DE102021201970A1

DE102021201970A1 - Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102021201970A1
Application number: DE102021201970.6A
Authority: DE
Inventors: Changyi Wang; Holger Stierle; Matthias Horn; Philipp Wachter; Ralph Leonard Fung
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-03-02
Filing date: 2021-03-02
Publication date: 2022-09-08
Also published as: CN115084613A

Abstract

Brennstoffzelleneinheit zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) als Brennstoffzellenstapel (40) und die Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels (40) senkrecht zu von den Brennstoffzellenstellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen veränderbar ist, eine an einem ersten Endbereich (45) des Brennstoffzellenstapels (40) angeordnetes erstes Spannelement (33) zum Aufbringen einer Druckkraft auf den Brennstoffzellenstapel (40) und zur Vorspannung des Brennstoffzellenstapels (40) mit einer Druckkraft, eine an einem zweiten Endbereich (46) des Brennstoffzellenstapels (40) angeordnetes zweites bewegliches Spannelement (34) zum Aufbringen einer Druckkraft auf den Brennstoffzellenstapel (40) und zur Vorspannung des Brennstoffzellenstapels (40) mit einer Druckkraft und von dem zweiten Spannelement (34) eine Bewegung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen ausführbar ist aufgrund der veränderbaren Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels (2) senkrecht zu von den Brennstoffzellenstellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen, ein Verbindungsmittel (38), welches mit einer Zugkraft beansprucht ist, zum Aufbringen der Druckkraft mit dem ersten und zweiten Spannelement (33, 34) auf den Brennstoffzellenstapel (2), wenigstens ein elastisches Element zum Aufbringen einer Druckkraft auf den Brennstoffzellenstapel (40) und zur Vorspannung des Brennstoffzellenstapels (40) mit der Druckkraft, wobei das Verbindungsmittel (38) zur Lagerung des beweglichen zweiten Spannelementes (33) in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (37) fungiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 15.
Stand der Technik
Brennstoffzelleneinheiten als galvanische Zellen wandeln mittels Redoxreaktionen an einer Anode und Kathode kontinuierlich zugeführten Brennstoff und Oxidationsmittel in elektrische Energie um. Brennstoffzellen werden in den unterschiedlichsten stationären und mobilen Anwendungen eingesetzt, beispielweise in Häusern ohne Anschluss an ein Stromnetz oder in Kraftfahrzeugen, im Schienenverkehr, in der Luftfahrt, in der Raumfahrt und in der Schifffahrt. In Brennstoffzelleneinheiten sind eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Stapel als Stack angeordnet.
Brennstoffzelleneinheiten sind aus einem Brennstoffzellenstapel mit gestapelten Brennstoffzellen und einem Gehäuse ausgebildet. Der Brennstoffzellenstapel ist von dem Gehäuse und einer Lagerplatte umschlossen. An Endbereichen des Brennstoffzellenstapels sind Spannplatten als Spannelemente angeordnet und die Spannplatten bringen auf den Brennstoffzellenstapel eine Druckkraft auf für eine Vorspannung des Brennstoffzellenstapels. Es sind somit zwei Spannplatten als gesonderte Bauteile notwendig. Eine untere erste Spannplatte liegt unten auf dem Brennstoffzellenstapel auf. Die Spannplatten sind mit einem Verbindungsmittel als Zugbändern mittelbar miteinander mechanisch verbunden. Eine obere zweite Spannplatte liegt oben auf dem Brennstoffzellenstapel auf. Unter der unteren ersten Spannplatte ist eine Gegenauflageplatte angeordnet und zwischen der Gegenauflageplatte und der unteren ersten Spannplatte sind Federn als elastische Element angeordnet. Die mit einer Zugkraft beanspruchten Zugbänder sind an der Gegenauflageplatte und der oberen ersten Spannplatte befestigt. In nachteiliger Weise ist somit am oberen zweiten Endbereich ein Loslager erforderlich, welches an dem Gehäuse und der oberen zweiten Spannplatte befestigt ist, um den Brennstoffzellenstapel in Richtungen parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen zu lagern bei einer Beweglichkeit der zweiten oberen Spannplatte in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen. Für die Zuleitung und Ableitung der Prozessfluide Brennstoff, Sauerstoff und Kühlmittel sind Durchführungsstutzen notwendig, die im Allgemeinen im Bereich der Schmalseiten ausgebildet sind. Die Gegenauflageplatte kann deshalb nur zwischen den Durchführungsstutzen ausgebildet werden, so dass im Bereich der Schmalseiten von den Federn auf die untere erste Spannplatte keine Druckkräfte aufgebracht werden. Deshalb werden von der ersten Spannplatte im Bereich der Schmalseiten auf den Brennstoffzellenstapel nur kleine Druckkräfte aufgebracht, so dass an dem Brennstoffzellestapel in der Nähe der Schmalseite wegen der geringen Vorspannung mit Druckkraft Undichtigkeiten auftreten können.
Die DE 10 2020 209 663 A1 zeigt eine Brennstoffzelleneinheit zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend einen Brennstoffzellenstapel, ein Gehäuse, welches den Brennstoffzellenstapel umschließt, eine Lagerplatte zur Befestigung der Brennstoffzelleneinheit, eine an einem ersten Endbereich des Brennstoffzellenstapels angeordnetes erstes Spannelement zum Aufbringen einer Druckkraft auf den Brennstoffzellenstapel und zur Vorspannung des Brennstoffzellenstapels mit einer Druckkraft, eine an einem zweiten Endbereich des Brennstoffzellenstapels angeordnetes zweites Spannelement zum Aufbringen einer Druckkraft auf den Brennstoffzellenstapel und zur Vorspannung des Brennstoffzellenstapels mit einer Druckkraft, eine mit dem ersten und zweiten Spannelement mittelbar oder unmittelbar verbundene Verbindungsvorrichtung, welche mit einer Zugkraft beansprucht ist, zum Aufbringen der Druckkraft mit dem ersten und zweiten Spannelement auf den Brennstoffzellenstapel, wobei die Verbindungsvorrichtung von dem Gehäuse gebildet ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend gestapelt angeordnete Brennstoffzellen als Brennstoffzellenstapel und die Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels senkrecht zu von den Brennstoffzellenstellen aufgespannten fiktiven Ebenen veränderbar ist, eine an einem ersten Endbereich des Brennstoffzellenstapels angeordnetes erstes Spannelement zum Aufbringen einer Druckkraft auf den Brennstoffzellenstapel und zur Vorspannung des Brennstoffzellenstapels mit einer Druckkraft, eine an einem zweiten Endbereich des Brennstoffzellenstapels angeordnetes zweites bewegliches Spannelement zum Aufbringen einer Druckkraft auf den Brennstoffzellenstapel und zur Vorspannung des Brennstoffzellenstapels mit einer Druckkraft und von dem zweiten Spannelement eine Bewegung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausführbar ist aufgrund der veränderbaren Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels senkrecht zu von den Brennstoffzellenstellen aufgespannten fiktiven Ebenen, ein Verbindungsmittel, welches mit einer Zugkraft beansprucht ist, zum Aufbringen der Druckkraft mit dem ersten und zweiten Spannelement auf den Brennstoffzellenstapel, wenigstens ein elastisches Element zum Aufbringen einer Druckkraft auf den Brennstoffzellenstapel und zur Vorspannung des Brennstoffzellenstapels mit der Druckkraft, wobei das Verbindungsmittel zur Lagerung des beweglichen zweiten Spannelementes in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen fungiert. Das Verbindungsmittel kann damit zur Lagerung des beweglichen zweiten Spannelementes genutzt werden, so dass keine gesonderte Lagerung notwendig ist. Die Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels senkrecht zu von den Brennstoffzellenstellen aufgespannten fiktiven Ebenen ist beispielsweise aufgrund Temperaturänderungen und/oder einer Veränderung der Vorspannung der auf den Brennstoffzellenstapel wirkenden Druckkraft veränderbar. Eine Richtung im Wesentlichen parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20°, 10°, 5° oder 3°.
