WO2003044885A2 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2003044885A2
WO2003044885A2 PCT/EP2002/013248 EP0213248W WO03044885A2 WO 2003044885 A2 WO2003044885 A2 WO 2003044885A2 EP 0213248 W EP0213248 W EP 0213248W WO 03044885 A2 WO03044885 A2 WO 03044885A2
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WO
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fuel cell
end plate
contact surface
cell system
base body
Prior art date
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PCT/EP2002/013248
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English (en)
French (fr)
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WO2003044885A3 (de
Inventor
Raimund STRÖBEL
Stefan Lohr
Thomas Carle
Dieter Grafl
Dominique Tasch
Markus Lemm
Original Assignee
Reinz-Dichtungs-Gmbh
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Publication date
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Priority to US10/496,446 priority patent/US20050053824A1/en
Priority to CN028274652A priority patent/CN1636293B/zh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system according to the preamble of claim 1.
  • Fuel cell systems are known in which a fuel cell stack made up of a plurality of intermediate plates, which represents a row of plate-shaped fuel cells, is enclosed between two end plates for pressing the intermediate plates together.
  • the pressure of the end plates causes the individual intermediate plates, ie plates of individual fuel cells, to be pressed onto one another with as uniform a pressure as possible, so that the diffusion processes taking place in the individual fuel cells and the current conductivity from plate to plate are ensured.
  • the pressure of the end plates is necessary for the sealing function of gas or liquid circuits between the intermediate plates.
  • the end plates are assembled from several individual parts for pressing the intermediate plates together. For example, it is common to provide a metallic (usually aluminum) plate which provides sufficient mechanical strength for the forces acting on the end plates.
  • additional components are usually provided for dissipating the current of the fuel cell stack to an electrical consumer.
  • sockets for lines for supplying media to the fuel cell stack in the area of the end plate have to be accommodated.
  • a separate cooling unit on the end plate which thermally stabilizes the fuel cell stack.
  • the end plate according to the invention is characterized by a simple structure.
  • the end plate base body has channel structures which allow the flow of a cooling circuit for cooling the fuel cell stack. This results in a reduced effort, since the channel structures are an integral part of the end plate and a separate cooling segment does not have to be provided.
  • Another main component is the contact surface plate, which makes electrical contact with the fuel cell stack and also removes the heat dissipation from the stack practically without detour to the cooling circuit. This also reduces the thermal inertia of the overall system.
  • the limited number of parts means that the assembly costs and possible assembly errors are reduced. It is particularly useful for the cost-effective series production of end plates to provide the end plate base body, for example, as an injection molded part.
  • the end plate base body is made of plastic, for example thermoplastics such as PA, PEEK, PPS, LCP, POM or thermosets such as PF, MF.
  • plastic also has the particular advantage that it has a low mass and is therefore particularly suitable for mobile applications.
  • plastics regularly have a lower heat capacity than the usual metals, so that due to the cooling provided directly in the end plate base body due to the less sluggish response to direct cooling and thus with better temperature management for the
  • the end plate base body from metal, for example in die-cast aluminum.
  • certain anti-corrosion varnishes may be used to coat the metals necessary.
  • a particularly advantageous embodiment provides that the side of the contact surface plate facing the end plate base body is a boundary wall of the cooling circuit.
  • the end plate base body is particularly easy to manufacture, since the channel structures can only be designed as simple recesses without complicated undercut cross sections. It is not necessary to produce the end plate base body using complicated core casting processes.
  • the sealing surface of the channel structures is brought about by the contact surface plate towards the fuel cell stack. This also ensures that a very direct heat dissipation from the fuel cell stack into the cooling circuit of the end plate takes place via the contact surface plate.
  • a particularly advantageous embodiment provides that the contact surface plate is inserted into the end plate base body in such a way that the contact surface plate is balled toward the fuel cell stack. In this way, an undesired deflection, which could lead to an inhomogeneous pressure on the stack surface, is compensated for by a predetermined deformation during installation.
  • the contact surface plate can also be shaped such that it is essentially flat towards the end plate base body and cambered towards the fuel cell stack.
  • the force in the stacks is introduced by the pantograph insert in such a way that a delay is compensated for.
