DE19724428A1 - Gehäuse für einen Niedertemperatur-Brennstoffzellenstack - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für einen Niedertemperatur-Brennstoffzel­ lenstack (z. B. Stacks aus PEM-Brennstoffzellen oder alkalischen Brennstoff­ zellen), insbesondere für mobile Anwendungen.

Ein Brennstoffzellenstack (im folgenden auch Brennstoffzellenstapel genannt) zur Stromerzeugung an Bord eines Elektrofahrzeugs umfaßt häufig mehr als hundert in Reihe geschaltete Einzelzellen sowie zusätzliche Dichtungen zwi­ schen jeder Zelle. Bereits eine leichte äußere mechanische Einwirkung kann schnell zur Beschädigung einer Einzelzelle führen, wobei bei Undichtigkeit von nur einer Zelle der gesamte Stack abgeschaltet werden muß. Eine solche Abschaltung ist einerseits durch die elektrochemische Vorgänge innerhalb des Stacks und andererseits durch die starke Beeinträchtigung der Betriebssi­ cherheit begründet.

Bisherige Brennstoffzellenstacks im Niedertemperaturbereich besitzen außen- oder innenliegende Zugankerstangen zur Verspannung und Führung der Zel­ lenstapel. Für den Einsatz von Brennstoffzellen-Stacks, insbesondere in Kraft­ fahrzeugen, bieten weder innenliegende noch außenliegende Zuganker ei­ nen ausreichenden Schutz der Zellen gegenüber mechanischen Einwirkun­ gen beim Einbau und Betrieb des Brennstoffzellenstacks. Darüberhinaus wei­ sen innenliegende Zuganker den Nachteil auf, daß sie den aktiven Bereich des Brennstoffzellenstacks stark einschränken.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Schutz des Brennstoffzellen­ stacks gegen äußere mechanische Einwirkungen zu schaffen, der zusätzlich die Funktion der Zuganker für das Zusammenpressen des Brennstoffzellen­ stacks übernehmen kann.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß dient als äußerer Schutz des Niedertemperatur-Brennstoff­ zellenstacks ein Gehäuse, welches z. B. mittels eines Strangpreßverfahrens hergestellt werden kann. Es weist einen an die Geometrie des Stacks ange­ paßten, insbesondere rechtwinkligen Querschnitt und eine wechselnde Wanddicke mit mehreren Versteifungsrippen parallel zur Gehäusehauptachse auf. An seinen beiden Stirnseiten ist ein Gehäusedeckel und einem Gehäuse­ boden vorhanden, zwischen denen der Niedertemperatur-Brennstoffzellen­ stack verspannt werden kann.

Mit dem erfindungsgemäßen Profilgehäuse wird eine Umhüllung zum mecha­ nischen, thermischen und elektrischen Schutz geschaffen, welche den Ge­ häusen von Elektromotoren, Getrieben, Motorblöcken usw. in Funktion und Aussehen ähnelt. Die Robustheit solcher Gehäuse ist lange erprobt und auch die Herstellung basiert auf einem umfangreichen Erfahrungsschatz.

Neben dem Schutz vor mechanischen Einflüssen auf den Brennstoffzellen­ stack unterstützt das stabile Gehäuse auch den Berührungsschutz vor Bautei­ len, die den erzeugten elektrischen Strom leiten. Weiter bildet das Gehäuse eine Schranke gegenüber der thermischen Abstrahlung des Stacks, so daß die aktive Kühlung im Zellinneren wegen geringerer Störgrößen wirkungsvol­ ler eingesetzt werden kann.

Besonders vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Gehäuse ist es, daß es nicht nur die beschriebene Schutzfunktion übernimmt, sondern daß es gleich­ zeitig auch die Zugkräfte beim Verspannen der Brennstoffzellenstacks aufneh­ men kann. Zur Erreichung der notwendigen mechanischen Stabilität dienen die axialen Versteifungsrippen. Zusätzliche Zuganker, die typischerweise ein hohes Gewicht aufweisen, sind bei dem erfindungsgemäßen Gehäuse somit nicht mehr erforderlich.

Das Verspannen des Brennstoffzellenstacks geschieht zwischen Gehäuse­ deckel und Gehäuseboden an den Stirnseiten des Gehäuses, die z. B. als wie­ derlösbarer Gehäusedeckel und fest verbundener, z. B. angeschweißter Ge­ häuseboden ausgebildet sind.

Die gehäuseseitigen Mittel zur Befestigung des Gehäusedeckels an dem Ge­ häuse sind in einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung gerade an den aufgrund der Rippen verbreiterten Gehäusequerschnittsbereichen an­ geordnet.

Das Gehäuse besteht bevorzugt aus Kunststoff oder Metall, insbesondere Leichtmetall.

An der Innenwand des Gehäuses besteht die Möglichkeit, Führungsprofile in die Querschnittsstruktur zu integrieren, um die exakte Stapelung der Einzel­ zellen bei einer automatisierten Montage zu erleichtern. Weitere Modifikatio­ nen des Gehäusequerschnitts können z. B. zur Aufnahme von Sensoren und Funktionsüberwachungseinheiten dienen.

Das erfindungsgemäße Gehäuse kann sehr kostengünstig hergestellt werden.

Es kann vorteilhaft durch Strangpressen erzeugt werden. Hierbei handelt es sich um ein an sich bekanntes und sehr gut erprobtes Verfahren, mit dem eine sehr kostengünstige Herstellung des Gehäuses ermöglicht wird.

