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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Endplatte für eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 11.
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Brennstoffzellen sind zur Ermöglichung höherer Spannungswerte in Brennstoffzellenstapeln angeordnet. In diesen Brennstoffzellenstapeln sind mehrere Brennstoffzelleneinheiten aufeinander angeordnet. Um eine Kontaktierung zu ermöglichen, ist es erforderlich, die Brennstoffzelleneinheiten zusammenzupressen, um einen einheitlichen Druck auf die Querschnittsfläche des Brennstoffzellenstapels auszuüben. Zur Ausübung des Drucks sind auf gegenüberliegenden Endflächen des Brennstoffzellenstapels jeweilige Endplatten angeordnet, welche durch eine unter mechanischer Spannung stehende Zugeinrichtung zusammengehalten werden. Bei der Auslegung der Endplatten ist es erforderlich, eine vorbestimmte Biegesteifigkeit sicherzustellen, um ein Durchbiegen der Endplatten zu vermeiden. Gleichzeitig ist es angestrebt, die Endplatten so leicht wie möglich zu gestalten, sodass eine massive Ausführung der Endplatten zur Erreichung der erforderlichen Biegesteifigkeit nicht gewünscht ist.
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Eine Lösung, welche eine Erfüllung beider Anforderungen erlaubt, ist eine Anordnung von Versteifungselementen auf den Endplatten. Die Versteifungselemente können vorbestimmte Strukturen aufweisen, beispielsweise Stege oder Materialverstärkungen, welche an vorbestimmten Stellen an der Endplatte angeordnet sind und die Biegesteifigkeit der Endplatte erhöhen. Durch eine Bereitstellung der Versteifungselemente wird jedoch ein Raumbedarf der Endplatten erhöht. Eine weitere Erhöhung des Raumbedarfs der Endplatten erfolgt durch Fluidleitungen, welche dafür vorgesehen sind dem Brennstoffzellenstapel Fluide zuzuführen oder aus diesem Abzuleiten. Die Fluide umfassen Reaktionsgase, wie beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff, Wasserdampf zur Befeuchtung von Membranen der Brennstoffzelleneinheiten oder Kühlmittel. Diese Fluidleitungen sind gewöhnlicherweise senkrecht an einer Außenflächenebene der Endplatte angeordnet und werden durch jeweilige Bohrungen durch die Endplatte geführt.
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Aus der
US 8,968,945 B2 ist eine Befeuchtungseinrichtung für eine Brennstoffzelle bekannt. Die Befeuchtungseinrichtung weist eine Stapeleinheit mit mehreren wasserdurchlässigen Membranen auf, welche parallel und beabstandet zueinander angeordnet sind. Randseitig an den Membranen ist eine Dichtmasse angeordnet, die einen Strömungsraum zwischen benachbarten Membranen strömungsdicht verschließt. Es ist vorgesehen, dass die Dichtmasse so ausgeführt ist, dass diese im montierten Zustand eine ausreichend hohe Eigensteifigkeit aufweist und somit Träger von Kräften sein kann, welche in der Stapeleinheit wirken. Dadurch kann auf einen zusätzlichen Rahmen zur Aufnahme und Halterung der Membranen verzichtet werden.
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In der
EP 3 518 331 A1 ist ein Brennstoffzellenstapel mit verbesserter Isolierung offenbart. Der Brennstoffzellenstapel weist eine Abfolge von plattenförmigen Membran-Elektroden-Einheiten auf und eine Abfolge von Bipolarplatten. Jede der Membran-Elektroden-Einheiten ist zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet. Eine Biegesteifigkeit der jeweiligen Bipolarplatten ist größer als eine jeweilige Biegesteifigkeit der Membran.
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In der
US 2020/0185750 A1 sind eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zu deren Herstellung offenbart. Die Brennstoffzelle weist einen Zellenstapel auf, der eine Vielzahl von Einheitszellen umfasst, die in einer ersten Richtung gestapelt sind. Die Brennstoffzelle weist eine erste Endplatte mit einem Führungsdurchgangsloch auf. Es ist vorgesehen, dass die erste Endplatte an einem von zwei Enden des Zellenstapels angeordnet ist. Die Brennstoffzelle weist eine Umhüllung auf, die einen Seitenabschnitt zwischen den zwei Enden des Zellenstapels umgibt. Es ist vorgesehen, dass die Umhüllung ein die Steifigkeit erhöhendes Teil aufweist.
