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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung an einer Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Bipolarplatten innerhalb eines Brennstoffzellenstapels, welcher insbesondere zur Verwendung innerhalb eines elektrisch betreibbaren Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs konfiguriert ist.
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Elektrische Maschinen finden in weiten Bereichen der Technik Anwendung, zunehmend auch im Kraftfahrzeugbereich als Elektromotoren zum Antrieb von Kraftfahrzeugen. Die Bereitstellung elektrischer Energie für Elektromotoren kann auf verschiedene Weisen erfolgen, im Bereich der Mobilität etwa über mitgeführte Akkumulatoren oder Brennstoffzellen, in letzterem Fall in Verbindung mit einem adäquaten Kraftstoffvorrat. Brennstoffzellen und ihre elektrochemische Funktionsweise sind in verschiedenen Varianten hinlänglich bekannt. Das Grundprinzip einer Brennstoffzelle besteht darin, einer ionenleitenden Membrane umfassend Elektroden einerseits Wasserstoff und andererseits Sauerstoff zuzuführen. Die Wasserstoffmoleküle werden an der einen Elektrode gespalten und geben Elektronen an die andere Elektrode ab, welche über einen Leiter zur anderen Elektrode fließen, um dort zusammen mit dem Sauerstoff Sauerstoffionen zu bilden. Letztlich entsteht dabei Wasser und es resultiert ein Stromfluss im Leiter zwischen den Elektroden. Sauerstoff und Wasserstoff können in Reinform bevorratet und der Brennstoffzelle zugeführt werden. Es ist aber auch möglich, Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu verwenden. Wasserstoff kann aus Verbindungen wie Methan oder Ammoniak durch Reformierung gewonnen werden; dabei wird die jeweilige Verbindung elektrolytisch aufgespalten. Soweit nicht mit reinem Sauerstoff und reinem Wasserstoff gearbeitet wird, entstehen Nebenprodukte, die aus der Brennstoffzelle entfernt und entsorgt werden müssen.
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Brennstoffzellen umfassen zur elektrischen Kontaktierung der Elektroden der Membran-Elektroden-Einheit dünne Platten (häufig als Separatorplatten oder Bipolarplatten bezeichnet), wobei mehrere Brennstoffzellen zu einem sogenannten Brennstoffzellenstack verbunden werden. Ein Brennstoffzellenstack umfasst typischerweise 600-700 solcher Separatorplatten oder Bipolarplatten. Diese sind dreidimensional geformt und umfassen Kanäle, die umformtechnisch hergestellt werden.
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Die
DE 10 2014 223 735 A1 beschreibt eine Brennstoffzelle, die eine Katalysatorschicht umfasst, an der Wasserstoffgas oder Luft durch ihre beiden Oberflächen eingeführt wird; einen ersten Separator, der an einer ersten Seite der Katalysatorschicht angeordnet ist und eine Mehrzahl von ersten Kanälen umfasst, so dass ein erstes Reaktionsmittel unter dem Wasserstoffgas und der Luft strömen kann; und einen zweiten Separator, der an der zweiten Seite der Katalysatorschicht angeordnet ist und eine Mehrzahl von zweiten Kanälen umfasst, die in einer Richtung senkrecht zu den ersten Kanälen angeordnet sind. Insbesondere umfasst jeder der zweiten Kanäle eine Mehrzahl von Lüftungsöffnungen, so dass ein zweites Reaktionsmittel unter dem Wasserstoffgas und der Luft in einer Richtung senkrecht zu den zweiten Kanälen strömen kann.
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Die Dicke von Separator- oder Bipolarplatten bewegt sich in der Regel im Zehntelmillimeter-Bereich. Um das elektrische Potential abgreifen zu können, wird jede Bipolarplatte in irgendeiner Form mit einem elektrisch leitenden Kabel verbunden. Aufgrund der geringen Steifigkeit der Bipolarplatten ist dies üblicherweise ein aufwändiger Prozess, da jede Bipolarplatte einzeln oder eine kleine Teilmenge des Gesamtstacks auf einmal, meist mittels eines Steckers verkabelt werden, wobei dabei vergleichsweise kleine Stecker, die meist per Formschluss an die Bipolarplatte angebracht werden, Verwendung finden.
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Die Montage der einzelnen Stecker führt zu einem großen Handhabungsaufwand und damit zu hohen Kosten. Die Toleranzkette am Stack erschwert das automatisierte Anbringen der Stecker. Zudem kann bei der Montage der Stecker ein Kunststoffrahmen, die sogenannte Subgasket, welche die Membran-Elektroden-einheit stützt, im Weg sein, was die Montage weiter erschwert.
