DE102019208311A1 - Segmented insert plate for a fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Einlageplatte für eine Endplattenanordnung eines Brennstoffzellenstapels umfassend eine Mehrzahl von Segmentstrukturen, wobei eine erste Segmentstruktur und eine zweite Segmentstruktur derart gekoppelt sind, dass die erste Segmentstruktur und die zweite Segmentstruktur zumindest teilweise relativ zueinander verkippbar sind. Hierdurch wird der Einlageplatte eine besondere Flexibilität verliehen. Ferner wird eine Endplattenanordnung umfassend eine solche Einlageplatte und ein Brennstoffzellenstapel beschrieben.The invention describes an insert plate for an end plate arrangement of a fuel cell stack comprising a plurality of segment structures, a first segment structure and a second segment structure being coupled such that the first segment structure and the second segment structure are at least partially tiltable relative to one another. This gives the insert plate a particular flexibility. Furthermore, an end plate arrangement comprising such an insert plate and a fuel cell stack is described.

Description

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 im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Spannungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- 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.Fuel cells use the chemical conversion of a fuel with oxygen into water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electrode assembly (MEA) as a core component, which is a structure of an ion-conducting (mostly proton-conducting) membrane and a catalytic electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. The latter mostly comprise supported precious metals, especially platinum. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a large number of MEAs arranged in a stack, the electrical voltages of which add up. Bipolar plates (also called flow field or separator plates) are usually arranged between the individual membrane-electrode arrangements, which ensure that the individual cells are supplied with the operating media, i.e. the reactants, and usually also serve for cooling. In addition, the bipolar plates ensure electrically conductive contact with the membrane-electrode assemblies.

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 O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O2 + 2 e- → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2- + 2 H+ → H2O).When the fuel cell is in operation, the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode via an open flow field on the anode side of the bipolar plate, where electrochemical oxidation of H 2 to protons H + takes place with the release of electrons (H 2 → 2 H + + 2 e - ). A (water-bound or water-free) transport of the protons from the anode space into the cathode space takes place via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces from one another in a gas-tight manner and insulates them electrically. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example air) as cathode operating medium is fed to the cathode via an open flow field on the cathode side of the bipolar plate, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place while absorbing the electrons (½ O 2 + 2 e - → O 2 - ). At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported across the membrane to form water (O 2- + 2 H + → H 2 O).

Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.The fuel cell stack is supplied with its operating media, i.e. the anode operating gas (e.g. hydrogen), the cathode operating gas (e.g. air) and the coolant, via main supply channels that pass through the stack in its entire stacking direction and from which the operating media are fed to the individual cells via the bipolar plates are fed. At least two such main supply channels are available for each operating medium, namely one for supplying and one for discharging the respective operating medium.

Um den Brennstoffzellenstapel zusammenzuhalten, sind an den Stapelenden Endplatten angeordnet, die den Stapel zu beiden Seiten begrenzen, wobei der Stapel also zwischen den Endplatten angeordnet ist. Durch Zugkräfte wird der Stapel unter Druck gesetzt. Hierdurch werden auch die Endplatten erheblichen Kräften ausgesetzt. Um eine Beschädigung der Endplatten und auch des Stapels zu vermeiden, werden die Endplatten durch Federn abgefedert. Zur Anordnung der Federn liegen die Federn auf einer Einlageplatte auf, die wiederum auf der Endplatte liegt. Die Endplatte, die Einlageplatte und die Federn bilden zusammen einer Endplattenanordnung, die ferner noch eine Endplattenkappe aufweisen kann, die die Endplattenanordnung abschließt.In order to hold the fuel cell stack together, end plates are arranged at the ends of the stack which delimit the stack on both sides, the stack thus being arranged between the end plates. The stack is put under pressure by tensile forces. This also exposes the end plates to considerable forces. To avoid damaging the end plates and the stack, the end plates are cushioned by springs. To arrange the springs, the springs rest on an insert plate, which in turn rests on the end plate. The end plate, the insert plate and the springs together form an end plate arrangement which can furthermore have an end plate cap which closes the end plate arrangement.

Üblicherweise weist die Einlageplatte Federaufnahmeelemente in Form von Aussparungen auf, die komplementär zu der Form der Federn ausgebildet sind. Die Federn können damit in die Aussparungen eingebracht werden, womit die Federn innerhalb der Endplattenanordnung positioniert werden. Über die Federn nimmt die Einlageplatte sowohl beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels als auch bei dessen Betrieb mechanische Spannungen auf. Als Reaktion auf diese Spannung kann die Einlageplatte den Spannungen nachgeben und selber beschädigt werden beziehungsweise wiederum die Biopolarplatten mechanisch belasten, was diese beschädigen und/oder deren Funktion beeinträchtigen kann. Für ein kompaktes Design der Endplattenanordnung ist die Einlageplatte bevorzugt flach ausgestaltet. Die bereits beschriebenen auf die Einlageplatte übertragenen Kräfte und die hierdurch verursachte Bruchgefahr verhindert allerdings, die Einlageplatte flach auszubilden.The insert plate usually has spring receiving elements in the form of cutouts which are designed to be complementary to the shape of the springs. The springs can thus be inserted into the recesses, with which the springs are positioned within the end plate assembly. The insert plate absorbs mechanical stresses via the springs both during the assembly of the fuel cell stack and during its operation. In response to this tension, the insert plate can yield to the tension and itself be damaged or, in turn, mechanically load the biopolar plates, which can damage them and / or impair their function. For a compact design of the end plate arrangement, the insert plate is preferably flat. However, the forces already described which are transferred to the insert plate and the risk of breakage caused thereby prevent the insert plate from being made flat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Endplattenanordnung für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, welche diese Nachteile nicht aufweist.The invention is based on the object of providing an end plate arrangement for a fuel cell stack which does not have these disadvantages.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Einlageplatte für eine Endplattenanordnung eines Brennstoffzellenstapel gelöst.This object is achieved by the insert plate according to the invention for an end plate arrangement of a fuel cell stack.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Einlageplatte für eine Endplattenanordnung eines Brennstoffzellenstapels beschrieben, umfassend eine Mehrzahl von Segmentstrukturen, wobei eine erste Segmentstruktur und eine zweite Segmentstruktur derart gekoppelt sind, dass die erste Segmentstruktur und die zweite Segmentstruktur zumindest teilweise relativ zueinander verkippbar sind.According to one aspect of the invention, an insert plate for an end plate arrangement of a fuel cell stack is described, comprising a plurality of segment structures, a first segment structure and a second segment structure being coupled in such a way that the first segment structure and the second segment structure are at least partially tiltable relative to one another.

Hierdurch wird der Einlageplatte eine besondere Flexibilität verliehen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten durchgehenden, unsegmentierten Einlageplatten vermissen lassen. Durch die Segmentstrukturen kann eine hohe Flexibilität gewährleistet werden, die den hohen mechanischen Anforderungen in einem Brennstoffzellenstapel Genüge tun.As a result, the insert plate is given a special flexibility which the continuous, unsegmented insert plates known from the prior art lack. The segment structures can guarantee a high degree of flexibility that satisfies the high mechanical requirements in a fuel cell stack.

Für ein kompaktes Design der Endplattenanordnung ist die Einlageplatte bevorzugt flach ausgestaltet. Durch die Segmentstruktur weist die erfindungsgemäße Einlageplatte eine hinreichende Flexibilität auf, sodass diese auch relativ flach ausgestaltet werden kann, ohne dass es durch die übertragenen Kräfte zu einer Beschädigung kommt. Die erfindungsgemäße Einlageplatte ermöglicht somit ein kompaktes Design der Endplattenanordnung, wie dies insbesondere bei Verwendung in Fahrzeugen von Bedeutung ist.For a compact design of the end plate arrangement, the insert plate is preferably flat. As a result of the segment structure, the insert plate according to the invention has sufficient flexibility so that it can also be designed to be relatively flat without damage being caused by the transmitted forces. The insert plate according to the invention thus enables a compact design of the end plate arrangement, as is particularly important when used in vehicles.

Insbesondere weist die Einlageplatte wenigstens drei, bevorzugt fünf oder mehr Segmentstrukturen auf.In particular, the insert plate has at least three, preferably five or more segment structures.

Gemäß einer Ausführungsform wird eine Einlageplatte beschrieben, wobei die erste Segmentstruktur auf einer ersten Seite wenigstens ein Eingreifelement aufweist, und die zweite Segmentstruktur auf einer zweiten Seite wenigstens ein Aufnahmeelement aufweist, und wobei das Eingreifelement in das Aufnahmeelement eingreift, um die erste Segmentstruktur und die zweite Segmentstruktur zu koppeln.According to one embodiment, an insert plate is described, wherein the first segment structure has at least one engaging element on a first side, and the second segment structure has at least one receiving element on a second side, and wherein the engaging element engages in the receiving element to the first segment structure and the second Link segment structure.

Gemäß einer Ausführungsform wird eine Einlageplatte beschrieben, wobei die Eingreifelemente als Stege gebildet sind und die Aufnahmeelemente als Aussparung gebildet sind.According to one embodiment, an insert plate is described, the engagement elements being formed as webs and the receiving elements being formed as a recess.