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In der
US 10,033,061 B2 ist eine Endplatte für eine Brennstoffzelle offenbart. In der Endplatte ist ein Hauptblock so konfiguriert, dass er die Brennstoffzelle bei einem vorbestimmten Druck stützt. Die Endplatte weist eine Unterplatte auf, die dazu vorgesehen ist, an einer Seite des Hauptblocks zu haften.
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In der
KR 10-1230992 B 1 ist ein Verteilerblock vom Typ eines einzelnen Körpers mit integrierter Endplatte und Brennstoffzellenstapeln offenbart.
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In der
US 10,549,706 B2 ist eine Batteriepackbefestigungsbaugruppe offenbart. Ein darin beschriebenes elektrifiziertes Fahrzeug beinhaltet einen Fahrzeugrahmen, ein an dem Fahrzeugrahmen befestigtes Batteriepack, eine Haupthalterung, die an jedem von dem Fahrzeugrahmen und dem Batteriepack gesichert ist, und einen Stützwinkel, der an dem Batteriepack und der Haupthalterung gesichert ist. Es ist vorgesehen, dass der Stützwinkel die Steifigkeit der Haupthalterung erhöht.
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In der
WO 00/63996 A1 ist eine Vorrichtung zum Pressen und Versorgen mit Medien eines Stapels aus Brennstoffzellen sowie ein Brennstoffzellenstapel mit einer solchen Vorrichtung offenbart. Die Vorrichtung beinhaltet Medienversorgungskanäle für eine Einbringung und Aufteilung von Medien auf einzelne Brennstoffzellen und/oder für die Abführung von Medien. Die Vorrichtung ist gleichermaßen für die Versorgung mit Brennstoff, Oxidationsmitteln und Kühlmedien geeignet und verbessert durch Funktionsintegration von Verspannung und Medienversorgung die volumen- und gewichtsspezifische Leistung des Brennstoffzellenstapels.
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Die
US 2010/0173191 A1 offenbart einen Leiterplattenschutz für eine Batterie. Die Batterie umfasst ein Gehäuse in dem ein Zellenverbund angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass die Batterie im Innern des Gehäuses angeordnete Stützelemente aufweist, mit denen im Falle einer Deformation des Gehäuses durch eine von außen auf das Gehäuse einwirkende Deformationskraft, die zu einem Deformieren des Gehäuses in Richtung auf die Platine führt, die durch die Deformation des Gehäuses von dem Gehäuse auf die Platine ausgeübten Belastungskräfte zum Schutz der Platine abgestützt werden.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Raumbedarf von Fluidleitungen einer Brennstoffzellenvorrichtung zu reduzieren.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Endplatte für eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vor-teilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.
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Ein erster Aspekt betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, die einen Brennstoffzellenstapel aufweist. An zwei gegenüberliegenden Endflächen des Brennstoffzellenstapels sind jeweilige Endplatten angeordnet, die durch eine Zugeinrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung verbunden sind, um den Brennstoffzellenstapel zu verspannen. Mit anderen Worten betrifft die Erfindung die Brennstoffzellenvorrichtung, die den Brennstoffzellenstapel aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel durch die zwei gegenüberliegenden Endplatten mit einem Druck beaufschlagt ist, der durch die Zugeinrichtung bereitgestellt wird. Die Endplatten sind dabei an gegenüberliegenden Endflächen des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Die Zugeinrichtung kann auch als Zuganker bezeichnet sein und unter Zugspannung stehen. Die Zugeinrichtung kann an den Endplatten angeordnet sein, um somit die Zugspannung über die Endplatten auf die Endflächen des Brennstoffzellenstapels zu übertragen.
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Es ist vorgesehen, dass mindestens eine der Endplatten eine Versteifungseinrichtung umfasst, die mindestens ein Versteifungselement mit einer Fluidleitung umfasst. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass mindestens eine der Endplatten die Versteifungseinrichtung aufweist, um eine Biegesteifigkeit der Endplatte zu erhöhen. Die Versteifungseinrichtung kann beispielsweise T-Träger aufweisen, welche entlang einer Außenfläche der Endplatte verlaufende Stege aufweisen. Mindestens eines der Versteifungselemente der Versteifungseinrichtung weist eine Fluidleitung auf. Die Fluidleitung kann dazu vorgesehen sein, dem Brennstoffzellenstapel Fluide zuzuführen oder Fluide von dem Brennstoffzellenstapel abzuführen. Die Fluidleitung ist dabei so in der Versteifungseinrichtung angeordnet, dass diese zur Versteifung der Endplatte beiträgt. Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass der Versteifungseinrichtung eine zweite Funktionalität zugeordnet wird. Die Funktion der Fluidzuleitung ist somit in der Versteifungseinrichtung integriert. Dadurch ist es nicht erforderlich, separate Fluidleitungen bereitzustellen, wodurch ein Raumbedarf reduziert werden kann.
