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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Bipolarplatte aus einem Werkstoffstreifen, in welchem Kanäle zum Führen eines Mediums ausgebildet sind, sowie einen Kabelbaum hierfür und eine Brennstoffzelle mit einer Mehrzahl von Bipolarplatten, die über den Kabelbaum elektrisch miteinander verbunden sind.
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Stand der Technik
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In den letzten Jahren hat die Brennstoffzellentechnologie aufgrund der wachsenden Besorgnis über den Abbau fossiler Brennstoffe und den Klimawandel zunehmend an Bedeutung gewonnen. Eine Entwicklung, um dem zu entgegnen, ist die Verwendung von Brennstoffzellen, die mit einem „sauberen“ Brennstoff betrieben werden. Hierzu zählen vor allem:
- - Alkaline Fuel Cell (AFC, Elektrolyt Kalilauge, Anodengas H2)
- - Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEM-FC oder PEM Elektrolyt Polymermembran, Anodengas H2 oder Methanol))
- - Direct Methanol Fuel Cell (DMFC Elektrolyt Polymermembran, Anodengas Methanol)
- - Phosphoric Acid Fuel Cell (Elektrolyt Phosphorsäure, Anodengas H2 oder Methan)
- - Molten Carbonate Fuel Cell (Elektrolyt Alkalikarbonatschmelze, Anodengas H2, Methan, Kohlegas)
- - Solid Oxid Fuell Cell (Elektrolyt Oxidkeramik, Anodengas H2, Methan, Erdgas, Kohlegas)
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Eine einzelne Brennstoffzelle hat eine im Allgemeinen nicht ausreichende Leistung. Um die zu erhöhen, werden mehrere einzelne Brennstoffzellen zu einem sogenannten Brennstoffzellen-Stack zusammengebaut. Eine Trennplatte zwischen den einzelnen Zellen wird als Bipolarplatte bezeichnet. Sie stellt den elektrischen Kontakt zwischen Anode und Kathode her und leitet die an der Anode erzeugten Elektronen weiter zur benachbarten Zelle. Über strukturierte Oberflächen der Bipolarplatte werden zudem die chemisch aktiven Zonen der Anode und Kathode mit Brenngas bzw. mit dem Oxidationsmittel Sauerstoff versorgt.
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Bei der elektrokatalytischen Umwandlung des Wasserstoffs entsteht Produktwasser und es fällt Wärme an. Beides wird über die Bipolarplatte aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Hierfür werden die Bipolarplatten üblicherweise aus zwei einzelnen Plattenhälften zusammengesetzt. In die Bipolarplattenhälften sind Kanäle für die Wasserstoff- und Sauerstoffversorgung sowie für das Kühlwasser eingearbeitet. Durch das Aneinanderlegen und Fügen von zwei Plattenhälften werden die Kühlkanäle abgedichtet.
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Die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM) haben sich als ein vielversprechender Kandidat für den Ersatz von Verbrennungsmotoren in der Automobilindustrie herausgestellt und erzeugen Strom aus der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff. Sie sind gekennzeichnet durch:
- - niedrige Betriebstemperaturen (unter 100° Celsius)
- - schnelle Inbetriebnahme
- - hohe Leistungsdichte
- - hohe Effizienz und
- - niedrige Treibhausgasemissionen.
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Die Schlüsselkomponenten einer PEM-Brennstoffzelle sind die Bipolarplatten (BPPs) und die Membranelektrodenanordnung (MEA). Letztere umfasst eine Protonenaustauschmembran, die beidseitig von einer Gasdiffusionsschicht (GDL) und einer Katalysatorschicht belegt ist.
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Die BPPs machen etwa 60 bis 80 Prozent des Stapelgewichts und bis zu 30 bis 50 Prozent der Kosten für die Stapelherstellung aus. Sie sind multifunktionale Komponenten, die verantwortlich sind für
- - eine gleichmäßige Verteilung der Reaktantengase (H2 und O2) über die Strömungskanäle
- - das Entfernen der Wärme-und Reaktionsprodukte (Wasser) von der Zellanordnung
- - eine elektrische Verbindung der Katode einer Zelle mit der Anode der benachbarten Zelle und
- - die Bereitstellung einer strukturellen Unterstützung für die dünne und mechanisch schwache MEA.
