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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung mit einem Brennstoffzellenstapel zumindest bestehend aus einer Mehrzahl von zwischen zwei Endplatten angeordneten Brennstoffzellen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung 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. In 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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Bei bekannten Brennstoffzellenanordnungen besteht jedoch die Problematik, dass der Brennstoffzellenstapel beim Bau oftmals zum Durchbiegen neigt. Die Gefahr des Durchbiegens erhöht sich dabei mit zunehmender Größe bzw. Länge des Brennstoffzellenstapels, also mit zunehmender Anzahl an aneinander angeordneten Brennstoffzellen. Darüber hinaus kann es auch bei bestimmungsgemäßem Betrieb der Brennstoffzellenanordnung durch Stoß-, und Vibrationsbewegungen zu weiteren kleinen Verschiebungen der Brennstoffzellen zueinander kommen, sodass sich der Brennstoffzellenstapel weiter durchbiegt.
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Beim bestimmungsgemäßem Gebrauch der Brennstoffzellenanordnung ist der Brennstoffzellenstapel üblicherweise in einem Brennstoffzellenstapelgehäuse angeordnet. Unvorteilhafterweise führt die vorstehend erörterte Problematik dazu, dass bei bekannten Brennstoffzellenanordnungen der Brennstoffzellenstapel aus Isolationsgründen einen gewissen Abstand zu dem Brennstoffzellenstapelgehäuse aufweisen muss, sodass mehr Bauraum benötigt wird.
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Die
WO 2013/053 374 A1 offenbart einen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels, wobei der Aufbau ein Brennstoffzellenstapelgehäuse mit zwei äußeren und einer mittigen Verstärkungsrippe aufweist.
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Die
WO 2004/075 330 A1 offenbart eine Endplatte für einen Brennstoffzellenstapel, wobei die Endplatte konstruktiv für eine gleichförmige Druckbelastung ausgelegt ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine bezüglich der vorstehend genannten Problematik verbesserte Brennstoffzellenanordnung bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1, der Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 8 und dem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen von Anspruch 9.
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Die Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, dass der Brennstoffzellenstapel eine zwischen den Brennstoffzellen angeordnete Zwischenplatte aufweist, welche mittels zumindest einem Festlager senkrecht zu einer Stapelrichtung der Brennstoffzellen an einem Befestigungselement der Brennstoffzellenanordnung befestigbar oder befestigt ist. Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist somit die Zwischenplatte innerhalb des Brennstoffzellenstapels, also im Bereich zwischen den Endplatten zwischen den dort befindlichen Brennstoffzellen, angeordnet und an dieser Position an dem Befestigungselement fixierbar bzw. bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Brennstoffzellenanordnung fixiert.
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Die Brennstoffzellenanordnung bzw. der Brennstoffzellenstapel wird durch die Zwischenplatte auf vorteilhafte Weise versteift, sodass eine insbesondere deutliche Reduzierung der Durchbiegung sichergestellt ist. Dadurch ergibt sich der weitere Vorteil, dass auch längere Brennstoffzellenstapel bzw. entsprechende Zellreihen realisierbar sind, wobei mittels der erfindungsgemäßen Zwischenplatte die mechanische Stabilität des Brennstoffzellenstapels sicher gewährleistet ist.
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Vorzugsweise ist die Zwischenplatte mittels mehrerer Festlager senkrecht zu der Stapelrichtung an dem einen und/oder zumindest einem weiteren Befestigungselement befestigbar bzw. bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Brennstoffzellenanordnung befestigt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das Befestigungselement ein Brennstoffzellenstapelgehäuse, in welchem der Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Die Zwischenplatte ist also an dem Brennstoffzellenstapelgehäuse, vorzugsweise an einer dem Brennstoffzellenstapel zugeordneten Innenwand des Brennstoffzellenstapelgehäuses, befestigbar bzw. bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Brennstoffzellenanordnung befestigt. Durch die Befestigung der Zwischenplatte bzw. des Brennstoffzellenstapels direkt an den Brennstoffzellenstapelgehäuse kann vorteilhafterweise zusätzlicher Bauraum eingespart werden. Darüber hinaus ist zudem kein Bauraum benötigendes separates Befestigungselement notwendig.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass sie Zwischenplatte in der Mitte des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. In anderen Worten weist die Zwischenplatte zu den beiden Endplatten jeweils den gleichen Abstand auf bzw. es befinden sich zwischen der ersten Endplatte und der Zwischenplatte genauso viele Brennstoffzellen, wie zwischen der Zwischenplatte und der zweiten Endplatte. Vorteilhafterweise wird dadurch die Druckbelastung auf den Brennstoffzellenstapel optimal verteilt und dadurch die Gefahr des Durchbiegens besonders gut reduziert. Alternativ ist selbstverständlich auch, insbesondere in Abhängigkeit der tatsächlichen konstruktiven Ausbildung der Brennstoffzellenanordnung, eine Anordnung der Zwischenplatte an einer anderen Position denkbar. Dadurch können die Vorteile der Zwischenplatte optimal auf die jeweilige Ausbildung der Brennstoffzellenanordnung zugeschnitten werden.
