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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul, aufweisend eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die in einer Längsrichtung hintereinander geschaltet sind und einen Brennstoffzellenstapel bilden. Wenigstens eine Mantelfläche des Brennstoffzellenstapels ist von einem Stabilisierungsmantel eingefasst, wobei der Stabilisierungsmantel eine Anzahl von formschlüssig an eine Außenkontur des Brennstoffzellenstapels angepassten Formelementen aufweist. Jedes der Formelemente ist mit einem ihm benachbarten Formelement über eine Anzahl von Verbindungselementen des Stabilisierungsmantels verbunden, und ein Teilbereich der Mantelfläche ist dicht durch den Stabilisierungsmantel verdeckt.
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Brennstoffzellen können zur umweltfreundlichen Erzeugung von Elektrizität dienen. In einer Brennstoffzelle läuft ein Prozess ab, der im Wesentlichen eine Umkehrung der Elektrolyse darstellt. In einer Brennstoffzelle wird dafür ein Wasserstoff aufweisender Brennstoff einer Anode und ein Sauerstoff aufweisender Hilfsstoff einer Kathode zugeleitet. Anode und Kathode sind dabei elektrisch über eine Elektrolytschicht voneinander getrennt, wobei die Elektrolytschicht zwar einen Ionenaustausch zwischen dem Brennstoff und dem Sauerstoff zulässt, ansonsten aber eine gasdichte Trennung von Brennstoff und Hilfsstoff sicherstellt. Infolge des Ionenaustauschs kann im Brennstoff enthaltener Wasserstoff mit dem Sauerstoff zu Wasser reagieren, wobei sich an der brennstoffseitigen Elektrode oder Anode Elektronen anreichern und an der hilfsstoffseitigen Elektrode oder Kathode Elektronen aufgenommen werden. Somit baut sich beim Betrieb der Brennstoffzelle eine Potentialdifferenz oder Spannung zwischen Anode und Kathode auf.
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Für technische Anwendungen, in denen abhängig vom Einsatzzweck oder der geplanten Belastung eine Gesamtspannung gefordert sein kann, ist daher üblicherweise eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in der Art eines Brennstoffzellenstapels derart elektrisch hintereinander geschaltet, beispielsweise in Reihe, dass die Summe der von der Brennstoffzelle jeweils gelieferten Elektrodenspannung mindestens der geforderten Gesamtspannung entspricht.
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Je nach geforderter Gesamtspannung kann die Anzahl der Brennstoffzellen in einem derartigen Brennstoffzellenstapel beispielsweise bis zu 50 oder mehr betragen.
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Zur Herstellung der erforderlichen Dichtigkeit zwischen benachbarten Brennstoffzellen im Hinblick auf die Zu- und Abfuhr der Medien, wie Brennstoff und Hilfsstoff, kann es notwendig sein, den Brennstoffzellenstapel in seiner Längsrichtung einer gewissen Verspannung oder Vorspannung zu unterwerfen. Dadurch ist sichergestellt, dass einerseits jede Brennstoffzelle mit ihrer benachbarten Brennstoffzelle mechanisch in Kontakt bleibt, wobei andererseits infolge des in Längsrichtung aufgebrachten Anpressdrucks die erforderliche Dichtwirkung auch tatsächlich vorliegt.
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Durch die Spann-, Gewichts- oder andere Querkräfte kann es zu einem Ausknicken des Brennstoffzellenstapels kommen. Um derartige Belastungen auf den einzelnen Brennstoffzellen entgegenzuwirken, ist ein Stabilisierungsmantel oder Korsett um den Brennstoffzellenstapel angeordnet. Dies wird insbesondere in der
EP 1 338 050 B1 beschrieben. Durch den Stabilisierungsmantel kann auch bei einer vergleichsweise großen Anzahl von Brennstoffzellen, welche zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefügt sind, die Gefahr eines Ausknickens des Brennstoffzellenstapels verhindert werden.
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Durch die Reihenschaltung der einzelnen Zellen kann über dem gesamten Brennstoffzellenstapel die zulässige Berührspannung überschritten werden. Zudem werden Brennstoffzellen teilweise auch mit relativ hohen elektrischen Strömen und erhöhter Temperatur betrieben, so dass das Brennstoffzellenmodul für Nutzer, insbesondere elektrisch sicher sein muss. In der
EP 1 338 050 B1 ist eine solche Sicherung für Anwender nicht vorgesehen.
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Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Brennstoffzellenstapel sicherer betreiben zu können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellenmodul gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenmodul, aufweisend eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die in einer Längsrichtung hintereinandergeschaltet, insbesondere angeordnet und hintereinandergeschaltet, sind und einen Brennstoffzellenstapel bilden. Wenigstens eine Mantelfläche des Brennstoffzellenstapels ist von einem Stabilisierungsmantel eingefasst, und der Stabilisierungsmantel weist eine Anzahl von formschlüssig an eine Außenkontur des Brennstoffzellenstapels angepassten Formelemente auf. Jedes der Formelemente ist mit einem ihm benachbarten Formelement über eine Anzahl von Verbindungselementen des Stabilisierungsmantels verbunden, und ein Teilbereich der Mantelfläche ist nicht durch den Stabilisierungsmantel verdeckt. Erfindungsgemäß weist das Brennstoffzellenmodul ein Abdeckelement auf, das den von dem Stabilisierungsmantel nicht verdeckten Teilbereich der Mantelfläche vollständig abdeckt.
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Durch das vorgeschlagene Brennstoffzellenmodul kann beispielsweise ein elektrischer Berührschutz und eine Abdeckung gegen Verschmutzung bereitgestellt werden. Durch das Abdeckelement, welches den nicht verdeckten Teilbereich der Mantelfläche vollständig abdeckt, kann das Brennstoffzellenmodul sicherer transportiert und betrieben werden. Insbesondere kann durch die Abdeckung der nicht verdeckten Teilbereiche ein verbesserter Berührschutz erreicht werden.
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Insbesondere bietet das vorgeschlagene Brennstoffzellenmodul gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellenmodulen den Vorteil der Reduktion auf eine integrierte Abdeckung des Brennstoffzellenstapels zum Schutz gegen Verschmutzung und Berührung. Somit kann insbesondere eine Kostenreduktion und/oder Gewichtsreduktion durchgeführt werden. Insbesondere kann durch die Kombination des Stabilisierungsmantels und des Abdeckelements eine Anzahl von erforderlichen elektrisch isolierten Verbindungen und Isolierstrecken des Brennstoffzellenstapels reduziert werden. Somit ergibt sich ein verbesserter Schutz, insbesondere ein elektrischer Schutz, für den Brennstoffzellenstapel.
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Beispielsweise kann es sich bei dem Brennstoffzellenmodul um ein Polymerelektrolytbrennstoffzellenmodul (PEM) handeln. Insbesondere kann das vorgeschlagene Brennstoffzellenmodul in den beliebigen und vielfältigsten Anwendungsgebieten von Brennstoffzellen verwendet werden.
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Insbesondere ist der Brennstoffzellenstapel beziehungsweise Zellstapel aus einer Vielzahl von Einzelzellen gebildet.
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Bei dem Stabilisierungsmantel handelt es sich beispielsweise um ein Korsett, mit welchem der zusammengefügte Brennstoffzellenstapel mechanisch stabilisiert werden kann. Insbesondere dient der Stabilisierungsmantel der mechanischen Stabilität des Brennstoffzellenstapels.
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Bei der von dem Stabilisierungsmantel eingefassten Mantelfläche des Brennstoffzellenstapels handelt es sich beispielsweise um eine Fläche, welche durch die Oberflächen der einzelnen Brennstoffzellen gebildet ist. Dabei sind die einzelnen Brennstoffzellen nicht in Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels orientiert, sondern sind insbesondere senkrecht zur Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels orientiert. Insbesondere umfasst die Mantelfläche die vier Außenseiten oder Mantelseiten des Brennstoffzellenstapels. Insbesondere gehören die Deckflächen (Bodenfläche und Abdeckfläche) des Brennstoffzellenstapels nicht zur Mantelfläche. Insbesondere bilden die Deckflächen und die Mantelfläche die komplette Oberfläche des Brennstoffzellenstapels.
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Ebenso ist es denkbar, dass mit dem Stabilisierungsmantel die vollständige Oberfläche eingefasst ist. Insbesondere wird mit dem Stabilisierungsmantel die Mantelfläche zumindest teilweise, insbesondere vollständig, eingefasst beziehungsweise umschlossen beziehungsweise umgriffen. Insbesondere erfolgt mit dem Stabilisierungsmantel eine Ummantelung zumindest eines mittleren Bereichs des Brennstoffzellenstapels zur Festigkeit des Brennstoffzellenstapels.
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Insbesondere weist der Stabilisierungsmantel mehrere Formelemente auf. Diese Formelemente können an die Außenkontur des Brennstoffzellenstapels als anlegbare Winkelstangen ausgebildet werden. In alternativer Ausgestaltung sind einige oder alle Formelemente als in Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels ausgedehntes, diesen im Querschnitt an einer seiner Außenseite umgreifendes U-Blech ausgebildet. Die Formelemente weisen im Querschnitt zumindest einen Bereich auf, der der Außenkontur des Brennstoffzellenstapels entspricht, insbesondere ebenfalls der Außenkontur der Mantelfläche. Insbesondere sind die Formelemente an den Außenkanten des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Jedes dieser Formelemente ist mit einem oder wenigstens einem ihm benachbarten Formelement über eine Vielzahl von Verbindungselementen verbunden. Somit ergibt sich eine verbesserte mechanische Festigkeit und/oder Stabilität.
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Durch den Stabilisierungsmantel ist beispielsweise ein Teilbereich der Mantelfläche nicht verdeckt beziehungsweise abgedeckt. Mit anderen Worten wird dieser Teilbereich nicht von den Formelementen und/oder Verbindungselementen abgedeckt. Insbesondere verdecken die Verbindungselemente und/oder Formelemente die Mantelfläche nur teilweise oder nicht vollständig. Somit weist die Mantelfläche des Brennstoffzellenstapels unverdeckte Teilbereiche auf. Dieser Teilbereich wird mithilfe des Abdeckelements vollständig abgedeckt, wodurch der Brennstoffzellenstapel gegenüber Berührungen und/oder Verschmutzungen geschützt beziehungsweise abgeschirmt ist. Insbesondere kann das Abdeckelement in dem Stabilisierungsmantel integriert werden oder auf dem Stabilisierungsmantel aufliegen.
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In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abdeckelement als Berührschutz ausgebildet ist. Insbesondere handelt es sich bei dem Abdeckelement um einen elektrischen Berührschutz, wobei der Berührschutz eine Person vor einem elektrischen Schlag sowie erhöhter Temperatur schützt. Somit kann der Brennstoffzellenstapel gegenüber einem Berühren von Menschen abgeschirmt werden. Somit kann der Brennstoffzellenstapel beim Betrieb beziehungsweise beim Transport für Personen sicherer ausgestaltet werden.
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Ebenso kann mithilfe des Berührschutzes nicht nur vor elektrischen Gefahren geschützt werden, sondern durch den Berührschutz kann ebenso der Brennstoffzellenstapel vor Verschmutzung geschützt werden. Somit kann mithilfe des Abdeckelements ein Berührschutz in den Stabilisierungsmantel integriert oder zumindest teilintegriert werden. Somit kann der Stabilisierungsmantel zum einen die Abstützung beziehungsweise Stabilisierung des Brennstoffzellenstapels und den Berührschutz bereitstellen. Somit ergibt sich eine Doppelfunktionalität des Stabilisierungsmantels.
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Insbesondere kann bei der Auswahl des Abdeckelements beziehungsweise des Berührschutzes eine Schutzart und/oder Schutzklasse berücksichtigt werden. Insbesondere kann der Berührschutz unter der Norm DIN EN 60529 verwendet werden. Dabei wird hier auf die Norm DIN EN 60529 (VEN 0470/1) vom September 2000 hingewiesen. Somit kann insbesondere der Berührschutz einer geforderten IP-Schutzhaut beziehungsweise IP-Schutzklasse verwendet werden.
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Insbesondere wird der Berührschutz derart ausgewählt beziehungsweise ausgestaltet, dass eine vorgegebene IP-Schutzklasse erreicht werden kann. Dabei können zulässige Lochgrößen beziehungsweise Spaltabstände beziehungsweise Dichtigkeitsanforderungen berücksichtigt werden. Ebenso kann der Berührschutz derart ausgelegt werden, dass eine mechanische Belastung eingehalten werden kann. Dabei können beispielsweise Berührungen, Stöße, Schläge, Vibrationen oder punktuelle und/oder flächige Krafteinwirkungen berücksichtigt werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abdeckelement einen elektrisch isolierenden Werkstoff, insbesondere Polyethylenterephthalat oder Polyetheretherketon oder Polytetrafluorethylen beinhaltet. Durch die Berücksichtigung des Werkstoffes des Abdeckelements kann ein effizienter elektrischer Schutz erreicht werden. Insbesondere sollte das Abdeckelement je nach Anwendungsfall und/oder Spannungslage einen elektrisch isolierenden Werkstoff beinhalten. Insbesondere kann das Abdeckelement vollständig aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff ausgebildet sein oder es kann entweder der Außenbereich und/oder der Innenbereich des Abdeckelements mit dem elektrisch isolierenden Werkstoff ausgebildet sein.
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Insbesondere kann es sich bei dem elektrisch isolierenden Werkstoff um einen Isolierstoff beziehungsweise Isoliermittel beziehungsweise um ein nicht-leitendes Material handeln. Der elektrisch isolierende Werkstoff sollte eine extrem geringe und somit vernachlässigbare elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Beispielsweise kann es sich bei dem elektrisch isolierenden Werkstoff um technische Keramiken oder um Thermoplaste oder um Duroplaste oder um Elastomere handeln. Beispielsweise kann es sich bei den isolierenden Werkstoffen um TE, PP, PET, PEEK, PTFE, HGW oder VPE handeln.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abdeckelement einen elektrisch leitenden Werkstoff, insbesondere Aluminium oder Edelstahl oder Kupfer oder Kohlenstofffasern, beinhaltet, und das Brennstoffzellenmodul eine Schutzeinrichtung aufweist, die den elektrisch leitenden Werkstoff mit einem Bezugspotential verbinden kann. Durch die Verwendung eines elektrisch leitenden Werkstoffes, welcher eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, kann die Abdeckung der Teilbereiche des Brennstoffzellenstapels mechanisch stabiler durchgeführt werden. Durch die Verwendung von elektrisch leitenden Werkstoffen, wie Aluminium oder Edelstahl, kann ein verbesserter Schutz vor Verschmutzungen und insbesondere mechanischen Belastungen für den Brennstoffzellenstapel erreicht werden. Bei der Verwendung von elektrisch leitenden Werkstoffen für das Abdeckelement kann eine zusätzliche Schutzeinrichtung für das Brennstoffzellenmodul vorgesehen sein. Mithilfe der Schutzeinrichtung kann eine Erdung des Abdeckelements sowie des Stabilisierungsmantels erfolgen. Somit können insbesondere das Abdeckelement und der Stabilisierungsmantel elektrisch isoliert werden. Mithilfe der Schutzeinrichtung kann das Abdeckelement geerdet werden, sodass eine elektrische Verbindung zu einem Bezugspotential (PE) hergestellt werden kann.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbindungselemente parallel zueinander angeordnet sind. Insbesondere sind die Verbindungselemente derart angeordnet, dass sie in Bezug zu der Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels senkrecht dazu angeordnet sind. Insbesondere sind die Verbindungselemente senkrecht zu den Formelementen angeordnet. Insbesondere können alle Verbindungselemente parallel oder im Wesentlichen parallel angeordnet sein.
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In einem anderen Ausführungsfall können zumindest einige Verbindungselemente als einander paarweise überkreuzende diagonal angeordnete Verbindungselemente ausgebildet sein. Insbesondere sind die Verbindungselemente derart angeordnet, dass eine möglichst vorteilhafte mechanische Stabilisierung des Brennstoffzellenstapels erreicht werden kann.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbindungselemente als Spannverstrebungen oder Spanngurte oder Streben oder mechanische Stangen ausgebildet sind. Durch diese Ausgestaltungen der Verbindungselemente können die Verbindungselemente im montierten Zustand im Wesentlichen auf Zug belastet werden. Somit ergibt sich eine verbesserte mechanische Stabilisierung des Brennstoffzellenstapels. Insbesondere dienen die Verbindungselemente zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels.
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In einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Formelemente und die Verbindungselemente des Stabilisierungsmantels eine gitterartige Struktur bilden, wobei der Brennstoffzellenstapel von der gitterartigen Struktur teilweise umschlossen ist. Insbesondere sind die einzelnen Formelemente und die einzelnen Verbindungselemente derart an der Mantelfläche des Brennstoffzellenstapels angeordnet, dass eine verbesserte mechanische Stabilisierung und Versteifung des Brennstoffzellenstapels erreicht werden kann. Durch die gitterartige Struktur ergibt sich eine verbesserte Stabilität und ein verbesserter Widerstand gegenüber mechanischer Beanspruchungen. Durch die gitterartige Struktur kann ein möglichst großer Bereich der Mantelfläche stabilisiert werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abdeckelement den Teilbereich der Mantelfläche des Brennstoffzellenstapels abdeckt, indem das Abdeckelement zwischen den Verbindungselementen und den Formelementen eingespannt ist. Insbesondere bilden die Verbindungselemente und die Formelemente eine gitterartige Struktur, sodass zwischen den einzelnen Kreuzungen der Verbindungselemente und Formelemente nicht abgedeckte Teilbereiche entstehen. Diese Teilbereiche, welche nicht durch die Verbindungselemente und/oder Formelemente abgedeckt sind, werden durch das Abdeckelement oder durch mehrere Abdeckelemente abgedeckt. Hierzu wird das Abdeckelement in dem Zwischenbereich zwischen dem Verbindungselement und dem Formelement eingesetzt beziehungsweise eingebracht. Mit anderen Worten wird das Abdeckelement ähnlich wie bei einem Fensterrahmen zwischen den äußeren Verstrebungen, welche die Verbindungselemente und die Formelemente bilden, eingesetzt. Somit ergeben das Abdeckelement und die Verbindungselemente sowie die Formelemente einen gemeinsamen Verbund. Dadurch kann insbesondere die Anzahl an Abdeckelementen beziehungsweise der Materialien reduziert werden, da das Abdeckelement mit den Verbindungselementen und Formelementen einen integrierten Berührschutz bilden. Somit kann auf den Einsatz von zusätzlichen Materialien verzichtet werden. Insbesondere wird das Abdeckelement in den Bereichen zwischen den Verbindungselementen und den Formelementen eingefasst, insbesondere wird das Abdeckelement von den umliegenden Verbindungselementen und Formelementen umschlossen. Mit anderen Worten wird mit dem Abdeckelement eine Einfassung in dem nicht abgedeckten Teilbereich bereitgestellt.
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Insbesondere können die Verbindungselemente als eigenständiger Berührschutz ausgebildet sein. Dadurch kann ein vollständiger Berührschutz für den Brennstoffzellenstapel bereitgestellt werden, da die Verbindungselemente in Verbindung mit dem Abdeckelement einen vollumfänglichen Berührschutz bilden. Insbesondere können die Verbindungselemente mit den gleichen Materialeigenschaften und/oder Werkstoffeigenschaften des Abdeckelements ausgebildet werden. In analoger Weise können ebenfalls die Formelemente als eigenständiger Berührschutz ausgebildet werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abdeckelement den Teilbereich der Mantelfläche des Brennstoffzellenstapels abdeckt, indem das Abdeckelement von außen betrachtet auf den Verbindungselementen und Formelementen aufliegt. Mit anderen Worten liegt das Abdeckelement auf der jeweiligen Seite der Mantelfläche beziehungsweise der jeweiligen Seite des Brennstoffzellenstapels vollständig auf. Somit liegt auf der jeweiligen Seite des Brennstoffzellenstapels das Abdeckelement als eine Einheit auf. Somit wird pro Seite des Brennstoffzellenstapels ein Abdeckelement benötigt. Beispielsweise kann auf den vier Seiten der Mantelfläche ein Abdeckelement und an der Bodenfläche und der Deckfläche jeweils ein Abdeckelement vorgesehen sein. Durch das Auflegen des Abdeckelements vollständig auf den Verbindungselementen und auf den Formelementen kann nicht nur der Teilbereich abgedeckt werden, sondern auch die Verbindungselemente und die Formelemente selbst. Somit können die Formelemente und die Verbindungselemente elektrisch und mechanisch geschützt werden. Insbesondere ergibt sich durch die Verwendung des Abdeckelements als aufliegendes Element von außen betrachtet eine besonders einfache Montage beziehungsweise Befestigung. Mit anderen Worten liegt das Abdeckelement auf der äußersten Seite beziehungsweise Außenseite des Brennstoffzellenstapels auf.
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Insbesondere wird das Abdeckelement dabei an die Mantelfläche oder an die aufgespannte Fläche der Verbindungselemente und Formelemente angepasst.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abdeckelement ein Gitterblech oder ein Lochblech oder eine Lochplatte oder eine Folie oder eine Vollplatte oder eine Haube oder ein Gehäuse oder einen Sockel beinhaltet. Je nach Anwendungsfall des Brennstoffzellenmoduls kann das Abdeckelement entsprechend ausgestaltet werden. Dabei wird das Abdeckelement je nach Anwendungsfall entsprechend ausgestaltet. Dabei werden insbesondere die jeweils vorgegebenen elektrischen und/oder mechanischen Anforderungen berücksichtigt, sodass je nach elektrischen und/oder mechanischen Anforderungen das Abdeckelement ein Gitterblech oder eine Platte oder einen Sockel oder ein Gehäuse beinhaltet. Insbesondere kann das Abdeckelement auch vollständig aus einem der genannten Formen ausgebildet sein.
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In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Brennstoffzellenstapel wenigstens näherungsweise kubisch oder quadratisch oder zylindrisch oder prismatisch ist. Insbesondere spielt für die Ausgestaltung des Brennstoffzellenstapels die jeweilige Einbausituation beziehungsweise jeweiliger Anwendungsfall des Brennstoffzellenmoduls eine Rolle. Ebenso kann der Brennstoffzellenstapel eine beliebige Form, insbesondere eine Sonderform, aufweisen. Mit anderen Worten ist der Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung betrachtet quadratisch, rechteckig, rund oder in Form eines sonstigen, insbesondere regulären, Polygons, beispielsweise sechseckig.
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Die oben gezeigten Ausführungsbeispiele und Ausführungsformen des Brennstoffzellenmoduls können ebenfalls in analoger Weise für einen Stapel Plattenwärmeüberträger (PWÜ) oder Plattenwärmetauscher (PWT) oder Plattenkühler (PK) oder Plattenfilter angewendet werden. Dabei ergeben sich die gleichen Vorteile wie beim Brennstoffzellenmodul. Insbesondere kann bei einem Stapel Plattenwärmeüberträger (PWÜ) oder Plattenwärmetauscher (PWT) oder Plattenkühler (PK) oder Plattenfilter ebenfalls ein Stabilisierungsmantel zur mechanischen Stabilisierung des jeweiligen Stapels verwendet werden und das Abdeckdeckelement kann den jeweiligen Stapel gegen Berührung und Verschmutzung schützen.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen und/oder die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von denen abweichen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand konkreter Ausführungsbeispiele und zugehöriger schematischer Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren können gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Beschreibung gleicher oder funktionsgleicher Elemente wird gegebenenfalls nicht notwendigerweise bezüglich verschiedener Figuren wiederholt.
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Die nachfolgenden Figuren zeigen in:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenmoduls;
- 2 eine weitere schematische Darstellung des Brennstoffzellenmoduls aus 1 mit einem Stabilisierungsmantel; und
- 3 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellenmoduls aus 2 mit einem erfindungsgemäßen Abdeckelement.
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Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenmodul 1. Dabei ist in der 1 ein Grundzustand beziehungsweise eine Grundausgestaltung des Brennstoffzellenmoduls 1 dargestellt.
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Das Brennstoffzellenmodul 1 weist einen Brennstoffzellenstapel 2 auf. Der Brennstoffzellenstapel 2 ist mit einer Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen gebildet. Insbesondere sind die Brennstoffzellen in einer Längsrichtung hintereinandergeschaltet. Die in Längsrichtung 3 des Brennstoffzellenstapels 2 gesehen außenliegenden Brennstoffzellen sind jeweils mit einer Anschlussplatte 4 verbunden. Bei der Anschlussplatte 4 kann es sich beispielsweise um Spannplatten oder Spannrahmen handeln. Über die Anschlussplatten 4 sind den zu dem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengeschalteten Brennstoffzellen Betriebsmedien (Wasserstoff und Sauerstoff) zuführbar. Beispielsweise weist der Brennstoffzellenstapel 2 elektrische Polplatten zum elektrischen Koppeln auf. Dabei können die elektrischen Polplatten mit Stromabgriffen ausgebildet sein. Speziell können die Polplatten von den Anschlussplatten getrennte Elemente sein. Insbesondere weisen die Polplatten zum einen den elektrischen Plus-Pol und den elektrischen Minus-Pol auf. Somit kann der Brennstoffzellenstapel 2 elektrisch angeschlossen werden. Beispielsweise können die Anschlussplatten 4 beziehungsweise Spannplatten metallisch ausgebildet sein, so dass diese insbesondere durch Wasserbrücken mit einem elektrischen Potential elektrisch gekoppelt sind.
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An den Anschlussplatten 4 ist jeweils eine Anzahl von Zugankern 5 oder Spannbändern oder Zugschrauben angeordnet. Die Anschlussplatten 4 sind in Längsrichtung 3 des Brennstoffzellenstapels 2 gesehen miteinander verspannt. Durch diese Spannung wird in axialer Richtung oder in Längsrichtung 3 des Brennstoffzellenstapels 2 ein Druck auf die einzelnen Brennstoffzellen ausgeübt. Somit ergibt sich eine kompakte Einheit.
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Die 2 zeigt weiter das Brennstoffzellenmodul 1 aus 1, wobei zur mechanischen Stabilisierung beziehungsweise mechanischen Stabilität der Brennstoffzellenstapel 2 von einem Stabilisierungsmantel 6 zumindest teilweise umschlossen ist. Dabei kann wenigstens eine Mantelfläche 7 des Brennstoffzellenstapels 2 von dem Stabilisierungsmantel 6 eingefasst beziehungsweise umschlossen werden.
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Bei dem Stabilisierungsmantel 6 handelt es sich beispielsweise um ein Korsett zur Stabilisierung beziehungsweise Versteifung des Brennstoffzellenstapels 2. Dabei ist der Stabilisierungsmantel 6 beispielsweise an die jeweilige Form des Brennstoffzellenstapels 2 angepasst. Insbesondere weist der Stabilisierungsmantel 6 eine Anzahl von formschlüssig an eine Außenkontur des Brennstoffzellenstapels 2 angepassten Formelementen 8 auf. Insbesondere sind die Formelemente 8 an den Au-ßenkanten als längliche anlegbare Winkelstangen ausgebildet. Für eine bessere Stabilisierung kann jedes der Formelemente 8 mit einem ihm benachbarten Formelement 8 über eine Anzahl von Verbindungselementen 9 verbunden werden.
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Insbesondere sind die Formelemente 8 in Bezug zu der Längsrichtung 3 parallel angeordnet.
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Die Verbindungselemente 9, welche als Streben ausgebildet sein können, sind in Längsrichtung 3 betrachtet senkrecht zu den Formelementen 8 angeordnet. Insbesondere sind die einzelnen Verbindungselemente 9 zueinander parallel oder im Wesentlichen parallel angeordnet. Dabei können die einzelnen Verbindungselemente 9 als Spannverstrebungen oder Spanngurte oder Spannseile oder Verbindungsstangen ausgebildet sein.
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Beispielsweise bilden die Verbindungselemente 9 und die Formelemente 8 eine gitterartige Struktur, sodass eine möglichst effiziente Stabilisierung des Brennstoffzellenstapels 2 erreicht werden kann.
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Insbesondere wird der Brennstoffzellenstapel 2 an seinen vier Mantelseiten von der gitterartigen Struktur des Stabilisierungsmantels 6 teilweise, insbesondere vollständig, umschlossen.
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Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel 2 wenigstens näherungsweise kubisch oder quadratisch oder zylindrisch oder prismatisch sein. Insbesondere ist die Form beziehungsweise Geometrie des Brennstoffzellenstapels 2 an das jeweilige Einsatzgebiet beziehungsweise den jeweiligen Einsatzfall des Brennstoffzellenmoduls 1 angepasst. Ebenso bilden die einzelnen Formen der Brennstoffzellen die Form des Brennstoffzellenstapels 2. Insbesondere sollte die Form des Brennstoffzellenstapels 2 derart ausgestaltet sein, dass eine möglichst kompakte und einfache Einheit gebildet ist.
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Durch den Stabilisierungsmantel 6 ist insbesondere ein Teilbereich 10 der Mantelfläche 7 nicht verdeckt. Insbesondere wird durch den Stabilisierungsmantel 6 der Teilbereich 10 nicht abgedeckt beziehungsweise nicht verdeckt. Insbesondere sind bei der gitterartigen Struktur des Stabilisierungsmantels 6 die Bereiche zwischen den Verbindungselementen 9 und den Formelementen 8 nicht verdeckt. Somit weist die Ausgestaltung des Brennstoffzellenmoduls 1 in der 2 nicht abgedeckte Teilbereiche 10 auf. Insbesondere können mehrere Teilbereiche 10 der Mantelfläche 7 nicht verdeckt sein.
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In 3 ist ein Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenmoduls 1 dargestellt, bei welchem der Teilbereich 10 beziehungsweise die Teilbereiche, welche nicht durch den Stabilisierungsmantel 6 abgedeckt sind, mit einem Abdeckelement 11 abgedeckt sind. Dabei wird mithilfe des Abdeckelements 11 der nicht verdeckte Teilbereich 10 der Mantelfläche 7 des Brennstoffzellenstapels 2 vollständig abgedeckt. Somit ist der quasi offenliegende Teilbereich 10 vor äußeren Einflüssen durch das Abdeckelement 11 geschützt. Insbesondere können mehrere Teilbereiche 10 zwischen den Verbindungselemente 9 und Formelemente 8 nicht abgedeckt sein. Diese Vielzahl an offenliegenden, nicht abgedeckten Teilbereichen 10 können durch Abdeckelemente 11 vollständig abgedeckt werden. Somit kann insbesondere der Brennstoffzellenstapel 2 vollständig von außen abgedeckt werden.
