DE102020105406A1

DE102020105406A1 - Strukturbauteil mit einer darin integrierten Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102020105406A1
Application number: DE102020105406.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Linde; Karim Grase; Detlef Schulz
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2021-09-02

Abstract

Es wird ein Strukturbauteil mit einer darin integrierten Brennstoffzelleneinheit vorgeschlagen, das Strukturbauteil aufweisend mehrere erste flächige Materiallagen, die einen faserverstärkten Kunststoff aufweisen, mehrere zweite flächige Materiallagen, die ein metallisches Material aufweisen, wobei die ersten Materiallagen und die zweiten Materiallagen in einer vorbestimmten Abfolge flächig aufeinanderliegen und miteinander verbunden sind und dadurch das Strukturbauteil ausbilden, wobei die mindestens eine erste Materiallage mindestens eine Membranlage aufweist, die für Wasserstoffionen durchlässig und beidseitig mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist, wobei die mindestens eine Membranlage zum Ausbilden einer Brennstoffzelle direkt von zwei zweiten Materiallagen umgeben ist, die zu der Membranlage hin offene Fluidkanäle aufweisen, und wobei erste Fluidkanäle, die zu einer ersten Seite der mindestens einen Membranlage gerichtet sind, mit einem Wasserstoffanschluss in Fluidverbindung stehen, zweite Fluidkanäle, die zu einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite der mindestens einen Membranlage gerichtet sind, mit einem Oxidantanschluss in Fluidverbindung stehen und die zweiten Materiallagen, die die mindestens eine Membranlage direkt umgeben, mit mindestens einem elektrischen Anschlusspaar verbindbar sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil mit einer darin integrierten Brennstoffzelleneinheit, ein Fahrzeug mit einem derartigen Strukturbauteil sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils mit einer darin integrierten Brennstoffzelleneinheit.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Verwendung von Brennstoffzellen in Luftfahrzeugen ist aufgrund einer vergleichsweise hohen Effizienz, eines hohen Kompaktierungsgrads und aufgrund der von einer Brennstoffzelle gelieferten, einfach zu handhabenden Gleichspannung vorteilhaft. Weiterhin sind der praktisch geräuschlose Betrieb und die im Idealfall lediglich in Form von Wasser auftretenden Abfallprodukte besonders für einen Betrieb in der Nähe bewohnter Gebiete sinnvoll. Es existieren Konzepte, Hilfstriebwerke von Luftfahrzeugen durch Brennstoffzellensysteme zu ersetzen und bei Bodenaufenthalt des betreffenden Luftfahrzeugs auf Verbrennungsmaschinen zu verzichten.
Für die Verwendung von Brennstoffzellen an Bord von Fahrzeugen ist eine Wasserstoffquelle sowie eine Sauerstoffquelle notwendig. Als Luftquelle könnte beispielsweise eine Zapfluftleitung eines Triebwerks oder ein separater Lufteinlass vorgesehen werden. Eine Wasserstoffquelle ist indes insbesondere an Orten vorgesehen, in denen eine räumliche Trennung von einer Kabine möglich ist. Bei Luftfahrzeugen könnte dies in einem nicht druckbeaufschlagen Bereich realisiert sein. Abstände zwischen Brennstoffzellen und Verbrauchern oder beispielsweise einer Luftquelle können insbesondere bei Verkehrsflugzeugen beträchtlich sein. Zudem ist oftmals eine Kühlung durch entsprechende Kühlsysteme vorgesehen, um die in einem kompakten Volumen entstehende Wärme wirksam aufzunehmen und abzuführen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist folglich eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative Anordnung einer Brennstoffzelleneinheit vorzuschlagen, bei der eine gute Wärmeabgabe und ein geringes Gewicht realisierbar sind und gleichzeitig die Länge zumindest einer Zufuhrleitung für Edukte möglichst minimiert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Strukturbauteil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Es wird ein Strukturbauteil mit einer darin integrierten Brennstoffzelleneinheit vorgeschlagen, das Strukturbauteil aufweisend mehrere erste flächige Materiallagen, die einen faserverstärkten Kunststoff aufweisen, mehrere zweite flächige Materiallagen, die ein metallisches Material aufweisen, wobei die ersten Materiallagen und die zweiten Materiallagen in einer vorbestimmten Abfolge flächig aufeinanderliegen und miteinander verbunden sind und dadurch das Strukturbauteil ausbilden, wobei die mindestens eine erste Materiallage mindestens eine Membranlage aufweist, die für Wasserstoffionen durchlässig und beidseitig mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist, wobei die mindestens eine Membranlage zum Ausbilden einer Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit direkt von zwei zweiten Materiallagen umgeben ist, die zu der Membranlage hin offene Fluidkanäle aufweisen, und wobei erste Fluidkanäle, die zu einer ersten Seite der mindestens einen Membranlage gerichtet sind, mit einem Wasserstoffanschluss in Fluidverbindung stehen, zweite Fluidkanäle, die zu einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite der mindestens einen Membranlage gerichtet sind, mit einem Oxidantanschluss in Fluidverbindung stehen und die zweiten Materiallagen, die die mindestens eine Membranlage direkt umgeben, mit mindestens einem elektrischen Anschlusspaar verbindbar sind.
