrisch wirksam miteinander verbunden. Auf diese Weise ist die erste Seite 64 mit der zweiten Seite 66 elektrisch wirksam verbunden.
Durch die Schutzschichten 60 treffen die jeweiligen Enden 62 der Faserbündel 48 der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 nicht auf die erste Seite 64 und die zweite Seite 66 bzw. die Enden 62 ragen nicht über die erste Seite 64 und die zweite Seite 66 hinaus. Dadurch kann eine mechanische Beschädigung einer Komponente, welche mit der ersten Seite 64 oder der zweiten Seite 66 in Kontakt steht, verhindert oder zumindest vermieden werden. Es lässt sich beispielsweise eine Beschädigung von Elektroden oder einer Membran einer Elektroden-Membran-Einheit 26 vermeiden, welche durch einen Kontakt mit den Enden 62 den Faserbündeln 48 entstehen könnte.
Bei einer Ausführungsform des elektrischen Geräts 10 kann es vorgesehen sein, dass die erste Endplatte 12 und/oder die zweite Endplatte 14 eine Funktionsplatte 34, 58 ist oder eine Funktionsplatte 34, 58 umfasst. Hierdurch lassen sich die technischen Vorteile der Funktionsplatten 34, 58 auch für die Endplatten 12, 14 nutzen.
Die erste Endplatte 12 und die zweite Endplatte 14 dienen im Wesentlichen dazu, das elektrische Gerät 10 mechanisch zusammenzuhalten. Die Zellen 17 und die Funktionsplatten 34, 58 sind beispielsweise zwischen der ersten Endplatte 12 und der zweiten Endplatte 14 eingespannt. Die Zellen 17 und die Funktionsplatten 34, 58 werden beispielsweise durch eine Druckkraft zwischen der ersten Endplatte 12 und der zweiten Endplatte 14 gehalten.
Bei einer Ausführungsform weist das Matrixmaterial 43 der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 der Funktionsplatte 34 ein Kohlenstoffmaterial auf. Dieses Kohlenstoffmaterial bildet eine korrosionsstabile Schicht für die Faserbündel 48 aus. Dadurch wird eine Korrosion der Faserbündel 48 (beispielsweise Kohlefasern) vermieden oder zumindest verringert. Dadurch wird die Stabilität und Haltbarkeit des elektrischen Geräts 10 verbessert.
Das erfindungsgemäße elektrische Gerät 10 funktioniert im Beispielsfalle eines Brennstoffzellenstapels wie folgt:
Die Brennstoffzellen 24 stellen jeweils einen elektrischen Strom bereit. Den Brennstoffzellen 24 wird hierzu Brennstoff (insbesondere Wasserstoff) und Oxidator (insbesondere Sauerstoff oder Luft) bereitgestellt. Hierzu kann beispielsweise die Kanalstruktur 52 der jeweiligen Bipolarplatte 36 genutzt werden.
Beispielsweise wird einer ersten Elektrode 30 einer Elektroden-Membran-Einheit 26 über die zweite Seite 40 einer Bipolarplatte 36 Oxidator bereitgestellt. Über die erste Seite 38 einer weiteren Bipolarplatte 36 wird dann der zweiten Elektrode 32 der Elektroden-Membran-Einheit 26 Brennstoff zugeführt.
Geschlossene Kanäle 54 der Kanalstruktur 52 an der ersten Seite 38 und an der zweiten Seite 40 der Bipolarplatte 36 werden im Betrieb beispielsweise mit Wasser durchpumpt. Das Wasser dient hierbei als Kühlmedium.
Benachbarte Brennstoffzellen 24 sind jeweils über eine Bipolarplatte 36 elektrisch wirksam miteinander verbunden. Auf diese Weise sind die Brennstoffzellen 24 des Brennstoffzellenstapels über die Bipolarplatten 36 elektrisch in Reihe geschaltet. Ein durch das elektrische Gerät 10 erzeugter elektrischer Strom kann dann beispielsweise an der ersten Endplatte 12 und der zweiten Endplatte 14 abgegriffen werden. Hierzu können an der ersten Endplatte 12 und der zweiten Endplatte 14 geeignete Anschlüsse vorgesehen sein.