In einer ergänzenden Variante fungiert das Verbindungsmittel zur Lagerung des beweglichen zweiten Spannelementes in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen, insbesondere sämtlichen Richtungen, parallel zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen. Von dem beweglichen zweiten Spannelement ist damit im Wesentlichen nur eine Bewegung in einer Bewegungsrichtung senkrecht zu den von den fiktiven Ebenen aufgespannten Ebenen ausführbar, so dass das bewegliche zweite Spannelement eine Relativbewegung zwischen Brennstoffzellen in einer Richtung parallel zu den von den fiktiven Ebenen aufgespannten Ebnen blockiert.
In einer weiteren Variante ist an dem beweglichen zweiten Spannelement wenigstens eine Gleit- oder Wälzlagerung, insbesondere wenigstens eine Lageröffnung, zur beweglichen Lagerung des beweglichen zweiten Spannelementes an dem Verbindungsmittel ausgebildet. Die Lageröffnung dient zur Lagerung des zweiten Spannelementes und bei der Ausbildung von mehreren Lageröffnung, insbesondere bei wenigstens zwei oder drei Lageröffnungen, ist aufgrund der Kinematik eine Rotationsbewegung des beweglichen zweiten Spannelementes mit einer Rotationsachse senkrecht zu den fiktiven Ebenen blockiert.
Zweckmäßig ist das Verbindungsmittel, insbesondere vollständig, außerhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Damit sind keine fluchtenden Aussparungen in de Brennstoffzellen für das Verbindungsmittel notwendig.
In einer ergänzenden Variante ist das Verbindungsmittel von mehreren Zugstangen gebildet. Vorzugsweise sind die Zugstangen gerade und/oder mit einem kreisförmigen oder quadratischen Querschnittsform.
In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Längsachse des Verbindungsmittels im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet. Im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen ausgerichtet bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20° oder 10°.
In einer weiteren Ausgestaltung sind an dem beweglichen zweiten Spannelement mehrere Lageröffnungen ausgebildet und in jeder Lageröffnung ist je eine Zugstange angeordnet, so dass die Zugstangen als Gegenlagervorrichtungen fungieren, an welchen die Lageröffnungen als Gleitlagerungen gelagert sind.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist von dem wenigstens einen elastischen Element auf das bewegliche zweite Spannelement eine Druckkraft aufbringbar für eine Vorspannung des Brennstoffzellenstapels mit einer Wesentlichen konstanten Druckkraft. Eine im Wesentlichen konstante Druckkraft bedeutet vorzugsweise mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20%, 10% oder 5%. Insbesondere ist bei mehreren elastischen Elementen die Druckkraft die Summe der Druckkräfte der elastischen Elemente.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine elastische Element zwischen dem beweglichen zweiten Spannelement und einem Gegenauflageelement mit einer Druckkraft vorgespannt zum Aufbringen einer Druckkraft auf das bewegliche zweite Spannelement.
In einer ergänzenden Variante ist das wenigstens eine elastische Element als eine Feder ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die wenigstens eine Feder als eine Schraubenfeder und/oder Biegefeder ausgebildet und/oder aus Metall, insbesondere Stahl.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist das Verbindungsmittel, insbesondere in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen, fest an dem ersten Spannelement und dem Gegenauflageelement mittelbar oder unmittelbar befestigt, so dass Druckkräfte in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen von dem Verbindungsmittel auf das erste Spannelement und das Gegenauflageelement übertragbar sind und umgekehrt und vorzugsweise keine Zugkräfte in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen von dem Verbindungsmittel auf das erste Spannelement und das Gegenauflageelement übertragbar sind und umgekehrt und vorzugsweis ist das Verbindungsmittel, insbesondere in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen, fest und formschlüssig an dem ersten Spannelement und dem Gegenauflageelement mittelbar oder unmittelbar befestigt.
In einer ergänzenden Variante ist das erste Spannelement als eine erste Spannplatte, das zweite Spannelement als eine zweite Spannplatte und das Gegenauflageelement als eine Gegenauflageplatte ausgebildet.
In einer weiteren Ausführungsform sind das erste Spannelement und das Gegenauflageelement, insbesondere in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen, fest mit einem Gehäuse und/oder einer Lagerplatte verbunden. Damit ist insbesondere eine Relativbewegung einerseits zwischen dem ersten Spannelement und dem Gegenauflageelement und andererseits dem Gehäuse in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen blockiert und vorzugsweise ist auch eine Relativbewegung einerseits zwischen dem ersten Spannelement und dem Gegenauflageelement und andererseits dem Gehäuse in einer Richtung parallel zu den fiktiven Ebenen blockiert.
Zweckmäßig ist das bewegliche zweite Spannelement kinematisch mit dem zweiten Endbereich des Brennstoffstapels dahingehend gekoppelt, so dass eine Veränderung der Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels senkrecht zu von den Brennstoffzellenstellen aufgespannten fiktiven Ebenen eine Relativbewegung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen einerseits zwischen dem beweglichen zweiten Spannelement und andererseits dem ersten Spannelement und dem Gegenauflageelement verursacht.
Erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelleneinheit, einen Druckgasspeicher zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, eine Gasfördervorrichtung zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden der Brennstoffzellen, wobei die Brennstoffzelleneinheit als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist.
In einer weiteren Variante ist die Brennstoffzelleneinheit dahingehend ausgebildet, so dass eine Vergrößerung der Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen eine Vergrößerung des Abstands zwischen dem ersten und zweiten Spannelement in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen bewirkt und umgekehrt und/oder eine Verkleinerung des Abstandes zwischen dem zweiten Spannelement und dem Gegenauflageelement in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen bewirkt und umgekehrt.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist die Ausdehnung des wenigstens einen elastischen Elements in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen kleiner als 50%, 30% oder 20% der Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen.
