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Die Erfindung betrifft eine Stapelanordnung für einen Brennstoffzellenstack nach dem unabhängigen Anspruch 1.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Dichtungskonzepte für Brennstoffzellenstacks bekannt. Ein beispielhaftes Dichtungskonzepte ist in der Druckschrift
WO 2019 048 101 A1 dargestellt, die eine Membran-Elektroden-Einheit zeigt, die an einer Bipolarplatte mittels einer Dichtung befestigt ist und die eine Baugruppe mit der Bipolarplatte bildet. Die Baugruppen gleicher Art können zu einem Brennstoffzellenstack gestapelt werden. Die Bipolarplatte in dieser Schrift erfordert ein zusätzliches Material, das eine zusätzliche Isolationsfunktion im Randbereich der Bipolarplatte erfüllt. Die Schrift zeigt zudem ein beispielhaftes Stapelverfahren, bei dem Magnete zur Positionierung verwendet werden.
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Ein wesentlicher Engpass bei der Herstellung von Brennstoffzellenstapeln ist zumeist das Abdichten von Membran-Elektroden-Einheiten und Bipolarplatten. Da in einem Brennstoffzellenstapel oft mehrere Hundert Platten benötigt werden, verzögern die Abdichtungslinien die Herstellung von Brennstoffzellenstapeln spürbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt eine Stapelanordnung für einen Brennstoffzellenstack mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt einen Brennstoffzellenstack mit mindestens einer entsprechenden Stapelanordnung sowie gemäß einem dritten Aspekt ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Brennstoffzellenstack. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stapelanordnung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstack und/oder dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt eine Stapelanordnung für einen Brennstoffzellenstack, aufweisend: mindestens eine erste Stapeleinheit und mindestens eine eine zweite Stapeleinheit, wobei die mindestens eine erste Stapeleinheit und die mindestens eine zweite Stapeleinheit unterschiedlich ausgeführt sind und beim Stapeln des Brennstoffzellenstacks abwechselnd aufeinander folgen, wobei die mindestens eine erste Stapeleinheit eine Bipolarplatte aufweist, auf der beidseitig (bzw. von beiden profilierten Seiten) jeweils eine Membranen-Elektroden-Einheit mittels einer (insbesondere nur einer, vorzugsweise durchgehenden und/oder materialeinheitlichen) einen Randbereich der Bipolarplatte umschließender (bzw. umwickelnder bzw. umklammernder) Dichtung angebracht ist, und wobei die mindestens eine zweite Stapeleinheit eine nicht abgedichtete Bipolarplatte aufweist.
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Das Wesen der Erfindung liegt in der Herstellung einer ersten Stapeleinheit bzw. einer ersten Baugruppe, die zwei Membranen-Elektroden-Einheiten und einer Bipolarplatte aufweist. Die angrenzende Bipolarplatte, die auf der ersten Stapeleinheit gestapelt ist, hat keine Membran-Elektrodeneinheit. Die zweite Stapeleinheit hat somit nur diese eine Bipolarplatte. Die Stapelanordnung im Sinne der Erfindung weist mit anderen Worten zwei unterschiedliche Stapeleinheiten auf.
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Im Rahmen der mindestens einen ersten Stapeleinheit sind die Membran-Elektroden-Einheiten mit der Bipolarplatte durch die Dichtung verbunden und randseitig versiegelt. In diesem Bereich erstreckt sich die Dichtung von einem Rand einer Membran-Elektroden-Einheit, wo sie vorzugsweise eine Gasdiffusionslage imprägniert, bis zum Rand der Bipolarplatte, wickelt sich um die Bipolarplatte um und erstreckt sich weiter zu einem Rand der Membran-Elektroden-Einheit auf der gegenüberliegenden Seite der Bipolarplatte.
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Mithilfe der den Randbereich der Bipolarplatte der mindestens einen ersten Stapeleinheit umschließenden Dichtung kann ein zusätzliches Material, das den Randbereich der Bipolarplatte isolieren soll, entfallen. Da die Dichtung die Bipolarplatte randseitig umwickelt, können nicht nur starre Bipolarplatten zum Stapeln der Stapeleinheiten zu einem Brennstoffzellenstack verwendet werden. Da die Membranen-Elektroden-Einheiten mit der Bipolarplatte der mindestens einen ersten Stapeleinheit verbunden sind, müssen sie beim Stapeln nicht ausgerichtet werden. Mithilfe der Erfindung reduziert sich die Anzahl der erforderlichen Dichtungslinien auf eine vorteilhafte Weise um die Hälfte.