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Die Erfindung umfasst auch Weiterbildungen, durch die sich weitere Vorteile ergeben.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Versteifungselement, welches die Fluidleitung umfasst, an einer dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Außenfläche der Endplatte angeordnet ist. Mit anderen Worten befindet sich das Versteifungselement mit der Fluidleitung an der Außenfläche, welche entgegen einer an dem Brennstoffzellenstapel anliegenden Fläche angeordnet ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Fluidleitung fluidisch mit einer Bohrung der entsprechenden Endplatte verbunden ist, wobei die Bohrung eine an einer dem Brennstoffzellenstapel zugewandten Innenfläche der Endplatte angeordnete Öffnung aufweist. Mit anderen Worten weist die Endplatte eine Bohrung auf, um das Fluid dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen oder um das Fluid von diesem abzuführen. Die Bohrung weist hierfür die Öffnung auf, welche an der Innenfläche der Endplatte angeordnet ist, welche dem Brennstoffzellenstapel zugewandt ist. Die Fluidleitung ist fluidisch mit dieser Bohrung verbunden. Dadurch ist es möglich, das an der Öffnung auszugebendes oder aufzunehmendes Fluid durch die Fluidleitung zuzuführen oder abzuleiten.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Verlaufsrichtung der Fluidleitung zumindest bereichsweise einen Winkel von 0 bis 45 Grad mit einer Außenflächenebene der Außenfläche einschließt. Mit anderen Worten ist eine Längsachse der Fluidleitung zumindest bereichsweise derart angeordnet, dass diese einen Winkel von 0 bis 45 Grad mit der Außenflächenebene der Außenfläche einschließt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Fluidleitung zumindest bereichsweise parallel zu einer Außenflächenebene der Außenfläche ausgerichtet ist. Mit anderen Worten ist die Fluidleitung zumindest abschnittsweise parallel zu der Außenfläche angeordnet.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Fluidleitung zumindest bereichsweise auf der Außenfläche aufliegt. Mit anderen Worten befindet sich die Fluidleitung zumindest abschnittsweise in der Außenflächenebene der Außenfläche. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Fluidleitung nicht von der Endplatte absteht und somit einen geringeren Raumbedarf aufweist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Versteifungselement einen Steg aufweist, der auf der Außenfläche angeordnet ist, wobei auf dem Steg die Fluidleitung angeordnet ist. Mit anderen Worten verläuft die Fluidleitung beabstandet zu der Außenfläche der Endplatte, wobei die Fluidleitung durch einen Steg mit der Endplatte verbunden ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Fluidleitung einen größeren Abstand zu einer neutralen Faser der Endplatte aufweist und somit zu einer größeren Biegesteifigkeit führt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Fluidleitung zumindest abschnittsweise einen runden Querschnitt aufweist. Mit anderen Worten ist der Querschnitt der Fluidleitung zumindest bereichsweise rund.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Fluidleitung zumindest abschnittsweise einen eckigen Querschnitt aufweist. Mit anderen Worten ist der Querschnitt der Fluidleitung zumindest bereichsweise als Quader ausgebildet. Der Querschnitt kann auch als Polyeder ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass Fluidleitungen beispielsweise dicht gepackt in der Versteifungseinrichtung angeordnet sein können.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Endplatte zumindest teilweise additiv gefertigt ist. Mit anderen Worten weist die Brennstoffzellenvorrichtung die Endplatte auf, welche vollständig durch ein additives Fertigungsverfahren gefertigt ist oder Abschnitte aufweist die additiv gefertigt sind. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass feinere Strukturen, beispielsweise Leichtbaustrukturen, bereitgestellt werden können.
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Die Erfindung betrifft in einem zweiten Aspekt eine Endplatte für eine Brennstoffzellenvorrichtung. Die Endplatte kann eine Versteifungseinrichtung aufweisen, die mindestens ein Versteifungselement mit einer Fluidleitung umfasst.
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Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. 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 somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen.