  • the height of the cooling structure can be varied so that a spherical cutout shape (balling, crowning) is passed on to the stack or that the necessary homogeneous force distribution in the active area of the fuel cell is initiated by the end plate being inserted through a suitable construction is so elastic that the forces are built up by a central bracing from the outside.
  • the end plate base body or the contact surface plate has support elements for distributing the pressure load acting on the contact surface plate. This ensures that the pressure is passed on homogeneously from the end plate to the fuel cell stack over the entire area of the contact surface plate. This uniform pressure also causes all other intermediate plates of the fuel cell stack to be pressed evenly, so that good electrical contact occurs between the individual plates, which is reflected in the good efficiency of the fuel cell system.
  • the support elements according to the invention can be produced easily and inexpensively using manufacturing processes according to the prior art (for example plastic injection molding processes).
  • a further advantageous embodiment provides that sealing means are arranged between the contact surface plate and the end plate base body in order to prevent coolant from escaping from the channel structures.
  • a separate sealing element such as a rubber seal
  • the contact surface plate is then fixed, for example, by a snap connection.
  • inject the contact surface plate directly into the end plate base body or to fuse it with this (these methods are particularly suitable for end plate base bodies made of plastic).
  • the contact surface plate itself. It is therefore possible to provide them entirely from a metal (for example stainless steel, aluminum or copper with a thickness of 0.5-3 mm). Depending on the metal, it may make sense to apply an anti-corrosion varnish to the metal.
  • a metal for example stainless steel, aluminum or copper with a thickness of 0.5-3 mm.
  • the contact surface plate as a metal-coated plastic plate.
  • an aluminum or copper foil of small thickness is advantageously applied 0.1 to 1 mm to a metal or plastic plate on the side facing the fuel cell stack.
  • the electrically insulating properties of many plastics are advantageous here Make additional insulation superfluous, however, it must be ensured that the plastic plate is adequately supported in order to achieve a uniform surface pressure for the fuel cell stack.
  • an electrically conductive corrosion coating must be provided for the contact surface plate.
  • connection can be designed, for example, as an outstanding tab on the contact surface, which can be easily connected to an electrical consumer.
  • inlets or outlets for gases or liquids can be easily provided on the end plate base body, which with corresponding inclusions. Omission of the fuel cell stack for media supply (such as H 2 , 0 2 , air, methanol, etc.) can be connected. Coolant inlets and coolant outlets to the coolant-carrying channel structures are also easily possible. All of these inlets and outlets can be designed as hole-like openings in the end plate base body or also as sockets.
  • Such a side facing the fuel cell stack has three-dimensional structure that reactants can be guided over this structure.
  • a so-called "flow field” is an integral part of the contact surface plate. This makes it possible, for example, to conduct a reaction gas, such as molecular hydrogen, distributed over the contact surface plate so that there is a homogeneous surface distribution.
  • the end plate base body has seals on its side facing the fuel cell stack for sealing the inlets or outlets for gases or liquids and for sealing electrochemically active areas of the fuel cell stack.
  • This can e.g. are elastomer seals, which are attached in grooves of the base plate body.
  • the contact surface plate it is also possible for the contact surface plate to extend essentially over the entire surface of the end plate base body and to have the seals on its side facing the fuel cell stack for sealing the inlets or outlets for media and the electrochemically active regions of the fuel cell stack. In this case, the channels for the gases or liquids pass through the contact surface plate.
  • the application of seals for example by means of elastomer application using a screen printing method, is possible at low cost.
  • the contact surface plate can also have seals on its side facing the end plate base body. So can for example, elastomer seals are provided in this area between the end plate base body and the contact surface plate (this is necessary, for example, if the contact surface plate simultaneously represents a boundary wall of the cooling circuit arranged in the end plate base body).
  • a snap or fixing mechanism should also take place between the contact surface plate and the end surface base body in order to position these components with respect to one another as desired. The final sealing effect occurs as soon as the fuel cell stack is clamped together by exerting pressure on the end plates.
  • FIGS. 3a and 3b views of an end plate base body according to the invention.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system 1 according to the invention.