Vorzugsweise ist das Verbindungsmittel von mehreren Bauteilen gebildet und/oder mehrteilig.
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist in dem Brennstoffzellenstapel zwischen zwei Brennstoffzellen eine Blindschicht angeordnet und die Blindschicht ist mit wenigstens einer Gleit- oder Wälzlagerung, insbesondere wenigstens einer Lageröffnung, ausgebildet analog zu dem beweglichen zweiten Spannelement und analog wie das bewegliche zweite Spannelement an dem wenigstens einen Verbindungsmittel, insbesondere der wenigstens einen Zugstange gelagert. Vorzugsweise ist die Blindschicht an einem mittleren Bereich des Brennstoffzellenstapels angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung bildet das ersten Spannelement zusätzlich die Lagerplatte und/oder die Anschlussplatte.
In einer weiteren Variante ist zwischen dem Gehäuse und der Lagerplatte eine Gehäusedichtung angeordnet zur fluiddichten Abdichtung eines von dem Gehäuse begrenzten Innenraumes. Aufgrund von Fixierungselementen ist die Gehäusedichtung aus einem elastischen Material mit einer Druckkraft zwischen dem Gehäuse und der Lagerplatte angeordnet. Die Fixierungselemente übertragen außerdem die Zugkräfte in dem Gehäuse auf die Lagerplatte, welches optional zusätzlich das erste Spannelement bildet.
Zweckmäßig spannen die schichtförmigen Brennstoffzellen fiktive Ebenen auf.
In einer weiteren Ausführungsform ist wenigstens eine senkrecht zu den fiktiven Ebenen ausgerichtete Wandung des Gehäuses mit der Zugkraft beansprucht zum Aufbringen der Druckkraft mit dem ersten und zweiten Spannelement auf den Brennstoffzellenstapel. Die wenigstens eine senkrecht zu den fiktiven Ebenen ausgerichtete Wandung des Gehäuses bildet vorzugsweise das Verbindungsmittel.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Lagerplatte wenigstens eine Anschlussplattenöffnung zur Durchleitung wenigstens eines Prozessfluides, vorzugsweise sämtlicher Prozessfluide, insbesondere Brennstoff, Oxidationsmittel und/oder Kühlmittel, auf, so dass die Lagerplatte zusätzlich als Anschlussplatte fungiert.
Vorzugsweise ist zwischen den Brennstoffzellen und den Spannelementen eine Isolationsplatte angeordnet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Anschlussplatte und/oder Lagerplatte und/oder das erste und/oder zweite Spannelement und/oder das Gegenauflageelement wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, insbesondere Stahl und/oder Aluminium ausgebildet.
Insbesondere ist der Innenraum von dem Gehäuse und der Lagerplatte begrenzt und vorzugsweise bildet die Lagerplatte wenigstens teilweise das Gehäuse.
In einer weiteren Ausgestaltung sind in der Anschlussplatte 6 Anschlussplattenöffnungen zur Einleitung und Ausleitung sämtlicher Prozessfluide, nämlich Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel, ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung sind in der Isolationsplatte 6 Isolationsplattenöffnungen zur Einleitung und Ausleitung sämtlicher Prozessfluide, nämlich Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel, ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit ein Gehäuse, welches den Brennstoffzellenstapel umschließt.
In einer weiteren Variante umfasst die Brennstoffzelleneinheit eine Lagerplatte zur Befestigung der Brennstoffzelleneinheit.
Zweckmäßig umfassen die Brennstoffzellen jeweils gestapelt angeordnete schichtförmige Komponenten und die Komponenten der Brennstoffzellen Protonenaustauschmembranen, Anoden, Kathoden, Gasdiffusionsschichten und Bipolarplatten sind.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Gegenauflageelement von dem Gehäuse, insbesondere einer Deckwandung oder Bodenwandung des Gehäuses, und/oder einer Lagerplatte gebildet.
In einer zusätzlichen Ausführungsform ist das Verbindungsmittel von dem Gehäuse gebildet, insbesondere sind innenseitig an dem Gehäuse in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen ausgebildete Gegenlagervorrichtungen ausgebildet. Beispielsweise sind im Bereich des beweglichen zweiten Spannelementes an der Innenseite des Gehäuse Gegenlagerschienen, beispielsweise im Querschnitt u-förmige Gegenlagervorrichtungen, ausgebildet, welche in komplementär ausgebildeten Lageröffnungen an einem äußeren Randbereich des beweglichen zweiten Spannelementes angeordnet sind. Die Gegenlagervorrichtung fungiert dabei wenigstens teilweise auch als Verbindungsmittel zur Aufnahme der Zugkräfte.
In einer weiteren Variante ist das Verbindungsmittel fest an dem ersten Spannelement und dem Gegenauflageelement befestigt ist, so dass eine Relativbewegung einerseits zwischen dem Verbindungsmittel und andererseits dem ersten Spannelement und dem Gegenauflageelement in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen und/oder in Richtung der Längsachse des Verbindungsmittels blockiert ist, so dass Druckkräfte in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen von dem Verbindungsmittel auf das erste Spannelement und das Gegenauflageelement übertragbar sind und umgekehrt.
In einer weiteren Ausführungsform ist das erste Spannelement und/oder das zweite Spannelement und/oder das Gegenauflageelement als eine Platte, ein Gitter oder eine Rahmenkonstruktion ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausgestaltung ist das Verbindungsmittel ausschließlich von dem Gehäuse gebildet. Die gesamten von der Verbindungsmittel aufzunehmenden Zugkräfte für die Vorspannung des Brennstoffzellenstapels sind ausschließlich von dem Gehäuse aufgenommen, so dass kein zusätzliches Verbindungsmittel in Ergänzung zu dem Gehäuse ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung umfassen die Brennstoffzellen jeweils eine Protonenaustauschmembran, eine Anode, eine Kathode, wenigstens eine Gasdiffusionsschicht und wenigstens eine Bipolarplatte.
Zweckmäßig sind die Spannelemente als Spannplatten ausgebildet.
In einer weiteren Variante ist oder sind die Anschlussplatte und/oder Lagerplatte und/oder das erste Spannelement von einem, insbesondere nur einem, Bauteil gebildet.
In einer weiteren Variante ist die Gasfördervorrichtung als ein Gebläse oder ein Kompressor ausgebildet.
In einer weiteren Ausgestaltung sind die Spannelemente plattenförmig und/oder scheibenförmig und/oder eben ausgebildet und/oder als ein Gitter ausgebildet.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist das erste Spannelement ein unteres Spannelement.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist das zweite Spannelement ein oberes Spannelement.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der erste Endbereich des Brennstoffzellenstapels ein unterer Endbereich des Brennstoffzellenstapels.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der zweite Endbereich des Brennstoffzellenstapels ein oberer Endbereich des Brennstoffzellenstapels.
In einer ergänzenden Variante beträgt die Ausdehnung in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen des ersten und/oder zweiten Endbereiches des Brennstoffzellenstapels weniger als 30%, 20% oder 10% der Gesamtausdehnung des Brennstoffzellenstapels in der Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen aufgespannten fiktiven Ebenen.
Vorzugsweise ist der Brennstoff Wasserstoff, wasserstoffreiches Gas, Reformatgas oder Erdgas.
Zweckmäßig sind die Brennstoffzellen und/oder Komponenten im Wesentlichen eben und/oder scheibenförmig ausgebildet.
In einer ergänzenden Variante ist das Oxidationsmittel Luft mit Sauerstoff oder reiner Sauerstoff.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit eine PEM-Brennstoffzelleneinheit mit PEM-Brennstoffzellen.
Figurenliste
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

1 eine stark vereinfachte Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit Komponenten einer Brennstoffzelle,
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Brennstoffzelle,
3 einen Längsschnitt durch eine Brennstoffzelle,
4 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelleneinheit in einem ersten Ausführungsbeispiel,
5 eine Prinzipdarstellung der kinematischen Ausführung der Brennstoffzelleneinheit in dem ersten Ausführungsbeispiel in einem Querschnitt ohne Gehäuse und Lagerplatte,
6 eine perspektivische Ansicht des Brennstoffzelleneinheit von unten in dem ersten Ausführungsbeispiel ohne Darstellung von Gehäuse und Lagerplatte,
7 eine perspektivische Ansicht des Brennstoffzelleneinheit von oben in dem ersten Ausführungsbeispiel ohne Darstellung von Gehäuse und Lagerplatte,
8 eine Seitenansicht des Brennstoffzelleneinheit in dem ersten Ausführungsbeispiel ohne Darstellung von Gehäuse und Lagerplatte,
9 eine perspektivische Teilansicht des Brennstoffzelleneinheit von oben in dem ersten Ausführungsbeispiel ohne Darstellung von Gehäuse und Lagerplatte,
10 eine Teilseitenansicht des Brennstoffzelleneinheit in dem ersten Ausführungsbeispiel ohne Darstellung von Gehäuse und Lagerplatte und
11 einen Schnitt durch eine Brennstoffzelleneinheit in einem zweiten Ausführungsbeispiel.

In den 1 bis 3 ist der grundlegende Aufbau einer Brennstoffzelle 2 als einer PEM-Brennstoffzelle 3 (Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 3) dargestellt. Das Prinzip von Brennstoffzellen 2 besteht darin, dass mittels einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bzw. elektrischer Strom erzeugt wird. An eine Anode 7 wird Wasserstoff H₂ als gasförmiger Brennstoff geleitet und die Anode 7 bildet den Minuspol. An eine Kathode 8 wird ein gasförmiges Oxidationsmittel, nämlich Luft mit Sauerstoff, geleitet, d. h. der Sauerstoff in der Luft stellt das notwendige gasförmige Oxidationsmittel zur Verfügung. An der Kathode 8 findet eine Reduktion (Elektronenaufnahme) statt. Die Oxidation als Elektronenabgabe wird an der Anode 7 ausgeführt.
Die Redoxgleichungen der elektrochemischen Vorgänge lauten:

Kathode: O₂ + 4 H⁺ + 4e^- ==> 2 H₂O
Anode: 2 H₂ ==> 4 H⁺ + 4e^-
Summenreaktionsgleichung von Kathode und Anode: 2 H₂ + O₂ ==> 2 H₂O

Die Differenz der Normalpotentiale der Elektrodenpaare unter Standardbedingungen als reversible Brennstoffzellenspannung oder Leerlaufspannung der unbelasteten Brennstoffzelle 2 beträgt 1,23 V. Diese theoretische Spannung von 1,23 V wird in der Praxis nicht erreicht. Im Ruhezustand und bei kleinen Strömen können Spannungen über 1,0 V erreicht werden und im Betrieb mit größeren Strömen werden Spannungen zwischen 0,5 V und 1,0 V erreicht. Die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 2, insbesondere eine Brennstoffzelleneinheit 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 40 von mehreren übereinander angeordneten Brennstoffzellen 2, weist eine höhere Spannung auf, welche der Zahl der Brennstoffzellen 2 multipliziert mit der Einzelspannung je einer Brennstoffzelle 2 entspricht.
Die Brennstoffzelle 2 umfasst außerdem eine Protonenaustauschmembran 5 (Proton Exchange Membrane, PEM), welche zwischen der Anode 7 und der Kathode 8 angeordnet ist. Die Anode 7 und Kathode 8 sind schichtförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die PEM 5 fungiert als Elektrolyt, Katalysatorträger und Separator für die Reaktionsgase. Die PEM 5 fungiert außerdem als elektrischer Isolator und verhindert einen elektrischen Kurzschluss zwischen der Anode 7 und Kathode 8. Im Allgemeinen werden 12 µm bis 150 µm dicke, protonenleitende Folien aus perfluorierten und sulfonierten Polymeren eingesetzt. Die PEM 5 leitet die Protonen H⁺ und sperrt andere Ionen als Protonen H⁺ im Wesentlichen, so dass aufgrund der Durchlässigkeit der PEM 5 für die Protonen H⁺ der Ladungstransport erfolgen kann. Die PEM 5 ist für die Reaktionsgase Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ im Wesentlichen undurchlässig, d. h. sperrt die Strömung von Sauerstoff O₂ und Wasserstoff H₂ zwischen einem Gasraum 31 an der Anode 7 mit Brennstoff Wasserstoff H₂ und dem Gasraum 32 an der Kathode 8 mit Luft bzw. Sauerstoff O₂ als Oxidationsmittel. Die Protonenleitfähigkeit der PEM 5 vergrößert sich mit steigender Temperatur und steigenden Wassergehalt.
Auf den beiden Seiten der PEM 5, jeweils zugewandt zu den Gasräumen 31, 32, liegen die Elektroden 7, 8 als die Anode 7 und Kathode 8 auf. Eine Einheit aus der PEM 5 und Anode 7 sowie Kathode 8 wird als Membranelektrodenanordnung 6 (Membran Electrode Assembly, MEA) bezeichnet. Die Elektroden 7, 8 sind mit der PEM 5 verpresst. Die Elektroden 7, 8 sind platinhaltige Kohlenstoffpartikel, die an PTFE (Polytetrafluorethylen), FEP (Fluoriertes Ethylen-Propylen-Copolymer), PFA (Perfluoralkoxy), PVDF (Polyvinylidenfluorid) und/oder PVA (Polyvinylalkohol) gebunden sind und in mikroporösen Kohlefaser-, Glasfaser- oder Kunststoffmatten heißverpresst sind. An den Elektroden 7, 8 sind auf der Seite zu den Gasräumen 31, 32 hin normalerweise jeweils eine Katalysatorschichten 30 aufgebracht. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 31 mit Brennstoff an der Anode 7 umfasst nanodisperses Platin-Ruthenium auf grafitierten Rußpartikeln, die an einem Bindemittel gebunden sind. Die Katalysatorschicht 30 an dem Gasraum 32 mit Oxidationsmittel an der Kathode 8 umfasst analog nanodisperses Platin. Als Bindemittel werden beispielsweise Nafion®, eine PTFE-Emulsion oder Polyvinylalkohol eingesetzt.
Auf der Anode 7 und der Kathode 8 liegt eine Gasdiffusionsschicht 9 (Gas Diffusion Layer, GDL) auf. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Anode 7 verteilt den Brennstoff aus Kanälen 12 für Brennstoff gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Anode 7. Die Gasdiffusionsschicht 9 an der Kathode 8 verteilt das Oxidationsmittel aus Kanälen 13 für Oxidationsmittel gleichmäßig auf die Katalysatorschicht 30 an der Kathode 8. Die GDL 9 zieht außerdem Reaktionswasser in umgekehrter Richtung zur Strömungsrichtung der Reaktionsgase ab, d. h. in einer Richtung je von der Katalysatorschicht 30 zu den Kanälen 12, 13. Ferner hält die GDL 9 die PEM 5 feucht und leitet den Strom. Die GDL 9 ist beispielsweise aus einem hydrophobierten Kohlepapier und einer gebundenen Kohlepulverschicht aufgebaut.
Auf der GDL 9 liegt eine Bipolarplatte 10 auf. Die elektrisch leitfähige Bipolarplatte 10 dient als Stromkollektor, zur Wasserableitung und zur Leitung der Reaktionsgase durch eine Kanalstruktur 29 und/oder ein Flussfeld 29 und zur Ableitung der Abwärme, welche insbesondere bei der exothermischen elektrochemischen Reaktion an der Kathode 8 auftritt. Zum Ableiten der Abwärme sind in die Bipolarplatte 10 Kanäle 14 zur Durchleitung eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels eingearbeitet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 31 für Brennstoff ist von Kanälen 12 gebildet. Die Kanalstruktur 29 an dem Gasraum 32 für Oxidationsmittel ist von Kanälen 13 gebildet. Als Material für die Bipolarplatten 10 werden beispielsweise Metall, leitfähige Kunststoffe und Kompositwerkstoffe oder Grafit eingesetzt. Die Bipolarplatte 10 umfasst somit die drei Kanalstrukturen 29, gebildet von den Kanälen 12, 13 und 14, zur getrennten Durchleitung von Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel. In einer Brennstoffzelleneinheit 1 mit Brennstoffzellenstapel 40 und/oder einem Brennstoffzellenstack 40 sind mehrere Brennstoffzellen 2 fluchtend gestapelt angeordnet (4). Die Brennstoffzellen 2 und die Komponenten 5, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind schichtförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet und spannen fiktive Ebenen 37 (3 und 4) auf. Die Komponenten 5, 7, 8, 9, 10 der Brennstoffzellen 2 sind Protonenaustauschmembranen 5, Anoden 7, Kathoden 8, Gasdiffusionsschichten 9 und Bipolarplatten 10.
In 1 ist eine Explosionsdarstellung von zwei gestapelt angeordneten Brennstoffzellen 2 abgebildet. Eine Dichtung 11 dichtet die Gasräume 31, 32 fluiddicht ab. In einem Druckgasspeicher 21 (1) ist Wasserstoff H₂ als Brennstoff mit einem Druck von beispielsweise 350 bar bis 700 bar gespeichert. Aus dem Druckgasspeicher 21 wird der Brennstoff durch eine Hochdruckleitung 18 zu einem Druckminderer 20 geleitet zur Reduzierung des Druckes des Brennstoffes in einer Mitteldruckleitung 17 von ungefähr 10 bar bis 20 bar. Aus der Mitteldruckleitung 17 wird der Brennstoff zu einem Injektor 19 geleitet. An dem Injektor 19 wird der Druck des Brennstoffes auf einen Einblasdruck zwischen 1 bar und 3 bar reduziert. Von dem Injektor 19 wird der Brennstoff einer Zufuhrleitung 16 für Brennstoff (1) zugeführt und von der Zufuhrleitung 16 den Kanälen 12 für Brennstoff, welche die Kanalstruktur 29 für Brennstoff bilden. Der Brennstoff durchströmt dadurch den Gasraum 31 für den Brennstoff. Der Gasraum 31 für den Brennstoff ist von den Kanälen 12 und der GDL 9 an der Anode 7 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 12 wird der nicht in der Redoxreaktion an der Anode 7 verbrauchte Brennstoff und gegebenenfalls Wasser aus einer kontrollieren Befeuchtung der Anode 7 durch eine Abfuhrleitung 15 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet.
Eine Gasfördereinrichtung 22, beispielsweise als ein Gebläse 23 oder ein Kompressor 24 ausgebildet, fördert Luft aus der Umgebung als Oxidationsmittel in eine Zufuhrleitung 25 für Oxidationsmittel. Aus der Zufuhrleitung 25 wird die Luft den Kanälen 13 für Oxidationsmittel, welche eine Kanalstruktur 29 an den Bipolarplatten 10 für Oxidationsmittel bilden, zugeführt, so dass das Oxidationsmittel den Gasraum 32 für das Oxidationsmittel durchströmt. Der Gasraum 32 für das Oxidationsmittel ist von den Kanälen 13 und der GDL 9 an der Kathode 8 gebildet. Nach dem Durchströmen der Kanäle 13 bzw. des Gasraumes 32 für das Oxidationsmittel 32 wird das nicht an der Kathode 8 verbrauchte Oxidationsmittel und das an der Kathode 8 aufgrund der elektrochemischen Redoxreaktion entstehenden Reaktionswasser durch eine Abfuhrleitung 26 aus den Brennstoffzellen 2 abgeleitet. Eine Zufuhrleitung 27 dient zur Zuführung von Kühlmittel in die Kanäle 14 für Kühlmittel und eine Abfuhrleitung 28 dient zur Ableitung des durch die Kanäle 14 geleiteten Kühlmittels. Die Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28 sind in 1 aus Vereinfachungsgründen als gesonderte Leitungen dargestellt und sind konstruktiv tatsächlich am Endbereich in der Nähe der Kanäle 12, 13, 14 als fluchtende Fluidöffnungen (nicht dargestellt) am Endbereich der aufeinander liegenden Membranelektrodenanordnungen 6 ausgebildet. Analog sind auch an plattenförmigen Verlängerungen (nicht dargestellt) der Bipolarplatten 10 Fluidöffnungen (nicht dargestellt) ausgebildet und die Fluidöffnungen in den plattenförmigen Verlängerungen der Bipolarplatten 10 fluchten mit den Fluidöffnungen (nicht dargestellt) an den Membranelektrodenanordnungen 6 zur teilweisen Ausbildung der Zu- und Abfuhrleitungen 15, 16, 25, 26, 27, 28. Die Brennstoffzelleneinheit 1 zusammen mit dem Druckgasspeicher 21 und der Gasfördereinrichtung 22 bildet ein Brennstoffzellensystem 4.
In der Brennstoffzelleneinheit 1 in dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 4 bis 10 sind die Brennstoffzellen 2 zwischen zwei Spannelementen 33, 34 als Spannplatten 35, 36 angeordnet, nämlich ein erstes Spannelement 33 als erste Spannplatte 35 und ein zweites Spannelement 34 als zweite Spannplatte 36. Das erste untere Spannelement 33 liegt auf der untersten Brennstoffzelle 2 mittelbar auf und das zweite obere Spannelement 34 liegt mittelbar auf der obersten Brennstoffzelle 2 auf. Zwischen dem ersten Spannelement 33 und der untersten Brennstoffzelle 2 ist eine erste Isolationsplatte 69 und zwischen dem zweiten Spannelement 34 und der obersten Brennstoffzelle 2 ist eine zweite Isolationsplatte 70 angeordnet. Zur Vorspannung des Brennstoffzellenstapels 40 sind die zwei Spannelemente 33, 34 mit einem Verbindungsmittel 38 mittelbar miteinander verbunden und das Verbindungsmittel 38 ist mit einer Zugkraft beansprucht. Die erste und zweite Isolationsplatte 69, 70 ist aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, beispielsweise Kunststoff, ausgebildet. Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst ungefähr 200 bis 400 Brennstoffzellen 2, die aus zeichnerischen Gründen nicht alle in 4 bis 11 dargestellt sind. Die Spannelemente 33, 34 bringen auf die Brennstoffzellen 2 eine Druckkraft auf, d. h. die erste Spannplatte 35 an einem ersten unteren Endbereich 45 des Brennstoffzellenstapels 40 liegt mit einer Druckkraft auf der ersten untersten Brennstoffzelle 2 mittelbar auf und die zweite Spannplatte 36 an einem zweiten oberen Endbereich 46 des Brennstoffzellenstapels 40 liegt mit einer Druckkraft auf der obersten Brennstoffzelle 2 mittelbar auf. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 40 verspannt, um die Dichtheit für den Brennstoff, das Oxidationsmittel und das Kühlmittel, insbesondere aufgrund der elastischen Dichtung 11, zu gewährleisten und außerdem den elektrischen Kontaktwiderstand innerhalb des Brennstoffzellenstapels 40 möglichst klein zu halten.
Der Brennstoffzellenstapel 40 ist von einem Gehäuse 42 und einer Lagerplatte 47 umschlossen (4). Ein Innenraum 41 ist somit von dem Gehäuse 42 und der Lagerplatte 47 begrenzt. Die Lagerplatte 47 bildet auch eine Anschlussplatte 48 und teilweise das Gehäuse 42. Das Gehäuse 42 weist eine dem Brennstoffzellenstapel 40 zugewandte Innenseite 43 und eine gegenüberliegend zu der Innenseite 43 ausgerichtete Außenseite 44 zugewandt zu der Umgebung auf. Das Gehäuse 42 ist mit Fixierungselementen 49 als Schrauben 49 oder Bolzen an der Lagerplatte 47 befestigt. Zwischen dem Gehäuse 42 und der Lagerplatte 47 einerseits und dem Brennstoffzellenstapel 40 andererseits ist ein mit Gas befüllter Zwischenraum vorhanden. Zwischen dem Gehäuse 42 und der Lagerplatte 47 ist eine, vorzugsweise elastische, Gehäusedichtung 51 angeordnet, so dass der Innenraum 41 fluiddicht zur Umgebung abgedichtet ist.
In der Anschlussplatte 48 ist eine Öffnung 59 zum Einleiten des Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel 40 und eine Öffnung 60 zum Ausleiten des Oxidationsmittels aus dem Brennstoffstapel 40 ausgebildet. Außerdem sind in der Anschlussplatte 48 je eine Öffnung (nicht dargestellt) zum Einleiten des Brennstoffes und des Kühlmittels in den Brennstoffzellenstapel 40 und je eine Öffnung (nicht dargestellt) zum Ausleiten des Brennstoffes und Kühlmittels aus dem Brennstoffstapel 40 ausgebildet. In der Anschlussplatte 48 und analog in dem ersten Spannelement 33 sind somit insgesamt 6 Öffnung zum Einleiten und Ausleiten der Prozessfluide Oxidationsmittel, Brennstoff und Kühlmittel ausgebildet, so dass die Lagerplatte 47 auch als Anschlussplatte 48 zum Ein- und Ausleiten der Prozessfluide Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel fungiert. Die Öffnungen 59, 60 in der Anschlussplatte 48 bilden somit Anschlussplattenöffnungen 61. In der ersten Isolationsplatte 69 sind fluchtend zu den Anschlussplattenöffnungen 61 Isolationsplattenöffnungen 64 ausgebildet. Die Isolationsplattenöffnungen 64 bilden somit in gleicher Weise wie in der Anschlussplatte 48 Öffnungen 59, 60 zum Ein- und Ausleiten der Prozessfluide. Die Anschlussplatte 48 und das erste Spannelement 33 sind außerdem mit 6 Durchführungsstutzen 65 ausgebildet und die Durchführungsstutzen 65 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, beispielsweise Kunststoff, sind in den Anschlussplattenöffnungen 61 und den Öffnungen in dem ersten Spannelement 33 angeordnet. Damit sind die Prozessfluide beim Durchleiten durch die Anschlussplatte 48 und das erste Spannelement 33 aus Metall, insbesondere Stahl, elektrisch von der Anschlussplatte 48 isoliert. Auf der Außenseite des Durchführungsstutzens 65 liegt eine Anschlussplattenöffnungs-Dichtung 66 als Radialdichtung 66 auf und die Radialdichtung 66 ist teilweise in einer Ringnut in der ersten Spannplatte 35 angeordnet.
Das Gehäuse 42 ist von Wandungen 57 im Wesentlichen senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 und einer Wandung 58 im Wesentlichen parallel zu den fiktiven Ebenen 37 gebildet.
Zur Verspannung der Brennstoffzellen 2 mit den Spannelementen 33, 34 sind zwischen dem zweiten Spannelement 34 und einem Gegenauflageelement 62 als Gegenauflageplatte 63 elastische Elemente 52 als Feder 53, d. h. Spiralfedern 53, angeordnet. Das Gegenauflageelement 62 ist in x-Richtung, y-Richtung und z-Richtung fest mit dem Gehäuse 42, d. h. der Wandung 58 des Gehäuses 42, verbunden. Die x-Richtung, y-Richtung und z-Richtung stehen aufeinander senkrecht. Die x-Richtung und die y-Richtung sind parallel zu den fiktiven Ebenen 37 ausgerichtet. Das mit der Zugkraft beanspruchte Verbindungsmittel 38 ist von acht Zugstangen 39 aus Metall, insbesondere Stahl, gebildet. Die Zugstangen 39 sind insbesondere in z-Richtung und damit in der Richtung 54 senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37, insbesondere in einer Richtung zur Übertragung von Zugkräften in dem Verbindungsmittel 38 als Druckkräfte auf das Gegenauflageelement 62 und das erste Spannelement 33, fest und formschlüssig mit dem Gegenauflageelement 62 und dem ersten Spannelement 33 verbunden. In dem ersten Spannelement 33 und dem Gegenauflageelement 62 sind je acht Bohrungen ausgebildet, durch die die geraden Zugstangen 39 geführt sind. Die Zugstangen 39 ragen aus den Bohrungen heraus und an dem unteren Ende der Zugstangen 39 ist je ein Zugstangenkopf 71 ausgebildet, der auf dem ersten Spannelement 33 formschlüssg aufliegt und der Zugstangenkopf 71 weist einen Durchmesser auf größer als die Bohrungen. An den oberen Enden der Zugstangen 39 ist auf je ein Außengewinde der Zugstangen 39 eine Mutter 72 aufgeschraubt und die Mutter 72 liegt formschlüssig auf dem Gegenauflageelement 62 auf. Von den Zugstangen 39 werden mit den Zugstangenköpfen 71 Druckkräfte auf das erste Spannelement 33 und mit den Muttern 72 Druckkräfte auf das Gegenauflageelement 62 aufgebracht. Bei der Montage der Brennstoffzelleneinheit 1 kann mit dem Einschrauben der Muttern 72 an dem oberen Endbereich der Zugstangen 39 die Zugkraft in den Zugstangen 39 und die Druckkraft in den Brennstoffzellen 2 erhöht werden und umgekehrt. Erst anschließend wird das erste Spannelement 33 und das Gegenauflageelement 62 fest mit dem Gehäuse 42 und der Lagerplatte 47 verbunden.
An einem äußeren Randbereich des in z-Richtung und der Richtung 54 senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 beweglichen zweiten Spannelementes 34 sind acht Lageröffnungen 68 als Gleitlagerungen 67 ausgebildet. Die acht Zugstangen 39 sind durch diese Lageröffnungen 68 geführt und der Durchmesser der Lageröffnungen 68 ist nur geringfügig größer als der Durchmesser der Zugstangen 39, so dass das zweite Spannelement 34 einerseits in der Richtung 54 senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 und x-Richtung beweglich ist, jedoch andererseits in sämtlichen Richtungen 55 parallel zu den fiktiven Ebenen 37, insbesondere in y-Richtung und x-Richtung, gelagert ist, so dass sich das zweite Spannelement 34 im Wesentlichen nicht in Richtungen 55 parallel zu den fiktiven Ebenen 37 bewegen kann. Die Zugstangen 39 fungieren damit zusätzlich als Gegenlagervorrichtungen, an welchen die Lageröffnungen 58 gelagert sind. Aufgrund der elastischen Eigenschaften der Feder 53 als dem elastischen Element 52 ist die Vorspannung der Druckkraft in dem Brennstoffzellenstapel 40 im Wesentlichen konstant, weil beispielsweise Fertigungsungenauigkeiten, Setzeffekte und/oder Längenausdehnungen nur sehr geringe Auswirkungen haben auf die Größe der Vorspannung der Druckkraft in dem Brennstoffzellenstapel 40. Die von den elastischen Elementen 52 auf die Zugstangen 39 aufgebrachten Druckkräfte werden als Zugkräfte in den Zugstangen 39 übertragen. Die Lagerplatte 47 dient außerdem zur Befestigung beispielsweise an einer Karosserie eines Kraftfahrzeuges (nicht dargestellt).
In dem in den 4 bis 10 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel können Stromschienen (nicht dargestellt) einfach den Zugstangen 39 befestigt werden. Die Stromschienen dienen zur Leitung des elektrischen Stromes als Spannungsdifferenz zwischen der obersten und untersten Brennstoffzelle 2 nach außen. Das zweite bewegliche Spannelement 34 ist an den Zugstangen 39 gelagert, so dass auch an der obersten Brennstoffzelle 2 im Wesentlichen keine Bewegungen in Richtungen 55 parallel zu den fiktiven Ebenen 37 auftreten. Die Stromschiene ist mechanisch und elektrisch mit der obersten und untersten Brennstoffzelle 2 verbunden und muss sich nur an Längenänderungen in der Richtung 54 senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 konstruktiv anpassen können und kann damit besonders einfach ausgebildet sein. Das erste Spannelement 33, das zweite Spannelement 34 und das Gegenauflageelement 62 sind identisch ausgebildet, so dass geringe Herstellungskosten auftreten. Ferner kann an einer Zugstange 39 auch eine Stromleiste (nicht dargestellt) für CVM (cell voltage monitoring) besonders einfach befestigt werden.
In 11 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 dargestellt. Im Nachfolgenden werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 4 bis 10 beschrieben. Das Gegenauflageelement 62 ist von dem Gehäuse 42, d. h. der oberen Wandung 58 parallel zu den fiktiven Ebenen 37 gebildet und das Verbindungsmittel 38 ist von Wandungen 57 senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 gebildet. Dabei sind an den Innenseiten 43 des Gehäuses 42 in einer Richtung senkrecht zu den fiktiven Ebenen 37 Gegenlagervorrichtungen (nicht dargestellt) ausgebildet. Beispielsweise sind im Bereich des beweglichen zweiten Spannelementes 34 an der Innenseite 43 des Gehäuse 42 Gegenlagerschienen, beispielsweise im Querschnitt u-förmige Gegenlagervorrichtungen (nicht dargestellt), ausgebildet, welche in komplementär ausgebildeten Lageröffnungen an einem äußeren Randbereich des beweglichen zweiten Spannelementes 34 angeordnet sind (nicht dargestellt).