Gemäß einer Ausführungsform weisen die Eingreifelemente in Form von Stegen in einer Richtung senkrecht zu der Eingreifrichtung lochförmige Durchgänge auf. Beim Eingreifen der Eingreifelemente in die Aussparungen kommen die Durchgänge der Eingreifelemente der ersten Segmentstruktur und Durchgänge der Eingreifelemente der zweiten Segmentstruktur aufeinander zu liegen. In den hierdurch entstehenden Gesamtdurchgang kann nun ein dünner Stab eingebracht werden, welcher als Drehachse ermöglicht, dass die erste Segmentstruktur und die zweite Segmentstruktur relativ zueinander verkippbar sind. Die beiden Segmentstrukturen werden also scharnierartig miteinander gekoppelt.According to one embodiment, the engagement elements in the form of webs have hole-shaped passages in a direction perpendicular to the engagement direction. When the engagement elements engage in the recesses, the passages of the engagement elements of the first segment structure and passages of the engagement elements of the second segment structure come to rest on top of one another. A thin rod can now be introduced into the resulting overall passage, which, as an axis of rotation, enables the first segment structure and the second segment structure to be tiltable relative to one another. The two segment structures are thus coupled to one another in a hinge-like manner.

Gemäß einer Ausführungsform wird eine Einlageplatte beschrieben, wobei die erste Segmentstruktur auf einer ersten Seite wenigstens ein Aufnahmeelement aufweist, und die zweite Segmentstruktur auf einer zweiten Seite wenigstens ein Eingreifelement aufweist, und wobei das Eingreifelement in das Aufnahmeelement eingreift, um die erste Segmentstruktur und die zweite Segmentstruktur zu koppeln.According to one embodiment, an insert plate is described, wherein the first segment structure has at least one receiving element on a first side, and the second segment structure has at least one engaging element on a second side, and wherein the engaging element engages in the receiving element to the first segment structure and the second Link segment structure.

Die Eingreifelemente und die Aufnahmeelemente sind auf einer Seite einer Segmentstruktur bevorzugt alternierend angeordnet und schließen unmittelbar aneinander an. Bevorzugt sind die Segmentstrukturen einstückig ausgebildet, zumindest im Hinblick auf die Ausbildung der Eingreifelement und Aufnahmeelemente.The engagement elements and the receiving elements are preferably arranged alternately on one side of a segment structure and directly adjoin one another. The segment structures are preferably designed in one piece, at least with regard to the design of the engaging element and receiving elements.

Gemäß einer Ausführungsform wird eine Einlageplatte beschrieben, wobei die Einlageplatte ferner eine dritte Segmentstruktur aufweist, welche mit der zweiten Segmentstruktur derart gekoppelt ist, dass die dritte Segmentstruktur und die zweite Segmentstruktur zumindest teilweise relativ zueinander verkippbar sind. Auch gemäß dieser Ausführungsform sind die Eingreifelemente bevorzugt als Stege gebildet und die Aufnahmeelemente als Aussparungen gebildet.According to one embodiment, an insert plate is described, the insert plate furthermore having a third segment structure which is coupled to the second segment structure in such a way that the third segment structure and the second segment structure are at least partially tiltable relative to one another. According to this embodiment too, the engagement elements are preferably formed as webs and the receiving elements are formed as recesses.

Gemäß einer Ausführungsform wird eine Einlageplatte beschrieben, wobei wenigstens eine Segmentstruktur eine Federaufnahme aufweist, wobei die Federaufnahme bevorzugt als Aussparung in der Segmentstruktur ausgebildet ist.According to one embodiment, an insert plate is described, at least one segment structure having a spring receptacle, the spring receptacle preferably being designed as a recess in the segment structure.

Gemäß einer Ausführungsform wird eine Einlageplatte beschrieben, wobei die Einlageplatte aus einem Metall, bevorzugt aus Stahl oder Aluminium gebildet ist.According to one embodiment, an insert plate is described, the insert plate being formed from a metal, preferably from steel or aluminum.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Endplattenanordnung für einen Brennstoffzellenstapel, umfassend eine Endplatte, eine Mehrzahl von Federn sowie eine erfindungsgemäße Einlageplatte, wobei die Einlageplatte eine Mehrzahl von Federaufnahmen aufweist, welche die Federn auf der Einlageplatte positionieren.According to a further aspect, the invention relates to an end plate arrangement for a fuel cell stack, comprising an end plate, a plurality of springs and an insert plate according to the invention, the insert plate having a plurality of spring receptacles which position the springs on the insert plate.

