DE20204606U1 - Brennstoffzellen-Paket und Endplatte dafür - Google Patents
Brennstoffzellen-Paket und Endplatte dafürInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-Paket mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen sowie eine Endplatte für ein solches Paket.
Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, dass derzeit Brennstoffzellen zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Wasserstoff-S auersto ff-Reaktion bzw. aus Methan oder anderen chemischen Reaktionsträgern zur Serienreife entwickelt werden und für die Serienproduktion sich in Vorbereitung befinden. Solche Brennstoffzellen lassen sich als Paket beschreiben, bei denen plattenförmige Einzelzellen aneinandergereiht und jeweils über eine Endplatte an den beiden Enden der Einzelzellenreihe durch dazwischen verlaufende Traversen zusammengehalten werden. Dieses Paketieren erfolgt in der Regel mit Gewindestangen als Traversen, die das gesamte Paket durchgreifen und auf ihren Enden mit Befestigungsmuttern versehen sind.
Ferner sind in den Endplatten Ver- und Entsorgungsanschlüsse vorgesehen, um Brennstoff zu den Einzelzellen zuzuführen und Reaktionsprodukte davon abzuführen.
Für derartige Brennstoffzellen-Pakete gelten einige Erfordernisse, die sich teilweise widersprechen, so dass bei der Konstruktion insbesondere der Endplatten technische ungünstige Kompromisse geschlossen werden müssen. So werden Brennstoffzellen oftmals mobil, wie z.B. in Fahrzeugen, eingesetzt, so dass ein möglichst geringes Gewicht von Bedeutung ist. Ferner wird eine hohe Passgenauigkeit und Steifigkeit der Endplatten gefor-
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dert. Schließlich ist ein besonders kritischer Punkt das Anzugsmoment der Schraubverbindungen an den Traversen. Es ist nämlich eine Überlastung der zwischen den Endplatten positionierten Einzelzellen durch zu großen Druck aufgrund eines überhöhten Anzugsmomentes zu vermeiden, da ansonsten die Einzelzellen einer Bruchgefahr ausgesetzt werden.
Aus dem Stand der Technik sind Endplatten bekannt, die aus massivem Kunststoff- oder Metallmaterial, wie z.B. Aluminium, gefertigt sind. Im Hinblick auf die vorstehend erörterten Anforderungen haben diese Materialien den Nachteil, dass sie einen hohen Fertigungsaufwand für Zuschnitt, Bohren und Fräsen mit engen Toleranzen mit sich bringen. Ferner weisen sie ein vergleichsweise großes Gewicht auf. Schließlich besteht die Möglichkeit der Zerstörung der Brennstoffzellen beim Überschreiten der Anzugsmomente der Schraubverbindungen an den paketierenden Traversen.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellen-Paket hinsichtlich seiner Endplatten so zu verbessern, dass sie bei einer günstigeren Gewichtsbilanz einfacher herstellbar und die dazwischen befindlichen Einzelzellen dabei gleichzeitig gegen Überlastung geschützt sind.
Diese Aufgabe wird laut Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die Endplatten aus einem Metallschaum-Material, vorzugsweise aus Aluminiumschaum, bestehen.
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Durch diese Materialauswahl werden Synergieeffekte erzeugt, die besonders vorteilhaft für den Einsatz bei den Endplatten von Brennstoffzellen-Paketen sind. So weist ein Metallschaum-Material eine Dichte auf, die beispielsweise bei Aluminiumschaum bei ca. einem Drittel des entsprechen-
den Vollmaterials liegt. Dabei ist dieser Werkstoff jedoch für den Einsatzzweck ausreichend fest und steif. Hinsichtlich der Fertigung ergeben sich ebenfalls Vorteile, da die endgültige Form der Endplatten einschließlich der Bohrungen für die Traversen und Öffnungen für die Ver- und Entsorgungsanschlüsse in einem Prozess, nämlich dem Formschäumen der Endplatte, integral eingeformt werden können. Dabei ist auch eine große Gestaltungsfreiheit, wie z.B. ein variabler Querschnitt und verschiedene Schräglagen und Krümmungen der die Ver- und Entsorgungsanschlüsse darstellenden Stoffkanäle gegeben.