Der grundlegende Aufbau des Strukturbauteils entspricht zumindest in Grundzügen dem eines Bauteils, das aus einem sogenannten „Fiber Metal Laminate (FML)“ hergestellt ist. Diese weisen eine hybride Ausführung eines faserverstärkten Kunststoffs auf, bei dem sich Lagen aus einem faserverstärkten Kunststoff und Lagen aus einem metallischen Material im Wesentlichen abwechseln. Erfindungsgemäß weist das Strukturbauteil mehrere erste flächige Materiallagen auf, die einen faserverstärkten Kunststoff aufweisen. Dies könnte insbesondere ein kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder ein glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) sein. Es sind zweite flächige Materiallagen vorgesehen, die ein metallisches Material aufweisen. Diese könnten beispielsweise eine Aluminiumlegierung, Titan oder ähnliches aufweisen. Die Materiallagen sind flächig ausgeführt und weisen daher eine im Vergleich zu ihrer Ebenenerstreckung nur unwesentliche Dicke auf. Eine Abfolge von ersten und zweiten Materiallagen, welche aufeinander liegen und miteinander verbunden sind, führt zum Ausbilden des Strukturbauteils. Je nach Ausführung des Strukturbauteils und insbesondere je nach erforderlicher Dicke können mehr oder weniger Materiallagen vorgesehen werden, die jeweils mit einer vorteilhaften Dicke ausgestattet sind.
In der vorbestimmten Abfolge ist mindestens eine Brennstoffzelle integriert. Dies wird dadurch erreicht, dass mehrere der Materiallagen so ausgebildet sind, dass sie als Brennstoffzelle einsetzbar sind. Die ersten Materiallagen weisen mindestens eine Membranlage auf, welche für Wasserstoffionen durchlässig ist. Beidseitig ist diese mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet, um als Membran der Brennstoffzelle zu fungieren. Beispielsweise eignen sich Edelmetall-Katalysatoren wie Platin oder Platinlegierungen hierzu. Das Zuführen der notwendigen Edukte für den Brennstoffzellenprozess sowie das Abführen von Wasserdampf oder flüssigem Wasser wird durch zweite Materiallagen realisiert, die die betreffende Membranlage umschließen und zu der Membranlage hin offene Fluidkanäle aufweisen. Die Fluidkanäle sind dabei so ausgebildet, dass sie eine vorgesehene, aktive Fläche der Membranlage überdecken und gleichmäßig verteilt die Edukte zuführen können. Eine dazu vorgesehene Struktur ist als „flow field“ bekannt. Auf einer Seite der jeweiligen Membranlage, die eine Anode einer betreffenden Brennstoffzelle bildet, wird Wasserstoff zugeführt. Auf der gegenüberliegenden Seite, die die Kathode der betreffenden Brennstoffzelle ausbildet, wird ein Oxidant zugeführt.
Der bereitzustellende Wasserstoff kann durch einen Wasserstoffanschluss eingeleitet werden, über den die Fluidkanäle der anodenseitig angrenzenden zweiten Materiallage mit Wasserstoff versorgt werden. Auf der gegenüberliegenden Seite kann Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas oder Gasgemisch als Oxidant bereitgestellt werden, welches in den Oxidantanschluss strömt und von dort in die Fluidkanäle gerät, die in der kathodenseitig angrenzenden zweiten Materiallage vorgesehen sind. Ist ein Verbraucher mit dem mindestens einen elektrischen Anschlusspaar elektrisch verbunden, kann der Brennstoffzellenprozess stattfinden. An der betreffenden Membranlage werden folglich Wasser, Wärme und elektrische Leistung bereitgestellt.