Gemäß einer Ausführungsform wird eine Endplattenanordnung beschrieben, wobei zwischen der Endplatte und der Einlageplatte eine weitere Metallplatte angeordnet ist, die bevorzugt nicht mehr als 400 µm dick ist, insbesondere nicht mehr als 300 µm dick ist.According to one embodiment, an end plate arrangement is described, wherein a further metal plate is arranged between the end plate and the insert plate, which is preferably not more than 400 μm thick, in particular not more than 300 μm thick.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention result from the other features mentioned in the subclaims.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application can be advantageously combined with one another, unless stated otherwise in the individual case.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels;
  • 2 in seitlicher Ansicht eine aus dem Stand der Technik bekannte Endplattenanordnung;
  • 3 in Draufsicht eine aus dem Stand der Technik bekannte Endplatte mit aufliegender Einlageplatte;
  • 4 in Draufsicht zwei Segmentstrukturen für eine erfindungsgemäße Einlageplatte;
  • 5 in Draufsicht eine erfindungsgemäße Einlageplatte;
  • 6 in einer Ansicht von unten eine erfindungsgemäße Einlageplatte;
  • 7 in seitlicher Ansicht eine erfindungsgemäße Einlageplatte in unterschiedlichen Anordnungen.
The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell stack;
  • 2 in a side view an end plate arrangement known from the prior art;
  • 3 in plan view an end plate known from the prior art with an insert plate on top;
  • 4th in plan view two segment structures for an insert plate according to the invention;
  • 5 an insert plate according to the invention in plan view;
  • 6th in a view from below an insert plate according to the invention;
  • 7th a side view of an insert plate according to the invention in different arrangements.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen insgesamt mit 100 bezeichneten Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Brennstoffzellenstapel 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch den Brennstoffzellenstapel 100 mit elektrischer Energie versorgt wird. 1 shows in a schematic representation an overall with 100 designated fuel cell stack according to the present invention. The fuel cell stack 100 is part of a vehicle not shown, in particular an electric vehicle, which has an electric traction motor that is driven by the fuel cell stack 100 is supplied with electrical energy.

Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine Vielzahl von abwechselnd, an deren Flachseiten aneinander gereihten (gestapelten) Membran-Elektroden-Anordnungen 10 und Bipolarplatten 12. Insgesamt bilden also mehrere gestapelte Einzelzellen 11 den Brennstoffzellenstapel 100, wobei sowohl eine der Einzelzellen 11, als auch der Brennstoffzellenstapel 100 allgemein als Brennstoffzelle bezeichnet werden können. Der Brennstoffzellenstapel 100 weist beidseitig Endplattenanordnungen 18 auf. Zwischen den Bipolarplatten 12 und den jeweiligen Membran-Elektroden-Anordnungen 10 sind nicht dargestellte Anoden- und Kathodenräume angeordnet, welche von umlaufenden Dichtungen 20 begrenzt werden. Unter anderem, um die Dichtfunktion der Dichtungen 20 herzustellen, wird der Brennstoffzellenstapel 100 in der Stapelrichtung S mittels eines Spannsystems zusammengepresst (verpresst). Das Spannsystem umfasst üblicherweise eine äußere Spannvorrichtung (nicht gezeigt).The fuel cell stack 100 comprises a multiplicity of membrane-electrode assemblies alternately lined up on their flat sides (stacked) 10 and bipolar plates 12th . In total, therefore, form several stacked individual cells 11 the fuel cell stack 100 , being both one of the single cells 11 , as well as the fuel cell stack 100 can generally be referred to as a fuel cell. The fuel cell stack 100 has end plate arrangements on both sides 18th on. Between the bipolar plates 12th and the respective membrane electrode assemblies 10 are not shown anode and cathode spaces are arranged, which of circumferential seals 20th be limited. Among other things, about the sealing function of the seals 20th will produce the fuel cell stack 100 in the stacking direction S. pressed together (pressed) by means of a clamping system. The tensioning system typically includes an external tensioning device (not shown).

Zum Aufbau einer äußeren Spannung, welche auf die Strukturelemente im Brennstoffzellenstapel 100 übertragen wird, leiten längliche Zugkörper 22 der äußeren Spannvorrichtungen (nicht gezeigt) Zugkräfte zwischen den beiden Endplatten 18 weiter, sodass die Endplattenanordnung 18 mittels der Zugkörper 22 zueinander gezogen werden. Dazu erstrecken sich die Zugkörper 22 in einer Stapelrichtung S1 bzw. S2 des Brennstoffzellenstapels 100. Hierdurch entstehen beträchtliche Drücke innerhalb des Stapels.To build up an external tension which acts on the structural elements in the fuel cell stack 100 is transmitted, guide elongated tensile bodies 22nd the outer tensioning devices (not shown) pull forces between the two end plates 18th further so that the end plate assembly 18th by means of the tensile body 22nd are drawn towards each other. To this end, the tensile bodies extend 22nd in a stacking direction S1 or S2 of the fuel cell stack 100 . This creates considerable pressures within the stack.