Schließlich stellt das Schaummaterial der Endplatten inhärent eine Sicherungsfunktion gegen Zerstörung der Einzelzellen durch zu große Anzugsmomente an den Paketier-Traversen zur Verfügung. Eine Materialeigenschaft von Metallschäumen ist nämlich das Verhalten, unter Kraftbeaufschlagung allmählich und kontrolliert zu kollabieren, ohne - innerhalb gewisser Belastungsgrenzen - Festigkeit und Steifheit zu verlieren.
Bevorzugte Weiterbildungen sowie weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, in der ein Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Brennstoffzellen-Pakets,
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Fig. 2 eine Draufsicht des Brennstoffzellen-Pakets aus Pfeilrichtung II nach Fig. 1,
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Fig. 3 einen Schnitt durch eine Endplatte des Brennstoffzellen-Pakets entlang der Schnittlinie IH-III nach Fig. 2, und
Fig. 4 ein Kraft-Dickenänderungs-Diagramm zur Darstellung des Belastungsverhaltens der Endplatten.
Aus Fig. 1 geht der grundsätzliche Aufbau eines Brennstoffzellen-Pakets hervor. So sind plattenförmige Einzelzellen 1 beispielsweise für die Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion aneinandergereiht und bilden damit eine Einzelzellenreihe 2. Diese ist an ihren beiden Enden jeweils durch Endplatten 3 abgeschlossen, die allseitig nach außen die Kontur der Einzelzellen 1 überragen. Jeweils in den Eckbereichen und mittig dazwischen sind in Längsrichtung L der Reihe 2 verlaufende Traversen 4 in Form von Stangen vorgesehen, die die beiden Endplatten 3 und die dazwischen positionierten Einzelzellen 1 über miteinander fluchtende Befestigungsbohrungen 5 durchgreifen. Die Traversen 4 stehen mit ihren Gewindeenden 6 jeweils über die Endplatten 3 hinaus, so dass dort zum Paketieren der Einzelzellenreihe 2 Befestigungsmuttern 7 unter Zwischenlage einer Beilagscheibe 8 aufgeschraubt sind.
Um den Endplatten 3 im Bereich der Traversen 4 ausreichende Festigkeit zu verleihen, sind sie - wie insbesondere aus den Fig. 1 und 3 hervorgeht in Längsrichtung L rahmenartig verstärkt und mit Ausbuchtungen 9 (Fig. 2) nach außen versehen. Im Zentrum der Endplatten 3 wird dadurch eine in Draufsicht (Fig. 2) im wesentlichen quadratische Vertiefung 10 gebildet.
Wie ferner aus Fig. 2 hervorgeht, sind am oberen Rand 11 der Endplatten 3 beiderseits der mittigen Traverse 4 in Dickenrichtung durchgehende Ver-
sorgungsbohrungen 12 angelegt, über die beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff zugeführt werden können.
Zum Abführen entsprechender Reaktionsprodukte sind an den beiden Seitenrändern 13,14 der Endplatten 3 oberhalb der in den unteren Eckbereichen liegenden Traversen 4 Entsorgungsbohrungen 15 in jeder Endplatte angelegt.
Die Endplatten 3 sind aus einem Aluminiumschaum-Material mit einer Dichte von 0,5 bis 0,9 g/cm3 durch Formschäumen hergestellt. Dabei sind beim Formschäumen die als Montageöffnung fungierenden Befestigungsbohrungen 5, die Versorgungsbohrungen 12 und die Entsorgungsbohrungen 15 integral mit eingeformt worden, so dass dafür keine eigenen Herstellungsschritte notwendig sind.
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Eine kritische Größe beim Paketieren des Brennstoffzellen-Pakets ist das Anzugsmoment der Befestigungsmuttern 7. Bei herkömmlichen Endplatten aus massivem Material wird das Anzugsmoment vollständig auf die Einzelzellen 1 übertragen. Werden die Befestigungsmuttern 7 daher versehentlieh zu stark angezogen, besteht die Gefahr, dass die Einzelzellen 1 brechen und die Brennstoffzelle ausfällt.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Paket mit Endplatten 3 aus Metallschaum-Material hat ein zu hohes Anzugsmoment - innerhalb gewisser Grenzen - keine negativen Auswirkungen auf die Einzelzellen 1. Dies ist anhand von Fig. 4 zu veranschaulichen.
Dieses Diagramm zeigt das Verhalten von Aluminiumschaum, der einem Lösungsglühen von 5000C über eine Zeitdauer von 18 Stunden und einer
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Warmauslagerung bei 1600C ausgesetzt war. Der Block mit einer bestimmten Dicke d wurde über eine definierte Fläche einer steigenden Kraft F ausgesetzt, die in dem Diagramm gemäß Fig. 4 auf der Ordinate aufgetragen ist. Die Abszisse gibt die prozentuale Dickenänderung Ad/d wieder, um die der Aluminiumschaum-Block unter dem Einfluss der jeweiligen Kraft kollabiert. Bei zu hohem Anzugsmoment der Befestigungsmuttern werden also die Endplatten 3 zusammengedrückt, wodurch die Überbelastung nicht auf die Einzelzellen 1 weitergegeben und diese vor Beschädigung geschützt werden.
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Claims (10)
1. Brennstoffzellen-Paket mit
- aneinander gereihten, plattenförmigen Einzelzellen (1),
- jeweils einer Endplatte (3) an den beiden Enden der Einzelzellenreihe (2),
- die Einzelzellenreihe (2) paketierenden Traversen (4) zwischen den Endplatten (3), und
- Ver- und Entsorgungsanschlüssen (12, 15) in den Endplatten (3) zum Zuführen von Brennstoff zu den Einzelzellen (1) und zum Abführen von Reaktionsprodukten von den Einzelzellen (1), dadurch gekennzeichnet, dass
- die Endplatten (3) aus einem Metallschaum-Material bestehen.
2. Brennstoffzellen-Paket nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten (3) aus Aluminiumschaum-Material bestehen.
3. Brennstoffzellen-Paket nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Montageöffnungen (5) für die Traversen (4) beim Schäumen der Endplatten (3) durch Formschäumen integral mit eingeformt sind.
4. Brennstoffzellen-Paket nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver- und Entsorgungsanschlüsse (12, 15) in den Endplatten (3) beim Schäumen der Endplatten (3) durch Formschäumen integral mit eingeformt sind.
5. Brennstoffzellen-Paket nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumschaum-Material eine Dichte von 0,5 bis 0,9 g/cm3 aufweist.
6. Endplatte für ein Brennstoffzellen-Paket mit Ver- und Entsorgungsanschlüssen (12, 15) zum Zuführen von Brennstoff zu den Einzelzellen (1) und zum Abführen von Reaktionsprodukten von den Einzelzellen (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten (3) aus einem Metallschaum-Material bestehen.
7. Endplatte nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatte (3) aus Aluminiumschaum-Material besteht.
8. Endplatte nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Montageöffnungen (5) für Traversen (4) zum Paketieren der Einzelzellen (1) beim Schäumen der Endplatte (3) durch Formschäumen integral mit eingeformt sind.
9. Endplatte nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver- und Entsorgungsanschlüsse (12, 15) in der Endplatte (3) beim Schäumen der Endplatte (3) durch Formschäumen integral mit eingeformt sind.
10. Endplatte nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumschaum-Material eine Dichte von 0,5 bis 0,9 g/cm3 aufweist.
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2002
- 2002-03-22 DE DE20204606U patent/DE20204606U1/de not_active Expired - Lifetime
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