In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel werden im Wesentlichen nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 4 bis 10 beschrieben. In dem Brennstoffzellenstapel 40 ist mittig eine Blindschicht ausgebildet, die konstruktiv ausgebildet ist wie das zweite Spannelement 34 und in den Lageröffnungen 69 der Blindschicht sind die Zugstangen 39 angeordnet. Damit ist der Brennstoffzellenstapel 40 in den Richtungen 55 parallel zu den fiktiven Ebenen 37 mittels der Blindschicht gelagert. Dies ist insbesondere bei einem Brennstoffzellenstapel 40 mit einer sehr großen Anzahl an Brennstoffzellen 2 und/oder bei einem Brennstoffzellenstapel 40 mit einer vertikalen Ausrichtung der fiktiven Ebenen 37 der Brennstoffzellen 2 vorteilhaft, weil bei einer derartigen konstruktiven Ausbildung einer Verschiebung der Brennstoffzellen 2 zueinander in einer Richtung parallel zu den fiktiven Ebenen 37 wesentlich wahrscheinlicher ist. Eine derartige Verschiebung der Brennstoffzellen 2 zueinander muss jedoch vermieden werden, um insbesondere Leckagen der Prozessfluide Brennstoff, Oxidationsmittel und Kühlmittel zu vermeiden.
Insgesamt betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit 1 und dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 4 wesentliche Vorteile verbunden. An dem Verbindungsmittel 38 können weitere Komponenten wie eine Stromschiene oder eine Stromleiste für das CVM befestigt werden. Das erstes Spannelement 33 mit den Öffnungen 59, 60 zum Ein- und Ausleiten der Prozessfluide liegt überwiegend und insbesondere auch an den Endbereichen in y-Richtung an der untersten Brennstoffzelle 2 auf, so dass der gesamte Brennstoffzellenstapel 40 auch an den Endbereichen in y-Richtung an den Schmalseiten im Wesentlichen konstant mit einer Druckkraft vorgespannt ist.
Damit treten an dem Brennstoffzellestapel 40 auch an den Schmalseiten keine Undichtigkeiten der Prozessfluide auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020209663 A1 [0004]

Claims

Brennstoffzelleneinheit (1) zur elektrochemischen Erzeugung von elektrischer Energie, umfassend - gestapelt angeordnete Brennstoffzellen (2) als Brennstoffzellenstapel (40), wobei die Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels (40) senkrecht zu von den Brennstoffzellenstellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (37) veränderbar ist, - eine an einem ersten Endbereich (45) des Brennstoffzellenstapels (40) angeordnetes erstes Spannelement (33) zum Aufbringen einer Druckkraft auf den Brennstoffzellenstapel (40) und zur Vorspannung des Brennstoffzellenstapels (40) mit einer Druckkraft, - eine an einem zweiten Endbereich (46) des Brennstoffzellenstapels (40) angeordnetes zweites bewegliches Spannelement (34) zum Aufbringen einer Druckkraft auf den Brennstoffzellenstapel (40) und zur Vorspannung des Brennstoffzellenstapels (40) mit einer Druckkraft, wobei von dem zweiten Spannelement (34) eine Bewegung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (37) ausführbar ist aufgrund der veränderbaren Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels (2) senkrecht zu von den Brennstoffzellenstellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (37), - ein Verbindungsmittel (38), welches mit einer Zugkraft beansprucht ist, zum Aufbringen der Druckkraft mit dem ersten und zweiten Spannelement (33, 34) auf den Brennstoffzellenstapel (2), - wenigstens ein elastisches Element (52) zum Aufbringen einer Druckkraft auf den Brennstoffzellenstapel (40) und zur Vorspannung des Brennstoffzellenstapels (40) mit der Druckkraft, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (38) zur Lagerung des beweglichen zweiten Spannelementes (33) in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (37) fungiert.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (38) zur Lagerung des beweglichen zweiten Spannelementes (33) in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen, insbesondere sämtlichen Richtungen (55), parallel zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (37) fungiert.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem beweglichen zweiten Spannelement (33) wenigstens eine Gleit- oder Wälzlagerung (67), insbesondere wenigstens eine Lageröffnung (68), zur beweglichen Lagerung des beweglichen zweiten Spannelementes (33) an dem Verbindungsmittel (38) ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (38), insbesondere vollständig, außerhalb des Brennstoffzellenstapels (40) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (38) von mehreren Zugstangen (39) gebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längsachse (56) des Verbindungsmittels (38) im Wesentlichen senkrecht zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (37) ausgerichtet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem beweglichen zweiten Spannelement (33) mehrere Lageröffnungen (68) ausgebildet sind und in jeder Lageröffnung (68) je eine Zugstange (39) angeordnet ist, so dass die Zugstangen (39) als Gegenlagervorrichtungen fungieren, an welchen die Lageröffnungen (68) als Gleitlagerungen gelagert sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem wenigstens einen elastischen Element (52) auf das bewegliche zweite Spannelement (33) eine Druckkraft aufbringbar ist für eine Vorspannung des Brennstoffzellenstapels (40) mit einer Wesentlichen konstanten Druckkraft.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine elastische Element (52) zwischen dem beweglichen zweiten Spannelement (34) und einem Gegenauflageelement (62) mit einer Druckkraft vorgespannt ist zum Aufbringen einer Druckkraft auf das bewegliche zweite Spannelement (34).
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine elastische Element (52) als eine Feder (53) ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (38), in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (37), fest an dem ersten Spannelement (33) und dem Gegenauflageelement (62) mittelbar oder unmittelbar befestigt ist, so dass Druckkräfte in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (37) von dem Verbindungsmittel (38) auf das erste Spannelement (33) und das Gegenauflageelement (62) übertragbar sind und umgekehrt.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spannelement (33) als eine erste Spannplatte (35), das zweite Spannelement (34) als eine zweite Spannplatte (36) und das Gegenauflageelement (62) als eine Gegenauflageplatte (63) ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Spannelement (33) und das Gegenauflageelement (62), insbesondere in einer Richtung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (37), fest mit einem Gehäuse (42) und/oder einer Lagerplatte (47) verbunden sind.
Brennstoffzelleneinheit nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche zweite Spannelement (34) kinematisch mit dem zweiten Endbereich (46) des Brennstoffstapels (40) dahingehend gekoppelt ist, so dass eine Veränderung der Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels (40) senkrecht zu von den Brennstoffzellenstellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (37) eine Relativbewegung senkrecht zu den von den Brennstoffzellen (2) aufgespannten fiktiven Ebenen (37) einerseits zwischen dem beweglichen zweiten Spannelement (34) und andererseits dem ersten Spannelement (33) und dem Gegenauflageelement (62) verursacht.
Brennstoffzellensystem (4), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend - eine Brennstoffzelleneinheit (1), - einen Druckgasspeicher (21) zur Speicherung von gasförmigem Brennstoff, - eine Gasfördervorrichtung (22) zur Förderung eines gasförmigen Oxidationsmittels zu den Kathoden (8) der Brennstoffzellen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) als eine Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.