2 zeigt in seitlicher Ansicht eine aus dem Stand der Technik bekannte Endplattenanordnung umfassend die Endplatte 15 und eine zugehörige Einlageplatte 30. Um den zwischen den Endplatten 15 wirkenden Kräfte Rechnung zu tragen, wird die Endplatte 15 durch Federn 16 abgefedert. Zur Anordnung der Federn 16 liegen die Federn 16 auf der Einlageplatte 30 auf, die wiederum auf der Endplatte 15 liegt. Die Einlageplatte 30 weist Aussparungen 50 auf, die komplementär zu der Form der Federn 16 ausgebildet sind. Die Federn 16 können damit in die Aussparungen 50 eingelegt werden, womit die Federn 16 innerhalb der Endplattenanordnung 18 positioniert werden. Die Federn 16 sind dabei Bestandteil der Endplattenanordnung 18, die ferner noch eine Endplattenkappe 17 aufweisen kann. Über die Federn 16 nimmt die Einlageplatte 17 sowohl beim Zusammenbau des Brennstoffzellenstapels als auch bei dessen Betrieb mechanische Spannungen auf. Als Reaktion auf diese Spannungen kann die Einlageplatte den Spannungen nachgeben und wiederum die Biopolarplatten mechanisch belasten, was diese beschädigen und/oder deren Betrieb beinträchtigen kann. 2 FIG. 12 shows a side view of an end plate arrangement known from the prior art, comprising the end plate 15th and an associated insert plate 30th . To the one between the end plates 15th Acting forces are taken into account by the end plate 15th by springs 16 cushioned. About the arrangement of the springs 16 lie the feathers 16 on the insert plate 30th on that in turn on the end plate 15th lies. The insert plate 30th has recesses 50 on that are complementary to the shape of the springs 16 are trained. The feathers 16 can use it in the recesses 50 are inserted, bringing the springs 16 within the endplate assembly 18th be positioned. The feathers 16 are part of the end plate assembly 18th who also have an endplate cap 17th may have. About the springs 16 takes the insert plate 17th mechanical stresses occur both when assembling the fuel cell stack and when operating it. In response to these stresses, the insert plate can yield to the stresses and in turn mechanically load the biopolar plates, which can damage them and / or impair their operation.

3 zeigt in Draufsicht eine aus dem Stand der Technik bekannte Einlageplatte 30. Die bekannte Einlageplatte 30 liegt auf einer Endplatte 15 auf. Die Einlageplatte 30 weist, wie bereits beschrieben die Aussparungen 50 auf, die komplementär zu der Form entsprechender Federn ausgebildet sind. Rund ausgebildete Federn können also in die runden Aussparungen 50 eingelegt werden, womit die Federn innerhalb einer Endplattenanordnung positioniert werden. Die aus dem Stand der Technik bekannten Einlageplatten 30 weisen insbesondere in dem Bereich, der die Aussparungen 50 aufweist, keine segmentierte Struktur auf. Eine kontinuierliche, einstückige Ausführung der Einlageplatten 30, insbesondere in dem Bereich, der die runden Aussparungen 50 aufweist, ist bekannt. 3 shows a top view of an insert plate known from the prior art 30th . The well-known insert plate 30th lies on an end plate 15th on. The insert plate 30th has, as already described, the recesses 50 which are complementary to the shape of corresponding springs. Round springs can therefore be inserted into the round recesses 50 are inserted, with which the springs are positioned within an end plate assembly. The insert plates known from the prior art 30th point particularly in the area that the recesses 50 has no segmented structure. A continuous, one-piece design of the insert plates 30th , especially in the area that contains the round recesses 50 has is known.

