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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle.
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Brennstoffzellen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Diese dienen dazu, insbesondere durch Verwendung einer Reaktion Elektronen freizusetzen, um so einen Stromfluss zu erzeugen bzw. Energie bereitstellen zu können. Als Brennstoff können unterschiedliche Fluide zum Einsatz kommen, z.B. Wasserstoff. Problematisch bei den bekannten Systemen ist jedoch, dass die Brennstoffzellen ausmehren Zellen bestehen, die jeweils durch Bipolarplatten voneinander getrennt sind. Diese Zellen werden meist stapelhaft angeordnet und durch eine Endplatte endseitig bedeckt, um so eine kompakte Bauform zu erreichen. Die Fixierung der Zellen zueinander und der Endplatte erfolgt meist durch ein externes Verbindungsmittel. Hierdurch sind die Bipolarplatten und die Endplatte jedoch großen Biegespannungen ausgesetzt und/oder es resultiert ein hoher Bauraumbedarf.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine bauraumsparende Anordnung bereitzustellen, die dennoch eine sichere Fixierung der Bestandteile der Brennstoffzelle ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird mit einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere Vorteile, Merkmale und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie aus den Figuren.
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Erfindungsgemäß ist eine Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Bipolarplatte, insbesondere eine Vielzahl von Bipolarplatten, und/oder umfasst insbesondere ein Verbindungsmittel, insbesondere eine Vielzahl von Verbindungsmitteln, wobei die Bipolarplatte sich in eine Längsrichtung und in eine Breitenrichtung erstreckt, wobei die Längsrichtung und die Breitenrichtung insbesondere senkrecht aufeinander stehen, wobei die Bipolarplatte eine Vielzahl von Durchbrüchen aufweist, wobei die Durchbrüche eine äußere Kontur aufweisen, wobei die äußere Kontur der Durchbrüche insbesondere jeweils durch einen Montagedurchbruch und zumindest einen Strömungsdurchbruch ausgebildet sind, wobei der Montagedurchbruch vorteilhafterweise einen kreissegmentförmigen Teil der äußeren Kontur des Durchbruchs ausbildet, und wobei der Montagedurchbruch oder der Durchbruch bzw. einer der Durchbrüche dazu ausgebildet ist, das oder ein Verbindungsmittel aufzunehmen. Die Brennstoffzelle dient dazu, Energie von einer, meist chemisch gebunden, Form in eine andere Form, insbesondere elektrische Energie, zu wanden. Die Brennstoffzelle verfügt über Bipolarplatten und/oder Verbindungsmittel. Die Verbindungsmittel werden im Folgenden noch weiter erläutert werden. Wichtig ist jedoch, dass vorteilhafterweise zumindest ein Verbindungsmittel, bevorzugt eine Vielzahl von Verbindungsmitteln, und ganz besonders bevorzugt alle Verbindungsmittel, sich durch die Bipolarplatten bzw. durch die Durchbrüche einiger oder aller Bipolarplatten erstrecken. In anderen Worten umgeben die Bipolarplatte oder einige der Bipolarplatten die Verbindungsmittel bzw. umschließen diese. Hierdurch kann eine besonders kompakte Anordnung geschaffen werden. Die Bipolarplatte dient dazu, einen Teil einer Brennstoffzelle auszubilden oder ausbilden zu können. Die Bipolarplatte erstreckt sich in einer Längsrichtung und in einer Breitenrichtung, wobei die Längsrichtung und die Breitenrichtung insbesondere senkrecht aufeinander stehen, wobei die Bipolarplatte eine Vielzahl von Durchbrüchen aufweist, wobei die Durchbrüche eine äußere Kontur aufweisen, wobei die äußere Kontur der Durchbrüche jeweils durch einen Montagedurchbruch und zumindest einen Strömungsdurchbruch ausgebildet sind, wobei der Montagedurchbruch einen kreissegmentförmigen Teil der äußeren Kontur des Durchbruchs ausbildet, und wobei der Montagedurchbruch dazu ausgelegt ist, ein Verbindungsmittel aufzunehmen. Die Bipolarplatte ist ein Teil und/oder kann in einer Brennstoffzelle angeordnet bzw. Verwendung finden. Insbesondere ist jeweils zwischen zwei Bipolarplatten jeweils ein MEA angeordnet. Unter einem MEA ist eine Membran-Elektroden-Einheit im Sinne der Erfindung zu verstehen. Die Bipolarplatten dienen daher dazu, Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, und/oder Sauerstoff und/oder Verbrennungsprodukte, insbesondere Fluide, z. B.
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Wasser oder Wasserdampf, von und/oder zu der MEA führen zu können und gleichzeitig das Aufnahmevolumen für die MEA zumindest teilweise zu begrenzen. Des Weiteren können die Bipolarplatten insbesondere dazu dienen, Elektronen zu leiten. Die Bipolarplatten sind insbesondere, zumindest teilweise, aus einem leitfähigen Material ausgebildet und/oder aus Kunststoff und/oder zumindest teilweise, aus einem isolierenden Material. Die Bipolarplatten können daher insbesondere einen Teil eines Stapels bzw. eines „Sacks“ einer Brennstoffzelle ausbilden. Die Bipolarplatten erstrecken sich insbesondere in einer Längsrichtung und in einer Breitenrichtung. Die Längsrichtung ist insbesondere diejenige Richtung, in welcher die Bipolarplatte ihre größte Hauptabmessung aufweist. Die Breitenrichtung hingegen kann insbesondere diejenige Richtung sein, in welcher sich die Breite der Bipolarplatte bemisst. Senkrecht zu der Längsrichtung und/oder der Breitenrichtung stehend kann dabei eine Höhenrichtung sein. Die Höhenrichtung kann insbesondere diejenige Richtung sein, in welcher sich die Materialstärke der Bipolarplatte bemisst. Besonders zweckmäßig stehen dabei die Längsrichtung und die Breitenrichtung senkrecht aufeinander. Des Weiteren bevorzugt können insbesondere die Längsrichtung, die Breitenrichtung und die Höhenrichtung jeweils senkrecht zueinanderstehen. In anderen Worten können die Längsrichtung, die Breitenrichtung und die Höhenrichtung ein rechtwinkliges Koordinatensystem miteinander ausbilden. Die Bipolarplatte umfasst eine Vielzahl von Durchbrüchen. Diese Durchbrüche durchdringen dabei die Bipolarplatte insbesondere vollständig, wobei die Haupterstreckungsrichtung der Durchbrüche insbesondere die Höhenrichtung ist. In anderen Worten können die Durchbrüche in Höhenrichtung die Bipolarplatte durchdringen. Hierdurch ist es möglich Mittel, insbesondere Verbindungsmittel, und/oder Fluide durch die Bipolarplatte zu führen. In anderen Worten können daher die Durchbrüche dazu dienen, ein Fluid von der einen Seite der Bipolarplatte auf die andere Seite der Bipolarplatte strömen lassen zu können und auch gleichzeitig einen Aufnahmeraum für ein Befestigungs-, Verbindungs- oder Verspannmittel bereitstellen. Vorteilhafterweise sind die Verbindungsmittel somit Verspannmittel, daher Mittel, die eine Verspannung der Bipolarplatten zueinander bereitstellen oder bereitstellen können. Die Verbindungsmittel können im Rahmen der Erfindung auch Befestigungsmittel sein oder als solche bezeichnet werden. Für die Fluidleitung sind insbesondere die Strömungsdurchbrüche der Durchbrüche gedacht.
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Die Durchbrüche selber werden dabei durch einen Bestandteil ausgebildet, welcher der Strömungsdurchbruch ist und zumindest auch durch einen weiteren Bestandteil, welcher als Montagedurchbruch bezeichnet wird. Der Montagedurchbruch dient dabei dazu, ein bzw. das Verbindungsmittel, welches auch ein Verspannmittel sei kann, aufzunehmen, um so eine Verspannung der Bipolarplatte und/oder der „Stacks“ bzw. der Stapel der Brennstoffzelle zu ermöglichen. In anderen Worten kann daher der Durchbruch durch eine Vereinigung von einem Montagedurchbruch und mindestens einen Strömungsdurchbruch ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise verfügt dabei die Bipolarplatte grundlegend über eine Vielzahl von Durchbrüchen, welche jeweils zumindest einen Strömungsdurchbruch und einen Montagedurchbruch aufweisen. Die Durchbrüche sind dabei derart angeordnet bzw. ausgebildet, dass diese auf der Bipolarplatte eine äußere Kontur ausbilden. Die äußere Kontur ist dabei insbesondere der äußere Rand des Durchbruchs auf einer die Bipolarplatte, insbesondere in Höhenrichtung, berandenden Fläche. Diese äußere Kontur des Durchbruchs oder der Durchbrüche ist zumindest abschnittsweise durch den Strömungsdurchbruch und zumindest abschnittsweise durch den Montagedurchbruch ausgebildet. In anderen Worten wird der Rand des Durchbruchs zumindest teilweise durch den Montagedurchbruch und zumindest teilweise auch durch den Strömungsdurchbruch ausgebildet. Der Montagedurchbruch bildet insbesondere einen kreissegmentförmigen Teil der äußeren Kontur des Durchbruchs aus. In anderen Worten ist daher zumindest ein Teil des äußeren Durchbruchs durch einen kreisförmigen Abschnitt ausgebildet, welcher gleichzeitig auch den Montagedurchbruch begrenzt. Alternativ ausgedrückt kann der Durchbruch somit einen teilkreissegmentförmigen Abschnitt aufweisen, welcher gerade eben durch die Montagedurchbruch ausgebildet ist. Hierdurch kann eine besonders kerbwirkungsfaktorarme und fertigungsgünstige sowie kompakte Ausgestaltung des Montagedurchbruchs, insbesondere angepasst an ein Verbindungsmittel, insbesondere ein Verbindungsmittel in Form einer Schraube, erreicht werden. Eine Schraube im Sinne der Erfindung kann insbesondere ein Verbindungsmittel sein, welches einen Betätigungskopf und/oder einen Betätigungsabschnitt aufweist und darüber hinaus ein außenliegendes Gewinde und/oder ein innenliegendes Gewinde aufweist, welches insbesondere in einen Schaftabschnitt eingebracht ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Bipolarplatte ein Strömungsbereich auf, wobei der Strömungsbereich, insbesondere später, zur Abgrenzung eines Fluidvolumens dient, wobei das Fluidvolumen insbesondere in Fluidverbindung mit zumindest zwei Durchbrüchen steht oder stehen kann. Der Strömungsbereich ist insbesondere derjenige Bereich der Bipolarplatte, bzw. die außenliegende in Höhenrichtung gerandende Fläche oder Flächen der Bipolarplatte, welcher bzw. welche später in Fluidkontakt mit dem MEA steht oder bringbar ist. Der Strömungsbereich kann daher eine Fläche auf der Bipolarplatte ausbilden oder sein bzw. umfassen. Zweckmäßigerweise weist die Bipolarplatte sowohl einen Strömungsbereich auf, der durch eine in positive Höhenrichtung berandenden Fläche ausgebildet ist, und einen Strömungsbereich, der durch eine in negative Höhenrichtung berandenden Fläche ausgebildet ist. Der Strömungsbereich dient insbesondere später dazu, das Fluidvolumen zu begrenzt, welches in Kommunikation mit dem MEA steht und/oder das Volumen zumindest teilweise bereitzustellen, in welchem der MEA angeordnet ist. Der Strömungsbereich berandet daher insbesondere ein Fluidvolumen, welches in Fluidverbindung mit zumindest zwei Durchbrüchen der Bipolarplatte steht oder stehen kann. Dies kann insbesondere dann entscheidend sein, wenn später ein Dichtelement angeordnet wird und/oder auf der Bipolarplatte angeordnet ist, welches es gerade erlaubt, dass ein Fluidstrom von dem Durchbruch zum Strömungsbereich und von dem Strömungsbereich zu einem anderen Durchbruch erfolgen kann. Hierdurch können die Durchbrüche, insbesondere die Strömungseinbrüche der Durchbrüche, welche in Fluidverbindung mit dem Strömungsbereich bzw. dem Fluidvolumen stehen, genutzt werden, um einen Zu- und Abfluss von Fluiden in das Fluidvolumen zu erreichen.