Mittels Strangpressen können Bauteile mit sehr komplizierten Querschnitten hergestellt werden. Dabei drückt ein Stempel den erwärmten Werkstoff durch eine Matrize, die den gewünschten Querschnitt aufweist. Der Werkstoff wird plastisch verformt und bildet einen Strang mit hohlem Querschnitt. Der Durch­ messer des ein Profil umschreibenden Kreises kann bei dieser Technologie mehr als 400 mm betragen und die Länge eines Strangs mehr als 20 m.

Daneben eignen sich jedoch auch andere kostengünstige Umformverfahren und Urformverfahren, wie z. B. Strangziehen, Fließpressen, Tixocasting etc. oder Spritzgießen.

Das erfindungsgemäße Gehäuse für Niedertemperatur-Brennstoffzellenstacks kann insbesondere zur Stromerzeugung an Bord von Elektrofahrzeugen ein­ gesetzt werden, wobei der erzeugte Strom zum Antrieb des Fahrzeugs dient.

Eine Ausführung der Erfindung wird anhand von drei Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das erfindungsgemäße Gehäuse im Querschnitt;

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Gehäuse nach Fig. 1 mit zusätzlichem Boden und Deckel in Seitenansicht;

Fig. 3 das erfindungsgemäßes Gehäuse nach Fig. 1 und 2 in Draufsicht.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Gehäuse 1 im Querschnitt, z. B. hergestellt mittels eines Strangpreßverfahrens. Durch das Herstellverfahren ist der Quer­ schnitt über die gesamte Länge des Bauteils identisch. Die Hauptachse des Gehäuses liegt senkrecht zur Papierebene. Die Querschnittsform ist in der ge­ zeigten Ausführung rechtwinklig, wobei jedoch selbstverständlich auch qua­ dratische Querschnitte als Spezialfall eines Rechtecks möglich sind. Die ge­ zeigte Form des Querschnitts ist an die Geometrie eines Brennstoffzellen­ stacks mit rechtwinkligem Querschnitt angepaßt, so daß dieser ohne größere Zwischenräume vom Gehäuse umhüllt wird.

Die Querschnittsfläche liegt entsprechend der Größe der heute gängigen Nie­ dertemperatur-Brennstoffzellen bevorzugt im Bereich zwischen 200 cm² und bis zu 1200 cm², wobei die Kantenlängen bei rechtwinkligen Querschnitten typischerweise mindestens 100 mm betragen, z. B.
250 × 180 mm oder
250 × 250 mm.

Die Länge des Gehäuses liegt insbesondere im Bereich von 50 bis 70 cm, z. B. 70 cm.

Man erkennt deutlich die axial verlaufenden Rippen 3 zur Versteifung der Ge­ häusewand. Aufgrund dieser Versteifungsrippen 3 ist die Dicke der Gehäuse­ wand nicht konstant, sondern die Wanddicke erhöht sich an den Orten der Versteifungsrippen 3 entsprechend. Sie verlaufen in der gezeigten Ausfüh­ rung an der Außenseite des Gehäuses 1, sie können jedoch auch an der In­ nenseite verlaufen. Die Versteifungsrippen 3 weisen hier eine abgerundete Form auf.

Fig. 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Gehäuse 1 in Seitenansicht. An den bei den Stirnseiten des Gehäuses 1 sind zwei plattenförmige Bauteile 11, 13 an­ geordnet, zwischen denen der Brennstoffzellenstapel eingespannt ist. Die Platte rechts wird dabei als Gehäuseboden 13 bezeichnet. Sie ist fest mit dem Gehäuse 1 verbunden, z. B. verschweißt. Der Gehäuseboden kann z. B. auch der Boden oder eine sonstige Wandung des Fahrzeugs selbst sein. Die Platte links, die als Gehäusedeckel 11 bezeichnet wird, ist mittels Schrauben 15 an dem Gehäuse 1 wiederlösbar befestigt. Durch Anziehen oder Lösen der Schrauben 15 kann die Verspannung des Brennstoffzellenblocks gezielt ein­ gestellt werden. Die zugehörigen Bohrlöcher mit Gewinde für die Schrauben 15 sind dabei bevorzugt in den Rippenbereichen der Gehäusestirnseite ange­ ordnet (Fig. 3).

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße Gehäuse, und zwar auf diejenige Stirnseite, auf der der lösbare Gehäusedeckel 11 angeordnet ist. Man erkennt, daß die Schrauben 15 zur Verbindung von Deckel 11 und Ge­ häuse gerade in den Stirnseiten der Versteifungsrippen 3 des Gehäuses vor­ handen sind.

Claims (5)

1. Gehäuse (1) für einen Niedertemperatur-Brennstoffzellenstack, mit einem an die Geometrie des Niedertemperatur-Brennstoffzellenstacks angepaß­ ten Querschnitt und einer wechselnden Wanddicke mit mehreren, in Rich­ tung der Gehäusehauptachse verlaufenden Versteifungsrippen (3), und einem Gehäusedeckel (11) und einem Gehäuseboden (13) an den bei­ den Stirnseiten, wobei der Niedertemperatur-Brennstoffzellenstack zwi­ schen Gehäusedeckel und Gehäuseboden verspannbar ist.

2. Gehäuse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es durch Strangpressen, Strangziehen, Fließpressen, Tixocasting oder Spritzgießen hergestellt ist.

3. Gehäuse (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stirnseiten der Versteifungsrippen (3) Mittel zur wiederlösbaren Befestigung des Gehäusedeckels (11) oder des Gehäusebodens (13) vor­ handen sind.

4. Gehäuse (1) für einen Brennstoffzellenstack nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es aus Leichtmetall oder Kunststoff besteht.

5. Gehäuse (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es an Bord eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird.