DE102019211823A1

DE102019211823A1 - Brennstoffzellenstapel und Verfahren zur Herstellung sowie Verwendung eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102019211823A1
Application number: DE102019211823.2A
Authority: DE
Inventors: Isabel Jesswein; Harald Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2021-02-11
Also published as: WO2021023441A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (4) umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (3), mindestens einen Stromsammler (52) und mindestens eine Endplatte (48),wobei zwischen dem mindestens einen Stromsammler (52) und der mindestens einen Endplatte (48) eine Endlage (10) angeordnet ist und die Endlage (10) aus einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial (12) aufgebaut ist undwobei das elektrisch leitfähige Polymermaterial (12) elektrisch mit einer Stromquelle (14) verbunden ist und geeignet ist, sich bei einer anliegenden elektrischen Spannung zu erwärmen. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug umfassend den Brennstoffzellenstapel (4) sowie ein Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels (4) und eine Verwendung des Brennstoffzellenstapels (4).

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, ein Fahrzeug umfassend den Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zur Herstellung sowie eine Verwendung des Brennstoffzellenstapels.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine galvanische Zelle, welche die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) in Wasser (H₂O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
Ein Elektrolyseur ist ein elektrochemischer Energiewandler, welcher Wasser (H₂O) mittels elektrischer Energie in Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) spaltet.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembranen (Proton-Exchange-Membrane = PEM)- Brennstoffzellen bekannt, die auch als Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle bezeichnet werden. Weiterhin bekannt sind Anion-Austausch-Membranen sowohl für Brennstoffzellen als auch für Elektrolyseure. Protonenaustauschmembranen-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also für Wasserstoffionen, leitfähig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
Protonenaustauschmembranen-Brennstoffzellen weisen ferner eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert. Die Protonen gelangen durch die Membran zu der Kathode. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zu der Kathode.
Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und es reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen, die durch die Membran zur Kathode gelangt sind, zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet.
Die Bruttoreaktion lautet: $O_{2} + 4 H^{-} + 4 e^{-} \to 2 H_{2} O$
Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Brennstoffzellen-Stack bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Ein Brennstoffzellenstapel, dem Wasserstoff und Sauerstoff sowie optional ein Kühlmedium zugeführt wird, wird üblicherweise durch zwei Endplatten abgeschlossen. Innerhalb der Endplatten sind jeweils Stromsammler angeordnet.
Bei der Erzeugung von elektrischem Strom durch die Produktion von Wasser in einer Brennstoffzelle können im produzierten Wasser gelöste Ionen durch Verunreinigungen und/oder Nebenreaktionen vorliegen. Die Ionen führen zu einer unerwünschten elektrischen Leitfähigkeit, die Korrosionseffekte und damit eine Degradation, also einen Leistungsverlust, an der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstapel verursachen.
Brennstoffzellen werden häufig über senkrecht zu der Membran der Brennstoffzelle angeordnete Zuführkanäle mit Medien wie Wasserstoff und Sauerstoff versorgt. Auch werden Medien über diese Zuführkanäle abgeführt. Die Zuführkanäle sind durch Port-Strukturen, die auch als Fluidanschlüsse bezeichnet werden können, mit der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstapel verbunden. Zwischen verschiedenen Port-Strukturen einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels können unerwünschte Kriechströme entstehen.
US 2013/0295481A1 und DE 10 2012 220 705 A1 haben Fluidanschlüsse für Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen zum Gegenstand. Es werden Formteile oder Spritzgussteile aus Polymeren beschrieben, die die Gasanschlüsse zur Zuführung und Ableitung von Luft und Wasserstoff sowie einen Kühlwasseranschluss elektrisch im Bereich der Endplatte gegeneinander isolieren. Ein Verteilerblock für eine Brennstoffzelle weist eine elektrische Isolierung für einen Kühlmittelströmungskanal in einem internen Strömungskanal auf.
DE 11 2007 002 945 B4 beschreibt ein scherelastisches Element, das für einen Toleranzausgleich im Brennstoffzellenstapel sorgt. Das scherelastische Element ist zwischen einem Klemmelement und einer Endfläche des Brennstoffzellenstapels in Stapelrichtung eingefügt und verformt sich elastisch in einer Scherrichtung, die senkrecht zur Stapelrichtung liegt. Ferner weist der Brennstoffzellenstapel ein Polsterelement auf, das zwischen dem Stapel und einer zumindest einen Seitenabschnitt der Seitenfläche des Stapels bedeckenden Platte positioniert ist.
Werden Brennstoffzellenstapel bei einer Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser in Betrieb genommen, kann gefrorenes Wasser an den Port-Strukturen auftreten. Dies kann auch auftreten, wenn der Brennstoffzellenstapel mittels einer Zwischenlage elektrisch beheizbar ist, da die Port-Strukturen durch eine polymere Zwischenplatte wärmeisoliert und somit von der Beheizung abgegrenzt sein können.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle, mindestens einen Stromsammler und mindestens eine Endplatte, wobei zwischen dem mindestens einen Stromsammler und der mindestens einen Endplatte eine Endlage angeordnet ist und die Endlage aus einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial aufgebaut ist und wobei das elektrisch leitfähige Polymermaterial elektrisch mit einer Stromquelle verbunden ist und geeignet ist, sich bei einer anliegenden elektrischen Spannung zu erwärmen.
Weiterhin wird ein Fahrzeug umfassend den Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen sowie ein Verfahren zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Port-Struktur mittels Spritzguss aus dem elektrisch leitfähigem Polymermaterial hergestellt wird und dann eine mechanische Verbindung zwischen der mindestens einen Port-Struktur und einer zweiten Port-Struktur oder zwischen der mindestens einen Port-Struktur und Teilen der Endlage, die von der mindestens einen Port-Struktur verschieden sind, durch Spritzgießen einer elektrisch isolierenden Komponente hergestellt wird.
Die Endlage kann auch als Spritzgussteil in Form eines Einlegeteils in den Brennstoffzellenstapel eingefügt werden.
Der Brennstoffzellenstapel, der insbesondere ein PEM-Brennstoffzellenstapel ist, kann mehr als eine Endlage, insbesondere zwei Endlagen umfassen. Die Endlage aus elektrisch leitfähigem Polymermaterial, die auch als polymere Begleitheizung bezeichnet werden, kann sowohl Formtoleranzen als auch Lagetoleranzen innerhalb des Brennstoffzellenstapelaufbaus ausgleichen.
Unter dem Stromsammler wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein elektrisch leitfähiges Flächenelement verstanden, das direkt mit einer äußeren Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels, insbesondere mit der äußeren Elektrode der äußeren Brennstoffzelle, elektrisch verbunden ist. Der Stromsammler führt über die Brennstoffzellenstapellänge den in der gesamten Brennstoffzellenfläche transportierten Strom in der Ebene des Flächenelements auf einen oder mehrere elektrische Anschlusspunkte zusammen, damit die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels ohne unzulässige ohmsche Erwärmung abgeführt werden kann.
Die äußere Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels endet in der Regel mit einem Strömungsfeld, das auch als Strömungsplatte bezeichnet werden kann. Das Strömungsfeld kann von einer graphitischen oder metallischen Struktur gebildet werden. Da sich an die äußere Brennstoffzelle keine weitere Brennstoffzelle anschließt, kann auch von einer Monopolarplatte gesprochen werden.
Der Strom, der in Stapelrichtung durch den Brennstoffzellenstapel fließt und der zwischen beiden Brennstoffzellenstapelenden die elektrische Brennstoffzellenstapelspannung als Summe der einzelnen Brennstoffzellenspannungen bildet, muss aus dem Inneren des Brennstoffzellenstapels nach außen, beispielsweise über Dichtungen, elektrisch übertragen werden. Dies kann bei kleineren Leistungen dadurch erfolgen, dass die äußere Strömungsplatte oder Monopolarplatte einen elektrischen Stromabgriff in der Ebene der Monopolarplatte aufweist. Die Monopolarplatte ist also um einen Fortsatz oder Fähnchen für einen Kabelanschluss vergrößert.