  • a fuel cell stack 2 made up of a plurality of intermediate plates, which consists of a stack of several plate-promoting layers. miger fuel cells, which are electrically connected in series.
  • This fuel cell stack is arranged between two end plates 3.
  • the exertion of pressure forces on the fuel cell stack is possible, for example, by means of clamping bolts, which are each guided through through holes 13 and countered on the rear sides of the end plates facing away from the fuel cell stack.
  • clamping straps or tension anchors are also possible for applying these pressure forces.
  • FIG. 2 shows an end plate base body 4 and a contact surface plate 5 connected thereto or inserted therein for the electrical contacting of the fuel cell stack 2 (FIG. 2 shows a still unassembled position of the contact surface plate 5, the finished installation position can be seen in the end plates in FIG. 1) ,
  • the end plate base body 4 has channel structures 6 for one
  • Cooling circuit for cooling the fuel cell stack In the present case, the end plate base body 4 is made from an injection molded plastic.
  • the low mass and the low heat capacity are particularly advantageous here, so that the cooling circuit can influence the temperature in the fuel cell stack practically directly without loss of inertia.
  • the side 5.1 of the contact surface plate 5 facing the end plate base body 4 is a boundary wall of the cooling circuit.
  • the channel structures are designed as depressions in the end plate base body, which is open on one side.
  • the cross-sectional drawing in FIG. 2 shows several channels lying next to one another, which are separated from one another by elevations or support elements 7. Such a form is Technically easy to implement, since the channel structure has no undercuts.
  • the contact surface plate 5 is fixed on the support elements 7 so that the channels of the channel structure 6 are completely closed. It is advantageous here that the support elements 7 support the contact surface plate 5 over a very wide area, so that there is no deflection of the contact surface plate, for example in the center thereof, and thus an uneven pressing behavior of the fuel cell stack.
  • Sealing means 8 can be attached all around between the contact surface plate 5 and the end plate base body 4 in order to avoid leakage of the cooling medium flowing through the channel structure 6. Adhesion can be provided as the sealing means, but separate sealing elements, such as a rubber seal, are also possible. Depending on the material, thermal joining between the contact surface plate and the end plate base body is also possible.
  • the contact surface plate is made of a plastic which is covered over the entire surface with a copper foil of 0.2 mm thickness on the side facing the fuel cell stack.
  • the contact surface plate made entirely of metal.
  • the contact surface plate has a conductive extension, the current connection 9, with which an electrical connection from the fuel cell stack via the contact surface plate to an electrical consumer connected to the current connection 9 is possible.
  • the end plate base body 4 also shows an inlet 10 for supplying reaction gas (such as air or hydrogen) and an outlet 11 for reaction gas and a coolant inlet 12, which is connected to the channel structure 6 for operating the cooling circuit.
  • the inlet 10 and the outlet 11 for gas and the coolant inlet 12 are also connected via channels, not shown, to corresponding openings in the fuel cell stack and the corresponding supply and discharge of gases and liquids.
  • the inlets and outlets 10, 11 and 12 are designed as sockets which are attached as separate components on the rear side of the end plate facing away from the fuel cell stack.
  • FIGS. 3a and 3b show a front and a rear view of an end plate base body according to the invention.
  • This has an essentially square flat cross section, but systems with a round or non-square rectangular cross section are also possible.
  • the end plate base body is designed as a plastic injection molded part.
  • 3a shows the channel structure 6 'with the support elements 7 1 , on which the contact surface plate is later placed.
  • the triangular recesses in the edge area of the end plate base body serve to connect the cooling area of the end plate to the cooling area of the fuel cell stack.
  • the inlet 10 ', the outlet 11' and the coolant inlet 12 ' are designed as integral connecting pieces of the plastic end plate base body 4'. This is advantageous in terms of tightness, manufacturing effort and possible electrical insulation of the nozzle.
  • the inlet 10 'and the outlet 11' open into openings 10a 'and 11a', respectively, via which a gas-conducting connection to the fuel cell stack is possible.
  • the coolant inlet 12 ' opens into the channel structure 6 ', which is interrupted by supporting elements 7', which essentially cross the web and diagonally through the end plate base body.