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Daher sollte ein ideales Material für BPPs die folgenden Eigenschaften aufweisen:
- - hohe elektrische Leitfähigkeit
- - geringe Gasdurchlässigkeit
- - hohe Korrosionsbeständigkeit
- - hohe mechanische Festigkeit und
- - niedrige Kosten
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Bei den bekannten BPPs ist die Strömungsfeldkonfiguration von hoher Bedeutung. Durch sie wird ein Kanalmuster definiert, dessen Hauptfunktion darin besteht, die Reaktantengase (H2 und O2) gleichmäßig über die jeweiligen GDL zu verteilen und das während der Reaktion entstehende Wasser zu entfernen. Da die Leistung der PEM- Brennstoffzelle stark vom Strömungsfeld-Design beeinflusst wird, wurden mehrere numerische Modelle entwickelt.
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In einem Stapel von Brennstoffzellen aber auch in den Brennstoffzellen selbst findet ein reger Austausch von Zellenspannungen und -strömen statt, die zu überwachen sind, vor allem zu Steuerungs- bzw. Lade- bzw. Entladezwecken. Hierzu sind Kontaktelemente vorgesehen, mit welchem einzelne z.B. zu überwachende Elemente einer Brennstoffzelle elektrisch verbunden werden bzw. einen Anschluss an eine Überwachungseinheit finden.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich vor allem auf die Überwachung der Bipolarplatten. Zur Kontaktierung von Bipolarplatten eines Stacks werden bisher Kontaktelemente verlötet oder verschweisst, auf die dann Steckverbinder aufgesteckt werden. Dies ist aufwendig und benötigt viel Bauraum, der meist nicht vorhanden ist. Hier schlägt beispielsweise die
DE 10 2013 206 129 A1 einen elektrischen Steckverbinder zur Kontaktierung von Bipolarplattenstapel einer Brennstoffzelle mit einem Steckerkörper vor, in dem wenigstens zwei sich in einer Steckrichtung öffnende Kontaktkammern vorgesehen sind, wobei in den Kontaktkammern jeweils ein in der Steckrichtung auf eine Bipolarplatte des Bipolarplattenstapels aufsteckbares Kontaktelement angeordnet ist und wobei die Kontaktelemente in einer quer zur Steckrichtung weisenden Breitenrichtung und in einer quer zur Steckrichtung und zur Breitenrichtung weisenden Höhenrichtung des Steckverbinders zueinander versetzt angeordnet sind. Dieser Steckverbinder ist kompliziert aufgebaut und benötigt nach wie vor sehr viel Bauraum. Ähnliches gilt auch für die
DE 10 2014 225 949 A1 .
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Aus der
DE 10 2016 115 100 A1 ist eine Kontaktiereinrichtung bekannt, welche ein Anschlussblech und einen Steckverbinder aufweist, der mit dem Anschlussblech elektrisch kontaktierbar ist. Dabei weist das Anschlussblech einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich auf, der gegenüber dem ersten Bereich verschränkt ist. Der Steckverbinder wiederum weist Kontaktelemente auf, die so ausgebildet sind, um mit wenigstens einem der ersten Bereiche und einem zweiten Bereich des Anschlussblechs verbunden zu werden.
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Aufgabe der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden. Insbesondere soll eine Bipolarplatte bereitgestellt werden, welche bereits bei ihrer Herstellung auf die Festlegung von Kontaktelementen hin ausgestaltet ist und mit einem Kabelbaum zusammenwirken kann, der sehr einfach und sehr flexibel handhabbar ist.
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Lösung der Aufgabe
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Zur Lösung der Aufgabe führt, dass der Werkstoffstreifen eine Einformung und/oder Ausformungen aufweist, die mit einem elektrischen Kontaktelement zusammenwirkt/en.
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Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, dass bereits bei der Ausformung der Bipolarplatte in dem entsprechenden Werkstoffstreifen, der in der Regel aus Metall besteht, Einrichtungen vorgesehen werden, welche der Kontaktierung mit den Kontaktelementen dienen. In der Regel wird die Bipolarplatte im Prägeverfahren hergestellt, da sie eine Vielzahl von Ausformungen aufweisen muss, damit sie ihre Zwecke erfüllen kann. Dies geschieht meist im Prägeverfahren, so dass erfindungsgemäss bereits bei diesem Prägeverfahren auch Einrichtungen in den Werkstoffstreifen ein- bzw. ausgeformt werden können, welche der Aufnahme bzw. der Verbindung mit dem Kontaktelement dienen.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird durch die Einformung zumindest eine Rinne in dem Werkstoffstreifen erzeugt, welche der Festlegung des Kontaktelementes dient. Im Prägeverfahren ist eine derartige Rinne leicht herstellbar, sie weist dann in der Regel eine/n Decke/Boden auf, an die seitlich Seitenwände anschliessen. Ggf. könnte die Rinne auch so ausgeformt werden, dass sie durch entsprechende Hinterschneidungen oder Vorspannungen eine form- bzw. kraftschlüssige Verbindung mit dem Kontaktelement ermöglicht.
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Aus Bauraumgründen ist es oftmals wünschenswert, dass die Kontaktelemente nicht an der gleichen Stelle mit der Bipolarplatte verbunden werden, sondern bei gleichbleibendem Kabelbaum ein Versatz für einen zweiten Kabelbaum ermöglicht wird. In diesem Fall ist es ratsam, eine Mehrzahl von Rinnen randseitig an dem Werkstoffstreifen vorzusehen.
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Für die Festlegung des Kontaktelementes in oder an der Rinne sind eine Vielzahl von Möglichkeiten denkbar, wobei weitere ebenfalls vom Erfindungsgedanken umfasst sein sollen. In einem einfachen Ausführungsbeispiel bildet die Rinne, wie oben erwähnt, durch einen tunnelförmigen Wandabschnitt einen Kanal mit einer Decke und Seitenwänden aus, wobei natürlich bei umgedrehter Anordnung die Decke zu einem Boden der Rinne wird. In diesem Kanal, der von Decke/Boden bzw. den beiden Seitenwänden gebildet wird, soll das Kontaktelement eingesetzt werden können, wobei es natürlich entsprechende Kontaktflächen bzw. Punkte aufweist, die einen elektrischen Kontakt ermöglichen.
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Zur Festlegung des Kontaktelementes in dem Kanal sind ebenfalls viele Möglichkeiten denkbar. Beispielsweise können vom Kanal nach innen Vorsprünge abragen, welche in entsprechende Einformungen in dem Kontaktelement eingreifen. Denkbar ist auch, dass das Kontaktelement selbst wiederum Vorsprünge aufweist, die in entsprechende Einformungen in der Decke bzw. den Seitenwänden des Kanals eingreifen. Diese Einformungen können in einem einfachen Ausführungsbeispiel auch Rastkugeln sein, die beispielsweise federgelagert sind. Hier sind viele Möglichkeiten denkbar und sollen von der vorliegenden Erfindung umfasst sein.
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Bei einer weiteren Möglichkeit ist daran gedacht, dass das Kontaktelement die Rinne übergreift. Dabei könnte das Kontaktelement auch unter einer entsprechenden Vorspannung stehen, so dass das Kontaktelement die Rinne zwischen zwei Klammern des Kontaktelementes klemmend aufnimmt.
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Denkbar sind hier natürlich auch die bereits oben erwähnten Vorsprünge bzw. Einformungen, mit denen die Rinne mit dem Kontaktelement zu dessen Halterung zusammenwirkt.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist daran gedacht, das Kontaktelement aus einem oberen und einen unteren Streifen herzustellen, wobei die beiden Streifen zwischen sich eine Rinne des Werkstoffstreifens aufnehmen. Hierdurch wird ein seitliches Verschieben des Klemmelementes unmöglich gemacht. Natürlich können auch von einem entsprechend ausgestalteten Kontaktelement mehrere Rinnen übergriffen bzw. oberen und unteren Streifen aufgenommen werden.
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Gemäss der vorliegenden Erfindung kann nun ein Kabelbaum sehr einfach ausgestaltet werden, indem die Klemmelemente übereinander angeordnet werden. Um jedoch unterschiedlichen Abständen von Bipolarplatten Rechnung zu tragen, ist vorgesehen, dass dieser Kabelbaum aus einer Mehrzahl von Einzelelementen besteht, die möglicherweise auch eine unterschiedliche Höhe aufweisen können oder an einer Führung verschiebbar angeordnet sind. Hier kann auf einfache Weise den unterschiedlichen Abständen der Bipolarplatten Rechnung getragen werden.