Es ist denkbar, eine solche Brennstoffzelle sehr flach auszuführen, sodass lediglich die Fluidkanäle und die Stromfestigkeit der Komponenten für den Aufbau dimensionierend sind. Aufgrund der gegenüber herkömmlichen ersten und zweiten Materiallagen praktisch unveränderten mechanischen Eigenschaften der einzelnen, einer Brennstoffzelle zugeordneten Lagen, tragen diese praktisch unverändert zu der Stabilität des Strukturbauteils bei. Zusammenfassend ist das erfindungsgemäße Strukturbauteil durch geschickte Modifikation einzelner Lagen eines größeren Lagenverbunds mit einer zusätzlichen Funktion ausgestattet, die eine effiziente Versorgung mit elektrischer Leistung realisiert. Die bei dem Brennstoffzellenprozess entstehende Wärme kann über die Fläche des Strukturbauteils nach außen abgegeben werden. Besonders vorteilhaft wird das Strukturbauteil in einem Fahrzeug und insbesondere Luftfahrzeug eingesetzt, bei dem ein möglichst geringes Gewicht gewünscht ist, bei gleichzeitig hohem Bedarf an elektrischer Leistung. Durch die Integration der Brennstoffzelleneinheit in ein Strukturbauteil kann zudem praktisch jeder beliebige Einbauort gewählt werden. Es steht eine sehr große Fläche zur vereinzelten Integration von Brennstoffzellen bereit. Es kann bevorzugt dort eine Integration erfolgen, wo der Bedarf nach elektrischer Leistung besteht.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind zumindest in einem Bereich des Strukturbauteils mindestens zwei Membranlagen in der Abfolge vorgesehen, wobei zwischen zwei aufeinanderfolgenden Membranlagen eine zweite Materiallage vorgesehen ist, die beidseitig, d.h. auf beiden Seiten, offene Fluidkanäle aufweist. Durch die Verwendung mindestens zweier Membranlagen werden folglich zwei Brennstoffzellen realisiert. Diese sind beispielhaft in der Abfolge übereinander angeordnet. Dadurch kann eine Reihenschaltung zweier Brennstoffzellen erreicht werden, welche dann einen Brennstoffzellenstapel bzw. einen Stack bilden. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Membranlagen ist eine solche zweite Materiallage angeordnet, die auf ihren beiden Oberflächen offene Fluidkanäle aufweist. Diese zweite Materiallage fungiert demgemäß als eine Bipolarplatte bzw. als ein Gasdiffusionsfeld. Ein insbesondere im Wesentlichen flächiges Strukturbauteil kann dadurch eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen bereitstellen, die eine besonders effektive örtliche Bereitstellung von elektrischer Leistung erlauben.
Es ist für die Versorgung der einzelnen Membranlagen mit den Edukten notwendig, dass der Wasserstoff und der Oxidant durch eine geeignete Leitung zu den Membranlagen strömen können. Es ist denkbar, das Strukturbauteil mit einzelnen Fluidkanälen auszustatten, die dies ermöglichen. Diese könnten in den ersten oder zweiten Materiallagen angeordnet sein. Dabei sollte eine ausreichende Segregation und Abdichtung vorgesehen sein.
Besonders vorteilhaft weist das Strukturbauteil ferner mindestens ein längliches Versteifungselement auf, das sich quer zu einer Haupterstreckungsebene des Strukturbauteils von dieser erstreckt, wobei in dem mindestens einen Versteifungselement mindestens eine Fluidleitung integriert ist. Das Versteifungselement könnte etwa in Form einer Rippe oder eines Spants vorgesehen sein und sich an einer Oberfläche des Strukturbauteils befinden. Das Versteifungselement führt zu einem gesteigerten Flächenträgheitsmoment. Das Versteifungselement muss nicht zwangsläufig ein massives Profil aufweisen, um zu einer signifikanten Erhöhung des Flächenträgheitsmoments beizutragen, sondern im Innern des Versteifungselements könnten Hohlräume vorgesehen sein, welche etwa als Fluidleitung fungieren. Eine solche könnte zum Leiten des Wasserstoffs, des Oxidanten, Abluft, Wasser oder einer Kühlflüssigkeit genutzt werden.