Alternativ kann die Monopolarplatte mit der Endplatte elektrisch verbunden oder verpresst sein und der Strom kann an einem Endsammler, bevorzugt umfassend Edelstahl oder Aluminium, abgegriffen werden, der den Strom zu einem elektrischen Kabelanschluss bündelt. Liegt eine elastische Zwischenlage aus einem nicht leitenden Polymer zum mechanischen Toleranzausgleich vor, ist die Endplatte jedoch elektrisch isoliert. Daher kann zwischen der Monopolarplatte und der Endplatte eine elektrisch gut leitende Platte, beispielsweise umfassend Kupfer, mit geringem Kontaktwiderstand, der durch eine Beschichtung zum Beispiel mit Gold erzielt werden kann, angeordnet sein und diese mit einem Anschlusskabel elektrisch verbunden sein. Die elektrisch gut leitende Platte wird bevorzugt eingesetzt, wenn der Brennstoffzellenstapel eine große elektrische Leistung liefern kann.
Die Endplatte kann gleichmäßig, also mit gleichmäßiger lokaler Presskraft und gleicher lokaler Verformung, Kräfte aus Spannelementen auf die elektrisch aktiven Zellflächen wie die Membranflächen übertragen, wobei die Spannelemente außerhalb der elektrisch aktiven Zellflächen liegen.
Der Stromsammler ist elektrisch leitfähig und stellt die elektrische Kontaktierung zwischen der äußeren Elektrode des Brennstoffzellestapels und einem Anschlusskabel sicher, während die Endplatte für mechanische Stabilität des Brennstoffzellenstapels sorgt.
Die Endlage umfasst das elektrisch leitfähige Polymermaterial. Gegebenenfalls kann die Endlage die elektrisch isolierende Komponente umfassen. Bevorzugt besteht die Endlage zu mehr als 50 Gew.-%, mehr bevorzugt zu mehr als 80 Gew.-%, weiter bevorzugt zu mehr als 95 Gew.-%, aus dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial. Die Endlage umfasst bevorzugt von 5 Gew.-% bis 20 Gew.-% die elektrisch isolierende Komponente. Hergestellt ist die Endlage bevorzugt mittels Spritzguss.
Das elektrisch leitfähige Polymermaterial, das auch als Heat Inducing Thermoplastics (HIT) bezeichnet wird, umfasst eine Kunststoffmatrix und ein elektrisch leitfähiges Additiv, das auch als Füllstoff bezeichnet werden kann. Bevorzugt besteht die Kunststoffmatrix aus mindestens einem Thermoplasten oder mindestens einem Duroplasten. Mehr bevorzugt umfasst die Kunststoffmatrix Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polypropylen (PP), Polyphenylensulfid (PPS), Polyamid (PA), Polyetheretherketon (PEEK) oder Mischungen daraus. Insbesondere besteht die Kunststoffmatrix aus Polyvinylidenfluorid, Polypropylen, Polyphenylensulfid, Polyamid, Polyetheretherketon oder Mischungen daraus. Das elektrisch leitfähige Additiv umfasst oder besteht aus bevorzugt Metallpulver, Metallfasern, Ruß, Graphit, Kohlefasern, Carbon Nano Tubes oder Mischungen daraus. Vorteilhaft liegt der Gewichtsanteil des elektrisch leitfähigen Additivs, bezogen auf das elektrisch leitfähige Polymermaterial, oberhalb der Perkolationsgrenze des elektrisch leitfähigen Polymermaterials.
Die elektrische Leitfähigkeit σ eines Materials wird durch die Anzahl N von Ladungsträgern pro Volumen V, der Elementarladung e, und der Mobilität µ der Ladungsträger bestimmt: $σ = (N/V) \cdot μ \cdot e$
In Abhängigkeit von der Art und der Menge des elektrisch leitfähigen Additivs in dem elektrisch leitfähigen Polymermaterials beträgt der spezifische Widerstand (ρ=1/σ) des elektrisch leitfähigen Polymermaterils nicht mehr als 5 Ωcm.
Durch den elektrischen Widerstand des elektrisch leitfähigen Polymermaterials wird joulesche Wärme erzeugt, so dass sich das elektrisch leitfähige Polymermaterial bei einer anliegenden elektrischen Spannung erwärmt, wie es auch in der DE 10 2012 212 798 A1 beschrieben ist. Ferner sind elektrisch leitfähige Kunststoffcompounds dargestellt in Hopmann et al., Development of electrically conductive plastic compounds based on filler combinations, Journal of Plastics Technology 10 (2014) 2, Seiten 50 bis 67.
Bevorzugt nimmt die elektrische Leitfähigkeit des elektrisch leitfähigen Polymermaterials mit zunehmender Temperatur ab. Entsprechend nimmt bevorzugt der spezifische Widerstand des elektrisch leitfähigen Polymermaterials mit zunehmender Temperatur zu und es liegt ein positiver Temperaturkoeffizient (PTC) vor. Die abnehmende elektrische Leitfähigkeit mit steigender Temperatur ist insbesondere bei Thermoplasten als Kunststoffmatrix gegeben. Durch die thermische Ausdehnung der Kunststoffmatrix werden die Abstände von Partikeln des elektrisch leitfähigen Additivs größer und elektrische Leitpfade werden unterbrochen. Der elektrische Widerstand steigt bevorzugt exponentiell zur Erweichungstemperatur des Thermoplasten an.
Bevorzugt ist das Erwärmen des elektrisch leitfähigen Polymermaterials bei der anliegenden elektrischen Spannung auf eine maximale Temperatur von 200° C begrenzt. Durch das Abnehmen der Leitfähigkeit des elektrisch leitfähigen Polymermaterials bei höherer Temperatur wird eine Selbstregulation der Beheizung des Brennstoffzellenstapels durch die Endlage erzielt, so dass eine Überhitzung vermieden wird.
Bevorzugt weist das elektrisch leitfähige Polymermaterial scherelastische Eigenschaften auf. Der E-Modul des elektrisch leitfähigen Polymermaterials beträgt bevorzug mehr als 1,5 GPa, mehr bevorzugt mehr als 2 GPa. Insbesondere ist der E-Modul des elektrisch leitfähigen Polymermaterials höher als der E-Modul der Kunststoffmatrix. Beispielsweise beträgt der E-Modul von Polyamid von 1,0 GPa bis 1,1 GPa und von Polyamid enthaltend 3 Gew.-% Carbon Nano Fiber (CNT) 2,1 GPa. Der E-Modul von Polyamid enthaltend 15 Gew.-% Leitruß (Carbon Black, CB) beträgt beispielsweise 2,8 GPa.
Bevorzugt weist die Endlage mindestens eine Port-Struktur zur Durchführung eines Fluids wie Wasserstoff, Sauerstoff, Wasser oder eines Kühlmediums auf. Die mindestens eine Port-Struktur ist bevorzugt aus dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial aufgebaut. Die mindestens eine Port-Struktur umfasst also bevorzugt das elektrisch leitfähige Polymermaterial, mehr bevorzugt besteht die mindestens eine Port-Struktur zu mehr als 50 Gew.-%, mehr bevorzugt zu mehr als 80 Gew.-%, weiter bevorzugt zu mehr als 95 Gew.-%, aus dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial. Vorteilhaft ist die mindestens eine Port-Struktur einstückig mit der Endlage ausgeführt.
Die Endlage kann direkt zwischen der Endplatte und dem Stromsammler, der an die Monopolarplatte der äußeren Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels angrenzt, angeordnet sein. Der Stromsammler greift die Brennstoffzellenstapelspannung ab. Da das elektrisch leitfähige Polymermaterial auch durch den Stromsammler kontaktiert werden kann, kann der Stromsammler gleichzeitig ein erster Stromanschluss für das elektrisch leitfähige Polymermaterial sein. Ein zweiter Stromanschluss kann die Endplatte darstellen. Alternativ kann ein leitfähiger Kontakt jeweils auf einer ersten und einer zweiten Oberfläche des elektrisch leitfähigen Polymermaterials angeordnet sein, so dass beim Zusammenfügen die erste Oberfläche vom Stromsammler und die zweite Oberfläche von der Endplatte kontaktiert wird. So wird die Endlage gleichmäßig warm, da die Weg in dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial, also der Widerstand, in etwa gleich lang sind.
