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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung mit einem Brennstoffzellenstapel bestehend aus einer Mehrzahl von zwischen zwei Endplatten angeordneten Brennstoffzellen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine derartige Brennstoffzellenanordnung, eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer solchen Brennstoffzellenanordnung sowie ein Kraftfahrzeug mit der zuvor genannten Brennstoffzellenvorrichtung.
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Brennstoffzellen dienen der Bereitstellung elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion, in der ein Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, mit einem Oxidationsmittel, in der Regel aus Luft entnommener Sauerstoff, reagiert. Brennstoffzellen enthalten als Kernkomponente einen Elektrolyten und zugeordnete Elektroden, die eine Anode und eine Kathode bilden. Zur Leistungssteigerung ist es möglich, eine Mehrzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen, um insbesondere den Leistungsanforderungen zu genügen, die in Kraftfahrzeugen bestehen. Im Betrieb einer den Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellenanordnung wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt. Im Falle eines wasserstoffhaltigen Gases wird dieses zunächst reformiert und so Wasserstoff bereit gestellt. An der Anode findet eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen statt. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Diese Oxidations- bzw. Reduktionsprodukte von Anode und Kathode reagieren anschließend zu H2O. Die durch die vorstehend beschriebene elektrochemische Reaktion frei werdende Energiemenge kann anschließend in Form von elektrischer Energie zum Betrieb des Kraftfahrzeugs genutzt werden.
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Üblicherweise wird bei der Herstellung der Brennstoffzellenanordnung der Brennstoffzellenstapel dadurch erzeugt, dass die einzelnen Brennstoffzellen aufeinander gestapelt, aneinandergepresst und anschließend mittels Spannelementen, üblicherweise in Form von Zug- oder Druckstäben oder Spanngurten bzw. -bändern, fixiert werden, sodass der Brennstoffzellenstapel mittels der Spannelemente zusammengehalten wird. Zum Schutz wird der Brennstoffzellenstapel anschließend mitsamt der Spannelemente in einem Brennstoffzellenstapelgehäuse angeordnet.
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Diesbezüglich beschreibt die
DE 10 2015 225 351 A1 ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels, wobei der Brennstoffzellenstapel mittels zweier Druckplatten verspannt und eine dabei entstehende Rückstellkraft mittels zweier Zugankerplatten aufgenommen wird. Dabei wird ein Deckel zum Umschließen des mittels der Zugankerplatten fixierten Brennstoffzellenstapels verwendet.
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Die
DE 10 2015 225 761 A1 offenbart ein System zur Herstellung einer Brennstoffzelle. Das System nutzt einen Pressvorgang zur Erzeugung eines Brennstoffzellenstapels mit einem definierten Stapelendmaß, wobei eine Rückstellkraft entsteht, die von mehreren und umklammernden Bändern aufgenommen wird.
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Die
DE 10 2017 111 514 A1 offenbart ein Gehäuse für einen Stapel aus Brennstoffzelleneinheiten, wobei der Stapel zusammen mit einem elastischen Spannelement, insbesondere Federelement, innerhalb des Gehäuses schwimmend gelagert ist.
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Unvorteilhafterweise wird durch die Verwendung der Spannelemente der für den Brennstoffzellenstapel benötigte Bauraum jedoch vergrößert. Insbesondere bei der Anordnung des Brennstoffzellenstapels in dem Brennstoffzellenstapelgehäuse wirkt sich dies nachteilig aus, da das Brennstoffzellenstapelgehäuse entsprechend größer dimensioniert werden muss, als für den reinen Brennstoffzellenstapel notwendig wäre.