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Vorzugsweise sind auch die Endplatten jeweils mittels zumindest einem weiteren Festlager an den Befestigungselement, insbesondere dem Brennstoffzellenstapelgehäuse, befestigbar oder befestigt. Dadurch wird die mechanische Stabilität der Brennstoffzellenanordnung weiter verbessert und damit einhergehend die Gefahr des Durchbiegens des Brennstoffzellenstapels weiter reduziert. Insbesondere sind auch die Endplatten jeweils mittels mehrerer weiterer Festlager befestigbar oder befestigt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass sie Zwischenplatte aus einem biegesteifen Werkstoff gefertigt ist. Die Auswahl des entsprechenden Werkstoffs erfolgt dabei vorzugsweise in Abhängigkeit der zu erwartenden mechanischen Belastungen für die Brennstoffzellenanordnung bzw. den Brennstoffzellenstapel. Vorteilhafterweise wird dadurch die mechanische Stabilität der Brennstoffzellenanordnung nochmals verbessert.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Zwischenplatte und/oder die Endplatten lösbar durch das jeweilige Festlager an dem Befestigungselement, insbesondere dem Brennstoffzellenstapelgehäuse, befestigt sind. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass bei Bedarf, beispielsweise zu Wartungszwecken, die Brennstoffzellenanordnung einfach und zerstörungsfrei demontierbar ist.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 7 zeichnet sich 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 Kraftfahrzeug mit den Merkmalen von Anspruch 8 weist eine erfindungsgemäß ausgebildete Brennstoffzellenvorrichtung, wie vorstehend beschrieben, auf. Auch hier ergeben sich die diesbezüglich bereits genannten Vorteile.
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Bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor beschriebenen sowie den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigt:
- 1 Eine vereinfachte schematische Querschnittsdarstellung einer vorteilhaften Brennstoffzellenanordnung.
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1 zeigt in einer vereinfachten schematischen Darstellung einen Querschnitt durch eine vorteilhafte Brennstoffzellenanordnung 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 2.
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Der Brennstoffzellenstapel 2 weist eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 3 auf, die in einer Stapelrichtung aufeinander bzw. aneinander gestapelt sind. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in 1 nicht alle Brennstoffzellen 3 mit einem Bezugszeichen versehen. Die aufeinander gestapelten Brennstoffzellen 3 sind dabei innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 zwischen zwei Endplatten 4 angeordnet, welche insofern den Brennstoffzellenstapel 2 begrenzen. Optional können die Endplatten 4 vorliegend aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigte Medienanschlüsse aufweisen, um die Brennstoffzellen 3 mit Medien zu versorgen.
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Beim Bau des Brennstoffzellenstapels 2 und beim späteren Gebrauch kann es aufgrund von Schock- und Vibrationsbewegungen sowie der Länge des Brennstoffzellenstapels 2 zu Verschiebungen der Brennstoffzellen 3 zueinander und damit zu einem Durchbiegen des Brennstoffzellenstapels 2 kommen.
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Um dieses Durchbiegen zu vermeiden bzw. zumindest zu reduzieren, ist bei der vorliegenden Brennstoffzellenanordnung 1 vorteilhafterweise vorgesehen, dass der Brennstoffzellenstapel 2 eine zwischen den Brennstoffzellen 3 angeordnete Zwischenplatte 5 aufweist. Zur mechanischen Stabilisierung des Brennstoffzellenstapels 2 ist die Zwischenplatte 5 dabei mittels zumindest einem Festlager 6 senkrecht zu der Stapelrichtung der Brennstoffzellen 3 an einem Befestigungselement 7 der Brennstoffzellenanordnung 1 befestigt.