Die Endlage kann eine nicht planare Form aufweisen, wobei das elektrisch leitfähige Polymermaterial die Port-Struktur innen oder außen umschließen kann, so dass die Endlage aus dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial angeformte Stutzen, die auch als Finger bezeichnet werden können, besitzt. So liegt an der Portstruktur eine größere Fläche an elektrisch leitfähigem Polymermaterial vor und es kann dort mehr Heizleitung abgegeben werden.
Vorteilhaft wird bereits bei der Herstellung der Endlage, beispielsweise durch Spritzgießen des elektrisch leitfähigen Polymermaterials, die mindestens eine Port-Struktur hergestellt. Insbesondere können zunächst mehr als eine Port-Strukturen hergestellt werden, die dann durch anschließendes Spritzgießen der elektrisch isolierenden Komponente zwischen die mehr als eine Port-Strukturen mechanisch miteinander verbunden werden. Die elektrisch isolierende Komponente, die bevorzugt ein zweites Polymermaterial enthält, dient gleichzeitig der mechanischen Verbindung der mehr als einen Port-Struktur und auch der elektrischen Isolierung der mehr als einen Port-Struktur voneinander. Das zweite Polymermaterial kann der Kunststoffmatrix des elektrisch leitfähigen Polymermaterials entsprechend. Bevorzugt umfasst die elektrisch isolierende Komponente Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polypropylen (PP), Polyphenylensulfid (PPS), Polyamid (PA), Polyetheretherketon (PEEK) oder Mischungen daraus.
Insbesondere besteht die elektrisch isolierende Komponente aus Polyvinylidenfluorid, Polypropylen, Polyphenylensulfid, Polyamid, Polyetheretherketon oder Mischungen daraus. Die elektrisch isolierende Komponente weist vorteilhaft einen stoffschlüssigen Verbund zum elektrisch leitfähigen Polymermaterial auf. Hierfür kann das Material der Kunststoffmatrix des elektrisch leitfähigen Polymermaterials verwendet werden. Zur Anpassung mechanischer und thermischer Eigenschaften wie der Wärmeleitfähigkeit kann die elektrisch isolierende Komponente ein zweites Additiv wie Keramikpulver umfassen.
Bevorzugt weist die Endlage mindestens zwei elektrisch voneinander isolierte Bereiche, die auch als Teile bezeichnet werden können, auf. Insbesondere ist auf mindestens einem der mindestens zwei elektrisch voneinander isolierten Bereiche jeweils nicht mehr als eine Port-Struktur angeordnet.
Die Endlage kann folglich auch elektrisch segmentiert, also in elektrisch voneinander isolierte Bereiche unterteilt, sein. Hier kann ein erster gemeinsamer Stromanschluss für jeden elektrisch isolierten Bereich der Stromsammler sein. Ein zweiter Stromanschluss jeweils für einen elektrisch isolierten Bereich kann in die Portstruktur integriert sein.
Bevorzugt weist eine Oberfläche der Endlage eine elektrisch isolierende Folie auf, die auch als Schicht oder Lage bezeichnet werden kann. Die elektrisch isolierende Folie kann auch als elektrisch isolierende Oberfläche bezeichnet werden und ist bevorzugt eine Polymer-Folie, bevorzugt umfassend Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polyetheretherketon (PEK), Polyimid (PI), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Polyamid (PA), Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Mischungen daraus, oder eine Keramik-Folie. Weiter bevorzugt besteht die elektrisch isolierende Folie aus einem Polymer, dass einen stoffschlüssigen Verbund mit der Kunststoffmatrix des elektrisch leitfähigen Polymermaterials eingehen kann. Insbesondere besteht die elektrisch isolierende Folie aus einem Polymer gleicher Klasse wie die Kunststoffmatrix des elektrisch leitfähigen Polymermaterials. Die Folie kann durch Auflegen, Aufkleben, Dazwischenlegen oder Lackieren, zum Beispiel mit einem PVDF-Lack, auf die Oberfläche der Endlage aufgebracht werden. Die elektrisch isolierende Folie kann eine zusätzliche elektrische Isolation gegenüber dem Stromsammler und/oder der Endplatte darstellen.