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Von der vorliegenden Erfindung wird auch eine gesamte Brennstoffzelle umfasst, die aus einer Mehrzahl von oben beschriebenen Bipolarplatten hergestellt ist, wobei die Bipolarplatten über einen Kabelbaum der ebenfalls oben beschriebenen Art miteinander verbunden sind.
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Gleichfalls soll von der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzelle umfasst werden, die aus einer Mehrzahl von oben beschriebenen Bipolarplatten besteht, wobei die Bipolarplatten von einem ebenfalls oben beschriebenen Kabelbaum miteinander verbunden werden.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
- 1 eine schematisch dargestellte, perspektivische Ansicht eines Stacks aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen;
- 2 eine teilweise dargestellte Seitenansicht eines Kabelbaums;
- 3 bis 9 schematisch dargestellte Querschnitte durch eine Mehrzahl von Ausführungsbeispielen von Möglichkeiten einer Verbindung zwischen einer Bipolarplatte und einem Kontaktelement.
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Gemäss 1 ist ein Teil eines Zellenstapels (Stack) gezeigt, wobei drei Brennstoffzellen 1.1, 1.2 und 1.3 nebeneinander angeordnet sind. Jede Brennstoffzelle besteht aus zwei Elektroden 2 und 3, zwischen denen eine Protonenaustauschermembran (PEM) 4 angeordnet ist. Eine derartige Einheit wird auch Membran-Elektroden-Einheit (MEA) genannt. Die Elektoden sind als Gasdiffusionsschicht (GDL) ausgebildet.
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Vor den einzelnen Brennstoffzellen 1.1 und 1.3 sowie auch zwischen den einzelnen Brennstoffzellen befindet sich eine Bipolarplatte 5.1 bis 5.4 als Verteilerstruktur, die für eine möglichst gleichmässige Verteilung der Reaktionsmedien sorgt. Als Reaktionsmedien dienen z.B. Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O) welche den Bipolarplatten 5.1 bis 5.4 zugeführt werden, wobei nach der Reaktion und Erzeugung der elektrischen Energie daraus Wasser (H2O) entsteht.
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Die Bipolarplatten 5.2 und 5.3 dienen nicht nur zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden und leiten den elektrischen Strom zu benachbarten Zellen, sondern helfen auch, Brennstoffe und ggf. Kühlwasser zuzuführen sowie Wärme und Reaktionsprodukte abzuführen. Die beiden Bipolarplatten 5.1 und 5.4 stellen Endplatten dar, in denen sich der Stromabgriff sowie die Gas- und ggf Kühlwasseranschlüsse befinden. Je nach Leistungsabgabe und der damit verbundenen Wärmeentwicklung werden die Stacks mit Luft oder Wasser gekühlt.
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Nicht dargestellt ist, dass sich zwischen GDL und PEM zusätzlich eine Katalysatorschicht befindet, in welcher die Oxidation bzw. Reduktion der Reaktanten stattfindet. Die PEM ist ionenselektiv und ermöglicht es, dass Protonen, nicht jedoch Elektronen und Reaktanten diese passieren können. Diese Trennung ermöglicht es, elektrische Energie zu gewinnen, indem die elektrischen Ladungsträger über einen externen Stromkreis von der Anode zur Kathode transportiert werden, während die ionischen Ladungsträger, z.B. Protonen, direkt durch die PEM gelangen.
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Erfindungsgemäss sollen nun insbesondere die Bipolarplatten 5.1 bis 5.4 überwacht werden, was durch Überwachung der Einzelspannungen geschieht. Hierzu sind gemäss 2 schematisch dargestellte Kontaktelemente 6 an einem Kabelbaum 7 vorgesehen, deren Signale über eine elektrische Leitung 8 an eine Überwachungseinheit übertragen werden.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich vor allem auf die Verbindung zwischen den Kontaktelement 6 und den Bipolarplatten 5.1 bis 5.4. Die verschiedenen erfindungsgemässen Varianten werden in den 3 bis 9 näher beschrieben.