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Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung an einer Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Bipolarplatten innerhalb eines Brennstoffzellenstapels bereitzustellen, wobei die beschriebenen Nachteile zumindest reduziert oder vollständig beseitigt werden und ein verbessertes und kostengünstiges Verfahren realisiert wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung an einer Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Bipolarplatten innerhalb eines Brennstoffzellenstapels, welcher insbesondere zur Verwendung innerhalb eines elektrisch betreibbaren Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs konfiguriert ist, umfassend die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellung einer Mehrzahl von elektrischen Kontaktierungselementen,
- b) Einschieben der Mehrzahl von elektrischen Kontaktierungselementen in den Brennstoffzellenstapel, so dass jeweils ein elektrisches Kontaktierungselement zwischen zwei parallel zueinander verlaufenden Bipolarplatten angeordnet ist,
- c) Einschieben jeweils eines elektrisch leitfähigen Kolbens zwischen zwei parallel zueinander verlaufenden Bipolarplatten in der Art, dass zwischen der jeweiligen Bipolarplatte, elektrischem Kontaktierungselement und dem leitfähigen Kolben eine stromleitende Verbindung geschaffen ist, wobei der elektrische Widerstand des Kolbens kleiner ist als der elektrische Widerstand des Kontaktierungselements,
- d) Positionierung von jeweils einer bestrombaren Elektrode an den äußeren Bipolarplatten der Brennstoffzelle und
- e) Bestromung der Elektroden, so dass die im Strompfad liegenden Abschnitte der elektrischen Kontaktierungselemente aufgeschmolzen werden.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass sich die elektrische Kontaktierung der Bipolarplatten automatisiert und somit kostenoptimiert herstellen lässt. Ferner erschwert die Toleranzkette am Stack nicht das erfindungsgemäße Verfahren, was ebenfalls ein automatisiertes Anbringen der elektrischen Kontaktierungselemente erleichtert.
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Eine Mehrzahl von Brennstoffzellen sind zu dem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst werden. Eine derartiger Brennstoffzellenstapel ist insbesondere zur Verwendung in einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug vorgesehen. Mittels eines solchen Brennstoffzellenstapels kann bevorzugt innerhalb eines Kraftfahrzeugs elektrische Energie zum Laden eines elektrischen Energiespeichers und/oder zur Energieversorgung einer elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das elektrische Kontaktierungselement als Kabelschuh ausgebildet ist.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die elektrischen Kontaktierungselemente jeweils ein fest mit diesen verbundenes, elektrisch leitfähiges Kabel aufweisen.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Mehrzahl an elektrisch leitfähigen Kolben zueinander fest angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die elektrisch leitfähigen Kolben jeweils an ihren dem Kontaktierungselement abgewandten Kontaktierungsflächen mit einer Bipolarplatte eine rampenförmige Kontur aufweisen.
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Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die elektrischen Kontaktierungselemente im Wesentlichen gleichteilig ausgebildet sind.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die elektrisch leitfähigen Kolben im Wesentlichen gleichteilig ausgebildet sind.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Strompfad im Wesentlichen in einer Ebene durch den Brennstoffzellenstapel verläuft.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der elektrisch leitfähige Kolben und/oder die bestrombaren Elektroden aus Kupfer gefertigt ist.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die bestrombaren Elektroden mit einer vordefinierten Anpresskraft an dem Brennstoffzellenstapel positioniert werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 ein Brennstoffzellenstapel in einem ersten Fertigungsschritt in einer schematischen Blockschaltdarstellung,
- 2 ein Brennstoffzellenstapel in einem zweiten Fertigungsschritt in einer schematischen Blockschaltdarstellung,
- 3 ein Brennstoffzellenstapel in einem dritten Fertigungsschritt in einer schematischen Blockschaltdarstellung,
- 4 ein Brennstoffzellenstapel in einem vierten Fertigungsschritt in einer schematischen Blockschaltdarstellung,
- 5 ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellenstapel in einer schematischen Blockschaltdarstellung
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Die 1-4 zeigen die wesentlichen Verfahrensschritte eines Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Kontaktierung an einer Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Bipolarplatten 1 innerhalb eines Brennstoffzellenstapels 2. Dieser ist für eine Verwendung innerhalb eines elektrisch betreibbaren Antriebsstrangs 3 eines Kraftfahrzeugs 4 konfiguriert, wie es exemplarisch auch in der 5 skizziert ist.
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1 zeigt einen ersten Verfahrensschritt, bei dem zunächst eine Bereitstellung einer Mehrzahl von elektrischen Kontaktierungselementen 5 erfolgt. Diese werden dann in den Brennstoffzellenstapel 2 eingesetzt, so dass jeweils ein elektrisches Kontaktierungselement 5 zwischen zwei parallel zueinander verlaufenden Bipolarplatten 1 angeordnet ist. Aus der 1 ist ferner ersichtlich, dass die elektrischen Kontaktierungselemente 5 als Kabelschuh ausgebildet sind und dass die elektrischen Kontaktierungselemente 5 jeweils ein fest mit diesen verbundenes, elektrisch leitfähiges Kabel 8 aufweisen.
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Wie nun in der 2 zu sehen ist, erfolgt hiernach ein Einschieben jeweils eines elektrisch leitfähigen Kolbens 6 zwischen zwei parallel zueinander verlaufenden Bipolarplatten 1 in der Art, dass zwischen der jeweiligen Bipolarplatte 1, dem elektrischen Kontaktierungselement 5 und dem leitfähigen Kolben 6 eine stromleitende Verbindung geschaffen ist, wobei der elektrische Widerstand des Kolbens 6 kleiner ist als der elektrische Widerstand des Kontaktierungselements 5. Dann erfolgt die Positionierung von jeweils einer bestrombaren Elektrode 7 an den äußeren Bipolarplatten 1 des Brennstoffzellenstapels 2. Die Elektroden 7 werden dabei mit einer vordefinierten Anpresskraft an dem Brennstoffzellenstapel 2 positioniert.
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Die Mehrzahl an elektrisch leitfähigen Kolben 6 sind zueinander fest angeordnet, beispielsweise in einer kammartigen Ausformung, bei der die Kolben 6 die Kammzacken bilden. Hierdurch können die Kolben 6 zeitgleich in einem Prozessschritt zwischen die Bipolarplatten 1 eingeführt werden.
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Nun erfolgt eine Bestromung der Elektroden 7, so dass die im Strompfad 9 liegenden Abschnitte 10 der elektrischen Kontaktierungselemente 5 aufgeschmolzen werden, was in der 3 wiedergegeben ist. Der Strompfad 9 verläuft im Wesentlichen in einer Ebene durch den Brennstoffzellenstapel 2.
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Nach dem Aufschmelzen und Herstellen eines Stoffschlusses zwischen den jeweiligen Kontaktierungselementen 5 und Bipolarplatten 1 werden die Kolben 6 aus dem Brennstoffzellenstapel 2 herausgezogen, wie es in der 4 gezeigt ist. Damit ist die Herstellung einer elektrischen Kontaktierung an einer Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Bipolarplatten 1 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 abgeschlossen.
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Die elektrisch leitfähigen Kolben 6 weisen in dem dargestellten Verfahren jeweils an ihren dem Kontaktierungselement 5 abgewandten Kontaktierungsflächen mit einer Bipolarplatte 1 eine rampenförmige Kontur auf, wodurch Fertigungstoleranzen beim Einschieben des Kontaktierungselements 5 in den Brennstoffzellenstapel 2 ausgeglichen werden können. Die elektrischen Kontaktierungselemente 5 sowie die elektrisch leitfähigen Kolben 6 sind im Wesentlichen gleichteilig ausgebildet. Die elektrisch leitfähigen Kolben 6 und die bestrombaren Elektroden 7 sind aus Kupfer gefertigt.
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Das geschilderte Verfahren kann dabei auch so ausgeführt werden, dass die kammartig zueinander angeordneten Kolben 6 als Kupferelektroden ausgebildet sind. Diese werden dann - in Schwerkraftrichtung betrachtet - an der Oberseite mit den als Kabelschuhen ausgebildeten Kontaktierungselementen 5 bestückt. Mittels einer automatisierten Vorrichtung wird dieser Kamm dann in den Brennstoffzellenstapel 2 geschoben, wobei je ein Kolben 6 zwischen zwei Bipolarplatten 1 positioniert wird. Die Geometrie der Kolben 6 ist so ausgeprägt, dass diese die Subgasket in den Brennstoffzellenstapel 2 hineinschiebt, um diese nicht zu verletzen und im Prozessverlauf nicht durch Wärmeeintrag zu schädigen. Sobald die Kontaktierungselemente 5 richtig positioniert sind, fahren zwei bestrombare Elektroden 7 an die erste und letzte Bipolarplatte 1 heran und pressen die Kolben 6 mit den Kontaktierungselementen 5 auf die Bipolarplatten 1. Es entsteht hierdurch eine Linie aus Elektrode 7, Bipolarplatte 1, Kontaktierungselement 5, Kolben 6, Bipolarplatte 1, Kontaktierungselement 5, Kolben 6, usw. bis zur untersten Elektrode 7. Durch diese Anordnung wird ein definierter Strom geführt. Da der elektrische Widerstand zwischen der Bipolarplatte 1 und dem Kontaktierungselement 5 deutlich größer ist als der elektrische Widerstand der Elektroden 7, schmilzt das Material auf. Durch den Druck werden Bipolarplatte 1 und Kontaktierungselement 5 stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden. Die äußeren Elektroden 7 werden entfernt und der Kamm mit den Kolben 6 wird aus dem Brennstoffzellenstapel 2 gefahren. Die Subgasket formt sich in ihre Ausgangsstellung zurück. Das Verfahren ermöglicht einen automatisierten und somit kostengünstigen Prozess zur Anbringung der Kabelverbindungen an den Bipolarplatten 1 unter Berücksichtigung der Subgasket und der Toleranzen am Brennstoffzellenstapel 2.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bipolarplatte
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Antriebsstrang
- 4
- Kraftfahrzeug
- 5
- Kontaktierungselementen
- 6
- Kolben
- 7
- Elektrode
- 8
- Kabel
- 9
- Strompfad
- 10
- Abschnitte
- 11
- elektrische Maschine
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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 102014223735 A1 [0004]