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Vorliegend handelt es sich bei dem Befestigungselement 7 um ein Brennstoffzellenstapelgehäuse 8 der Brennstoffzellenanordnung 1, in welchem der Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Zwischenplatte 5 dabei mittels zwei Festlagern 6 an einer Innenwand 9 des Brennstoffzellenstapelgehäuses 8 befestigt, wobei die beiden Festlager 6 an gegenüberliegenden Stirnseiten der Zwischenplatte 5 angeordnet sind.
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Durch diese mechanische Befestigung wird eine auf den Brennstoffzellenstapel 2 einwirkende Druckbelastung mittels der Zwischenplatte 5 an bzw. in das Brennstoffzellenstapelgehäuse 8 abgeleitet, sodass auf vorteilhafte Weise ein geringeres Durchbiegen des Brennstoffzellenstapels 2 gewährleistet ist.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Zwischenplatte 5, wie in 1 gut zu erkennen ist, in der Mitte des Brennstoffzellenstapels 2 angeordnet. In anderen Worten weist die Zwischenplatte 5 zu den Endplatten 4 jeweils den gleichen Abstand auf bzw. es befinden sich zwischen der einen Endplatte 4 und der Zwischenplatte 5 genauso viele Brennstoffzellen 3 (beispielsweise fünfzig Brennstoffzellen 3), wie zwischen der Zwischenplatte 5 und der anderen Endplatte 4.
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Alternativ kann gemäß vorliegend nicht gezeigten Ausführungsbeispielen auch vorgesehen sein, dass die Zwischenplatte 5 außermittig angeordnet ist, sich also der Abstand der Zwischenplatte 5 zu der einen Endplatte 4 von dem Abstand der Zwischenplatte 5 zu der anderen Endplatte 4 unterscheidet. Vorzugsweise erfolgt die Auswahl der Position bzw. Anordnung der Zwischenplatte 5 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 in Abhängigkeit der zu erwartenden mechanischen Belastungen der Brennstoffzellenanordnung 1.
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Vorzugsweise ist die Zwischenplatte 5 aus einem biegesteifen Werkstoff gefertigt, um ihre mechanische Stabilität auch bei hohen Druckbelastungen zu gewährleisten. Die Auswahl des Werkstoffs erfolgt dabei vorzugsweise in Abhängigkeit der zu erwartenden Druckbelastungen an den Brennstoffzellenstapel 2.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind vorteilhafterweise weiterhin auch die beiden Endplatten 4 jeweils mittels zumindest einem weiteren Festlager 6`, vorliegend jeweils mittels zwei weiteren Festlagern 6` (analog zu der Zwischenplatte 5), an dem Befestigungselement 7 bzw. vorliegend dem Brennstoffzellenstapelgehäuse 8 befestigt. Dadurch wird die mechanische Stabilität des Brennstoffzellenstapels 2 weiter verbessert. Bevorzugt sind die Festlager 6 und die weiteren Festlager 6` dabei identisch ausgebildet. Alternativ können die Festlager 6 und die weiteren Festlager 6` sich selbstverständlich auch hinsichtlich ihrer Ausbildung unterscheiden.
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Vorliegend sind die Zwischenplatte 5 und die Endplatten 4 dabei durch die jeweiligen Festlager 6, 6' jeweils lösbar an dem Brennstoffzellenstapelgehäuse 8 befestigt, um bei Bedarf, beispielsweise zu Wartungszwecken, die Brennstoffzellenanordnung 1 einfach und vor allem zerstörungsfrei demontieren zu können. Insofern kann vorliegend das Brennstoffzellenstapelgehäuse 8 zerstörungsfrei geöffnet werden, wozu es beispielsweise ein vorliegend nicht gezeigtes Deckelelement oder einen Öffnungsmechanismus aufweist.
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BEZUGSZEICHENLISTE:
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- 1
- Brennstoffzellenanordnung
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Brennstoffzellen
- 4
- Endplatten (starr)
- 5
- Zwischenplatte (starr)
- 6
- Festlager
- 6`
- weiteres Festlager
- 7
- Befestigungselement
- 8
- Brennstoffzellenstapelgehäuse
- 9
- Innenwand
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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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- WO 2013/053374 A1 [0006]
- WO 2004/075330 A1 [0007]