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Die Bipolarplatten 5.1 bis 5.4 bestehen aus einem Werkstoffstreifen 9, der eine nur für die elektrische Kontaktierung mit dem elektrischen Kontaktelemente vorgenommene Einformung und/oder Ausformung aufweist. Wesentlich dabei ist, dass zumindest eine Rinne 10 in dem Werkstoffstreifen 9 erzeugt wird, was in der Regel durch Prägen geschieht. Diese Rinne soll der Festlegung des Kontaktelementes 6 dienen und weist eine Decke 11 sowie zwei Seitenwände 12.1 und 12.2 auf. Die Festlegung des Klemmelementes an oder in der Rinne kann form- und/oder kraftschlüssig erfolgen.
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Gemäss 3 ist ein Kontaktelement 6.1 blockartig ausgebildet und wird in einem von Decke 11 und den Seitenwänden 12.1 und 12.2 gebildeten Kanal 13 klemmend gehalten. Das Kontaktelement 6 weist an einer beliebigen vorgegebenen Stelle eine beliebige Einrichtung auf, mit der ein Kontakt zu der Bipolarplatte 5.1 bis 5.4 erzeugt werden kann.
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Während gemäss 3 das Kontaktelement 6.1 in den Kanal 13 integriert ist, übergreift ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kontaktelementes 6.2 gemäss 4 die Decke 10 und ggf. auch zumindest teilweise die Seitenwände 12.1 und 12.2. Auch hier kann das Kontaktelement 6.2 so vorgespannt sein, dass es klemmend den Kanal 13 übergreift.
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In einer Weiterführung des Ausführungsbeispiels gemäss 4 ist in 5 gezeigt, dass den Seitenwänden 12.1 und 12.2 sowie der Decke 13 Vorsprünge 14.1 bis 14.3 angeformt sind, welche in Einformungen 15.1 bis 15.3 des Kontaktelementes 6.3 eingreifen. Z.B. könnten diese Vorsprünge 14.1 bis 14.3 federgelagerte Rastkugeln sein.
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In 6 ist angedeutet, dass ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kontaktelementes 6.4 die Rinne 10 bzw. deren Decke 11 klammerartig übergreift und die Seitenwände 12.1 bzw. 12.2 mit einem Haken 16.2 bzw. 16.2 durchgreifen.
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Die 7 und 8 sind Fortführungen des Ausführungsbeispiels gemäss 3. Gemäss 7 weist der Werkstückstreifen 9 in den Kanal 13 eingreifende Vorsprünge 14.4 bis 14.6 auf, welche in korrespondierende Einformungen 15.4 bis 15.6 in einem Kontaktelement 6.5 eingreifen.
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Gemäss 8 sitzen in einem Kontaktelement 6.6, welches sich im Inneren des Kanals 13 befindet, federgelagerte Rastorgane 17.1 bis 17.3, welche in entsprechende Einformungen bzw. Ausnehmungen in den Seitenwänden 12.1 bzw. 12.2 bzw. der Decke 11 eingreifen.
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Gemäss dem Ausführungsbeispiel eines Kontaktelementes 6.7 gemäss 9 besteht dieses aus einem oberen Streifen 18 und einem unteren Streifen 19, welche die Rinne 10 des Werkstoffstreifens 9 zwischen sich aufnehmen. Hierdurch wird der Werkstoffstreifen 9 im Bereich der Rinne 10 formschlüssig kontaktiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzelle
- 2
- Elektrode
- 3
- Elektrode
- 4
- PEM
- 5
- Bipolarplatte
- 6
- Kontaktelement
- 7
- Kabelbaum
- 8
- Leitung
- 9
- Werkstoffstreifen
- 10
- Rinne
- 11
- Decke
- 12
- Seitenwand
- 13
- Kanal
- 14
- Vorsprung
- 15
- Rastausnehmung
- 16
- Haken
- 17
- Rastorgan
- 18
- oberer Streifen
- 19
- unterer Streifen
- H
- Wasserstoff
- H2O
- Wasser
- O
- Sauerstoff
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013206129 A1 [0011]
- DE 102014225949 A1 [0011]
- DE 102016115100 A1 [0012]