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Zweckmäßigerweise durchdringen der Montagedurchbruch und der Strömungsdurchbruch eines Durchbruchs oder der Durchbrüche die Bipolarplatte. Hierdurch kann eine besonders einfache Durchführung eines Verbindungsmittels und eines Strömungsfluids durch die Bipolarplatte erreicht werden.
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Vorteilhafterweise ist der Strömungsdurchbruch derart ausgebildet, dass dieser sich in der Ebene, welche durch die Längs- und die Breitenrichtung aufgespannt ist, von dem Montagedurchbruch zum Strömungsbereich erstreckt. Hierdurch kann eine besonders strömungstechnisch günstige Ausgestaltung des Strömungsdurchbruchs erreicht werden.
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Zweckmäßigerweise bildet der kreissegmentförmige Teil des Montagedurchbruchs zumindest 51 %, bevorzugt zumindest 65 %, und besonders bevorzugt zumindest 75 %, eines Kreises aus. In anderen Worten kann der kreissegmentförmige Teil zumindest 51 % eines vollständigen Kreises, bevorzugt zumindest 65 % eines vollständigen Kreises, und besonders stark bevorzugt zumindest 75 % eines vollständigen Kreises ausbilden. Durch die Ausgestaltung dahingehend, dass zumindest 51 % durch den kreissegmentförmigen Teil des Montagedurchbruchs ausgebildet sind, kann eine Lagesicherung des im kreissegmentförmigen Teils bzw. im Montagedurchbruch aufgenommenen Verbindungsmittels erreicht werden. In anderen Worten kann durch eine derartige Ausgestaltung insbesondere eine formschlüssige Lagesicherung eines Verbindungsmittels innerhalb des Montagedurchbruchs sichergestellt oder zumindest notfallhaft bereitgestellt werden, sodass insbesondere ein Verrutschen der Bipolarplatte in Relation zum Verbindungsmittel in einer Längsrichtungs- und Breitenrichtungs-Ebene formschlüssig verhindert ist oder verhinderbar ist. Um diese Formschlusssicherung weiter zu verbessern, sollte der kreissegmentförmige Teil zumindest 65 %, bevorzugt zumindest 75 % eines vollständigen Kreises ausbilden. Hierdurch kann die Formschlusssicherung zwischen der Bipolarplatte und einem Verbindungsmittel weiter verbessert werden, um eine bessere Genauigkeit der Lagesicherung zu erreichen. Durch diese Art der formschlüssigen Sicherung der Bipolarplatte relativ zum Verbindungsmittel kann dabei eine besonders einfache Montage erreicht werden. Hierdurch ist es später insbesondere möglich, die einzelnen Bipolarplatten über die Verbindungsmittel aufzufädeln, sodass eine Vereinfachung der Montage erfolgen kann.
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Bevorzugt bildet der kreissegmentförmige Teil des Montagedurchbruchs jedoch maximal 98 %, bevorzugt maximal 90 %, und besonders bevorzugt maximal 80 %, eines Kreises aus. Die Teile welche dabei fehlen, um den vollständigen Kreis auszubilden, gehören insbesondere zu dem Strömungsdurchbruch. In anderen Worten kann daher durch eine derartige Ausgestaltung sichergestellt werden, dass ausreichend Platz für den Strömungsdurchbruch in dem Durchbruch vorhanden ist, sodass eine ausreichende Strömungsfläche bzw. Strömungsmöglichkeit bereitgestellt wird.
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Bevorzugt weist die Bipolarplatte Strömungsnuten, insbesondere in einem bzw. dem Strömungsbereich der Bipolarplatte, auf, wobei die Strömungsnuten insbesondere in einem Durchbruch enden und/oder starten. In anderen Worten kann die Bipolarplatte, insbesondere in einer Fläche, welche die Bipolarplatte in Höhenrichtung begrenzt, Nuten aufweisen, welche einen Fluidfluss begünstigen und/oder erreichen können. Diese Nuten werden dabei insbesondere Strömungsnuten genannt. Zweckmäßigerweise verlaufen diese Strömungsnuten derart auf der Bipolarplatte bzw. sind derart auf der Bipolarplatte angeordnet, sodass diese in einem Durchbruch, insbesondere in einem Strömungsdurchbruch enden und/oder starten. In anderen Worten reichen die Nuten bis in den Strömungsdurchbruch oder den Durchbruch hinein. Hierdurch kann eine besonders strömungstechnisch günstige Anbindung der Strömungsnuten erreicht werden. Durch das Vorsehen der Strömungsnuten kann insbesondere auch ein Verstopfen und auch ein gleichmäßiges Zuführen von Fluiden in die MEA erreicht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strömungsnuten durch gerade und/oder rechteckige Abschnitte ausgebildet und/oder wobei die Strömungsnuten mäanderförmig verlaufen. Durch die Verwendung von lediglich geraden und/oder rechteckigen bzw. rechtwinkligen Abschnitten und/oder bei einer mäanderförmigen Ausgestaltung weist die Strömungsnut eine besonders große Erstreckung auf. Hierdurch kann eine besonders effektive und homogene Zuführung von Fluiden und/oder eine Abführung von Fluiden in und/oder aus der MEA in die Strömungsnuten erfolgen. Durch die mäanderförmige Ausgestaltung der Strömungsnut kann insbesondere ebenfalls eine besonders lange Strömungslänge der Nuten erreicht werden und somit eine besonders homogene Zuführung bzw. Abführung von Fluiden aus und/oder in die MEA.
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Vorteilhafterweise ist der Teil der äußeren Kontur des Durchbruchs, der durch den Strömungsdurchbruch ausgebildet ist, weiter vom Schwerpunkt des Durchbruchs oder vom Mittelpunkt des kreissegmentförmigen Teils beabstandet als der Teil der äußeren Kontur des Durchbruchs, der durch den Montagedurchbruch ausgebildet ist. In anderen Worten kann der Strömungsdurchbruch wie ein Fortsatz sich von dem ansonsten kreisförmigen Montagedurchbruch weg erstrecken. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt bildet der Montagedurchbruch alle kreissegmentförmigen Teile des Durchbruchs aus und/oder ist ausschließlich durch kreissegmentförmige Teile ausgebildet, die insbesondere alle den gleichen Mittelpunkt aufweisen. Durch diese Arten der Ausgestaltung des Durchbruchs, einiger Durchbrüche, des überwiegenden Teils der Durchbrüche und/oder aller Durchbrüche kann eine besonders gute Fluidführungsmöglichkeit geschaffen werden. Der Mittelpunkt des kreissegmentförmigen Teils ist insbesondere der Punkt, um welchen sich der Radius des kreissegmentförmigen Teils bestimmt bzw. der Punkt, welcher den gleichen Abstand zu allen Punkten des kreissegmentförmigen Teils aufweist.
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Bevorzugt weist die Bipolarplatte ein Breiten zu Längenverhältnis von insbesondere weniger als oder gleich 1 zu 3 auf, wobei die Bipolarplatte in ihrem Mittelbereich in Längsrichtung einen Durchbruch, insbesondere eine Vielzahl von Durchbrüchen, aufweist. In anderen Worten kann die Abmessung der Bipolarplatte in Breitenrichtung zu der Abmessung der Bipolarplatte in Längsrichtung in einem Verhältnis von weniger oder gleich 1 zu 3 stehen. Sollte ein derartiges Verhältnis vorliegen, so kann insbesondere in einem Mittelbereich in Längsrichtung ein Durchbruch, insbesondere eine Vielzahl von Durchbrüchen, vorgesehen sein. Der Mittelbereich in Längsrichtung ist insbesondere derjenige Bereich der Bipolarplatte in Längsrichtung, welcher sich in Längsrichtung vom idealen Mittelpunkt aus +/-25 %, bevorzugt +/-15 %, und besonders bevorzugt +/- 10 %, und besonders stark bevorzugt +/- 5 %, der maximalen Länge der Bipolarplatte in Längsrichtung erstreckt. Der Mittelpunkt der Bipolarplatte ist insbesondere der Volumenschwerpunkt oder der Schwerpunkt der Bipolarplatte. Durch die Anordnung eines Durchbruchs, insbesondere einer Vielzahl von Durchbrüchen, wie sie auch vorhergehend und nachfolgend beschrieben sind, im Mittelbereich kann insbesondere eine besonders gute Verspannenmöglichkeit der Bipolarplatte erreicht werden. Insbesondere können Biegemomente aufgrund der Verspannung durch die Anordnung eines Durchbruchs im Mittelbereich vermieden bzw. reduziert werden. Vorteilhafterweise sind dabei alle diese Durchbrüche wie vorhergehend oder nachfolgend beschrieben ausgebildet, insbesondere weisen die Durchbrüche daher Montagedurchbrüche und Strömungsdurchbrüche auf, wobei durch den Strömungsdurchbruch insbesondere ein Verbindungsmittel geführt ist oder führbar ist.
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Vorteilhafterweise umfasst die Brennstoffzelle ein Dichtelement, insbesondere einen Dichtring. Zweckmäßigerweise liegt das Dichtelement an der Bipolarplatte an, wobei das Dichtelement zumindest abschnittsweise dem kreissegmentförmigen Teil der äußeren Kontur eines Durchbruchs folgt oder folgen kann. Die Brennstoffzelle umfasst daher insbesondere zumindest ein Dichtelement, welches als Dichtring ausgebildet sein kann. Unter einem Dichtring ist ein Dichtelement zu verstehen, welches in sich selbst geschlossen ist. In anderen Worten ist der Dichtring daher ein Dichtelement ohne Ende. Das Dichtelement liegt insbesondere an der Bipolarplatte an, dies kann insbesondere durch einen unmittelbaren Kontakt des Dichtelements mit der Bipolarplatte geschehen. Zweckmäßigerweise bildet dieser Kontakt bzw. dieser Kontaktbereich des Dichtelements mit der Bipolarplatte eine in sich geschlossene Kontur aus. In anderen Worten kann daher das Dichtelement entlang seiner Erstreckung immer in Kontakt mit der Bipolarplatte stehen. Zweckmäßigerweise folgt das Dichtelement zumindest abschnittsweise dem oder einem kreissegmentförmigen Teil der äußeren Kontur eines Durchbruchs. Unter Folgendes ist insbesondere zu verstehen, dass die Projektion des Dichtelements und die Projektion der äußeren Kontur auf eine Ebene, die durch die Längsrichtung und die Breitenrichtung aufgespannt ist, sich überdeckt bzw. überdecken und/oder dass der Verlauf des Dichtelements und der äußeren Kontur zumindest in dem folgenden Bereich der gleiche ist und/oder das Dichtelement zumindest abschnittsweise an dem kreissegmentförmigen Teil der Außenkontur anliegt. Durch dieses Folgen des Dichtelements im kreissegmentförmigen Kreis der äußeren Kontur des Durchbruchs kann insbesondere erreicht werden, dass eine besonders kurze Länge des Dichtelements und auch eine hohe Abdichtwirkung erreicht werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform folgt das Dichtelement zumindest 40 %, bevorzugt zumindest 60 %, und besonders bevorzugt zumindest 80 %, und besonders stark bevorzugt zumindest 90 %, und ganz besonders stark bevorzugt zumindest 97%, des kreissegmentförmigen Teils der äußeren Kontur eines Durchbruchs. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt folgt das Dichtelement zumindest 40 %, bevorzugt zumindest 60 %, und besonders bevorzugt zumindest 80 %, und besonders stark bevorzugt zumindest 90 %, und ganz besonders stark bevorzugt zumindest 97%, der äußeren Kontur eines Durchbruchs. Durch das Folgen von zumindest 40 % des kreissegmentförmigen Teils und/oder der gesamten äußeren Kontur des Durchbruchs kann gerade eine besonders einfache Montage erreicht werden. Sollte hingegen zumindest 60 % oder zumindest 80 % des kreissegmentförmigen Teils der äußeren Kontur und/oder der gesamten äußeren Kontur des Durchbruchs durch das Dichtelement gefolgt werden, so kann eine besonders gute Abdichtwirkung erreicht werden. Sollten hingegen 90 % der äußeren Kontur oder des kreisförmigen Teils durch das Dichtelement gefolgt sein, so kann hierdurch eine besonders gute mechanische Abstützfähigkeit um den Durchbruch herum erreicht werden. Diese Fähigkeit ist insbesondere deshalb bemerkenswert, da bei einer Verspannung der Bipolarplatte mittels eines Befestigungs- oder Verbindungsmittels, welches durch den Durchbruch geführt ist, erreicht wird, dass direkt Kontaktkräfte bzw. Verspannkräfte über das Dichtelement sicher abgeführt werden können. Unter zumindest X Prozent Folgen des kreissegmentförmigen Teils der äußeren Kontur des Durchbruchs oder der äußeren Kontur des Durchbruchs ist insbesondere zu verstehen, dass zumindest X Prozent der Projektion der äußeren Kontur des kreissegmentförmigen Teils bzw. der gesamten äußeren Kontur auf eine Ebene, die durch die Längs- und die Breitenrichtung aufgespannt ist, sich mit der Projektion des Dichtelements in dieser Ebene überdeckt und/oder dass das Dichtelement zumindest an X Prozent des kreissegmentförmigen Teils der äußeren Kontur oder der äußeren Kontur anliegt.
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Vorteilhafterweise ragt das Dichtelement in den oder einen Durchbruch und/oder ragt zumindest in zwei Durchbrüche hinein. Maßgeblich sind dabei insbesondere lediglich die Durchbrüche, welche einen Montagedurchbruch und einen Strömungsdurchbruch aufweisen und/oder durch welche ein Verbindungsmittel geführt ist und/oder welche dazu dienen bzw. ausgebildet sind, ein Verbindungsmittel aufzunehmen. Durch das Hineinragen kann insbesondere erreicht werden, dass die Dichtung zwischen den Verbindungsmittel und der Berandung eines Durchbruchs angeordnet werden kann, sodass ein Kontakt zwischen den Verbindungsmittel und dem Durchbruch verhindert wird. In anderen Worten kann daher das Dichtelement dazu genutzt werden, eine elektronische Isolierung zwischen dem Verbindungsmittel und der Bipolarplatte herbeizuführen.
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Zweckmäßigerweise ist das Dichtelement insbesondere aus einem isolatorischen Material ausgebildet.
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Vorteilhafterweise weist die Brennstoffzelle eine Vielzahl von Dichtelementen auf, wobei die Dichtelemente zumindest abschnittsweise dem Verlauf der äußeren Kontur zumindest eines Durchbruchs folgen, und/oder wobei jeder Durchbruch umgeben von einer äußeren Kontur eines Dichtelements ist. Maßgeblich hierfür sind insbesondere diejenigen Durchbrüche, welche einen Montagedurchbruch und einen Strömungsdurchbruch aufweisen und/oder welche dazu ausgebildet sind, ein Verbindungsmittel aufzunehmen. Durch das Ausbilden dahingehend, dass die Durchbrüche und/oder zumindest einer der Durchbrüche von einer äußeren Kontur eines Dichtelements umgeben ist, kann erreicht werden, dass der Durchbruch zur Fluidführung in und/oder aus einem Fluidvolumen verwendet werden kann. Unter einem umgeben des Durchbruchs von einer äußeren Kontur eines Dichtelements ist insbesondere zu verstehen, dass bei einer Projektion auf die Ebene, welche durch die Längsrichtung und die Breitenrichtung gebildet ist, des umgebenden Dichtelements und des Durchbruchs die äußere Kontur der Projektion des Dichtelements bzw. der äußere Rand dieser Kontur die äußeren Kontur des Durchbruchs umschließt und/oder beinhaltet.
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Bevorzugt ist das Dichtelement, insbesondere stoffschlüssig und/oder irreversibel, an der Bipolarplatte festgelegt, und/oder wobei das Dichtelement durch ein Siebdruckverfahren hergestellt ist. Der Vorteil einer Nutzung eines Siebdruckverfahrens liegt insbesondere in der kostengünstigen Herstellung des Dichtelements. Durch die Festlegung des Dichtelements an der Bipolarplatte kann insbesondere eine einfache Montage der Brennstoffzelle erreicht werden. Um diese Festlegung zu erreichen ist diese insbesondere stoffschlüssig ausgeführt, beispielsweise durch ein Kleben und/oder durch ein Siebdruckverfahren. Zweckmäßigerweise ist das Dichtelement irreversibel an der Bipolarplatte festgelegt, sodass die Verbindung zwischen dem Dichtelement und der Bipolarplatte lediglich durch eine Zerstörung der Verbindung erreicht werden kann. Hierdurch kann eine besonders hohe Dichtwirkung erreicht werden.
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Vorteilhafterweise ist das Dichtelement derart auf der Bipolarplatte angeordnet, sodass das Dichtelement ein in sich geschlossene Kontur auf der Bipolarplatte ausbildet, wobei innerhalb der geschlossenen Kontur vorteilhafterweise zumindest zwei Strömungsdurchbrüche, insbesondere von unterschiedlichen Durchbrüchen, und/oder der Strömungsbereich der Bipolarplatte angeordnet ist bzw. sind. Durch das Vorsehen einer geschlossenen Kontur des Dichtelements auf der Bipolarplatte kann eine besonders hohe Dichtwirkung erreicht werden. Durch die Anordnung innerhalb der geschlossenen Kontur von zumindest zwei Strömungsdurchbrüchen kann eine besonders gute Zu- und Abführung von Fluiden in den abgedichteten Bereich erreicht werden. Insbesondere ist dabei innerhalb dieses abgedichteten Bereichs bzw. innerhalb der geschlossenen Kontur dabei auch der Strömungsbereich der Bipolarplatte und/oder zumindest der Ausgang bzw. die Kontur von Strömungsdurchbrüchen, insbesondere von unterschiedlichen Durchbrüchen, angeordnet. Hierdurch kann eine besonders homogene bzw. zielgerichtete Zu- und Abfuhr von Fluiden in den Strömungsbereich der Bipolarplatte erreicht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelle ein Verbindungsmittel, wobei das Verbindungsmittel durch den Durchbruch, insbesondere durch den Montagedurchbruch des Durchbruchs, geführt ist, wobei das Verbindungsmittel insbesondere das Dichtelement kontaktiert. Durch den Kontakt des Dichtelements mit dem Verbindungsmittel kann eine Isolation zwischen dem Verbindungsmittel und der Bipolarplatte erreicht werden. Durch die Durchführung des Verbindungsmittels durch einen Durchbruch, insbesondere durch den Montagedurchbruch des Durchbruchs, kann eine besonders einfache und bauraumsparende Verspann- und Montagemöglichkeit der Bipolarplatte erreicht werden.
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Zweckmäßigerweise weist das Verbindungsmittel einen Betätigungsbereich, insbesondere einen Kopf, und einen Montagebereich auf, wobei der Montagebereich ein Gewinde ausbildet. Zweckmäßigerweise ist der Montagebereich in und/oder um einen Schaftbereich des Verbindungsmittels ausgebildet. Das Verbindungsmittel erstreckt sich insbesondere in Höhenrichtung. In anderen Worten ist daher die Haupterstreckungsrichtung des Verbindungsmittels vorteilhafterweise parallel zur Höhenrichtung ausgebildet. Besonders bevorzugt ist durch jeden Durchbruch der Bipolarplatte, welcher einen Montagedurchbruch und einen Strömungsdurchbruch aufweist, ein Verbindungsmittel geführt. Hierdurch kann eine besonders homogene Verspannungsmöglichkeit der Bipolarplatte erreicht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Verbindungsmittel ein sich entlang einer Höhenrichtung bzw. der Höhenrichtung erstreckenden Strömungsdurchlass auf, wobei der Strömungsdurchlass in Fluidverbindung mit dem Strömungsdurchbruch steht, welcher den Durchbruch mit ausbildet, durch welchen das Verbindungsmittel geführt ist. Der Strömungsdurchlass kann eine Zentralausnehmung sein oder die Zentralausnehmung kann ein Strömungsdurchlass sein. Beispielsweise kann das Verbindungsmittel ein Banjo sein, wobei innerhalb des Banjos ein Strömungsdurchlass ausgebildet sein kann. Alternativ bevorzugt kann der Strömungsdurchlass auch extern in das Verbindungsmittel beispielsweise durch eine externe Nut, eingebracht sein. Der Strömungsdurchlass erstreckt sich insbesondere in Höhenrichtung. In anderen Worten kann daher der Strömungsdurchlass eine Fluidförderfähigkeit in Höhenrichtung bereitstellen. Dieser Strömungsdurchlass des Verbindungsmittels steht insbesondere in Fluidverbindung mit dem Strömungsdurchbruch, sodass ein Fluid von dem Strömungsdurchlass in den Strömungsdurchbruch strömen kann. Hierdurch kann eine besonders effektive Strömungsmöglichkeit bereitgestellt werden. Der Strömungsdurchlass kann insbesondere mittels einer/der Zentralausnehmung es Verbindungsmittels realisiert sein.
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Bei einer alternativen oder zusätzlich bevorzugten Ausführungsform umfasst die Brennstoffzelle eine Vielzahl von Verbindungsmitteln, wobei die Vielzahl von Verbindungsmitteln durch jeweils einen Durchbruch geführt sind, wobei dieser Durchbruch insbesondere einen Montagedurchbruch und/oder einen Strömungsdurchbruch aufweist. Hierdurch kann insbesondere eine besonders homogene Spannungskraftverteilung erreicht werden, sodass letztendlich eine besonders hohe Dichtewirkung erzielt werden kann, wobei jedoch gleichzeitig wertvoller Bauraum gespart werden kann.
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Vorteilhafterweise umfasst die Brennstoffzelle eine Endplatte, wobei die Endplatte sich in eine bzw. die Längsrichtung und eine bzw. die Breitenrichtung erstreckt, wobei die Endplatte zwei, insbesondere in Längsrichtung voneinander distanzierte, Verspannbereiche aufweist, wobei die Biegesteifigkeit der Endplatte, insbesondere zwischen den Verspannbereichen, variabel ist, vorteilhafterweise in Richtung zu den Verspannbereichen abnehmend. Die Endplatte erstreckt sich insbesondere in eine Längsrichtung und eine Breitenrichtung, wobei die Längsrichtung der Endplatte mit der Längsrichtung wie vorhergehend und nachfolgend beschrieben korrespondieren kann und/oder die Breitenrichtung mit der Breitenrichtung wie vorhergehend und nachfolgend beschrieben korrespondieren kann. Die Längsrichtung der Endplatte ist insbesondere diejenige Richtung, in welche die Endplatte ihre größte Hauptabmessung aufweist und/oder in welche sich die Länge der Endplatte bestimmt. Die Breitenrichtung hingegen ist insbesondere diejenige Richtung, in welche sich die Breite der Endplatte bestimmt und/oder in welcher die Endplatte ihre zweitgrößte Hauptabmessung aufweist. Die Längsrichtung und die Breitenrichtung können insbesondere senkrecht auf einer Höhenrichtung stehen, insbesondere ist diese Höhenrichtung dabei parallel und/oder deckungsgleich mit der bereits vorhergehend und/oder nachfolgend dargelegten Höhenrichtung ausgerichtet. Die Endplatte dient insbesondere dazu, in einer Brennstoffzelle angeordnet zu sein und ein distales Ende der Brennstoffzelle, insbesondere in Höhenrichtung, auszubilden. Um eine Montage der Endplatte zu erreichen, weist diese insbesondere zwei voneinander distanzierte Verspannbereiche auf. Die Verspannbereiche sind dabei insbesondere Bereiche, welche dazu dienen, eine Kraftübertragung auf die Endplatte bereitzustellen. Zweckmäßigerweise ist zwischen diesen beiden Verspannbereichen ein Bereich vorgesehen, in welchem die Endplatte eine variable Biegesteifigkeit aufweist. Insbesondere ist dieser Bereich mit variabler Biegesteifigkeit dabei derart ausgebreitet, dass dieser einen Mittelbereich in Längsrichtung der Endplatte umfasst und/oder ausbildet. Der Mittelbereich der Endplatte bestimmt sich dabei in gleicher Weise wie der Mittelbereich der Bipolarplatte. Zweckmäßigerweise ist die Biegesteifigkeit des zwischen dem Verspannbereichen liegenden Bereichs derart ausgebildet, dass dessen Biegesteifigkeit in Richtung zu den Verspannbereichen abnehmend ist. Daher ist insbesondere die Biegesteifigkeit in dem weitesten in Längsrichtung beanstandeten Bereich zu den Verspannbereichen am größten. Grundlegend kann die Endplatte im Sinne der Erfindung auch als Kopfplatte bezeichnet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Endplatte bogenförmige Versteifungsrippen auf, wobei die bogenförmigen Versteifungsrippen sich insbesondere parallel zur Längsrichtung erstrecken. Zweckmäßigerweise weisen diese bogenförmigen Versteifungsrippen eine variable Höhe in Längsrichtung auf. Die bogenförmigen Versteifungsrippen sind dabei insbesondere derart ausgebildet, dass diese eine größte Hauptabmessung parallel zur Längsrichtung aufweisen, um so eine besonders gute Biegespannungsaufnahme bereitzustellen.
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Zweckmäßigerweise weist die Endplatte, insbesondere die Verspannbereiche der Endplatte, Festlegungsdurchbrüche auf. Besonders bevorzugt erstrecken sich durch diese Festlegungsdurchbrüche dabei die Verbindungsmittel, wobei die Verbindungsmittel sich insbesondere auch durch die oder einige der Durchbrüche der Bipolarplatten erstrecken können.
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Vorteilhafterweise ist das Verbindungsmittel insbesondere eine Schraube oder ein Bolzen.
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Vorteilhafterweise umfasst das Verbindungsmittel einen Betätigungsbereich, insbesondere einen Kopf, einen Elastizitätsbereich und bevorzugt ein Montagebereich, wobei sich das Verbindungsmittel in eine Verlaufsrichtung erstreckt, wobei eine Radialrichtung insbesondere senkrecht auf der Verlaufsrichtung steht, wobei der Elastizitätsbereich in Verlaufsrichtung zwischen dem Betätigungsbereich und dem Montagebereich liegen kann, wobei der Montagebereich ein Gewinde, insbesondere ein Innengewinde, aufweist, wobei vorteilhafterweise bzw. optional der Elastizitätsbereich und/oder der Montagebereich innen hohl sind bzw. sein können, und/oder wobei der Elastizitätsbereich aufgrund seiner Geometrie eine geringere Elastizität als der Montagebereich und/oder als der Betätigungsbereich aufweist. Das Verbindungsmittel dient insbesondere dazu, verschiedene Bauteile miteinander zu verbinden, insbesondere kraftschlüssig. Diese kraftschlüssige Verbindung betrifft insbesondere Querkräfte, vorteilhafterweise in Radialrichtung oder parallel zu dieser Richtung. Um eine Querkraft, insbesondere senkrecht zur Verlaufsrichtung, zwischen den zu verbindenden Bauteilen etablieren bzw. übertragen zu können, ist somit vorteilhafterweise das Verbindungsmittel als ein kraftschlüssiges Verbindungsmittel ausgebildet. Das Verbindungsmittel verfügt insbesondere über einen Betätigungsbereich. Der Betätigungsbereich dient vorteilhafterweise dazu, ein, insbesondere formschlüssiges, Aufbringen eines Montagedrehmoments auf das Verbindungsmittels applizieren zu können. Hierzu kann der Betätigungsbereich Betätigungsflächen, insbesondere in Form eines Außen-, Innensechskants, Außen- oder Innensechsrund, eines Mehrzahns und/oder eins Mehrrunds, jeweils vorteilhafterweise als Innen- und/oder Außenbetätigung, aufweisen. Zweckmäßigerweise weisen die Normalen der Betätigungsflächen in die Radialrichtung. Diese Betätigungsflächen können dabei Teil eines Kopfs sein, welcher wiederum den Betätigungsbereich ausbilden kann. In anderen Worten kann daher der Betätigungsbereich durch einen Kopf gebildet sein oder einen selbigen umfassen. Zweckmäßigerweise ist dabei der Betätigungsbereich derart ausgebildet, dass dieser ein distales Ende des Verbindungsmittels in Verlaufsrichtung ausbildet. Die Verlaufsrichtung wiederum ist insbesondere diejenige Richtung, in welcher das Verbindungsmittel seine größte Hauptabmessung aufweist. Beispielsweise kann die Verlaufsrichtung daher oder alternativ bevorzugt diejenige Richtung sein, in welcher sich die Länge des Verbindungsmittels bemisst. Die Verlaufsrichtung ist insbesondere parallel zur Höhenrichtung orientiert. Der Schwerpunk des Verbindungsmittels, des Elastizitätsbereichs und/oder des Montagebereichs kann auf der Verlaufsrichtung liegen. Senkrecht zur Verlaufsrichtung erstreckt sich insbesondere eine bzw. die Radialrichtung. Vorteilhafterweise bilden die Verlaufsrichtung, die Radialrichtung und eine Umfangsrichtungsrichtung ein Zylinderkoordinatensystem miteinander aus. Die Verlaufsrichtung ist insbesondere parallel und/oder deckungsgleich mit der Höhenrichtung. Die Radialrichtung kann dabei parallel zur Breitenrichtung und/oder zur Verlaufsrichtung sein. Neben dem Betätigungsbereich verfügt das Verbindungsmittel auch über einen Elastizitätsbereich und/oder einen Montagebereich. Der Montagebereich des Verbindungsmittels weist ein Gewinde auf, um so eine Verbindung mit einem anderen Gewinde, insbesondere einem Muttergewinde, einzugehen. Dieses Gewinde kann vorteilhafterweise als Innengewinde ausgebildet sei, um so eine besonders bauraumsparende Konfiguration zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt kann das Gewinde des Montagebereichs auch ein Außengewinde sein. Hierdurch kann eine besonders einfache Fertigung erreicht werden. Das Gewinde selbst kann wiederum ein metrisches oder ein zölliges Gewinde sein. Bevorzugt ist der Montagebereich in Verlaufsrichtung durch die distalen Enden des Gewindes in Verlaufsrichtung begrenzt. Vorteilhafterweise bildet der Montagebereich ein distales Ende des Verbindungsmittels in Verlaufsrichtung aus. Der Montagebereich, welcher das Gewinde aufweist und/oder welcher durch das Gewinde ausgebildet ist, kann in Verlaufsrichtung das Verbindungsmittel begrenzen. Um eine Verletzungsgefahr bei der Montage zu reduzieren, kann der Montagebereich in Radialrichtung nach außen weisend durch eine zylindrische Fläche begrenzt sein und/oder eine derartige aufweisen. Der Elastizitätsbereich liegt in Verlaufsrichtung gesehen zwischen dem Betätigungsbereich und dem Montagebereich. Vorteilhafterweise ist dabei die Länge des Elastizitätsbereichs in Verlaufsrichtung größer als die Länge des Betätigungsbereichs und/oder des Montagebereichs in Verlaufsrichtung. Insbesondere bemessen sich dabei die Längen aller Bereiche in Verlaufsrichtung. Zweckmäßigerweise ist die Länge des Elastizitätsbereichs in Verlaufsrichtung größer als die Summe der Längen des Betätigungsbereichs und des Montagebereichs. Vorteilhafterweise sind zumindest 30 %, bevorzugt zumindest 60 % und besonders stark bevorzugt zumindest 70 % der Länge des Verbindungsmittels in Verlaufsrichtung durch den Elastizitätsbereich ausgebildet. Der Elastizitätsbereich und/oder der Montagebereich sind innen insbesondere hohl, um so eine einfache Montage und/oder einen Gasdurchtritt und/oder eine Verringerung der Elastizität zu schaffen bzw. bereitstellen zu können. Der Elastizitätsbereich ist aufgrund seiner Geometrie derart ausgebildet, dass dieser eine geringere Elastizität aufweist als der Montagebereich und/oder, wobei der Elastizitätsbereich Verformungsstrukturen und/oder Steifigkeitsreduktionsstrukturen, insbesondere in der Form von Verformungsstrukturen, aufweist. In anderen Worten ist insbesondere die Geometrie des Elastizitätsbereichs derart beschaffen, dass hierdurch eine geringere Elastizität im Montagebereich resultiert als die Elastizität im Montagebereich und/oder im Betätigungsbereich. Die Elastizität selber ist insbesondere die Federsteifigkeit bzw. der Gradient des Kraft-weg-diagramms. Maßbeglich für die Elastizität ist dabei die in Richtung der Verlaufsrichtung. Insbesondere ist dieses Kraft-weg-diagramm bzw. die Federsteifigkeit nicht durch eine geometrische Kenngröße entdimensionalisiert. Mit anderen Worten bestimmt sich die Elastizität bzw. die Federsteifigkeit daher nicht nach dem Gradienten des Spannungsdehnungs-Diagramms sondern der tatsächlich aufgebrachten Kraft auf den Elastizitätsbereich im Vergleich zum resultierenden Verschiebeweg bzw. der resultierenden Verformung. Das Kraft-weg-diagramm ist daher die Kraft, welche zur Separierung des Montagebereichs zum Betätigungsbereich in Verlaufsrichtung aufgebracht werden muss, wobei gleichzeitig die resultierende Verschiebeweg des Betätigungsbereichs in Verlaufsrichtung zum Montagebereich aufgenommen wird. Vorteilhafterweise sind dabei der Elastizitätsbereich und der Montagebereich und/oder der Elastizitätsbereich und der Betätigungsbereich materialgleich und/oder einstückig ausgebildet. Hierdurch kann eine besonders gute mechanische Haltbarkeit erreicht werden. Durch die geringere Elastizität des Elastizitätsbereichs - aufgrund der Geometrie im Elastizitätsbereich und/oder aufgrund der Steifigkeitsreduktionsstrukturen - kann eine Belastung - aufgrund einer schwellenden und/oder statisch auftretenden Ausdehnung der zu verbindenden Bauteile - reduziert werden. Hierdurch kann insbesondere die Belastung auf das Verbindungsmittel und/oder auf die zu verspannenden oder verspannten Komponenten verringert werden, sodass die Betriebssicherheit als auch die Langlebigkeit des Verbindungsmittels gesteigert werden kann. Ein weiterer Vorteil einer derartigen Ausgestaltung ist darüber hinaus, dass insbesondere auch die dynamischen Lasten auf das Verbindungsmittel reduziert werden.
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Vorteilhafterweise weist der Elastizitätsbereich eine oder eine Vielzahl von Verformungsstrukturen auf, welche bei einer Verlagerung des Betätigungsbereichs in Verlaufsrichtung in Relation zum Montagebereich auf Biegung und/oder Torsion belastet sind bzw. werden. Verformungsstrukturen sind insbesondere Spiralen oder Balkensegmente, welche beispielsweise dadurch erreicht werden können, dass Vertiefungen und/oder Durchbrüche oder andere Steifigkeitsreduktionsstrukturen in den Elastizitätsbereich, insbesondere in Radialrichtung, eingebracht sind. Diese Verformungsstrukturen sind daher insbesondere keine Ausnehmungen, sondern Materialbereiche, welche aufgrund der Längenänderung in Verlaufsrichtung des Elastizitätsbereichs, insbesondere durch eine Verlagerung des Montagebereichs in Verlaufsrichtung in Relation zum Betätigungsbereich, mechanisch beansprucht werden. Diese mechanische Beanspruchung der Verformungsstrukturen ist dabei insbesondere bzw. umfasst insbesondere eine Biegebelastung und/oder eine Torsionsbelastung. Diese Belastungsart ist dabei insbesondere die vorherrschende Belastungsart, daher insbesondere diejenige Belastungsart, die zumindest 30%, bevorzugt zumindest 50% und besonders bevorzugt zumindest 70%, der Vergleichsspannung bedingt, insbesondere bei der Anwendung der Gestaltänderungshypothese (von Mises) und/oder der Hauptnormalspannungshypothese (Rankine). Hierdurch können insbesondere die erreichbaren reversiblen Verformungsgrade der Verformungsstrukturen gesteigert werden, sodass letztendlich die Elastizität des Elastizitätsbereichs verringert werden kann. In anderen Worten kann daher die Federsteifigkeit des Elastizitätsbereichs, welches ein Synonym für die Elastizität sein kann, durch die Verwendung von Verformungsstrukturen, welche bei einer Verlagerung des Betätigungsbereichs in Verlaufsrichtung in Relation zum Montagebereich auf Biegung und/oder Torsion belastet werden, reduziert werden. Hierdurch kann insbesondere eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Elastizitätsbereichs erreicht werden.
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Vorteilhafterweise ist der Elastizitätsbereich derart ausgebildet, dass dieser eine degressive Federcharakteristik aufweist. In anderen Worten kann daher die Elastizität bzw. die Federsteifigkeit des Elastizitätsbereichs - in Hinblick auf einer Verlagerung des Betätigungsbereichs in Verlaufsrichtung in Relation zum Montagebereich - derart beschaffen sein, dass die Elastizität mit zunehmender Beabstandung des Betätigungsbereichs in Verlaufsrichtung in Relation zum Montagebereich reduziert bzw. abfallend ist. Hierdurch kann insbesondere erreicht werden, dass die dynamischen Lasten bei einer zunehmenden Ausdehnung der zu verbindenden Bauteile weiter reduziert werden kann bzw. die hierdurch resultierende (statische) Belastung weniger stark ansteigend ist. Vorteilhafterweise ist die Federcharakteristik im elastischen Bereich degressiv. In andere Worten ist daher insbesondere „bevor“ eine irreversible Verformung eintritt bereits eine degressive Federcharakteristik erreicht. Hierdurch kann insbesondere eine dauerhafte Entlastung und/oder eine mechanische Überbeanspruchung der zu verbindenden Bauteile und/oder des Verbindungsmittels minimiert und/oder reduziert werden.
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Vorteilhafterweise weist der Elastizitätsbereich eine oder eine Vielzahl von Steifigkeitsreduktionsstrukturen, insbesondere Vertiefungen und/oder Durchbrüche, auf, wobei die Steifigkeitsreduktionsstrukturen die Verformungsstrukturen ausbilden oder begrenzen. In anderen Worten können im Elastizitätsbereich, insbesondere in Radialrichtung, Vertiefungen und/oder andere Steifigkeitsreduktionsstrukturen ausgebildet sein, welche jeweils die Verformungsstrukturen beranden. Insbesondere können diese Vertiefungen dabei derart ausgebildet sein, dass durch diese einen Fluiddurchtritt von der Umgebung über die Ausnehmung bzw. Vertiefung bzw. Durchbruch in den innenholen Bereich bzw. den insgesamt innenholen Elastizitätsbereich ermöglichen. In anderen Worten kann der Durchbruch bzw. die Durchbrüche derart beschaffen sein, dass dieser bzw. diese sich von außen bis in den innen hohlen Bereich des Elastizitätsbereichs erstreckt.
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Der oder ein innen hohler Bereich des Verbindungsmittels kann insbesondere durch eine Zentralausnehmung ausgebildet sein, welche sich vom Montagebereich bis in den Elastizitätsbereich oder gar bis in den Betätigungsbereich in Verlaufsrichtung erstreckt. Durch das Vorsehen einer derartigen Zentralausnehmung kann daher auch zwischen den einzelnen Bereichen des Verbindungsmittels in Verlaufsrichtung ein Fluidstrom realisiert werden.
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Vorteilhafterweise verbindet die Steifigkeitsreduktionsstrukturen, insbesondere in der Form einer Vertiefung oder von Vertiefungen, eine Außenwandlung des Elastizitätsbereichs mit einer Innenwandung des Elastizitätsbereichs. Die Außenwandung des Elastizitätsbereichs berandet diesen insbesondere in positive Radialrichtung nach außen und die Innenwandung berandet den Elastizitätsbereich insbesondere nach innen hin zur Verlaufsrichtung. Diese Innenwandung kann dabei insbesondere die Zentralausnehmung beranden und/oder teilweise mitausbilden. Hierdurch kann ein Fluidfluss in besonders effektiver und direkter Weise von der Umgebung in den innen hohlen Bereich des Elastizitätsbereichs - wie bereits erläutert - erreicht werden.
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Zweckmäßigerweise ist zumindest eine Steifigkeitsreduktionsstrukturen, insbesondere in der Form einer Vertiefung, derart ausgebildet, dass dessen Projektion in Verlaufsrichtung sich selbst überdeckt. In anderen Worten kann zumindest eine Vertiefung derart ausgebildet sein, dass bei einer Projektion dieser Vertiefung auf eine Ebene senkrecht zur Verlaufsrichtung die Projektion in sich selbst geschlossen ist und daher insbesondere einen Ring um die Verlaufsrichtung ausbilden kann. Hierdurch kann ein besonders hohes Maß an Elastizitätsverringerung erreicht werden, sodass hierdurch ein besonders vorteilhafter Elastizitätsbereich resultiert. Vorteilhafterweise sind dabei jedoch die Enden der Vertiefung, welche die Projektion ausbildet, die in sich selbst überdeckend bzw. in sich selbst geschlossen ist, auf unterschiedlichen Höhenpositionen in Verlaufsrichtung liegend. In anderen Worten ist die Vertiefung, welche insbesondere ein Durchbruch sein kann, nur in der Projektion in sich selbst geschlossen und nicht bei einer Betrachtung der Vertiefung unter Berücksichtigung der Erstreckung in Verlaufsrichtung. Hierdurch kann insbesondere eine drastische Schwächung des Verbindungsmittels verhindert werden.
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Vorteilhafter Weise weist der Elastizitätsbereich eine oder mehrere wendelförmige Vertiefungen, insbesondere Durchbrüche, und/oder Steifigkeitsreduktionsstrukturen auf, sodass der Elastizitätsbereich eine oder mehrere und/oder mehrgängige Verformungsstrukturen aufweist, welche eine Spirale ist und/oder sind. Durch das Vorsehen von spiralförmigen Vertiefungen und/oder Steifigkeitsreduktionsstrukturen, welche insbesondere Durchbrüche sein können, kann in besonders effektiver Weise erreicht werden, dass die Verformungsstrukturen auf Torsion belastet werden. Durch das Vorsehen von Verformungsstrukturen, welche auf Torsion belastet werden, kann ein besonders hohes Maß an reversibler Verformungsfähigkeit bereitgestellt werden. Durch das Vorsehen von wendelförmigen Verformungsstrukturen kann eine besonders gute Torsionsbelastung erreicht werden. Wie bereits ausgeführt, können auch mehrere Wendeln vorgesehen sein, sodass mehrgängige Verformungsstrukturen in wendelförmiger Form vorhanden sein können. In anderen Worten können die wendelförmigen mehrgängigen Verformungsstrukturen ähnlich einem mehrgängigen Gewinde ausgebildet sein.
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Vorteilhafterweise weist eine Verformungsstruktur, insbesondere die Spirale, eine Materialstärke in Richtung der Verlaufsrichtung und eine Materialstärke in Richtung der Radialrichtung, welche auch als Radialstärke bezeichnet werden kann, auf, wobei das Verhältnis aus der Materialstärke zu der Radialstärke in einem Bereich von 0,8 bis 1,2, bevorzugt in einem Bereich von 0,9 bis 1,1, und besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,97 bis 1,03, liegt. Die Materialstärke ist daher die gemittelte und/oder die maximale bzw. die minimale Materialstärke der Verformungsstruktur gemessen in Verlaufsrichtung. Die Radialstärke der Verformungsstruktur ist insbesondere die Materialstärke bzw. die Materialdicke in Radialrichtung. Vorteilhafterweise liegt dabei das Verhältnis aus der Materialstärke zu der Radialstärke in einem Bereich von 0,8 bis 1,2. Hierdurch kann eine besonders einfache Fertigung erreicht werden. Sollte hingegen die Materialstärke in einem Bereich von 0,9 bis 1,1 liegen, so kann hierdurch eine besonders vorteilhafte Spannungsverteilung erreicht werden. Sollte hingegen das Verhältnis in einem Bereich von 0,97 bis 1,03 liegen, so kann hierdurch eine annähernd homogene Spannungsverteilung an allen Kanten erreicht werden.
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Vorteilhafterweise ist zumindest eine Vertiefung und/oder Steifigkeitsreduktionsstruktur, bevorzugt eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Steifigkeitsreduktionsstrukturen, langlochförmig. Bevorzugt sind die oder zumindest eine, bevorzugt zumindest ein überwiegender Teil, und besonders bevorzugt alle Steifigkeitsreduktionsstrukturen und/oder Vertiefungen, welche langlochförmig sind, als Durchbrüche ausgebildet. Eine Vertiefung/ Steifigkeitsreduktionsstruktur ist insbesondere dann als langlochförmig zu betrachten, wenn diese in seine Haupterstreckungsrichtung eine größere Abmessung aufweist als senkrecht hierzu. In anderen Worten kann daher eine langlochförmige Vertiefung bzw. ein langlochförmiger Durchbruch vorliegen, wenn die Länge in Umfangsrichtung des Durchbruchs größer ist als die Länge des Durchbruchs in Verlaufsrichtung. Unerheblich ist dabei insbesondere die Länge des Durchbruchs und/oder der Vertiefung in Radialrichtung. In anderen Worten kann daher insbesondere für die Langlochförmigkeit ausschließlich die Kontur entscheidend sein, welche die Vertiefung und/oder der Durchbruch auf einer Außenwandung des Elastizitätsbereichs hinterlässt. Zweckmäßigerweise ist die Erstreckung des langlochförmigen Durchbruchs bzw. der langlochförmigen Vertiefung, insbesondere in Umfangsrichtung, größer als in Verlaufsrichtung. Vorteilhafterweise ist dabei die Erstreckung in Umfangsrichtung zumindest 10 %, bevorzugt zumindest 20 % und besonders stark bevorzugt zumindest 30 % größer in Verlaufsrichtung, um als langlochförmig definiert zu werden. Vorteilhafterweise sind dabei die distalen Endbereiche des langlochförmigen Durchbruchs bzw. der langlochförmigen Vertiefung durch eine Rundung ausgebildet. Hierdurch kann die auftretende Materialspannungsüberhöhung bzw. der Spannungsüberhöhungsfaktor reduziert werden.
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Bevorzugt bilden die Projektionen der langlochförmigen Vertiefungen oder Steifigkeitsreduktionsstrukturen in Richtung der Verlaufsrichtung einen geschlossenen Kreis, insbesondere in Verlaufsrichtung, aus. In anderen Worten können daher die Projektionen der langlochförmigen Vertiefung, welche insbesondere Durchbrüche sein konnten, derart ausgebildet sein, dass bei einer Betrachtung in Verlaufsrichtung diese sich derart überdecken, sodass ein vollständiger Kreis bzw. ein in sich geschlossener Ring ausgebildet wird, wobei insbesondere der Schwerpunkt dieses Rings auf der Verlaufsrichtung liegt und/oder der Ring die Verlaufsrichtung umgibt. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Elastizitätsverringerung des Elastizitätsbereichs erreicht werden.
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Bevorzugt weist zumindest eine Steifigkeitsreduktionsstruktur und/oder Vertiefung, welche langlochförmig ist, eine variable Breite in Verlaufsrichtung und/oder in Längsrichtung auf. Die Breite ist dabei insbesondere die Beanstandung der sich in Verlaufsrichtung und/oder in Längsrichtung gegenüberliegenden Wandungen. Insbesondere ist nämlich das Langloch derart orientiert, bzw. die langlochförmige Vertiefung, sodass diese sich senkrecht zur Verlaufsrichtung erstreckt. In anderen Worten ist daher die Haupterstreckungsrichtung bei einer Projektion in Radialrichtung senkrecht zur Verlaufsrichtung und/oder zur Längsrichtung orientiert. Durch die variable Breite in Verlaufsrichtung und/oder in Längsrichtung kann insbesondere eine definierte Spannungsverteilung erreicht werden. Vorteilhafterweise ist die Breite des Durchbruchs bzw. der Vertiefung, welche langlochförmig ist, zum Mitte der Vertiefung bzw. des Durchbruchs hin abnehmend. In anderen Worten kann die Breite der Vertiefung ausgehend von einem distalen Ende des Durchbruchs bzw. der Vertiefung dahingehend zum anderen distalen Ende der Vertiefung zunächst abnehmend sein und nach Überschreitung der Mitte zwischen den distalen Enden der Vertiefung wieder zunehmend sein. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Vorwegnahme der auftretenden mechanischen Spannung erreicht werden. In anderen Worten kann hierdurch ein besonders spannungsangepasster Verlauf erreicht werden.
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Vorteilhafterweise weist eine Verformungsstruktur, insbesondere eine zwischen zwei langlochförmigen Durchbrüchen angeordnete Verformungsstruktur, eine Materialstärke, insbesondere eine maximale Materialstärke, in Richtung der Verlaufsrichtung und eine, insbesondere maximale, Materialstärke in Richtung der Radialrichtung, welche - wie bereits dargelegt - als Radialstärke bezeichnet werden kann, auf, wobei das Verhältnis aus der Materialstärke zu der Radialstärke in einem Bereich von 0,7 bis 1,3, bevorzugt in einem Bereich von 0,85 bis 1,15, und besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,9 bis 1,1, liegt. Die Materialstärke ist - wie bereits dargelegt - insbesondere die gemittelte und/oder die maximale bzw. die minimale Materialstärke der Verformungsstruktur gemessen in Verlaufsrichtung. Die Radialstärke der Verformungsstruktur ist - wie ebenfalls bereits dargelegt - insbesondere die Materialstärke bzw. die Materialdicke in Radialrichtung.
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Vorteilhafterweise liegt dabei das Verhältnis aus der Materialstärke zu der Radialstärke in einem Bereich von 0,7 bis 1,3. Hierdurch kann eine besonders kostengünstige Fertigung erreicht werden, insbesondere wenn die Verformungsstruktur in Verlaufsrichtung durch langlochförmige Durchbrüche zumindest teilweise begrenzt ist. Sollte hingegen die Materialstärke in einem Bereich von 0,85 bis 1,15 liegen, so kann hierdurch eine besonders geringe lokale Spannungskonzentration erreicht werden, insbesondere wenn die Verformungsstruktur in Verlaufsrichtung durch langlochförmige Durchbrüche zumindest teilweise begrenzt ist. Sollte hingegen das Verhältnis in einem Bereich von 0,9 bis 1,1 liegen, so kann hierdurch eine besonders gute Elastizitätssteigerung erreicht werden.
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Vorteilhafterweise liegt das Verhältnis aus der mittleren Höhe oder der maximalen Höhe der Durchbrüche, insbesondere der Durchbrüche welche langlochförmig sind, in Verlaufsrichtung zu dem Durchmesser des Elastizitätsbereichs in einem Verhältnis von 0,045 bis 0,125, bevorzugt in einem Bereich von 0,055 bis 0,0834, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,06 bis 0,75. Die mittlere Höhe oder die maximale Höhe der Durchbrüche in Verlaufsrichtung ist dabei die Breite des Durchbruchs in Verlaufsrichtung, insbesondere zwischen zwei sich in Verlaufsrichtung gegenüberliegenden Wandungen. Die mittlere Höhe ist hingegen die in Verlaufsrichtung des Durchbruchs zwischen dem einen distalen Ende zu dem anderen distalen Enden gemittelte Höhe des Durchbruchs in Verlaufsrichtung. Der Durchmesser des Elastizitätsbereichs ist hingegen der Durchmesser des kleinsten möglichen Kreises, welcher in einer Ebene senkrecht zur Verlaufsrichtung liegt, der den Elastizitätsbereich gerade eben umgeben kann. Sollte dabei das Verhältnis in einem Bereich von 0,045 bis 0,125 liegen, so kann hierdurch eine besonders effektive Elastizitätsverringerung erreicht werden. Sollte hingegen das Verhältnis in einem Bereich von 0,055 bis 0,0834 liegen, so kann hierdurch eine besonders einfache Fertigung erreicht werden.
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Vorteilhafterweise ist das Verbindungsmittel einstückig ausgebildet. Unter einem einstückigen ausbilden ist insbesondere zu verstehen, dass das Material des Verbindungsmittels in einem einzigen ursprünglichen Urformprozess miteinander verbunden wurde. In anderen Worten kann das Verbindungsmittel nach diesem Urformprozess zwar weiterbearbeitet worden sein, insbesondere durch trennende oder abspaltende Verfahren, wie Laserschneiden und/oder Gewindeschneiden und/oder Fräsen oder Drehen, wobei jedoch keine weiteren Elemente zum Verbindungsmittel hinzugefügt wurden, z.B. durch Schweißen. Vorteilhafterweise sind jedoch lediglich der Betätigungsbereich, der Elastizitätsbereich und der Montagebereich einstückig miteinander ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt kann auch das Verbindungsmittel durch stoffschlüssiges Fügen weiterer Bestandteile miteinander resultieren, insbesondere durch stoffschlüssiges Fügen des Betätigungsbereichs mit dem Elastizitätsbereich und dem Montagebereich. Des Weiteren können bei dieser stoffschlüssigen Verbindung auch noch weitere Elemente am Verbindungsmittel montiert werden, sodass letztendlich ein Verbindungsmittel resultiert, dessen Betätigungsbereich, dessen Elastizitätsbereich und dessen Montagebereich durch stoffschlüssiges Fügen miteinander gefügt wurden, wobei jedoch weitere Elemente kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig am Verbindungsmittel befestigt sein können. Das stoffschlüssige Fügen ist in Hinblick auf die Fertigungskosten besonders vorteilhaft. Die einstückige Ausbildung des Verbindungsmittels und/oder des Betätigungsbereichs mit dem Elastizitätsbereich und dem Montagebereich hingegen resultiert in einer besonders mechanisch vorteilhaften Ausbildung.
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Vorteilhafterweise ist der Betätigungsbereich hohl, insbesondere inne Hohl. Hierdurch kann insbesondere ein Fluidfluss im hohlen Bereich des Betätigungsbereichs durch den Elastizitätsbereich und/oder durch den Montagebereich erfolgen. Dadurch kann das hier dargelegte Verbindungsmittel besonders vorteilhafterweise in einer Brennstoffzelle verwendet werden. Unter hohl ist dabei insbesondere zu verstehen, dass der gesamte Betätigungsbereich in Verlaufsrichtung hohl sein kann.
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Vorteilhafterweise weist der Betätigungsbereich einen Gasanschluss auf. Hierdurch kann besonders einfach ein Gasfluss aus dem und/oder in den Betätigungsbereich realisiert werden. Der Gasanschluss kann insbesondere ein gasdichtes Gewinde und/oder ein Schlauchanschluss aufweisen oder ausbilden.
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Vorteilhafterweise ist eine Zentralausnehmung vorhanden, welche sich in Verlaufsrichtung von dem Betätigungsbereich über den Elastizitätsbereich erstreckt und bis zum Montagebereich reichen kann. Vorteilhafterweise erstreckt sich diese Zentralausnehmung von dem distalen Ende des Montagebereichs bis zu einem distalen Ende des Betätigungsbereichs. In anderen Worten kann eine Zentralausnehmung durch das Verbindungsmittel sich in Verlaufsrichtung erstrecken, um so insbesondere einen Fluidfluss durch das Verbindungsmittel realisieren zu können. Vorteilhafterweise weist diese Zentralausnehmung einen konstanten Durchmesser im Betätigungsbereich, im Elastizitätsbereich und/oder im Montagebereich auf. Hierdurch kann eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung erreicht werden, welche darüber hinaus auch noch mechanisch vorteilhafte Eigenschaften aufweist.
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Zweckmäßigerweise weißt der Betätigungsbereich Betätigungsflächen auf, wobei die Betätigungsflächen insbesondere eine Normale in die Radialrichtung aufweisen. Hierdurch kann ein, insbesondere formschlüssige, Drehmoment, insbesondere um die Verlaufsrichtung, zur Montage des Verbindungsmittels in einfacher Weise auf das Verbindungsmittel ausgeübt werden. Durch die Vorsehung dahingehend, dass die Normalen der Betätigungsflächen in die Radialrichtung weisen, kann insbesondere eine besonders kostengünstige Fertigung erreicht werden, welche darüber hinaus auch einfach betätigt werden kann.
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Vorteilhafterweise ist/sind eine oder eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Durchbrüchen, insbesondere Vertiefungen und/oder Durchbrüche, welche Spiralen ausbilden und/oder langlochförmig ausgebildet sind, lasergeschnitten. Hierdurch resultiert eine besonders kostengünstige und exakte Fertigung, sodass lokale (ungewollte) Spannungskonzentrationen vermieden und/oder reduziert werden können.
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Ein weitere Aspekt der kann eine Verwendung eines Verbindungsmittels in/für eine/r Brennstoffzelle wie vorhergehend und/oder nachfolgend beschrieben betreffen.
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Ein weiterer Aspekt der kann eine Verwendung einer Bipolarplatte und/oder eines Bipolarplattensystems wie vorhergehend oder nachfolgen beschrieben in/für eine/r Brennstoffzelle wie vorhergehend und/oder nachfolgend beschrieben betreffen.
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Ein zusätzlicher Aspekt der kann eine Verwendung einer Endplatte wie vorhergehend oder nachfolgen beschrieben in/für eine/r Brennstoffzelle wie vorhergehend und/oder nachfolgend beschrieben betreffen.
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Zweckmäßigerweise umfasst die Brennstoffzelle zumindest eine Bipolarplatte, bevorzugt eine Vielzahl von Bipolarplatten, insbesondere wie vorgehend und/oder nachfolgend beschrieben. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt kann die Brennstoffzelle auch ein oder eine Vielzahl von Verbindungsmitteln und/oder Dichtelementen, insbesondere wie vorhergehend und/oder nachfolgend beschrieben, betreffen. Des Weiteren alternativ oder zusätzlich bevorzugt kann die Brennstoffzelle auch zumindest eine Endplatte oder zwei Endplatten aufweisen, insbesondere wie vorhergehend und/oder nachfolgend beschrieben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform einer Brennstoffzelle ist zwischen und/oder in zwei Bipolarplatten ein Hohlraum ausgebildet, welcher teilweise durch den Strömungsbereich einer oder beider Bipolarplatten begrenzt ist, wobei in den Hohlraum ein Fluid durch einen der Durchbrüche, insbesondere durch einen Strömungsdurchbruch, der Bipolarplatte gelangt oder gelangen kann und/oder wobei aus dem Hohlraum ein Fluid durch einen der Durchbrüche, insbesondere durch ein Strömungsdurchbruch, der Bipolarplatte gelangt oder gelangen kann. In anderen Worten kann daher der Strömungsbereich der Bipolarplatte in Fluidverbindung mit einem Strömungsdurchbruch eines Durchbruchs und einem Strömungsdurchbruch eines anderen Durchbruchs stehen. Hierdurch kann eine besonders effektive und einfache Möglichkeit geschaffen werden, Fluide über die Strömungsdurchbrüche in Anlage mit dem Strömungsbereich zu bringen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist in den Hohlraum eine MEA angeordnet. Unter einer MEA ist dabei eine Membran-Elektroden-Einheit zu verstehen. Hierdurch kann eine besonders kompakte Ausgestaltung der Brennstoffzelle erreicht werden.
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Ein weiterer Aspekt kann ein Verfahren zum Herstellen eines Verbindungsmittels, insbesondere wie vorgehend und nachfolgend beschrieben, betreffen. Das Verfahren umfasst insbesondere die Schritte:
- • Vorteilhafterweise Bereitstellen eines Rohlings;
- • Ausformen eines Betätigungsbereichs, insbesondere eines Kopfs, vorteilhafterweise durch Umformen;
- • Ausformen eines, insbesondere hohlen, Montagebereichs, insbesondere mittels Umformen;
- • Ausformen eines Elastizitätsbereichs, insbesondere durch Einbringung von Steifigkeitsreduktionsstrukturen, vorteilhafterweise in der Form von Vertiefungen und/oder Durchbrüchen, in Verlaufsrichtung zwischen dem Betätigungsbereich und dem Montagebereich.
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Das Einbringen der Steifigkeitsreduktionsstrukturen kann insbesondere mittels eines Lasers erfolgen, daher beispielsweise durch Laserschneiden. Das durch das Verfahren zum Herstellen bereitgestellte Verbindungsmittel kann insbesondere die vorhergehend und nachfolgend dargelegten Merkmale, Ausgestaltungen, Ausführungsform und Vorteile aufweisen. Insbesondere erfolgen dabei das Ausformen des Betätigungsbereichs und/oder das Ausformen des Elastizitätsbereichs und/oder das Ausformen des Montagebereichs durch ein Umformverfahren, um so eine besonders mechanisch belastbare und dennoch kostengünstige Ausgestaltung eines Verbindungsmittels zu erreichen. Das Verbindungsmittel kann dabei insbesondere eine Schraube und/oder ein Bolzen sein.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die Figuren. Einzelne Merkmale der dargestellten Ausführungsformen können dabei auch in anderen Ausführungsformen eingesetzt werden, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde.
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Es zeigen:
- 1 eine Bipolarplatte;
- 2 ein Brennstoffzelle und/oder eine Bipolarplatte;
- 3 eine Ansicht einer alternativen Ausgestaltung einer Bipolarplatte;
- 4 ein Brennstoffzelle mit einer Bipolarplatte und einem Verbindungsmittel;
- 5 eine Brennstoffzelle mit einer Endplatte und einer Vielzahl von Bipolarplatten;
- 6 eine isometrische Ansicht einer Endplatte;
- 7 eine Seitenansicht eines Verbindungsmittels mit Steifigkeitsreduktionsstrukturen in Langlochförmiger Form;
- 8 ebenfalls ein Verbindungsmittel mit Steifigkeitsreduktionsstrukturen als Ausnehmung, wobei die Briete der Steifigkeitsreduktionsstrukturen zur Mitte hin abnehmend ist;
- 9 eine Teilansicht eines Verbindungsmittels in einer Brennstoffzelle;
- 10 eine Vielzahl von Verbindungsmitteln in einer Brennstoffzelle;
- 11 eine Seiten und Schnittansicht eines Verbindungsmittels; und
- 12 ein Verbindungsmittel mit einer Verformungsstruktur, welche eine Spirale ist.
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In der 1 ist eine isometrische Ansicht einer Bipolarplatte 210 gezeigt. Die Bipolarplatte 210 weist eine Vielzahl von Durchbrüchen 240 auf, welche sich in Höhenrichtung H erstrecken. Die Durchbrüche 240 umfassen jeweils einen Montagedurchbruch 242 und ein Strömungsdurchbruch 244. Der Montagedurchbruch 242 weist jeweils einen kreissegmentförmigen Teil auf und/oder bildet einen kreissegmentförmigen Teil der äußeren Kontur des Durchbruchs 240 aus. Der Montagedurchbruch 242 ist dazu ausgebildet, ein Verbindungsmittel aufzunehmen die Bipolarplatte weist ein Breiten zu Längen-Verhältnis von weniger oder gleich 1 zu 3 auf, wobei in dem Mittelbereich in Längsrichtung L eine Vielzahl von Durchbrüchen 240 in der Bipolarplatte 210 angeordnet sind. Hierdurch kann eine besonders homogene Verspannkraftverteilung auf die Bipolarplatte 210 ausgebildet werden.
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In der 2 ist eine isometrische Ansicht von Bipolarplatten 210 zu erkennen, welche in Höhenrichtung H übereinander angeordnet sind. Zwischen den Bipolarplatten 210 ist jeweils ein Dichtelement 310 angeordnet. In anderen Worten ist in der 2 auch ein Bipolarplattensystem 300 zu erkennen, welches eine Bipolarplatte 210 und ein Dichtelement 310 umfassen kann. Das Bipolarplattensystem ist dabei ein Teil der Erfindung und kann in einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte Anwendung finden. Dieser Umstand ist dabei Ausführungsform unabhängig. Wie der in Höhenrichtung H höchsten Bipolarplatte 210 angesehen werden kann, ist auf dieser eine Vielzahl von Dichtelementen 310 festgelegt. Diese Dichtelemente 310 umgeben jeweils einen Durchbruch 240. Jeder der Durchbrüche 240 umfasst zumindest einen Montagedurchbruch 242 und einen Strömungsdurchbruch 244. Das Dichtelement 310 folgt zumindest 60 % des kreissegmentförmigen Teils der äußeren Kontur jedes Durchbruchs 240. Der kreissegmentförmige Teil des Montagedurchbruchs 242 bildet zumindest 65 % eines Kreises der jeweiligen Durchbrüche 240 aus. Die Strömungsdurchbrüche 244 sind dabei derart ausgebildet, dass dies zum Strömungsbereich 252 weisend ausgebildet sind. Der Strömungsbereich 252 ist ebenfalls von einem Dichtelement 310 umgeben. Jedes Dichtelement 310 ragt dabei zumindest teilweise in einen Durchbruch 240 oder zwei Durchbrüche 240, nämlich zumindest teilweise in den Montagedurchbruch 242, hinein. Hierdurch kann eine besonders gute Isolationsmöglichkeit eines Verbindungsmittels 9 geschaffen werden, welches in den Montagedurchbruch 244 aufgenommen werden kann, wie es beispielsweise in der 4 gezeigt ist.
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In der 3 ist eine Ansicht einer Bipolarplatte 210 gezeigt, wobei die Bipolarplatte 210 sechs Durchbrüche 240 aufweist, welche sich in Höhenrichtung H erstrecken. Senkrecht zu der Höhenrichtung H steht die Breitenrichtung B und die Längsrichtung L. Von dem links unten angeordneten Durchbruch 240 zu dem rechts obig angeordneten Durchbruch 240 erstrecken sich die Strömungsnuten 250, welche durch den Strömungsbereich 252 führen. Die Strömungsnuten 250 sind dabei mäanderförmig angeordnet.
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Der Strömungsbereich 252 ist vom Dichtelement 310 umgeben, welches auch zwei Durchbrüche 240 umgibt.
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In der 4 ist eine Brennstoffzelle 1 bzw. ein Teil einer Brennstoffzelle 1, insbesondere ein Bipolarplattensystem 300, umfasst eine Vielzahl von Dichtelementen 310 und eine Vielzahl von Bipolarplatten 210 sowie ein Verbindungsmittel 9 gezeigt. Das Verbindungsmittel 9 erstreckt sich in Höhenrichtung H. Wie der 4 entnommen werden kann, kontaktiert eine Vielzahl von Dichtelementen 310 die Bipolarplatte 210 und das Verbindungsmittel 9. Das Verbindungsmittel 9 ist dabei derart ausgebildet, dass dieses einen sich in Höhenrichtung H erstreckenden Strömungsdurchlass aufweist, wobei das Strömungsdurchlass in Fluidverbindung mit dem Strömungsdurchbruch 244 der jeweiligen Durchbrüche 240 steht. Hierdurch kann eine besonders gute und vorteilhafte Fluidversorgung und/oder Abfuhr durch das Verbindungsmittel 9 erfolgen.
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In der 5 ist eine Brennstoffzelle 1 gezeigt, wobei die Brennstoffzelle 1 eine Vielzahl von Verbindungsmitteln 9 und eine Vielzahl von Bipolarplatten 210 und/oder Bipolarplattensystemen 300 aufweist. Die Brennstoffzelle 1 ist in Höhenrichtung H zumindest abschnittsweise durch eine Endplatte 500 begrenzt.
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In der 6 ist eine Endplatte 500 gezeigt. Die Endplatte 500 erstreckt sich in Längsrichtung L und in Breitenrichtung B, wobei die Endplatte 500 in Längsrichtung L voneinander distanzierte Verspannbereiche 502 aufweist, wobei in den Verspannbereichen 502 Festlegungsdurchbrüche 510 angeordnet sind. Die Verspannbereiche 502 sind derart angeordnet, dass diese jeweils zumindest drei Befestigungsdurchbrüche 510 aufweisen. Zwischen den Verspannbereichen 502, insbesondere in Längsrichtung L gesehen, ist die Biegesteifigkeit der Endplatte 500 variabel, wobei diese in Richtung zu den Verspannbereichen 502 hin abnehmend ist. Diese variable Biegesteifigkeit kann dabei durch die Versteifungsrippen 520 erreicht werden, welche sich parallel zur Längsrichtung L erstrecken.
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In 7 ist ein Verbindungsmittel 9 gezeigt, welches ein Betätigungsbereich 10 in Form eines Kopfes aufweist. Der Betätigungsbereich 10 verfügt über ein Anschlussgewinde für einen Gasstutzen. Darüber hinaus verfügt das Verbindungsmittel 9 auch über einen Montagebereich 50, wobei der Befestigungsbereich 10 und der Montagebereich 50 distal gegenüberliegende Endebereiche des Befestigungsmittels/ Verbindungsmittel 9 in Verlaufsrichtung V ausbilden. Zwischen dem Befestigungsbereich 10 und dem Montagebereich 50 befindet sich der Elastizitätsbereich 30. Der Elastizitätsbereich 30 weist aufgrund seiner Geometrie eine geringere Elastizität als der Montagebereich 50 und als der Betätigungsbereich 10 auf und wobei der Elastizitätsbereich 30 eine degressive Federcharakteristik aufweist. Diese Steifigkeitscharakteristika des Elastizitätsbereichs 30 wird durch die langlochförmigen Steifigkeitsreduktionsstrukturen erreicht, welche als Durchbruch ausgebildet sind.
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In 8 ist ein ähnliches Befestigungsmittel/ Verbindungsmittel 9 im Vergleich zu der 7 gezeigt. Der Betätigungsbereich 10 verfügt jedoch über einen Außensechskant mit Betätigungsflächen 12. In dem Montagebereich 50, welcher innen hohl ausgebildet ist, befindet sich ein Innengewinde zur Montage. Radial von der Verlaufsrichtung V weist die Radialrichtung R. Die im Elastizitätsbereich 30 vorhandenen Verformungsstrukturen 32 sind derart beschaffen, dass diese eine variable Breite in Verlaufsrichtung V aufweisen, wobei die Breite zur Mitte der Ausnehmung hin abnehmend ist.
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In 9 ist eine Detailansicht eines montierten Verbindungsmittels 9 in einer Brennstoffstelle zu erkennen. Sowohl der Betätigungsbereich 10, welcher in seinem Inneren Betätigungsflächen 12 aufweist, als auch der Elastizitätsbereich 30 sind mit einer Zentralausnehmung 60 versehen, sodass ein innen hohler Bereich sowohl im Elastizitätsbereich 30 als auch im Betätigungsbereich 10 resultiert. Die Steifigkeitsreduktionsstrukturen sind dabei in langlochförmiger Weise ausgebildet. Die Steifigkeitsreduktionsstrukturen 34 bilden die Verformungsstrukturen 32 aus, wobei die Verformungsstrukturen 32 eine Radialstärke RS in Radialrichtung R aufweisen.
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In 10 ist eine Brennstoffzelle gezeigt, welche über eine Vielzahl von Verbindungsmitteln 9 verfügt. Die Verbindungsmittel 9 durchdringen dabei die Brennstoffzelle 9 jeweils in Verlaufsrichtung V bzw. in Höhenrichtung H vollständig. Grundlegend sollte dabei das Verbindungsmittel 9 bzw. die Verlaufsrichtung V parallel zu der Längsrichtung L oder zur Höhenrichtung H sein.
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In 11 ist im unteren Bereich eine Seitenansicht und im oberen Bereich eine Schnittansicht durch ein Verbindungsmittel 9 gezeigt. Das Verbindungsmittel 9 erstreckt sich in Verlaufsrichtung V. Im Elastizitätsbereich 32 sind dabei tellerfederartige hintereinander geschaltete Verformungsstrukturen 32 ausgebildet. Durch diese geometrische Ausbildung verfügt der Elastizitätsbereich 30 über eine degressive Federcharakteristik. Die Radialstärke RS im Elastizitätsbereich ist dabei erkennbar. Sowohl der Montagebereich 50 als auch der Elastizitätsbereich 30 sind innen hohl ausgebildet und verfügen daher jeweils über einen Abschnitt der Zentralausnehmung 60. Um eine Montage des Verbindungsmittels 9 zu erreichen, verfügt der Montagebereich 50 über ein Innengewinde.
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In 12 ist ein Verbindungsmittel 9 gezeigt. Das Verbindungsmittel 9 verfügt über eine Verformungsstruktur 32, welche eine Spirale ist. In anderen Worten verfügt der Elastizitätsbereich 30 über eine wendelförmige Vertiefung, welche die Verformungsstruktur 32 ausbildet. Die Verformungsstruktur 32 weist in Verlaufsrichtung V eine Materialstärke MS auf. Alternativ bevorzugt kann statt einer wendelförmigen Vertiefung auch eine Mehrzahl von Wendelförmigen Vertiefungen vorgesehen sein, sodass eine mehrgängige Verformungsstruktur bzw. Verformungsstrukturen in Form einer Spirale resultieren. Der Montagebereich 50 verfügt ebenfalls über ein metrisches Innengewinde.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Brennstoffzelle
- 9
- Verbindungsmittel
- 10
- Betätigungsbereich, insbesondere Kopf
- 12
- Betätigungsfläche
- 30
- Elastizitätsbereich
- 32
- Verformungsstrukturen
- 34
- Steifigkeitsreduktionsstrukturen, Vertiefungen, insbesondere Durchbrüche
- 50
- Montagebereich
- 60
- Zentralausnehmung
- 210
- Bipolarplatte
- 240
- Durchbruch
- 242
- Montagedurchbruch
- 244
- Strömungsdurchbruch
- 250
- Strömungsnut
- 252
- Strömungsbereich
- 300
- Bipolarplattensystem
- 310
- Dichtelement
- 500
- Endplatte
- 502
- Verspannbereich
- 510
- Festlegungsdurchbrüche
- 520
- Versteifungsrippen
- B
- Breitenrichtung
- L
- Längsrichtung
- H
- Höhenrichtung
- V
- Verlaufsrichtung
- MS
- Materialstärke
- R
- Radialrichtung
- RS
- Radialstärke
- U
- Umfangsrichtung