Oberflächen von Bauteilen, die im Spritzguss aus leitfähigem Polymer hergestellt wurden, können durch die Ausbildung einer Gusshaut eine weniger starke elektrische Leitfähigkeit besitzen. Vorteilhaft weist das elektrisch leitfähige Polymermaterial zusätzlich metallische Leiterbahnen auf, die insbesondere oberflächennah, mehr bevorzugt auf der Oberfläche des elektrisch leitfähigen Polymermaterials, angeordnet sind. Die metallischen Leiterbahnen durchdringen vorteilhaft die Gusshaut und stellen eine dauerhafte elektrische Kontaktierung zum elektrisch leitfähigen Additiv sicher. Die metallischen Leiterbahnen können zur elektrischen Kontaktierung des elektrisch leitfähigen Polymermaterials mit der Stromquelle eingesetzt werden.
Die metallischen Leiterbahnen können durch Kaltgasspritzen von Metall, bei dem Metall mit hoher Geschwindigkeit in die oberste Lage des elektrisch leitfähigen Polymermaterials eingebracht wird, hergestellt werden. Die metallischen Leiterbahnen können dreidimensional in das gespritzte Bauteil, also die Endlage, die gegebenenfalls Port-Strukturen aufweist, eingebracht werden, so dass ein Stromanschluss an nahezu beliebiger Stelle der Endlage erfolgen kann.
Im Vergleich zu den eingebrachten metallischen Leiterbahnen kann die übrige Oberfläche der Endlage, die gegebenenfalls eine Gusshaut aufweist, schlechtere elektrische Leitereigenschaften aufweisen. Ist dies gewünscht, kann zur zusätzlichen Isolation die elektrisch isolierende Folie auf die Oberfläche der Endlage aufgebracht werden.
Des Weiteren wird eine Verwendung des Brennstoffzellenstapels vorgeschlagen, wobei die Endlage als Flächenheizung mit einer spezifischen Leistung von 1,5 W/cm² bis bis 4 W/cm², insbesondere von 2 W/cm² bis 3 W/cm², eingesetzt wird.
Die anliegende elektrische Spannung kann vorzugsweise 12, 24, 48 oder 220 Volt betragen, oder ein Vielfaches der Spannung einer einzelnen Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel.
Vorteile der Erfindung
Durch die Endlage des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels wird eine elektrische Begleitheizung mit einer polymeren Zwischenlage und gegebenenfalls einer gezielten Portbeheizung in einem Bauteil kombiniert. Die Erwärmung insbesondere der Bereiche nahe der Endplatten beziehungsweise deren Randbereiche im Brennstoffzellenstapel erfolgt durch ein einfaches Polymerbauteil, insbesondere ein Polymerspritzgussteil. Die Endlage dient insbesondere zur Beheizung der Gasanschlussbereiche in Form der mindestens einer Port-Struktur.
Bei entsprechender elektrischer Kontaktierung und elektrischer Isolierung verschiedener Port-Strukturen voneinander, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich sind, kann jede Port-Struktur separat beheizt und die Temperatur der jeweiligen Port-Struktur separat geregelt werden.
Durch die beheizbaren Port-Strukturen wird eine Kondensation im Bereich der Port-Strukturen beim Kaltstart des Brennstoffzellenstapels vermieden und ein schnelles Erwärmen der Randbereiche des Brennstoffzellenstapels ist möglich.
Weiterhin können Formtoleranzen und Lagertoleranzen des Brennstoffzellenstapels durch die Endlage ausgeglichen werden.
Darüber hinaus ist durch das elektrisch leitfähige Polymermaterial eine über die Oberfläche der Endlage homogen verteilte Wärmeabgabe möglich. Durch das Polymermaterial ist die Endlage frei formbar, beispielsweise durch ein Spritzgussverfahren. Entsprechend kann die Wärme gezielt an einzelne Bereiche des Brennstoffzellenstapels wie der Port-Struktur geführt werden, an denen ein Wärmebedarfs besteht.