Die Funktionsplatte 34, 58, welche in dem elektrischen Gerät 10 beispielsweise als Bipolarplatte 36 ausgebildet ist, ist aus einem gasundurchlässigen Material hergestellt. Die Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 der Bipolarplatte 36 ist gasundurchlässig. Auf diese Weise wird eine Vermischung eines ersten Mediumstroms an der ersten Seite 38 der Bipolarplatte 36 mit einem zweiten Mediumstrom an der zweiten Seite 40 verhindert. Dadurch wird beispielsweise eine Vermischung von Brennstoff und Oxidator, welche der Elektroden-Membran-Einheit 26 der Brennstoffzelle 24 zugeführt werden, verhindert.
Durch die Verwendung der elektrisch leitfähigen Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 wird ein Gesamtgewicht der Funktionsplatte 34, 58 verringert. Dies ermöglicht eine Verringerung eines Gesamtgewichts des elektrischen Geräts 10.
Mittels der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung 42 lässt sich die Funktionsplatte 34, 58 auf technisch einfache Weise herstellen. Es wird eine Vorbehandlung von Materialien, wie sie beispielsweise bei Leichtmetallen wie Aluminium oder Titan durchgeführt werden muss, vermieden. Dadurch kann die Funktionsplatte 34, 58 und das elektrische Gerät 10 einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Bezugszeichenliste

10: Elektrisches Gerät
12: Erste Endplatte
14: Zweite Endplatte
16: Zwischenraum
17: Zelle
18: Elektrische Einrichtung
20: Erste Seite
22: Zweite Seite
24: Brennstoffzelle
24a: Brennstoffzelle
24b: Brennstoffzelle
24c: Brennstoffzelle
25a: Erste Seite
25b: Zweite Seite
26: Elektroden-Membran-Einheit
28: Membran
30: Erste Elektrode
32: Zweite Elektrode
34: Funktionsplatte
36: Bipolarplatte
36a: Bipolarplatte
36b: Bipolarplatte
36c: Bipolarplatte
36d: Bipolarplatte
38: Erste Seite
40: Zweite Seite
42: Faserverbundwerkstoff-Einrichtung
43: Matrixmaterial
44: Querachse
46: Längsachse
48: Faserbündel
48a: Faserbündel Typ 1
48b: Faserbündel Typ 2
50: Vorzugsrichtung
51: Elektrisch leitfähige Komponenten
52: Kanalstruktur
54: Kanäle
56a: Anschluss
56b: Anschluss
58: Funktionsplatte
60: Schutzschicht
60a: Schutzschicht
60b: Schutzschicht
62: Ende
64: Erste Seite
66: Zweite Seite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011056756 A1 [0004]
DE 102007027005 A1 [0005]
DE 102011056756 [0043]

Claims

Elektrisches Gerät in Stapelbauweise, umfassend eine Mehrzahl von Zellen (17), wobei eine Zelle (17) eine stromerzeugende oder stromverbrauchende elektrische Einrichtung (18; 24) aufweist, gekennzeichnet durch mindestens eine Funktionsplatte (34; 36; 58), welche eine Faserverbundwerkstoff-Einrichtung (42) umfasst, wobei die Faserverbundwerkstoff-Einrichtung (42) elektrisch leitfähig ist, die mindestens eine Funktionsplatte (34; 36; 58) eine erste Seite (38; 64) und eine mit der ersten Seite (38; 64) elektrisch wirksam verbundene zweite Seite (40; 66) aufweist, und wobei die erste Seite (38; 64) oder die zweite Seite (40; 66) eine Zelle (17) elektrisch wirksam kontaktiert.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundwerkstoff-Einrichtung (42) der mindestens einen Funktionsplatte (34; 36; 58) elektrisch leitfähige Faserbündel (48) umfasst, welche eine elektrisch wirksame Verbindung zwischen der ersten Seite (38; 64) und der zweiten Seite (40; 66) der mindestens einen Funktionsplatte (34; 36; 58) herstellen.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Faserbündel (48) längs einer Vorzugsrichtung (50) ausgerichtet sind, und insbesondere dass die Vorzugsrichtung (50) parallel zu einer Verbindungsstrecke zwischen der ersten Seite (38; 64) und der zweiten Seite (40; 66) der mindestens einen Funktionsplatte (34; 36; 58) liegt und/oder parallel zu einer Längsachse (46) des elektrischen Geräts liegt.
Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundwerkstoff-Einrichtung (42) der mindestens einen Funktionsplatte (34; 36; 58) elektrisch leitfähige Faserbündel (48a) eines ersten Typs umfasst, welche aus einem elektrisch leitfähigen Strukturmaterial hergestellt sind.
Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundwerkstoff-Einrichtung (42) der mindestens einen Funktionsplatte (34; 36; 58) elektrisch leitfähige Faserbündel (48b) eines zweiten Typs umfasst, welche ein Strukturmaterial mit einer elektrischen Leitfähigkeit von weniger als 1 · 10³ Siemens pro Meter aufweisen, wobei die Faserbündel (48b) zweiten Typs eine elektrisch leitfähige Beschichtung umfassen, welche das Strukturmaterial der Faserbündel (48b) zweiten Typs umgibt und die elektrische Leitfähigkeit der Faserbündel (48b) zweiten Typs herstellt.
Elektrisches Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundwerkstoff-Einrichtung (42) der mindestens einen Funktionsplatte (34; 36; 58) elektrisch leitfähige metallische und/oder elektrisch leitfähige nichtmetallische Komponenten (51) umfasst, welche innerhalb eines Matrixmaterials (43) der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung (42) zufällig angeordnet sind und/oder eine zufällige Orientierung aufweisen.
Elektrisches Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Funktionsplatte (34; 36; 58) eine Kanalstruktur (52) umfasst, welche an der ersten Seite (38; 64) und/oder an der zweiten Seite (40; 66) der mindestens einen Funktionsplatte (34; 36; 58) angeordnet ist.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (52) offene und/oder geschlossene Kanäle (54) aufweist, welche an der ersten Seite (38; 64) und/oder an der zweiten Seite (40; 66) der mindestens einen Funktionsplatte (34; 36; 58) angeordnet sind.
Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (52) Verteilungskanäle und/oder Anschlüsse (56a, 56b) zur Fluidzuführung zu der elektrischen Einrichtung (18; 24) und/oder zur Fluidabführung von der elektrischen Einrichtung (18; 24) aufweist.
Elektrisches Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Funktionsplatte (34; 36; 58) gasundurchlässig und/oder fluidundurchlässig ist.
Elektrisches Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Funktionsplatte (34; 36; 58) zwischen einer ersten Zelle (17) und einer weiteren Zelle (17) angeordnet ist, dass die erste Seite (38; 64) der mindestens einen Funktionsplatte (34; 36; 58) eine Seite (25a, 25b) der ersten Zelle (17) elektrisch wirksam kontaktiert, und dass die zweite Seite (40; 66) der mindestens einen Funktionsplatte (34; 36; 58) eine Seite (25a, 25b) der weiteren Zelle (17) elektrisch wirksam kontaktiert.
Elektrisches Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine alternierende Abfolge von Zellen (17) und Funktionsplatten (34; 36; 58), wobei zwischen benachbarten Zellen (17) jeweils mindestens eine Funktionsplatte (34; 36; 58) angeordnet ist.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsplatten (34; 36; 58) eine elektrisch wirksame Verbindung zwischen den benachbarten Zellen (17) herstellen.
Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die alternierende Abfolge von Zellen (17) und Funktionsplatten (34; 36; 58) zwischen einer ersten Endplatte (12) und einer zweiten Endplatte (14) angeordnet ist.
Elektrisches Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Endplatte (12) und/oder die zweite Endplatte (14) eine Faserverbundwerkstoff-Einrichtung (42) umfasst, welche elektrisch leitfähig ist.
Elektrisches Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Einrichtung (18; 24) eine stromerzeugende oder stromverbrauchende elektrochemische Einrichtung oder thermoelektrische Einrichtung ist.
Elektrisches Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Einrichtung (18; 24) eine Brennstoffzelle (24) oder Elektrolysezelle oder Batteriezelle oder thermoelektrische Generatorzelle ist oder umfasst.
Elektrisches Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Seite (38; 64) und/oder an der zweiten Seite (40; 66) der mindestens einen Funktionsplatte (34; 36; 58) eine elektrisch leitfähige Schutzschicht (60) angeordnet ist, in welche Faserbündel (48) der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung (42) eingebettet sind.
Elektrisches Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Matrixmaterial (43) der Faserverbundwerkstoff-Einrichtung (42), in welches Faserbündel (48) eingebettet sind, ein Kohlenstoffmaterial ist oder umfasst.