4 zeigt in Draufsicht zwei Segmentstrukturen 40, 40.2 für eine erfindungsgemäße Einlageplatte. Die erste Segmentstruktur 40 weist auf einer ersten Seite 46 mehrere Eingreifelemente 42 auf, und die zweite Segmentstruktur 40 weist auf einer zweiten Seite 48 mehrere Aufnahmeelement 44 auf. Die Eingreifelemente 42 greifen nun in die Aufnahmeelemente 44 ein, um die erste Segmentstruktur 40 und die zweite Segmentstruktur 40 miteinander zu koppeln. Dies ist durch die gestrichelten Pfeile gezeigt. Ferner weist die erste Segmentstruktur 40 auf der ersten Seite 46 mehrere Aufnahmeelemente 44 auf, und die zweite Segmentstruktur 40 weist auf der zweiten Seite 48 mehrere Eingreifelement 42 auf. Bei Kopplung der beiden Segmentstrukturen greifen die Eingreifelemente 42 in die Aufnahmeelemente 44 ein. Die eine erste Segmentstruktur 40 und eine zweite Segmentstruktur 40 werden hierdurch derart gekoppelt, dass die erste Segmentstruktur 40 und die zweite Segmentstruktur 40 zumindest teilweise relativ zueinander verkippbar sind. Wie aus der Figur ersichtlich ist, sind die Aufnahmeelemente 44 als Aussparungen in den Segmentstrukturen 40 gebildet. Durch die Bildung der Aussparungen 44 verbleiben Stege an den Rändern der Segmentstrukturen, die als die Eingreifelemente 42 dienen. Hierdurch ist eine einfache Fertigung der Segmentstrukturen möglich, wobei jede Segmentstruktur in einer speziellen Ausführungsform einstückig ausgebildet ist. 4th shows two segment structures in plan view 40 , 40.2 for an insert plate according to the invention. The first segment structure 40 points on a first page 46 several engagement elements 42 on, and the second segment structure 40 points on a second page 48 several receiving element 44 on. The engaging elements 42 now grip into the receiving elements 44 one to the first segment structure 40 and the second segment structure 40 to couple with each other. This is shown by the dashed arrows. Furthermore, the first segment structure 40 on the first page 46 several receiving elements 44 on, and the second segment structure 40 points on the second page 48 multiple engagement element 42 on. When the two segment structures are coupled, the engaging elements engage 42 in the receiving elements 44 one. The first segment structure 40 and a second segment structure 40 are thereby coupled in such a way that the first segment structure 40 and the second segment structure 40 are at least partially tiltable relative to one another. As can be seen from the figure, the receiving elements are 44 as recesses in the segment structures 40 educated. By forming the recesses 44 webs remain on the edges of the segment structures, which act as the engaging elements 42 serve. This enables simple production of the segment structures, each segment structure being designed in one piece in a special embodiment.

Bevorzugt weisen die Aufnahmeelemente 44 in Form von Aussparungen und/oder die Eingreifelemente 42 in Form von Stegen abgerundete Kanten in der Eingreifrichtung, d.h. in der Richtung der gestrichelten Pfeile auf. Hierdurch lässt sich erreichen, dass die erste Segmentstruktur 40 und die zweite Segmentstruktur 40 einfacher relativ zueinander verkippbar sind, ohne dass sich Kanten an den Rändern der Segmentstrukturen bei der Kippbewegung berühren.The receiving elements preferably have 44 in the form of recesses and / or the engagement elements 42 in the form of webs rounded edges in the engagement direction, ie in the direction of the dashed arrows. This makes it possible to achieve that the first segment structure 40 and the second segment structure 40 are easier to tilt relative to one another without edges on the edges of the segment structures touching during the tilting movement.

Die Eingreifelemente 42 in Form von Stegen weisen in einer Richtung senkrecht zu der Eingreifrichtung, also senkrecht zu der Richtung, die durch die gestrichelten Pfeile angezeigt wird, Durchgänge auf (nicht gezeigt). In diese Durchgänge werden dünne Stäbe eingebracht (nicht gezeigt), welche als Drehachsen ermöglichen, dass die erste Segmentstruktur 40 und die zweite Segmentstruktur 40 relativ zueinander verkippbar sind.The engaging elements 42 in the form of webs have passages (not shown) in a direction perpendicular to the engagement direction, that is to say perpendicular to the direction indicated by the dashed arrows. Thin rods (not shown), which act as axes of rotation, enable the first segment structure to be inserted into these passages 40 and the second segment structure 40 are tiltable relative to each other.

5 zeigt in Draufsicht eine erfindungsgemäße Einlageplatte. Die Einlageplatte weist fünf miteinander gekoppelte Segmentstrukturen 40, 40.2, 40.3, 40.4 und 40.5 auf. Die erste Segmentstruktur 40 ist dabei direkt an die zweite Segmentstruktur 40 gekoppelt. Die erste Segmentstruktur 40 und die zweite Segmentstruktur 40 sind also relativ zueinander verkippbar beziehungsweise drehbar gelagert und zwar um die Achse R1. Entsprechend sind die zweite Segmentstruktur 40 und die dritte Segmentstruktur 40 relativ zueinander verkippbar beziehungsweise drehbar gelagert und zwar um die Achse R2. Entsprechend sind die dritte Segmentstruktur 40 und die vierte Segmentstruktur 40 relativ zueinander verkippbar beziehungsweise drehbar gelagert und zwar um die Achse R3. Entsprechend sind ferner die vierte Segmentstruktur 40 und die fünfte Segmentstruktur 40 relativ zueinander verkippbar beziehungsweise drehbar gelagert und zwar um die Achse R4. Hierdurch wird der Einlageplatte eine besondere Flexibilität verliehen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten durchgehenden, unsegmentierten Einlageplatten vermissen lassen. Insbesondere durch mehr als drei Segmentstrukturen, insbesondere fünf Segmentstrukturen oder mehr Segmentstrukturen, kann eine hohe Flexibilität gewährleistet werden, die den hohen mechanischen Anforderungen in einem Brennstoffzellenstapel Genüge tun. 6 zeigt in einer Ansicht von unten die erfindungsgemäße Einlageplatte gemäß 5. 5 shows a top view of an insert plate according to the invention. The insert plate has five interconnected segment structures 40 , 40.2, 40.3, 40.4 and 40.5. The first segment structure 40 is directly attached to the second segment structure 40 coupled. The first segment structure 40 and the second segment structure 40 are therefore mounted so that they can be tilted or rotated relative to one another, namely about the axis R1. The second segment structure is corresponding 40 and the third segment structure 40 mounted so that they can be tilted or rotated relative to one another, namely about the axis R2. The third segment structure is corresponding 40 and the fourth segment structure 40 mounted so that they can be tilted or rotated relative to one another, namely about the axis R3. The fourth segment structure is also corresponding 40 and the fifth segment structure 40 mounted so that they can be tilted or rotated relative to one another, namely about the axis R4. As a result, the insert plate is given a special flexibility which the continuous, unsegmented insert plates known from the prior art lack. In particular, by means of more than three segment structures, in particular five segment structures or more segment structures, a high degree of flexibility can be ensured which satisfy the high mechanical requirements in a fuel cell stack. 6th shows the insert plate according to the invention in a view from below 5 .