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Insbesondere ist das Abdeckelement 11 als Berührschutz ausgebildet. Somit kann erreicht werden, dass die von außen zugänglichen Teilbereiche 10 vor einer Berührung von Menschen abgedeckt sind. Somit ergibt sich ein verbesserter elektrischer Berührschutz für den Brennstoffzellenstapel 2. Ebenso kann durch das Abdeckelement 11 erreicht werden, dass keine Verschmutzung und/oder Verunreinigung und/oder Flüssigkeiten in den Brennstoffzellenstapel 2 von außen eindringen können.
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Insbesondere kann das Abdeckelement 11 ein Gitterblech oder ein Lochblech oder eine Lochplatte oder eine Folie oder eine Vollplatte oder eine Haube oder ein Gehäuse oder einen Sockel beinhalten. Somit kann das Abdeckelement 11 an die jeweilige Gegebenheit und/oder Beschaffenheit des Brennstoffzellenstapels 2 sowie des Stabilisierungsmantels 6 angepasst werden.
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Beispielsweise kann in einem ersten Ausführungsbeispiel das Abdeckelement 11 in den Stabilisierungsmantel 6 integriert werden. Dazu kann das Abdeckelement 11 zwischen den Verbindungselementen 9 und den Formelementen 8 eingespannt beziehungsweise eingefasst werden. Dies ist insbesondere an der Mantelseite zu sehen, welche senkrecht betrachtet zu der Längsrichtung 3 dargestellt ist. Somit kann das Abdeckelement 11 in den jeweiligen Zwischenraum integriert werden. Somit können insbesondere die offenen Bereiche der gitterförmigen Struktur des Stabilisierungsmantels 6 mit einem Abdeckelement 11 integriert werden. Somit ergibt sich insbesondere eine Materialeinsparung.
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In einem anderen Ausführungsfall kann das Abdeckelement 11 von außen betrachtet auf den Verbindungselementen 9 und den Formelementen 8 aufliegen. Somit liegt das Abdeckelement 11 auf allen Verbindungselementen und/oder Formelementen einer Mantelseite des Brennstoffzellenstapels 2 auf. Dies ist insbesondere an der oberen Mantelseite in Hochrichtung 12 betrachtet zu erkennen. Dabei ergibt sich der Vorteil, dass das Abdeckelement 11 als einziges Blech oder Platte ausgebildet sein kann und auf einfache Art und Weise auf dieser Mantelseite montiert werden kann.
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Des Weiteren kann das Abdeckelement 11 ebenfalls an den Seiten der Anschlussplatten 4 angeordnet werden. Dabei kann in diesen Bereichen das Abdeckelement 11 Aussparungen für die elektrischen Anschlüsse und die Zuganker 5 aufweisen. Insbesondere ist dies in Längsrichtung 3 betrachtet links des Brennstoffzellenstapels 2 zu sehen. Dabei kann an den beiden Seiten der Anschlussplatten 4 das Abdeckelement 11 insbesondere als Sockel und/oder Gehäuse und Deckel ausgebildet sein. Somit können jede Mantelseite und jede Fläche beziehungsweise Außenseite vollständig abgedeckt werden.
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Beispielsweise kann das Abdeckelement 11 als Berührschutz au-ßen am Stabilisierungsmantel 6 montiert werden oder innerhalb des Stabilisierungsmantels 6 integriert werden.
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Um einen möglichst effizienten elektrischen Berührschutz bereitstellen zu können, kann das Abdeckelement 11 einen elektrisch isolierenden Werkstoff, insbesondere einen Werkstoff mit einer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit, beinhalten. Beispielsweise kann das Abdeckelement 11 einen Metallrahmen aufweisen und zwischen dem Metallrahmen sind Kunststoffplatten angeordnet. Ebenso denkbar ist, dass das Abdeckelement einen elektrisch leitenden Werkstoff beinhaltet. Dabei kann das Abdeckelement 11 beispielsweise Aluminiumplatten oder Edelstahlplatten oder Kupferplatten oder Metallplatten aufweisen. Somit kann das Abdeckelement 11 mechanisch belastbar ausgebildet werden. Dabei kann mit einer Schutzeinrichtung des Brennstoffzellenmoduls 1 das Abdeckelement 11 mit einem Bezugspotential verbinden. Somit kann das Abdeckelement 11 und insbesondere auch der Stabilisierungsmantel 6 geerdet werden.
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Beispielsweise kann ebenso als Berührschutz ein PM-Elektrolysemodul beziehungsweise -gerät mit vergleichbaren Anforderungen an Isolation und Stabilität des Brennstoffzellenstapels 2 verwendet werden. Ebenfalls können ein Plattenfilter oder Plattenwärmetauscher mit Anforderungen an elektrischer und/oder thermischer Isolation verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1338050 B1 [0006, 0007]