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In den Druckschriften
DE 10 2018 119 633 A1 und
DE 10 2014 102 504 A1 wird ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffzellenanordnung beschrieben, bei denen die Wandungen des Brennstoffzellenstapelgehäuse selbst als Spannelemente für die Zellreihe dienen; also auf zusätzliche Spannelemente verzichtet werden kann. An diese Brennstoffzellenanordnungen werden erhöhte Anforderungen für die elektrische Isolation gestellt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Brennstoffzellenanordnung sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 3, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und durch ein Kraftfahrzeug mit dem Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei unter anderem die folgenden Schritte auf:
- • Bereitstellen des Brennstoffzellenstapels,
- • Beaufschlagen des Brennstoffzellenstapels mit einer festgelegten Presskraft, wobei der Brennstoffzellenstapel mittels der Presskraft oder Presslänge in Stapelrichtung derart reversibel komprimiert wird, dass er im komprimierten Zustand nunmehr in einem Brennstoffzellenstapelgehäuse anordenbar ist,
- • Anordnen des komprimierten Brennstoffzellenstapels in dem Brennstoffzellenstapelgehäuse unter Aufrechterhaltung der Presskraft,
- • Lösen der Presskraft, sodass der Brennstoffzellenstapel selbsttätig expandiert, wobei die Expansion durch das Brennstoffzellenstapelgehäuse begrenzt wird, sodass der Brennstoffzellenstapel kraftschlüssig durch Presspassung und spannelementfrei in dem Brennstoffzellenstapelgehäuse gehalten wird.
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Der Begriff „spannelementfrei“ ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung derart zu verstehen, dass keine Spannelemente wie Zugbänder oder -stangen zum Zusammenhalten bzw. zur Fixierung des Brennstoffzellenstapels vorhanden bzw. vorgesehen sind. Vielmehr wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Brennstoffzellenstapel nicht durch derartige Spannelemente, sondern durch das Brennstoffzellenstapelgehäuse selbst zusammengehalten bzw. fixiert. Insofern fungiert das Brennstoffzellenstapelgehäuse selbst als Spannelement. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass keine (zusätzlichen) den Bauraumbedarf des Brennstoffzellenstapels erhöhende Spannelemente notwendig sind und insofern die Brennstoffzellenanordnung besonders kompakt herstellbar ist. Darüber hinaus ergibt sich der weitere Vorteil, dass durch den Verzicht auf Spannelemente weniger Einzelteile für die Brennstoffzellenanordnung benötigt werden, sodass die Brennstoffzellenanordnung einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird das Brennstoffzellenstapelgehäuse nach dem Lösen der Presskraft durch ein Deckelelement vollständig, insbesondere reversibel, verschlossen. Durch das Deckelelement wird der Brennstoffzellenstapel innerhalb des Brennstoffzellenstapelgehäuses auf vorteilhafte Weise zuverlässig vor etwaigen schädigenden Umwelteinflüssen geschützt. Das Verschließen dient weiterhin dazu, eine Leckage des Brennstoffzellenstapelgehäuses zu verhindern. Insbesondere wird daher das Brennstoffzellenstapelgehäuse mittels des Deckelelements hermetisch dicht verschlossen. Das Brennstoffzellenstapelgehäuse bzw. das Deckelelement kann zu diesem Zweck beispielsweise eine Dichtung aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Brennstoffzellenstapel kraftschlüssig durch Presspassung und spannelementfrei in den Brennstoffzellenstapelgehäuse gehalten ist. Es ergeben sich die zuvor bereits genannten Vorteile.
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Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gehäuse aus elektrisch leitfähigen Material (z.B. Metall) gebildet ist, sowie dass die Endplatten aus elektrisch isolierendem Material (z.B. Kunststoff) gebildet sind und der Isolationsabstand zum Gehäuse eingehalten wird.