7 zeigt in seitlicher Ansicht die erfindungsgemäße Einlageplatte gemäß 5 und 6. Wie bereits dargelegt, weist die Einlageplatte fünf miteinander gekoppelte Segmentstrukturen 40, 40.2, 40.3, 40.4 und 40.5 auf, wobei eine Verkippung bzw. Verdrehung um die Drehachsen R1, R2, R3, R4 und R5 erfolgen kann. Die hierdurch erreichte Flexibilität der Einlageplatte wird nun anhand von 7 dargestellt. Durch Drehung bzw. Verkippung der ersten Segmentstruktur 40 relativ zu der zweiten Segmentstruktur 40 um R1 wird die erste Anordnung C1 in die zweite Anordnung C2 überführt. Durch anschließende Drehung bzw. Verkippung der vierten Segmentstruktur 40 relativ zu der fünften Segmentstruktur 40 wird die zweite Anordnung C2 in die dritte Anordnung C3 überführt. 7th shows the insert plate according to the invention in a side view 5 and 6th . As already explained, the insert plate has five segment structures coupled to one another 40 , 40.2, 40.3, 40.4 and 40.5, whereby a tilting or rotation about the axes of rotation R1, R2, R3, R4 and R5 can take place. The flexibility of the insert plate achieved in this way is now based on 7th shown. By rotating or tilting the first segment structure 40 relative to the second segment structure 40 around R1, the first arrangement C1 is transferred to the second arrangement C2. By subsequent rotation or tilting of the fourth segment structure 40 relative to the fifth segment structure 40 the second arrangement C2 is transferred to the third arrangement C3.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100100
Brennstoffzellenstapel Fuel cell stack
1010
Membran-Elektroden-AnordnungMembrane-electrode arrangement
1111
EinzelzelleSingle cell
1212
BipolarplatteBipolar plate
1515th
EndplatteEnd plate
1616
Federfeather
1717th
EndplattenkappeEndplate cap
1818th
EndplattenanordnungEnd plate assembly
2020th
Dichtungpoetry
2222nd
länglicher Zugkörperelongated tensile body
SS.
Stapelrichtung Stacking direction
3030th
EinlageplatteInsert plate
4040
SegmentstrukturSegment structure
4242
EingreifelementEngagement element
4444
AufnahmeelementReceiving element
4646
erste Seite Segmentstrukturfirst page segment structure
4848
zweite Seite Segmentstruktursecond page segment structure
5050
Federaufnahme / AussparungSpring seat / recess
RR.
RotationsachseAxis of rotation
CC.
Anordnung EinlageplatteArrangement of insert plate

Claims (10)