Durch die Kombination von elektrischer Begleitheizung, polymerer Zwischenlage und Port-Beheizung kann insgesamt Gewicht am Brennstoffzellenstapel reduziert werden.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 einen Brennstoffzellenstapel,
2 einen Ausschnitt einer Endlage aufgebaut aus elektrisch leitfähigem Polymermaterial,
3 einen Graph zur Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit des elektrisch leitfähigen Polymermaterials,
4 eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellenstapel mit Endlage und Port-Strukturen und
5 eine Seitenansicht des Brennstoffzellenstapels gemäß 4.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 4 mit mehreren Brennstoffzellen 3. Jede Brennstoffzelle 3 weist eine Membran 23, zwei Gasdiffusionslagen 1, eine Anode 31 und eine Kathode 32 auf. Die einzelnen Brennstoffzellen 3 sind durch Bipolarplatten 50, die eine Kühlplatte 45 umfassen können, voneinander abgegrenzt.
Der Brennstoffzellenstapel 4, dem Wasserstoff 40 und Sauerstoff 42 sowie ein Kühlmedium 44 zugeführt wird, wird durch zwei Endplatten 48 abgeschlossen und weist Stromsammler 52 auf. Die verschiedenen Zuführungen sind durch Dichtungen 46 voneinander getrennt. Zwischen der Endplatte 48 und dem Stromsammler 52 ist eine Endlage 10, die als schereleastische beheizbare Ausgleichslage dient, angeordnet.
2 zeigt einen Ausschnitt einer Endlage 10 aufgebaut aus einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial 12. Das elektrisch leitfähige Polymermaterial 12 ist mit einer Stromquelle 14 verbunden. In der hier gezeigten Darstellung liegt eine elektrische Spannung an dem elektrisch leitfähigen Material 12 an, wodurch sich das elektrisch leitfähige Polymermaterial 12 erwärmt und Wärme 34 an die Umgebung und insbesondere an den Brennstoffzellenstapel 4 abgibt. Die Endlage 10 ist mittels Spritzguss herstellbar. Dadurch ist die Formgebung für die Endlage 10 flexibel. Die Wärme 34 wird gleichmäßig über eine Oberfläche 18 der Endlage 10 abgegeben.
3 zeigt einen Graphen zur Abhängigkeit einer Leitfähigkeit 47 von einer Temperatur 43 des elektrisch leitfähigen Polymermaterials 12. Die elektrische Leitfähigkeit 47 des elektrisch leitfähigen Polymermaterials 12 sowie die Temperatur 43 des elektrisch leitfähigen Polymermaterials 12 sind über die Zeit 41 aufgetragen.
Mit steigender Temperatur 43 nimmt die elektrische Leitfähigkeit 47 des elektrisch leitfähigen Polymermaterials 12 ab, so dass eine Erwärmung des elektrisch leitfähigen Polymermaterials 12 selbstregulierend ist. Je geringer die Leitfähigkeit 47 ist, desto weniger Wärme 34 wird von dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial 12 erzeugt, so dass eine maximale Temperatur 36 des elektrisch leitfähigen Polymermaterials 12 nicht überschritten wird.
4 zeigt eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellenstapel 4 mit einer Endlage 10 und Port-Strukturen 16 sowie einem Stromsammler 52.
Die Endlage 10 weist mindestens eine Port-Struktur 16 sowie eine zweite Port-Struktur 17 auf. Durch die Port-Strukturen 16, 17 wird dem Brennstoffzellenstapel 4 Sauerstoff und Wasserstoff zugeführt sowie Wasser abgeführt.
Ferner weist die Endlage 10 einen ersten isolierten Bereich 24 sowie einen zweiten isolierten Bereich 26 auf, die durch eine elektrisch isolierende Komponente 30 voneinander isoliert sind. Die elektrisch isolierende Komponente 30 stellt auch eine mechanische Verbindung 28 zwischen dem ersten isolierten Bereich 24 und dem zweiten isolierten Bereich 26 her. Durch die elektrisch isolierende Komponente 30 sind auch die mindestens eine Port-Struktur 16 und die zweite Port-Struktur 17 elektrisch voneinander isoliert, so dass Kriechströme vermieden werden. Durch die elektrisch isolierende Komponente 30 sind die elektrisch voneinander isolierten Bereiche 24, 26 elektrisch voneinander getrennt. Jeder isolierte Bereich 24, 26 weist jeweils nicht mehr als eine Port-Struktur 16, 17 auf.
Die Endlage 10 mit dem ersten isolierten Bereich 24 und dem zweiten isolierten Bereich 26 ist aus dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial 12 aufgebaut und besitzt eine Oberfläche 18.
Das elektrisch leitfähige Polymermaterial 12 weist metallische Leiterbahnen 22 auf, die in dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial 12 nahe der Oberfläche 18 angeordnet sind.
Weiterhin weist jede Port-Struktur 16 jeweils einen Einzelkontakt 33 auf. Da die Port-Strukturen 16, 17 aus dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial 12 geformt sind, können mittels der Einzelkontakte 33 die einzelnen Port-Strukturen 16, 17 sowie die voneinander isolierten Bereiche 24, 26 getrennt voneinander beheizt werden.
5 zeigt eine Seitenansicht des Brennstoffzellenstapels 4 gemäß 4 mit der Endlage 10, Port-Strukturen 16. Die Port-Strukturen 16 ragen durch eine Endplatte 48 hindurch, wo sie die Einzelkontakte 33 aufweisen. Die Endplatte 48 dient der Erzeugung von mechanischem Druck und der Verpressung des Brennstoffzellenstapels 4.
Die Endlage 10 ist in die voneinander elektrisch isolierten Bereiche 24, 26 unterteilt, die durch die mechanische Verbindung 28 aus der elektrisch isolierenden Komponente 30 aufgebaut ist. Auf der Oberfläche 18 der Endlage 10 befindet sich ferner eine elektrisch isolierende Folie 20.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2013/0295481 A1 [0011]
DE 102012220705 A1 [0011]
DE 112007002945 B4 [0012]
DE 102012212798 A1 [0027]

Claims

Brennstoffzellenstapel (4) umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (3), mindestens einen Stromsammler (52) und mindestens eine Endplatte (48), wobei zwischen dem mindestens einen Stromsammler (52) und der mindestens einen Endplatte (48) eine Endlage (10) angeordnet ist und die Endlage (10) aus einem elektrisch leitfähigen Polymermaterial (12) aufgebaut ist und wobei das elektrisch leitfähige Polymermaterial (12) elektrisch mit einer Stromquelle (14) verbunden ist und geeignet ist, sich bei einer anliegenden elektrischen Spannung zu erwärmen.
Brennstoffzellenstapel (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlage (10) mindestens eine Port-Struktur (16) zur Durchführung eines Fluids aufweist und die mindestens eine Port-Struktur (16) aus dem elektrisch leitfähigen Polymermaterial (12) aufgebaut ist.
Brennstoffzellenstapel (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche (18) der Endlage (10) eine elektrisch isolierende Folie (20) aufweist.
Brennstoffzellenstapel (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Polymermaterial (12) scherelastische Eigenschaften aufweist.
Brennstoffzellenstapel (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Polymermaterial (12) zusätzlich metallische Leiterbahnen (22) aufweist, die insbesondere oberflächennah angeordnet sind.
Brennstoffzellenstapel (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlage (10) mindestens zwei elektrisch voneinander isolierte Bereiche (24, 26) aufweist.
Brennstoffzellenstapel (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einem der mindestens zwei elektrisch voneinander isolierten Bereiche (24,26) jeweils nicht mehr als eine Port-Struktur (16) angeordnet ist.
Fahrzeug umfassend einen Brennstoffzellenstapel (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Port-Struktur (16) mittels Spritzguss aus dem elektrisch leitfähigem Polymermaterial (12) hergestellt wird und dann eine mechanische Verbindung (28) zwischen der mindestens einen Port-Struktur (16) und einer zweiten Port-Struktur (17) oder zwischen der mindestens einen Port-Struktur (16) und Teilen der Endlage (10), die von der mindestens einen Port-Struktur (16) verschieden sind, durch Spritzgießen einer elektrisch isolierenden Komponente (30) hergestellt wird.
Verwendung eines Brennstoffzellenstapels (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlage (10) als Flächenheizung mit einer spezifischen Leistung von 1,5 Watt/cm² bis 4 Watt/cm², insbesondere von 2 Watt/cm² bis 3 Watt/cm² eingesetzt wird.