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Bevorzugt weist das Brennstoffzellenstapelgehäuse zumindest eine Öffnung auf, durch welche Medienanschlüssen der Endplatten zugeordnete Medienleitungen hindurchführbar sind, um Medien den Brennstoffzellen zuzuführen oder aus diesen abzuleiten. Hierdurch wird auf konstruktiv einfache Weise der bestimmungsgemäße Betrieb der Brennstoffzellen sichergestellt. Insbesondere ist die Öffnung als Anschlussstutzen ausgebildet, der fluidtechnisch mit den Medienanschlüssen verbunden ist, sodass die Medienleitungen mittelbar über den Anschlussstutzen mit den Medienanschlüssen verbindbar sind. Vorzugsweise weist die Öffnung eine Dichtung auf, um den im Inneren des Brennstoffzellenstapelgehäuses angeordneten Brennstoffzellenstapel vor Umwelteinflüssen zu schützen und/oder eine Leckage das Brennstoffzellenstapelgehäuses zu verhindern.
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Besonders bevorzugt ist das Brennstoffzellenstapelgehäuse wannenförmig ausgebildet und mittels eines Deckelelements vollständig, insbesondere reversibel, verschlossen. Wie vorstehend bereits erwähnt, wird dadurch der Brennstoffzellenstapel auf vorteilhafte Weise vor Umwelteinflüssen geschützt, wobei es sich um eine konstruktiv einfach umsetzbare und kostengünstige Lösung zur Gewährleistung des Schutzes handelt. Insbesondere weist das wannenförmigen Brennstoffzellenstapelgehäuse an seiner dem Deckelelement zugeordneten offenen Seite eine Dichtung auf. Alternativ vorzugsweise weist das Deckelelement die Dichtung auf. Bevorzugt ist das Deckelelement aus dem gleichen Werkstoff gefertigt, wie das Brennstoffzellenstapelgehäuse. Zur Gewährleistung eines reversiblen Verschließens kann das Deckelelement insbesondere mittels einer Rastvorrichtung an dem Brennstoffzellenstapelgehäuse befestigt sein. Auch eine Befestigung bzw. ein Verschließen mittels Verschrauben ist denkbar.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Brennstoffzellenanordnung erfindungsgemäß, wie vorstehend bereits beschrieben, ausgebildet ist. Es ergeben sich die diesbezüglich bereits genannten Vorteile.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug weist insbesondere eine erfindungsgemäße ausgebildete Brennstoffzellenvorrichtung, wie vorstehend beschrieben, auf. Auch hier ergeben sich die diesbezüglich bereits genannten Vorteile.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
- 1A bis 1C Eine vereinfachte schematische Darstellung einer vorteilhaften Brennstoffzellenanordnung zu verschiedenen Zeitpunkten während eines vorteilhaften Herstellungsverfahrens.
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1A zeigt in einer vereinfachten schematischen Darstellung eine vorteilhafte Brennstoffzellenanordnung 1 zu einem ersten Zeitpunkt während eines vorteilhaften Herstellungsverfahrens zur Herstellung der Brennstoffzellenanordnung 1.
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Die Brennstoffzellenanordnung 1 weist einen Brennstoffzellenstapel 2 auf, der zu dem in 1A gezeigten ersten Zeitpunkt in einem vorgefertigten Zustand zur Herstellung der Brennstoffzellenanordnung 1 bereitgestellt wird. Der Brennstoffzellenstapel 2 weist eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 3 auf, die in einer Stapelrichtung aufeinander bzw. aneinander gestapelt und zwischen zwei Endplatten 4 des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet sind. Die Endplatten 4 weisen jeweils zumindest einen Medienanschluss 5 auf, mittels welchem für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Brennstoffzellen 3 benötigte Medien, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, den Brennstoffzellen 3 zuführbar und/oder von diesen abführbar sind.
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1 B zeigt die Brennstoffzellenanordnung zu einem zweiten Zeitpunkt während des Herstellungsverfahrens.