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Ferner kann die Erfindung bei einer Stapelanordnung vorsehen, dass die Bipolarplatte der mindestens einen ersten Stapeleinheit und die Bipolarplatte der mindestens einen zweiten Stapeleinheit gleich ausgebildet und/oder austauschbar sind. Auf diese Weise kann die Herstellung der mindestens einen ersten Stapeleinheit und der mindestens einen zweiten Stapeleinheit einfach gestaltet werden.
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Weiterhin kann die Erfindung bei einer Stapelanordnung vorsehen, dass die Bipolarplatte der mindestens einen ersten Stapeleinheit und/oder die Bipolarplatte der mindestens einen zweiten Stapeleinheit frei von elektrischen Isolierungen ausgeführt sind/ist. Das einzige Dichtungsmaterial, das bei der Herstellung der mindestens einen ersten Stapeleinheit und der mindestens einen zweiten Stapeleinheit gehandhabt werden muss, ist das Material der erfindungsgemäßen Dichtung. Auf diese Weise können nicht nur zwei unterschiedliche Dichtungsbereiche, zwei unterschiedliche Dichtungsmaterialien sowie die Verbindung zwischen den unterschiedlichen Dichtungsmaterialien gehandhabt werden. Auf diese Weise kann die Herstellung der mindestens einen ersten Stapeleinheit und der mindestens einen zweiten Stapeleinheit wesentlich vereinfacht werden.
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Des Weiteren kann die Erfindung bei einer Stapelanordnung vorsehen, dass die Bipolarplatte der mindestens einen ersten Stapeleinheit und/oder die Bipolarplatte der mindestens einen zweiten Stapeleinheit ein Metallmaterial, ein Graphitmaterial und/oder ein elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial aufweisen/aufweist. Somit kann eine flexible Auswahl an Materialien für die Bipolarplatten ermöglicht werden.
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Zudem kann die Erfindung bei einer Stapelanordnung vorsehen, dass die Bipolarplatte der mindestens einen ersten Stapeleinheit und/oder die Bipolarplatte der mindestens einen zweiten Stapeleinheit flexibel und/oder biegsam ausgebildet sind/ist. Somit kann mithilfe der Erfindung ermöglicht werden, dass die Materialstärke bzw. die Dicke der Bipolarplatten auf eine vorteilhafte Weise reduziert und/oder eine Flexibilität bei der Auswahl der Materialien für die Bipolarplatten bereitgestellt werden kann, da die Platten nicht unbedingt starr sein müssen.
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Außerdem kann die Erfindung bei einer Stapelanordnung vorsehen, dass die Dichtung ein Polymermaterial, ein Elastomermaterial und/oder ein thermoplastisches Elastomermaterial aufweist. Somit kann eine flexible Auswahl an Materialien für die Dichtung ermöglicht werden.
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Ferner kann die Erfindung bei einer Stapelanordnung vorsehen, dass die Dichtung die Bipolarplatte der mindestens einen ersten Stapeleinheit umfangsseitig umschließt. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Abdichtung einem Anodenbereich einer Stapeleinheit und einem Kathodenbereich einer beim Stapeln nachfolgenden Stapeleinheit ermöglicht werden.
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Weiterhin kann die Erfindung bei einer Stapelanordnung vorsehen, dass die Dichtung sich symmetrisch um den Randbereich der Bipolarplatte der mindestens einen ersten Stapeleinheit wickelt. Somit kann eine symmetrische Gussform zum Spritzgießen der Dichtung ermöglicht werden. Grundsätzlich ist es aber auch im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die Dichtung ein asymmetrisches Profil auf einer Anodenseite und auf einer Kathodenseite der Bipolarplatte der mindestens einen ersten Stapeleinheit aufweist, um bspw. unterschiedlichen Profilierungen auf der Kathodenseite und der Anodenseite der Bipolarplatte zu entsprechen.
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Des Weiteren kann die Erfindung bei einer Stapelanordnung vorsehen, dass der Randbereich der Bipolarplatte der mindestens einen ersten Stapeleinheit auf jeder Seite einen Hinterschnitt aufweist, der zumindest zum Teil von der jeweiligen Membranen-Elektroden-Einheit, insbesondere zum Teil, überdacht ist, sodass die Dichtung einen Randbereich der jeweiligen Membranen-Elektroden-Einheit beidseitig umschließen kann. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Verbindung der Membranen-Elektroden-Einheiten mit der Bipolarplatte geschaffen werden.
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Zudem kann die Erfindung bei einer Stapelanordnung vorsehen, dass die Dichtung an einer Stelle im Randbereich der Bipolarplatte der mindestens einen ersten Stapeleinheit einen Funktionsbereich ausbildet oder aufweist, wobei der Funktionsbereich durch eine Materialschwächung der Dichtung oder durch eine Aussparung an der Dichtung ausgebildet sein kann. Der Funktionsbereich kann auf eine vorteilhafte und einfache Weise dazu dienen, um die Stapeleinheiten in dem Brennstoffzellenstapel zu zentrieren. Mit anderen Worten ist mithilfe des Funktionsbereiches eine physische Kantenausrichtung zwischen der mindestens einen ersten Stapeleinheit und der mindestens einen zweiten Stapeleinheit möglich.
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Außerdem kann die Erfindung bei einer Stapelanordnung vorsehen, dass die Dichtung in zumindest einem Headerbereich der Bipolarplatte der mindestens einen ersten Stapeleinheit eine Zuführöffnung für einen Reaktanten oder ein Kühlmittel mit einem Abstand zu der Zuführöffnung oder bündig zu der Zuführöffnung umrandet. Mit einer beabstandeten Dichtung zur Zuführöffnung kann die Dichtung bspw. mit einem weiteren Dichtungsmaterial zusammenwirken, um den Anodenbereich der Bipolarplatte von dem Kathodenbereich der nachfolgenden Bipolarplatte im Bereich der Zuführöffnung zu isolieren. Dabei ist es denkbar, dass der Randbereich der Bipolarplatte der mindestens einen zweiten Stapeleinheit in dem zumindest einem Headerbereich eine Isolationsbeschichtung aufweisen kann, die die Zuführöffnung bündig zu der Zuführöffnung umrandet. Mit einer bündig zu der Zuführöffnung erstreckenden Dichtung kann die Zuführöffnung vorteilhafterweise isoliert werden. Auf diese Weise kann die Dichtung eine doppelte Funktion der Dichtung und Isolierung erfüllen. Unter einer Isolierung im Sinne der Erfindung kann insbesondere eine elektrische Isolierung verstanden werden.
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Eine entsprechende Stapelanordnung, die wiederholend zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengebaut wird, stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar sowie ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer, vorzugsweise jedoch mehreren, Stapelanordnungen im Sinne der Erfindung. Bei dem Fahrzeug im Sinne der Erfindung kann es sich bspw. um ein Elektrofahrzeug und/oder ein hochautomatisiert oder autonom fahrendes Fahrzeug handeln.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
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Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Stapelanordnung im Sinne der Erfindung und
- 2 eine schematische Schnittdarstellung einer Stapelanordnung im Sinne der Erfindung in einem Headerbereich der Bipolarplatten.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
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Die 1 zeigt eine Stapelanordnung 10 für einen Brennstoffzellenstack 100. Die Stapelanordnung 10 weist dabei zwei unterschiedliche Stapeleinheiten SBPP, UBPP auf, nämlich eine erste Stapeleinheit SBPP und eine zweite Stapeleinheit UBPP, die unterschiedlich ausgeführt sind und beim Stapeln des Brennstoffzellenstacks 100 abwechselnd aufeinanderfolgen.
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Wie es unten in der 1 gezeigt ist, weist die mindestens eine erste Stapeleinheit SBPP eine Bipolarplatte BPP auf, auf der beidseitig (bzw. von beiden profilierten Seiten) jeweils eine Membranen-Elektroden-Einheit MEA mittels einer einen Randbereich R der Bipolarplatte BPP umschließender (bzw. umwickelnder bzw. umklammernder) Dichtung D angebracht ist.
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Wie es oben in der 1 gezeigt ist, weist die mindestens eine zweite Stapeleinheit UBPP eine nicht abgedichtete Bipolarplatte BPP auf.
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Die mindestens eine erste Stapeleinheit SBPP bildet somit eine erste Baugruppe, die zwei Membranen-Elektroden-Einheiten MEA und eine Bipolarplatte BPP aufweist. Die angrenzende Bipolarplatte BPP, die auf der mindestens einen ersten Stapeleinheit SBPP gestapelt wird, weist keine Membran-Elektrodeneinheit MEA auf. Die mindestens eine zweite Stapeleinheit UBPP hat somit nur diese eine Bipolarplatte BPP.
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Die Membran-Elektroden-Einheiten MEA im Sinne der Erfindung können auf beiden Seiten oder zumindest auf einer Kathodenseite eine aus einfachheitsgründen nicht gezeigte Gasdiffusionslage aufweisen.
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Bei der mindestens einen ersten Stapeleinheit SBPP sind die Membran-Elektroden-Einheiten MEA mit der Bipolarplatte BPP durch die Dichtung S verbunden. Dabei erstreckt sich die Dichtung S von einem Rand r einer Membran-Elektroden-Einheit MEA bis zum Rand R der Bipolarplatte BPP, wickelt sich um die Bipolarplatte BPP um und erstreckt sich weiter zu einem Rand r der Membran-Elektroden-Einheit MEA auf der gegenüberliegenden Seite der Bipolarplatte BPP.
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Mithilfe der erfindungsgemäßen Dichtung S kann auf eine zusätzliche Isolierung des Randbereiches R der Bipolarplatte BPP gegenüber einer darauffolgenden, auch wenn nicht abgedichteten Bipolarplatte BPP; entfallen.
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Da die Dichtung S die Bipolarplatte BPP randseitig umwickelt, können außerdem nicht nur starre Bipolarplatten SBPP, UBPP, sondern auch flexible und/oder biegsame Bipolarplatten BPP zu einem Brennstoffzellenstack 100 gestapelt werden. Somit kann mithilfe der Erfindung ermöglicht werden, dass die Materialstärke bzw. die Dicke der Bipolarplatten BPP auf eine vorteilhafte Weise reduziert und/oder eine Flexibilität bei der Auswahl der Materialien für die Bipolarplatten BPP erhöht werden kann.
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Da die Membranen-Elektroden-Einheiten MEA mit der Bipolarplatte BPP der mindestens einen ersten Stapeleinheit SBPP verbunden sind, müssen sie beim Stapeln nicht ausgerichtet werden.
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Mithilfe der Erfindung reduziert sich die Anzahl der abzudichtenden Bipolarplatten BPP vorteilhafterweise um die Hälfte.
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Wie es die 1 ferner zeigt, können die Bipolarplatte BPP der mindestens einen ersten Stapeleinheit SBPP und die Bipolarplatte BPP der mindestens einen zweiten Stapeleinheit UBPP gleich ausgebildet und/oder austauschbar sein.
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Wie es die 1 weiterhin zeigt, kann die Bipolarplatte BPP der mindestens einen ersten Stapeleinheit SBPP und/oder die Bipolarplatte BPP der mindestens einen zweiten Stapeleinheit UBPP frei von elektrischen Isolierungen ausgeführt sein. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass das einzige Dichtungsmaterial, das bei der Herstellung der mindestens einen ersten Stapeleinheit SBPP und der mindestens einen zweiten Stapeleinheit UBPP gehandhabt werden muss, das Material der erfindungsgemäßen Dichtung S ist. Zugleich ist es denkbar, dass das Material der erfindungsgemäßen Dichtung S isolierende Eigenschaften aufweisen kann.
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Als Material für die Bipolarplatte BPP der mindestens einen ersten Stapeleinheit SBPP und/oder die Bipolarplatte BPP der mindestens einen zweiten Stapeleinheit UBPP sind/ist ein Metallmaterial, ein Graphitmaterial und/oder ein elektrisch leitfähiges Kunststoffmaterial denkbar.
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Als Material für die die Dichtung S sind/ist ein Polymermaterial, ein Elastomermaterial und/oder ein thermoplastisches Elastomermaterial denkbar.