Weiterhin könnte das Strukturbauteil auch mindestens eine elektrische Leitung aufweisen, die in das Versteifungselement integriert ist. Bei der Herstellung des Versteifungselements könnte ein Hohlraum vorgesehen sein, in den eine elektrische Leitung eingezogen wird. Alternativ dazu könnte beispielsweise ein Leiter während der Fertigung des Strukturbauteils integriert werden. Der Leiter könnte neben Kupfer oder Aluminium auch eine Anordnung aus einem Kohlenstoffallotropen aufweisen, die in ein Matrixmaterial unter elektrischer Isolierung eingebettet ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere Brennstoffzellen in dem Strukturbauteil verteilt und die mindestens eine Fluidleitung fungiert als mindestens ein Verteilkanal für einen Edukt. Die mindestens eine Fluidleitung könnte daher Edukte zu den einzelnen Membranlagen transportieren. Brennstoffzellen können daher flächig über das Strukturbauteil verteilt werden und durch die mindestens eine Fluidleitung, die in das Versteifungselement integriert ist, entsprechend versorgt werden. Dies ist besonders dann sinnvoll, wenn das Versteifungselement über eine signifikante Erstreckung des Strukturbauteils verläuft.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die mindestens eine Fluidleitung als Wasser- und/oder Abluftleitung fungiert. Somit können auch Produkte aus der betreffenden Brennstoffzelle abgeführt werden. Die mindestens eine Fluidleitung könnte beispielsweise als Produktwasserleitung fungieren und Wasser von den einzelnen Brennstoffzellen entfernen, welches bei dem Brennstoffzellenprozess anfällt. Ist der Oxidant reiner Sauerstoff, entsteht lediglich Wasser, das von der betreffenden Brennstoffzelle abzutragen ist. Wird als Oxidant jedoch Luft oder ein anderes Sauerstoff aufweisendes Gas eingesetzt, entsteht ein wasserdampfhaltiges, sauerstoffabgereichertes Gas. Eine hierzu vorzusehende Fluidleitung wäre dementsprechend zu dimensionieren, um den notwendigen Volumenstrom gewährleisten zu können.
Weiterhin könnte die mindestens eine Fluidleitung mehrere in Querrichtung zu der Haupterstreckungsebene aufeinanderfolgende Fluidleitungen aufweisen. Das Versteifungselement könnte zum Versteifen des Strukturbauteils eine bestimmte Erstreckung quer zu der Haupterstreckungsebene des Strukturbauteils aufweisen. Diese Erstreckung könnte durch mehrere Fluidleitungen genutzt werden, welche sich übereinander, d.h. mit zunehmendem Abstand von der Haupterstreckungsebene, anordnen lassen. Eine schlanke Ausgestaltung des Querschnitts des Versteifungselements kann daher beibehalten werden. Durch die Nutzung mehrerer Hohlräume kann zudem deutlich Gewicht eingespart werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform kann ferner mindestens eine von dem Versteifungselement vorspringende Kühlfläche aufweisen. Die Kühlfläche ist als flächige Komponente zu verstehen, welche Wärme an die Umgebung abgeben kann. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Kühlfläche thermisch mit den Brennstoffzellen in Verbindung steht. Dies könnte auf mehrere Arten erfolgen. Beispielsweise kann sich eine zweite Materiallage in das Versteifungselement hinein oder darum erstrecken und dort beispielsweise mit der Kühlfläche verbunden sein oder in diese übergehen. Wärme kann dann direkt von den Brennstoffzellen oder angrenzenden Bereichen in die Kühlfläche geleitet werden. Andererseits könnte das Versteifungselement auch eine Fluidleitung aufweisen, die zum Durchströmen mit einer Kühlflüssigkeit genutzt wird. Wärme könnte von der Kühlflüssigkeit aufgenommen werden, um diese dann an die Kühlfläche zu übertragen. Zudem könnten auch Abluft oder Wasser aus dem Brennstoffzellenprozess durch eine Fluidleitung geleitet werden, die an die Kühlfläche angrenzt. Selbstverständlich können sämtliche dieser Arten von Wärmeübertragung miteinander kombiniert werden, beispielsweise nebeneinander, nacheinander oder abwechselnd, d.h. in unterschiedlichen Flächenbereichen des Strukturbauteils.
Die Kühlfläche konnte weiterhin parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Strukturbauteils verlaufen. Dadurch könnte etwa eine gleichmäßige Höhe der Kühlfläche über dem flächigen Teil des Strukturbauteils realisiert werden. Sie könnte gurtartig gestaltet sein, was zu einem höheren Flächenträgheitsmoment beiträgt.
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die Wasser- und/oder Abluftleitung direkt an die Kühlfläche angrenzt. Dadurch kann die Abluft bzw. das Wasser aus dem Brennstoffzellenprozess direkt Wärme an die Kühlfläche abgeben, welche an die Wasser-bzw. Abluftleitung angrenzt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Strukturbauteil ferner eine in das Strukturbauteil integrierte Strukturbatterie auf, die elektrisch mit der Brennstoffzelleneinheit verbunden ist. Eine Strukturbatterie ist beispielsweise aus der Veröffentlichung DE 10 2017 122 564 A1 bekannt. Die Kopplung der Brennstoffzelle mit einer Strukturbatterie kann zum Erreichen eines besonders gleichmäßigen Ausführens des Brennstoffzellenprozesses genutzt werden, der dann die Strukturbatterie kontinuierlich mit elektrischer Leistung versorgt. Lastspitzen oder eine auf andere Weise ungleichförmige elektrische Last könnte dann aus der Strukturbatterie versorgt werden. Die Brennstoffzellen könnten dann in einem optimalen Betriebsbereich arbeiten und gegebenenfalls auch zeitweise abgestellt werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug, aufweisend mindestens ein Strukturbauteil nach der vorhergehenden Beschreibung, eine mit dem Oxidantanschluss verbundene Oxidantquelle und einen mit dem Wasserstoffanschluss verbundenen Wasserstofftank.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Strukturbauteil ein Verkleidungsbauteil oder ein Rumpfbauteil sein. Das Rumpfbauteil kann etwa eine Rumpfschale umfassen. Das Verkleidungsbauteil könnte etwa eine Verkleidung für einen Flügel-Rumpf-Übergang sein.
Insbesondere ist das Fahrzeug ein Luftfahrzeug, beispielsweise ein Verkehrsflugzeug.
Die Oxidantquelle könnte als eine Luftquelle ausgeführt sein. In einem Luftfahrzeug könnte die Luftquelle beispielsweise mithilfe eines Lufteinlasses, eines Staulufteinlasses oder als Zapfluftleitung realisiert sein, die mit einem Triebwerk verbunden ist. Die erforderliche Länge einer Zufuhrleitung für Luft als Oxidanten kann durch die Anordnung der Brennstoffzelleneinheit in der Nähe eines Triebwerks minimiert werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils, aufweisend die Schritte des Anordnens und Verbindens mehrerer erster flächiger Materiallagen, die einen faserverstärkten Kunststoff aufweisen und mehrerer zweiter flächige Materiallagen, die ein metallisches Material aufweisen, in einer vorbestimmten Abfolge flächig aufeinander zum Ausbilden des Strukturbauteils, wobei die mindestens eine erste Materiallage mindestens eine Membranlage aufweist, die für Wasserstoffionen durchlässig und beidseitig mit einem katalytisch aktiven Material beschichtet ist, wobei die mindestens eine Membranlage zum Ausbilden einer Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit direkt von zwei zweiten Materiallagen umgeben wird, die zu der Membranlage hin offene Fluidkanäle aufweisen, und wobei erste Fluidkanäle, die zu einer ersten Seite der mindestens einen Membranlage gerichtet werden, mit einem Wasserstoffanschluss in Fluidverbindung gebracht werden, zweite Fluidkanäle, die zu einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite der mindestens einen Membranlage gerichtet werden, mit einem Oxidantanschluss in Fluidverbindung gebracht werden und die zweiten Materiallagen, die die mindestens eine Membranlage direkt umgeben, mit mindestens einem elektrischen Anschlusspaar verbunden werden.
Figurenliste
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.

1 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines Strukturbauteils.
2 bis 5 zeigen Teilschnitte des Strukturbauteils.
6 zeigt ein vergrößertes Strukturbauteil.
7 zeigt ein modifiziertes Versteifungselement.
8 zeigt ein Flugzeug.

DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt ein Strukturbauteil 2 mit einer darin integrierten Brennstoffzelleneinheit 4. Das Strukturbauteil 2 weist mehrere erste flächige Materiallagen 6 auf, die einen faserverstärkten Kunststoff aufweisen. Dies könnte beispielsweise ein glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK), ein kohlefaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder ein anderer Kunststoff mit darin eingebetteten Verstärkungsfasern sein. Der Kunststoff könnte sowohl ein Duromer als auch ein Thermoplast sein. Das Strukturbauteil 2 weist ferner mehrere zweite flächige Materiallagen 8 auf, die ein metallisches Material aufweisen. Dies könnte unter anderem eine Aluminiumlegierung oder Titan sein. Die ersten und zweiten Materiallagen 6, 8 liegen in einer vorbestimmten Abfolge flächig aufeinander und sind miteinander verbunden. Dadurch bilden sie das in 1 gezeigte Strukturbauteil 2 aus. In dieser Darstellung ist ein im Wesentlichen flächiger Abschnitt 10 gebildet, der eine erste Oberfläche 12 und eine entgegengesetzt angeordnete zweite Oberfläche 14 aufweist. Auf der zweiten Oberfläche 14 sind exemplarisch zwei voneinander beabstandete Versteifungselemente 16 angeordnet, die sich im Wesentlichen quer zu der zweiten Oberfläche 14, bzw. einer lokalen Erstreckungsebene, erstrecken.
Beispielhaft ist eine der ersten Materiallagen 6 als sogenannte Membranlage 6a ausgebildet, die für Wasserstoffionen durchlässig und beidseitig mit einem katalytisch aktiven Material 18 beschichtet ist. Während sämtliche erste Materiallagen 6 für Wasserstoffionen durchlässig sein könnten, ist die Membranlage 6a durch ihre katalytisch aktive Beschichtung 18 besonders gekennzeichnet. Bevorzugt ist die katalytisch aktive Beschichtung 18 so porös, dass Wasserstoff und Sauerstoff durch sie diffundieren können.
Angrenzend an die katalytisch aktive Beschichtung 18 sind zwei zweite Materiallagen 8a und 8b angeordnet, die jeweils auf der zu der katalytisch aktiven Beschichtung 18 gewandten Seite offene Fluidkanäle (siehe weiter nachfolgende Figuren) aufweisen. Durch diese kann Wasserstoff und Sauerstoff zu der Membranlage 6a geleitet werden, um nach Kontaktierung eines elektrischen Verbrauchers an den betreffenden zweiten Materiallagen 8a und 8b einen Brennstoffzellenprozess ausführen zu können.
Es ist vorstellbar, dass die beiden in 1 gezeigten ersten Materiallagen 6 bzw. 6a als Membranlagen 6a genutzt werden. Dadurch entstehen mehrere Brennstoffzelleneinheiten 4, die zusammen einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel 19 ergeben. Beispielhaft werden die Brennstoffzelleneinheiten 4 bzw. der Brennstoffzellenstapel 19 mit einem elektrischen Anschlusspaar 20 verbunden, insbesondere über die zweiten Materiallagen 8a und 8b.
Zum Zuführen von Wasserstoff und Sauerstoff an die einzelnen Brennstoffzelleneinheiten 4 dienen ein Wasserstoffanschluss 22 und ein Oxidantanschluss 24. Wasserstoff und Sauerstoff können durch einen Wasserstoffkanal 26 und einen Sauerstoffkanal 28 zu den offenen Fluidkanälen geraten. Wasser, welches während des Brennstoffzellenprozesses anfällt, kann durch einen Abluft- oder Wasserkanal 30 abgeführt werden. Die einzelnen Kanäle 26, 28 und 30 könnten in einem oder mehreren der Versteifungselemente 16 angeordnet sein und zu den Anschlüssen 22 und 24 führen.
Das Strukturbauteil 2 weist folglich neben der eigentlichen, strukturellen Funktion die Funktion einer oder mehrerer Brennstoffzellen auf. Dies führt zu einer besonders gewichtsoptimierten Realisierung einer elektrischen Energiequelle, da hierdurch praktisch kaum Mehrgewicht anfällt. Das in 1 gezeigte Strukturbauteil 2 könnte mit einem Verfahren hergestellt werden, das zur Fertigung von FML-Bauteilen dient. Die Integration von offenen Fluidkanälen sowie der gezeigten Kanäle 26, 28 und 30 könnte indes zumindest teilweise durch additive Fertigungsverfahren erreicht werden.
2 zeigt einen Teilausschnitt des Strukturbauteils 2 wie in 1 mit dem Buchstaben „A“ markiert. Hier sind Wasserstoffzufuhröffnungen 32 und Sauerstoffzufuhröffnungen 34 gezeigt, die quer zu der Längserstreckung der Versteifungselemente 16 verlaufen. Dieser Teilausschnitt wird so dargestellt, dass beide in 1 gezeigten ersten Materiallagen als Membranlagen 6a ausgeführt sind.
Der flächige Abschnitt 10 wird in einem in 1 angedeuteten Teilschnitt B in 3 gezeigt. Hier sind offene Fluidkanäle 36 und 38 ersichtlich, die mit der Wasserstoffzufuhröffnung 32 und der Sauerstoffzufuhröffnung 34 in Fluidverbindung stehen.
Wie in 4 gezeigt, kann ein Versteifungselement 16 drei Fluidkanäle 26, 28 und 30 aufweisen, die in Erstreckungsrichtung von dem flächigen Abschnitt 10 aus nacheinander angeordnet sind. Der äußerste Fluidkanal ist der Wasserstoffkanal 26, an den sich der Sauerstoffkanal 28 und der Wasserkanal 30 anschließen. Eine Fluidverbindung zu den Wasserstoffzufuhröffnungen 32 erfolgt durch einen Abgabekanal 40, wohingegen eine Fluidverbindung von dem Sauerstoffkanal 28 zu den Sauerstoffzufuhröffnungen 34 durch einen weiteren Abgabekanal 42 erfolgt. Der Wasserstoffkanal 26 und der Sauerstoffkanal 28 dienen als Verteilkanäle und können auch flächig verteilte Brennstoffzelleneinheiten 4 mit Edukten versorgen.
Wasser aus dem Brennstoffzellenprozess kann durch einen Auslasskanal 44 in die Wasserleitung 30 führen. Der Auslasskanal 44 ist mit jeweils einer oder mehreren Auslassöffnungen 46 einer Brennstoffzelleneinheit 4 verbunden, die in Flächenrichtung entgegengesetzt zu den Sauerstoffzufuhröffnungen 34 liegen, d.h. kathodenseitig.