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Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Versteifungseinrichtung;
- 3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch die in 2 gezeigten Endplatte entlang der markierten Linie A;
- 4 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht der Endplatte aus 2;
- 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Versteifungselements; und
- 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Versteifungseinrichtung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 kann beispielsweise zur Anordnung in einem Flugzeug vorgesehen sein. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 kann einen Brennstoffzellenstapel 2 aufweisen, der Brennstoffzelleneinheiten 3 aufweisen kann, welche aufeinander gestapelt sein können. An gegenüberliegenden Endflächen 4 des Brennstoffzellenstapels 2 können Endplatten 5 anliegen. Die Endflächen 4 können sich an Stirnseiten des Brennstoffzellenstapels 2 befinden. Die Endplatten 5 können durch eine Zugeinrichtung 17 der Brennstoffzellenvorrichtung 1 mechanisch miteinander verbunden sein. Die Zugeinrichtung 17 kann vorgespannt sein und eine Zugkraft auf die Endplatten 5 an den gegenüberliegenden Endflächen 4 des Brennstoffzellenstapels 2 ausüben. Der zwischen den Endplatten 5 angeordnete Brennstoffzellenstapel 2 kann somit durch die Endplatten 5 zusammengedrückt sein. Hierbei ist es erforderlich, dass eine gleichmäßige Verteilung eines Drucks an den Endflächen 4 des Brennstoffzellenstapels 2 durch die Endplatten 5 erreicht wird. Hierfür kann es erforderlich sein, dass eine vorbestimmte Biegesteifigkeit der Endplatten 5 sichergestellt ist. Gleichzeitig kann es erforderlich sein, dass die vorgesehene Biegesteifigkeit unter Einhaltung eines vorbestimmten Gewichts der Endplatten 5 erreicht wird. Als Alternative zu einer Bereitstellung einer massiven Endplatte 5 kann es deshalb vorgesehen sein, dass die Biegesteifigkeit durch eine Anordnung einer Versteifungseinrichtung 8 an einer Außenfläche 6 der Endplatte 5 vorgesehen ist. Die Außenfläche 6 kann die Fläche der Endplatte 5 sein, welche von dem Brennstoffzellenstapel 2 abgewandt ist. Die Versteifungseinrichtung 8 kann Versteifungselemente 7 aufweisen, welche zur Erhöhung der Biegesteifigkeit der Endplatte 5 vorgesehen sein können. Zu einem Betrieb der Brennstoffzelleneinheiten 3 kann es erforderlich sein, dass den einzelnen Brennstoffzelleneinheiten 3 Fluide zugeführt werden und Fluide aus diesen abgeleitet werden. Bei den zuzuführenden Fluiden kann es sich beispielsweise um Wasserstoff, Sauerstoff, Wasserdampf oder Kühlflüssigkeiten handeln. Bei dem abzuführenden Fluid kann es sich beispielsweise um entstandenen Wasserdampf handeln. Hierfür kann es erforderlich sein, dass in der Brennstoffzellenvorrichtung 1 Fluidleitungen 10 bereitgestellt werden, welche die Fluide zu- und ableiten können. Hierdurch kann ein erhöhter Raumbedarf für die Brennstoffzellenvorrichtung 1 entstehen. Eine Möglichkeit, den Raumbedarf der Brennstoffzellenvorrichtung 1 zu reduzieren, ist eine Kombination unterschiedlicher Funktionen in einzelnen Elementen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Versteifungseinrichtung 8 Versteifungselemente 7 aufweist, welche Fluidleitungen 10 umfassen. Die Fluidleitungen 10 können beispielsweise auf Stegen 9 angeordnet sein, wobei die Stege 9 aus der Außenfläche 6 der Endplatte 5 hinausstehen können. Dadurch kann ein Abstand der Fluidleitungen 10 zu einer neutralen Faser der Endplatte 5 erhöht werden. Dadurch trägt die Fluidleitung 10 in einem höheren Maß zu einer Erhöhung der Biegesteifigkeit der Endplatte 5 bei als eine Fluidleitung 10, die in oder an der Endplatte 5 angeordnet ist. Die Fluidleitung 10 kann beispielsweise abschnittsweise parallel zu der Außenfläche 6 der Endplatte 5 verlaufen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Versteifungseinrichtung. Gezeigt ist eine Versteifungseinrichtung 8 einer Endplatte 5 in einer Sicht auf die Außenfläche 6 der Endplatte 5. Die Versteifungseinrichtung 8 kann vier Versteifungselemente 7 aufweisen, welche entlang von Diagonalen der Endplatte 5 verlaufen können. Ein jeweiliges Versteifungselement 7 kann eine jeweilige Fluidleitung 10 aufweisen, welche von einer Einlassöffnung 11 zu einer Bohrung 12 in der Endplatte 5 verläuft, um die Einlassöffnung 11 mit der Auslassöffnung 13 der Bohrung 12 fluidisch miteinander zu verbinden. Dadurch, dass die Fluidleitung 10 zumindest abschnittsweise parallel zu der Außenfläche 6 der Endplatte 5 verlaufen kann oder einen Winkel von 0 bis 45 Grad mit einer Außenflächenebene der Außenfläche 6 einschließen kann, kann die Fluidleitung 10 zu einer Erhöhung der Biegesteifigkeit der Endplatte 5 beitragen. Dadurch, dass das Versteifungselement 7 sowohl die Fluidleitung 10 aufweist, als auch eine Biegesteifigkeit der Endplatte 5 erhöht, sind zwei Funktionen in dem Versteifungselement 7 integriert, wodurch eine separate Bereitstellung von Elementen zur Versteifung und zur Zuleitung der Fluide eingespart werden kann. Die Fluidleitung 10 kann abschnittsweise an der Außenfläche 6 der Endplatte 5 angeordnet sein und abschnittsweise beabstandet zu der Außenfläche 6 der Endplatte 5 angeordnet sein. In Bereichen, in welchen die Fluidleitung 10 beabstandet zu der Außenfläche 6 ist, können Stege 9 angeordnet sein, welche die Fluidleitung 10 mit der Endplatte 5 mechanisch verbinden können. Die Fluidleitung kann in diesem Fall ein Flansch des Steges 9 sein. Ein Querschnitt 14 der Fluidleitung 10 kann zumindest abschnittsweise rund oder eckig sein. Durch die Fluidleitung 10 kann es möglich sein, das Fluid von der Einlassöffnung 11 zu der Auslassöffnung 13 zu leiten, um die Brennstoffzelleneinheiten 3 des Brennstoffzellenstapels 2 mit den jeweiligen Fluiden zu versorgen. Die Endplatte 5 mit der Versteifungseinrichtung 8 kann zumindest teilweise additiv gefertigt sein. Dies weist den Vorteil auf, dass eine feinere Strukturierung der Versteifungseinrichtung 8 möglich sein kann.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch die in 2 gezeigte Endplatte entlang der markierten Linie A. Zu erkennen ist die Anordnung der Fluidleitungen 10, welche beabstandet zu der Außenfläche 6 der Endplatte 5 angeordnet sind und durch die Stege 9 mit dieser mechanisch verbunden sind. Die Fluidleitungen 10 können runde Querschnitte 14 aufweisen.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Seitenansicht der Endplatte aus 2. Gezeigt ist ein möglicher Verlauf der Fluidleitungen 10, welche die jeweilige Einlassöffnung 11 mit der j eweiligen Auslassöffnung 13 der Endplatte 5 verbinden können. Gezeigt wird der gewinkelte Verlauf der Fluidleitungen 10, welcher in einem Abschnitt einen Winkel von 0 bis 45 Grad mit der Außenflächenebene der Außenfläche 6 einschließen kann. Dadurch weisen die Fluidleitungen 10 eine Komponente auf, welche entlang der Biegelinie der Endplatte 5 verlaufen kann. Dadurch tragen die die Fluidleitungen 10 zu einer Erhöhung der Biegesteifigkeit der Endplatte 5 bei. Die Fluidleitungen 10 können durch die Bohrung 12 der Endplatte 5 verlaufen. Die Längsrichtung 15 einer Fluidleitung 10 kann den Winkel 16 von 0 bis 45 Grad mit der Außenfläche 6 einschließen.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Versteifungselements. Das Versteifungselement 7 kann die Fluidleitung 10 aufweisen und an der Außenfläche 6 der Endplatte 5 anliegen. Die Fluidleitung 10 kann eine Längsrichtung 15 aufweisen, welche parallel zu der Außenfläche 6 der Endplatte 5 angeordnet sein kann. Der Querschnitt 14 der Fluidleitung 10 kann so ausgelegt sein, dass er eine halbe Ellipse bilden kann. Dadurch kann sich der Vorteil ergeben, dass das Versteifungselement 7 mit der Fluidleitung 10 nur in einem relativ geringen Ausmaß aus der Endplatte 5 hinausragt.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer Versteifungseinrichtung. Die Versteifungseinrichtung 8 kann das Versteifungselement 7 aufweisen, welches die Fluidleitung 10 umfassen kann. Die Fluidleitung 10 kann einen runden Querschnitt 14 aufweisen und über den Steg 9 mit der Endplatte 5 verbunden sein kann. Dadurch dass die Fluidleitung 10 beabstandet zu der Endplatte 5 angeordnet ist, weist diese einen größeren Abstand zu einer neutralen Faser der Endplatte 5 auf und leistet somit einen höheren Beitrag zu der Biegesteifigkeit.
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Endplatten 5 für Brennstoffzellenvorrichtungen 1 müssen möglichst steif sein, eine gleichmäßige Druckverteilung gewährleisten und dabei trotzdem so leicht wie möglich sein. Auch wenn verschiedene Systeme bekannt sind, besteht eine Endplatte 5 für eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 immer aus einer Platte, meist mit tragenden/versteifenden Versteifungselementen 7 und meist gehen die Zu- und Ableitungen für die Medien/Fluide durch diese Endplatte 5.
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Es sind weiterhin schon Strukturen als Versteifungseinrichtungen 8 für Endplatten 5 bekannt, die additiv gefertigt sind und offensichtlich unter Verwendung von Topologieoptimierung entstanden sind.
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Die Endplatte 5 einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 soll möglichst leicht, aber auch möglichst steif sein. Diese zwei Eigenschaften stehen erst mal im Widerspruch zueinander.
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Die Lösung dazu ist eine Funktionsintegration. Dazu werden die Fluidleitungen 10, die man für die Zu- und Ableitung der Medien/Fluide für die Brennstoffzelleneinheiten 3 braucht, gleichzeitig als tragende Elemente zur Versteifung der Endplatte 5 genutzt.
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Auch in bekannten, additiv gefertigten Endplatten 5 nach dem Stand der Technik sind die tragenden Versteifungselemente 7, welche äußere ,etwas kleinere Bohrungen 12 und Stege 9 umfassen können, und Fluidleitungen 10, welche an größeren Bohrungen 12 in einer Mitte der Endplatte 5 angeordnet sein können, funktional voneinander getrennt.
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Eine mögliche Ausführungsform des Versteifungselements 7, welche es ermöglicht, eine Endplatte 5 zu versteifen ist beispielsweise ein Doppel-T-Träger. Die Neuheit der Idee ist, den oberen Steg 9 durch die Fluidleitung 10 zu ersetzen, durch welche die Zuleitung der Medien/Fluide erfolgen kann.
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Auch wenn andere Herstellverfahren möglich sind, können durch eine Verwendung additiver Fertigungsverfahren sehr viel komplexere Strukturen der Versteifungseinrichtung 8 gebildet werden. Die Fluidleitungen 10 können rund sein, oder einen anderen Querschnitt 14, der beispielsweise flach oder eckig sein kann, aufweisen. Die Fluidleitungen 10 können direkt auf einer unteren Endplatte 5 sitzen, oder durch einen Steg 9 verbunden sein, wodurch ein T-Träger mit der Fluidleitung 10 als Flansch gebildet sein kann. Ein optimaler Verlauf der Rohrversteifungen kann durch eine Topologieoptimierung ermittelt werden. Durch die doppelte Verwendung der Versteifungseinrichtung 8 zur Versteifung als auch zur Zuleitung der Fluide lässt sich Gewicht in einem signifikanten Aufmaß sparen. Spannungen im Material können durch flexiblere Anpassungen deutlich reduziert werden. Eine Geometrie der Versteifungseinrichtung 8 kann besser auf einen begrenzten Bauraum, beispielsweise bei Engstellen durch andere Bauteile, angepasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Brennstoffzelleneinheiten
- 4
- Endfläche
- 5
- Endplatte
- 6
- Außenfläche
- 7
- Versteifungselement
- 8
- Versteifungseinrichtung
- 9
- Steg
- 10
- Fluidleitung
- 11
- Einlassöffnung
- 12
- Bohrung
- 13
- Auslassöffnung
- 14
- Querschnitt
- 15
- Längsrichtung
- 16
- Winkel
- 17
- Zugeinrichtung
- A
- Schnittlinie
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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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- US 8968945 B2 [0004]
- EP 3518331 A1 [0005]
- US 20200185750 A1 [0006]
- US 10033061 B2 [0007]
- KR 101230992 [0008]
- US 10549706 B2 [0009]
- WO 0063996 A1 [0010]
- US 20100173191 A1 [0011]