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Die Dichtung S kann die Bipolarplatte BPP der mindestens einen ersten Stapeleinheit SBPP vorzugsweise umfangsseitig umschließen. Somit kann ein Anodenbereich einer Stapeleinheit von den beiden Stapeleinheiten SBPP, UBPP gegen einen Kathodenbereich einer beim Stapeln nachfolgenden Stapeleinheit abgedichtet werden.
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Grundsätzlich ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die Dichtung S sich symmetrisch um den Randbereich R der Bipolarplatte BPP der mindestens einen ersten Stapeleinheit SBPP wickeln kann (vgl. die 1). Im Rahmen der 1 und 2 können die Anodenseite und die Kathodenseite der Bipolarplatten BPP ebenfalls symmetrisch ausgebildet sein.
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Zugleich ist es aber auch denkbar, dass die Dichtung S ein asymmetrisches Profil auf einer Anodenseite und auf einer Kathodenseite der Bipolarplatte BPP der mindestens einen ersten Stapeleinheit SBPP aufweisen kann, um bspw. unterschiedlichen Profilierungen auf der Kathodenseite und der Anodenseite der Bipolarplatte zu entsprechen.
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Wie es außerdem aus der 1 zu erkennen ist, kann der Randbereich R der Bipolarplatte BPP der mindestens einen ersten Stapeleinheit SBPP auf jeder Seite einen Hinterschnitt HS aufweisen, der zumindest zum Teil von der jeweiligen Membranen-Elektroden-Einheit MEA, insbesondere zum Teil, überdacht ist. Auf diese Weise kann es ermöglicht werden, dass der Randbereich r der jeweiligen Membranen-Elektroden-Einheit MEA mit dem Material der Dichtung S hinterspritzt werden kann, sodass die Dichtung S den Randbereich r der jeweiligen Membranen-Elektroden-Einheit MEA beidseitig umschließen kann.
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In den Figuren ist es lediglich aus Einfachheitsgründen nicht gezeigt, dass die Dichtung S an einer Stelle im Randbereich R der Bipolarplatte BPP der mindestens einen ersten Stapeleinheit SBPP einen Funktionsbereich aufweisen kann, wobei der Funktionsbereich durch eine Materialschwächung der Dichtung oder durch eine Aussparung an der Dichtung ausgebildet sein kann. Der Funktionsbereich kann dazu dienen, die Kanten der Stapeleinheiten SBPP, UBPP zueinander auszurichten.
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Wie es die 2 zeigt, kann die Dichtung S im Randbereich R der Bipolarplatte BPP der mindestens einen ersten Stapeleinheit SBPP in zumindest einem Headerbereich H eine Zuführöffnung A für einen Reaktanten oder ein Kühlmittel mit einem Abstand zu der Zuführöffnung A umranden. In diesem Falle kann die Dichtung S mit einem weiteren Dichtungsmaterial zusammenwirken, um den Anodenbereich der Bipolarplatte BPP von dem Kathodenbereich der nachfolgenden Bipolarplatte BPP im Bereich der Zuführöffnung A zu isolieren und/oder abzudichten. Wie es die Figur zudem zeigt, kann der Randbereich R der Bipolarplatte BPP der mindestens einen zweiten Stapeleinheit UBPP in dem zumindest einem Headerbereich H eine Isolationsbeschichtung I aufweisen, die die Zuführöffnung A bündig zu der Zuführöffnung umranden kann.
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Außerdem ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass die Dichtung S im Randbereich R der Bipolarplatte BPP der mindestens einen ersten Stapeleinheit SBPP in zumindest einem Headerbereich H bündig zu der Zuführöffnung A ausgeführt sein kann. Dabei kann die Dichtung S eine doppelte Funktion der Dichtung und Isolierung erfüllen.
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Der Brennstoffzellenstapel 100 mit mindestens einer oder vorzugsweise mehreren solchen Stapelanordnungen 10 stellt ebenfalls einen Aspekt der Erfindung dar sowie ein Fahrzeug mit einem entsprechenden Brennstoffzellenstapel 100. Das Fahrzeug im Ganzen ist aus Einfachheitsgründen nicht dargestellt.
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Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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