Es ist verständlich, dass die in 4 gezeigte Reihenfolge auch umgekehrt zu der in 1 gezeigten Reihenfolge realisiert sein kann. Insbesondere könnte es sich anbieten, den Wasserkanal 30 nach außen zu legen oder zur Segregation von Sauerstoffkanal 28 und Wasserstoffkanal 26 zwischen diesen beiden Kanälen anzuordnen.
5 zeigt die zweite Materiallage 8b mit offenen Fluidkanälen 36 und 38, die beidseitig der Materiallage 8b angeordnet sind. Hier wird besonders die Ausführung als Strömungsfeld („flow field“) sichtbar, welches zur großflächigen Verteilung der Edukte genutzt wird. Diese zweite Materiallage 8b könnte durch ein additives Verfahren hergestellt werden. Alternativ dazu könnte sich auch ein Ätzverfahren anbieten, bei dem eine flächige Bahn eines geeigneten metallischen Materials in bestimmten Bereichen durch gezieltes Anwenden eines ätzenden Stoffs in ihrer Stärke verringert wird. Eine anschließende Beschichtung mit einem Korrosionsschutz ist ferner sinnvoll.
6 zeigt ein etwas größeres Strukturbauteil 2 mit drei Versteifungselementen 16, wobei in Feldern zwischen zwei aufeinanderfolgenden Versteifungselementen 16 jeweils ein Brennstoffzellenstapel 19 aus mehreren Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet ist.
7 zeigt ein Detail eines modifizierten Versteifungselements 48, bei dem die drei Kanäle 26 bis 30 in einer umgekehrten Reihenfolge angeordnet sind. Zusätzlich befindet sich auf einem von dem flächigen Abschnitt 10 abgewandten Bereich des Versteifungselements 48 eine Kühlfläche 50, die zwei sich im Wesentlichen parallel zu dem flächigen Abschnitt 10 erstreckende Flansche 52 aufweist. Die Kühlfläche 50 ist damit gurtartig ausgeführt. Da sich der Wasserkanal 30 direkt unterhalb der Kühlfläche 50 erstreckt, kann das in dem Wasserkanal 30 fließende Wasser seine Wärme an die Kühlfläche und damit die Umgebung abgeben. Dies unterstützt die Kondensation von Wasser, sollte ein dampfförmiger Anteil vorliegen, und senkt weiterhin das Druckniveau und die Wärmelast in dem Versteifungselement 48.
Schließlich zeigt 8 ein Flugzeug 54, welches mindestens ein derartiges Strukturbauteil 2 aufweist.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

2: Strukturbauteil
4: Brennstoffzelleneinheit
6, 6a: erste Materiallage (6a: als Membranlage ausgeführt)
8, 8a, 8b: zweite Materiallage (8a, 8b: mit offenen Fluidkanälen)
10: flächiger Abschnitt
12: erste Oberfläche
14: zweite Oberfläche
16: Versteifungselement
18: katalytisch aktive Beschichtung
19: Brennstoffzellenstapel
20: elektrisches Anschlusspaar
22: Wasserstoffanschluss
24: Oxidantanschluss
26: Wasserstoffkanal
28: Sauerstoffkanal
30: Wasserkanal
32: Wasserstoffzufuhröffnung
34: Sauerstoffzufuhröffnung
36: offener Fluidkanal
38: offener Fluidkanal
40: Abgabekanal
42: Abgabekanal
44: Auslasskanal
46: Auslassöffnung
48: Versteifungselement
50: Kühlfläche
52: Flansch
54: Flugzeug

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 102017122564 A1 [0021]

Claims

Strukturbauteil (2) mit einer darin integrierten Brennstoffzelleneinheit (4), aufweisend: mehrere erste flächige Materiallagen (6, 6a), die einen faserverstärkten Kunststoff aufweisen, mehrere zweite flächige Materiallagen (8, 8a, 8b), die ein metallisches Material aufweisen, wobei die ersten Materiallagen (6, 6a) und die zweiten Materiallagen (8, 8a, 8b) in einer vorbestimmten Abfolge flächig aufeinanderliegen und miteinander verbunden sind und dadurch das Strukturbauteil (2) ausbilden, wobei die mindestens eine erste Materiallage (6, 6a) mindestens eine Membranlage (6a) aufweist, die für Wasserstoffionen durchlässig und beidseitig mit einem katalytisch aktiven Material (18) beschichtet ist, wobei die mindestens eine Membranlage (6a) zum Ausbilden einer Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit (4) direkt von zwei zweiten Materiallagen (8a, 8b) umgeben ist, die zu der Membranlage (6a) hin offene Fluidkanäle (36, 38) aufweisen, und wobei erste Fluidkanäle (36, 38), die zu einer ersten Seite der mindestens einen Membranlage (6a) gerichtet sind, mit einem Wasserstoffanschluss (22) in Fluidverbindung stehen, zweite Fluidkanäle (36, 38), die zu einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite der mindestens einen Membranlage (6a) gerichtet sind, mit einem Oxidantanschluss (24) in Fluidverbindung stehen und die zweiten Materiallagen (8, 8a, 8b), die die mindestens eine Membranlage (6a) direkt umgeben, mit mindestens einem elektrischen Anschlusspaar (20) verbindbar sind.