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Wie in 1 B gezeigt ist, wird der zuvor bereitgestellte Brennstoffzellenstapel 2 mit einer in 1B durch Pfeile dargestellten Presskraft F beaufschlagt, mittels welcher der Brennstoffzellenstapel 2 in Stapelrichtung komprimiert wird. Die Presskraft F wird dabei durch eine vorliegend aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigte Pressvorrichtung auf den Brennstoffzellenstapel 2 ausgeübt. Die Presskraft F ist dabei derart eingestellt, dass die Brennstoffzellen 3 aneinandergepresst, dabei jedoch nicht beschädigt werden. Darüber hinaus erfolgt die Komprimierung des Brennstoffzellenstapels 2 nicht dauerhaft, sondern reversibel, also derart, dass der Brennstoffzellenstapel 2 nach Beendigung der Beaufschlagung mit der Presskraft F intrinsisch wieder in seinen unkomprimierten Ausgangszustand zurück expandiert.
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Wie in 1B weiterhin gezeigt ist, erfolgt die Komprimierung derart, dass der Brennstoffzellenstapel 2 im komprimierten Zustand nunmehr in einem Brennstoffzellenstapelgehäuse 6 anordenbar ist. Insofern weist das Brennstoffzellenstapelgehäuse 6 ein Außen- oder Längenmaß auf, das kleiner ist, als die Längserstreckung (Erstreckung in Stapelrichtung) des Brennstoffzellenstapels 2 im unkomprimierten Ausgangszustand. Somit passt der Brennstoffzellenstapel 2 erst durch die Komprimierung überhaupt erst in das Brennstoffzellenstapelgehäuse 6.
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Nach der Komprimierung des Brennstoffzellenstapels 2 ist nunmehr vorgesehen, dass der komprimierte Brennstoffzellenstapel 2 unter Aufrechterhaltung der Presskraft F in dem Brennstoffzellenstapelgehäuse 6 angeordnet wird, wie in 1B beispielhaft anhand eines Pfeils 7 dargestellt ist.
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Das Brennstoffzellenstapelgehäuse 6 ist vorliegend wannenförmig ausgebildet, sodass der Brennstoffzellenstapel 2 in einem durch das Brennstoffzellenstapelgehäuse 6 gebildeten Innenraum 8 anordenbar ist bzw. angeordnet wird. Das Brennstoffzellenstapelgehäuse 6 weist weiterhin an den Endplatten 4 zugeordneten Seitenwänden 9 jeweils zumindest eine in 1B gestrichelt dargestellte Öffnung 10 auf, durch welche den Medienanschlüssen 5 zugeordnete Medienleitungen hindurchführbar sind. Die Medienleitungen sind vorliegend aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigt und dienen dazu, die vorstehend beschriebenen Medien für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Brennstoffzellen 3 zu fördern. Optional können die Öffnungen 10 als mit den Medienanschlüssen 5 fluidtechnisch verbindbare Anschlussstutzen ausgebildet sein, sodass die Medien mittelbar über die Anschlussstutzen den Brennstoffzellen 3 zuführbar sind. Vorzugsweise ist an den Öffnungen 10 bzw. den Anschlussstutzen eine Dichtung vorhanden, um eine Leckage der Medien zu verhindern.
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1C zeigt die Brennstoffzellenanordnung 1 zu einem dritten Zeitpunkt während des Herstellungsverfahrens, bei welchem der Brennstoffzellenstapel 2 innerhalb des Brennstoffzellenstapelgehäuse 6 angeordnet ist.
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Es ist vorgesehen, dass, nachdem der Brennstoffzellenstapel 2 in dem Brennstoffzellenstapelgehäuse 6 bzw. Innenraum 8 angeordnet ist, die Presskraft F gelöst wird bzw. die Beaufschlagung des Brennstoffzellenstapels 2 mit der Presskraft F endet, sodass der Brennstoffzellenstapel 2, wie vorstehend bereits beschrieben, selbsttätig zurück in seinen unkomprimierten Ausgangszustand expandiert, wie in 1C durch einen Doppelpfeil 11 beispielhaft dargestellt ist. Aufgrund der gegenüber dem Ausgangszustand in Stapelrichtung kleineren Dimensionierung des Brennstoffzellenstapelgehäuses 6 wird die Expansion des Brennstoffzellenstapels 2 durch das Brennstoffzellenstapelgehäuse 6, genauer gesagt durch seine Seitenwänden 9, begrenzt, sodass der Brennstoffzellenstapel 2 nicht vollständig in seinen unkomprimierten Ausgangszustand zurück expandieren kann. Dadurch wird bewirkt, dass der Brennstoffzellenstapel 2 nunmehr kraftschlüssig durch Presspassung in dem Brennstoffzellenstapelgehäuse 6 gehalten wird.
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Insofern ist bei der vorliegenden Brennstoffzellenanordnung 1 der Brennstoffzellenstapel 2 in dem Brennstoffzellenstapelgehäuse 6 spannelementfrei gehalten, sprich, es sind keine zusätzlichen Spannelemente wie beispielsweise Zugbänder oder -stangen notwendig, um den Brennstoffzellenstapel 2 in dem Brennstoffzellenstapelgehäuse 6 zu fixieren bzw. den Brennstoffzellenstapel 2 in der gestapelten Form aufrechtzuerhalten, also die aufeinander gestapelten Brennstoffzellen 3 und Endplatten 4 beieinander zu halten. Durch den Verzicht auf Spannelemente bietet die vorliegende Brennstoffzellenanordnung 1 den Vorteil, dass sie vergleichsweise wenig Bauraum benötigt und weiterhin aus wenig Einzelteilen gefertigt und damit auf einfache Art und Weise herstellbar ist.
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Wie in 1C weiterhin gezeigt ist, ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vorteilhafterweise vorgesehen, dass nach dem Lösen der Presskraft F das Brennstoffzellenstapelgehäuse 6 mittels eines Deckelelements 12 verschlossen wird. Das Deckelelement 12 wird dabei auf die offene Seite des wannenförmigen Brennstoffzellenstapelgehäuses 6 aufgelegt und vorzugsweise reversibel, beispielsweise mittels einer Rastvorrichtung oder mittels Schrauben, fixiert. Mittels des Deckelelements 12 ist das Brennstoffzellenstapelgehäuse 6 bzw. der Innenraum 8 bevorzugt hermetisch abgeschlossen, um den Brennstoffzellenstapel 2 vor schädlichen Umwelteinflüssen zu schützen und weiterhin eine Leckage des Brennstoffzellenstapelgehäuses 6 sicher zu vermeiden. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass vor oder nach dem Aufbringen des Deckelements 12 eine Vergußmasse in die Freiräume zwischen dem Brennstoffzellenstapel 2 und des Brennstoffzellenstapelgehäuses 6 eingebracht wird, so dass die Zellreihe des Brennstoffzellenstapels 2 elektrisch isoliert vergossen vorliegt.
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Vorzugsweise ist das Deckelelement 12 aus dem gleichen Werkstoff gefertigt, wie das Brennstoffzellenstapelgehäuse 6. Optional weist das Deckelelement 12 weiterhin an seiner dem Brennstoffzellenstapelgehäuse 6 zugeordneten Stirnseite eine Dichtung auf, um ein dichtes Verschließen des Brennstoffzellenstapelgehäuses 6 zu gewährleisten. Alternativ Optional ist diese Dichtung an der dem Deckelelement 12 zugeordneten Stirnseite des Brennstoffzellenstapelgehäuses 6 angeordnet.
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BEZUGSZEICHENLISTE:
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- 1
- Brennstoffzellenanordnung
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Brennstoffzellen
- 4
- Endplatten
- 5
- Medienanschluss
- 6
- Brennstoffzellenstapelgehäuse
- 7
- Pfeil
- 8
- Innenraum
- 9
- Seitenwände
- 10
- Öffnungen
- 11
- Doppelpfeil
- 12
- Deckelelement