Einlageplatte (30) für eine Endplattenanordnung (18) eines Brennstoffzellenstapels (100) umfassend eine Mehrzahl von Segmentstrukturen (40), wobei eine erste Segmentstruktur (40.1) und eine zweite Segmentstruktur (40.2) derart gekoppelt sind, dass die erste Segmentstruktur (40.1) und die zweite Segmentstruktur (40.2) zumindest teilweise relativ zueinander verkippbar sind.Insert plate (30) for an end plate arrangement (18) of a fuel cell stack (100) comprising a plurality of segment structures (40), wherein a first segment structure (40.1) and a second segment structure (40.2) are coupled such that the first segment structure (40.1) and the second segment structure (40.2) are at least partially tiltable relative to one another. Einlageplatte (30) gemäß Anspruch 1, wobei die erste Segmentstruktur (40.1) auf einer ersten Seite (46) wenigstens ein Eingreifelement (42) aufweist, und die zweite Segmentstruktur (40.2) auf einer zweiten Seite (48) wenigstens ein Aufnahmeelement (44) aufweist, und wobei das Eingreifelement (42) in das Aufnahmeelement (44) eingreift, um die erste Segmentstruktur (40.1) und die zweite Segmentstruktur (40.2) zu koppeln.Insert plate (30) according to Claim 1 wherein the first segment structure (40.1) has at least one engagement element (42) on a first side (46), and the second segment structure (40.2) has at least one receiving element (44) on a second side (48), and wherein the engagement element ( 42) engages in the receiving element (44) in order to couple the first segment structure (40.1) and the second segment structure (40.2). Einlageplatte (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Eingreifelement (42) als Steg in der ersten Segmentstruktur (40.1) gebildet ist und das Aufnahmeelement (44) als Aussparung in der zweiten Segmentstruktur (40.2) gebildet ist.Insert plate (30) according to one of the preceding claims, wherein the engagement element (42) is formed as a web in the first segment structure (40.1) and the receiving element (44) is formed as a recess in the second segment structure (40.2). Einlageplatte (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Segmentstruktur (40.1) auf der ersten Seite (46) wenigstens ein Aufnahmeelement (44) zusätzlich zu dem wenigsten Eingreifelement (42) aufweist, und die zweite Segmentstruktur (40.2) auf der zweiten Seite (48) wenigstens ein Eingreifelement (42) zusätzlich zu dem wenigstens einen Aufnahmeelement (44) aufweist, und wobei das Eingreifelement (42) in das Aufnahmeelement (44) eingreift, um die erste Segmentstruktur (40.1) und die zweite Segmentstruktur (40.2) zu koppeln.Insert plate (30) according to one of the preceding claims, wherein the first segment structure (40.1) has at least one receiving element (44) on the first side (46) in addition to the least engagement element (42), and the second segment structure (40.2) on the second side (48) has at least one engagement element (42) in addition to the at least one receiving element (44), and wherein the engaging element (42) engages in the receiving element (44) in order to couple the first segment structure (40.1) and the second segment structure (40.2). Einlageplatte (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einlageplatte (30) ferner eine dritte Segmentstruktur (40.3) aufweist, welche mit der zweiten Segmentstruktur (40.2) derart gekoppelt ist, dass die dritte Segmentstruktur (40.3) und die zweite Segmentstruktur (40.2) zumindest teilweise relativ zueinander verkippbar sind.Insert plate (30) according to one of the preceding claims, wherein the insert plate (30) furthermore has a third segment structure (40.3) which is coupled to the second segment structure (40.2) in such a way that the third segment structure (40.3) and the second segment structure (40.2 ) are at least partially tiltable relative to one another. Einlageplatte (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine Segmentstruktur (40) eine Federaufnahme (50) aufweist, wobei die Federaufnahme (50) bevorzugt als Aussparung in der Segmentstruktur ausgebildet ist.Insert plate (30) according to one of the preceding claims, wherein at least one segment structure (40) has a spring receptacle (50), wherein the spring receptacle (50) is preferably designed as a recess in the segment structure. Einlageplatte (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einlageplatte (30) eine Metallplatte ist und bevorzugt aus Stahl oder Aluminium besteht.Insert plate (30) according to one of the preceding claims, wherein the insert plate (30) is a metal plate and is preferably made of steel or aluminum. Endplattenanordnung (18) für einen Brennstoffzellenstapel (100), umfassend eine Endplatte (15), eine Mehrzahl von Federn (16) sowie eine Einlageplatte (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die Einlageplatte eine Mehrzahl von Federaufnahmen (50) aufweist, welche die Federn (16) auf der Einlageplatte (30) positionieren.End plate arrangement (18) for a fuel cell stack (100), comprising an end plate (15), a plurality of springs (16) and an insert plate (30) according to one of the preceding Claims 1 to 7th wherein the insert plate has a plurality of spring receptacles (50) which position the springs (16) on the insert plate (30). Endplattenanordnung (18) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei zwischen der Endplatte (15) und der Einlageplatte (30) eine weitere Metallplatte angeordnet ist, die bevorzugt nicht mehr als 300 µm dick ist.End plate arrangement (18) according to the preceding claim, wherein a further metal plate, which is preferably no more than 300 µm thick, is arranged between the end plate (15) and the insert plate (30). Brennstoffzellenstapel (100) aufweisend eine Endplattenanordnung (18) gemäß den vorhergehenden Ansprüchen 8 oder 9.Fuel cell stack (100) comprising an end plate arrangement (18) according to the preceding Claims 8 or 9 .
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