Strukturbauteil (2) nach Anspruch 1, wobei zumindest in einem Bereich des Strukturbauteils (2) mindestens zwei Membranlagen (6a) in der Abfolge vorgesehen sind, und wobei zwischen zwei aufeinanderfolgenden Membranlagen (6a) eine zweite Materiallage (8, 8a, 8b) vorgesehen ist, die beidseitig offene Fluidkanäle (36, 38) aufweist.
Strukturbauteil (2) nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend mindestens ein längliches Versteifungselement (16), das sich quer zu einer Haupterstreckungsebene des Strukturbauteils (2) von dieser erstreckt, wobei in dem mindestens einen Versteifungselement (16) mindestens eine Fluidleitung (26, 28, 30) integriert ist.
Strukturbauteil (2) nach Anspruch 3, wobei mehrere Brennstoffzellen in dem Strukturbauteil (2) verteilt sind und die mindestens eine Fluidleitung (26, 28, 30) als mindestens ein Verteilkanal für einen Edukt fungiert.
Strukturbauteil (2) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die mindestens eine Fluidleitung (26, 28, 30) als Wasser- und/oder Abluftleitung fungiert.
Strukturbauteil (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die mindestens eine Fluidleitung (26, 28, 30) mehrere in Querrichtung zu der Haupterstreckungsebene aufeinanderfolgende Fluidleitungen (26, 28, 30) aufweist.
Strukturbauteil (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, ferner aufweisend mindestens eine von dem Versteifungselement (16) vorspringende Kühlfläche (50).
Strukturbauteil (2) nach Anspruch 5 und 7, wobei die Wasser- und/oder Abluftleitung (26, 28, 30) direkt an die Kühlfläche (50) angrenzt.
Strukturbauteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine in das Strukturbauteil (2) integrierte Strukturbatterie, die elektrisch mit der Brennstoffzelleneinheit (4) verbunden ist.
Fahrzeug (54), aufweisend mindestens ein Strukturbauteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eine mit dem Oxidantanschluss (24) verbundene Oxidantquelle und einen mit dem Wasserstoffanschluss (22) verbundenen Wasserstofftank.
Fahrzeug (54) nach Anspruch 10, wobei das Strukturbauteil (2) ein Verkleidungsbauteil oder ein Rumpfbauteil ist.
Fahrzeug (54) nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Fahrzeug (54) ein Luftfahrzeug (54) ist.
Fahrzeug (54) nach Anspruch 12, wobei die Oxidantquelle eine Luftquelle ist.
Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils (2), aufweisend die Schritte: Anordnen und Verbinden mehrerer erster flächiger Materiallagen (6, 6a), die einen faserverstärkten Kunststoff aufweisen und mehrerer zweiter flächige Materiallagen (8, 8a, 8b), die ein metallisches Material aufweisen, in einer vorbestimmten Abfolge flächig aufeinander zum Ausbilden des Strukturbauteils (2), wobei die mindestens eine erste Materiallage (6, 6a) mindestens eine Membranlage (6a) aufweist, die für Wasserstoffionen durchlässig und beidseitig mit einem katalytisch aktiven Material (18) beschichtet ist, wobei die mindestens eine Membranlage (6a) zum Ausbilden einer Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit (4) direkt von zwei zweiten Materiallagen (8a, 8b) umgeben wird, die zu der Membranlage (6a) hin offene Fluidkanäle (36, 38) aufweisen, und wobei erste Fluidkanäle (36, 38), die zu einer ersten Seite der mindestens einen Membranlage (6a) gerichtet werden, mit einem Wasserstoffanschluss (22) in Fluidverbindung gebracht werden, zweite Fluidkanäle (36, 38), die zu einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite der mindestens einen Membranlage (6a) gerichtet werden, mit einem Oxidantanschluss (24) in Fluidverbindung gebracht werden und die zweiten Materiallagen (8, 8a, 8b), die die mindestens eine Membranlage (6a) direkt umgeben, mit mindestens einem elektrischen Anschlusspaar (20) verbunden werden.