  • End plate base body to increase the bending stiffness of the end plate base body is arranged an edge-side frame with star-shaped reinforcing struts running towards the center of the end plate base body. In this way, a full-surface pressing of the fuel cell stack is achieved over its entire surface.
  • a contact surface plates 5 is inserted into an end plate base body 4 in such a way that it is balled toward the fuel cell stack 2.
  • axial bracing of the end plate base body and fuel cell stack 2 which e.g. by screwing in the edge area, there is a deformation in the central area of the contact surface plate 5, whereby the overall result is that the spherical cutout shape of the balling results in a homogeneous pressing of the contact surface plate on the stack surface.
  • this effect can also be achieved by crowning the contact surface plate (see introduction to the description).
  • End plate is deformed so that it can pass a uniform compression to the stack, and that it can also compensate for the settlement behavior of the stack and / or the end plate.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), bei dem ein aus mehreren Zwischenplatten aufgebauter Brennstoffzellenstack (2) zwischen zwei Endplatten (3) zum Zusammenpressen der Zwischenplatten eingefasst ist. Mindestens eine Endplatte (3) weist einen Endplattengrundkörper (4) sowie eine damit verbundene Kontaktflächenplatte (5) zur elektrischen Kontaktierung des Brennstoffzellenstacks auf. Der Endplattengrundkörper (4) weist ausserdem Kanalstrukturen (6) für einen Kühlkreislauf zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks auf. Zudem ist die Endplatte so verformt, dass sie an den Brennstoffzellenstack eine gleichmässige Verpressung weitergeben kann, sowie das Setzungsverhalten des Stacks und auch der Endplatte ausgleichen kann.

Description

BrennstoffZeilensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzel- lensystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Es sind Brennstoffzellensysteme bekannt, bei denen ein aus mehreren Zwischenplatten aufgebauter Brennstoffzellenstack, welcher eine Aneinanderreihung plattenförmigen Brennstoffzellen darstellt, zwischen zwei Endplatten zum Zusammenpressen der Zwischenplatten eingefaßt ist.
Dieses Zusammenpressen ist aus mehreren Gründen nötig. Zum einen wird durch den Druck der Endplatten bewirkt, daß die einzelnen Zwischenplatten, d.h. Platten einzelner Brennstoffzellen, mit möglichst gleichmäßigem Druck aufeinandergepreßt werden, so daß die in den einzelnen Brennstoffzellen ablaufenden Diffusionsprozesse sowie die Stromleitfähigkeit von Platte zu Platte hin gewährleistet ist. Außerdem ist bei den meisten Bauformen von Brennstoffzellensyste- men der Druck der Endplatten für die Dichtungsfunktion von Gas- oder Flüssigkeitskreisläufen zwischen den Zwischenplatten notwendig. Nach dem Stand der Technik sind die Endplatten zum Zusammenpressen der Zwischenplatten aus mehreren Einzelteilen gefügt. So ist es zum Beispiel üblich, eine metallische (meist Aluminium-) Platte vorzusehen, welche ausreichende mechanische Festigkeit für die an den Endplatten angreifende Kräfte bereitstellt. Außerdem sind meist zusätzliche Bauteile zur Stromabführung des Stromes des Brennstoffzellenstacks zu ei- nem elektrischen Verbraucher hin vorgesehen. Zusätzlich sind noch Stutzen für Leitungen zur Medienversorgung des Brennstoffzellenstacks im Bereich der Endplatte unterzubringen, schließlich ist es noch üblich, eine gesonderte Kühleinheit an der Endplatte vorzusehen, welche den Brennstoffzellenstack thermisch stabilisiert.
Eine solche Konstruktion bringt erhebliche Nachteile mit sich. Zum einen sind die Montagekosten recht hoch, außerdem müssen die einzelnen Bauteile mit strengen Toleranzen hergestellt und gefügt werden, so daß die Funktionen Stromableitung, gleichmäßiges Zusammenpressen des Brennstoffzellenstacks sowie Kühlung bzw. Medienzuführung fehlerfrei möglich sind. Zusätzliche Probleme können dadurch entstehen, daß eine elektrische Isolierung zwischen verschiedenen Bauteilen (etwa Stutzen für Kühlmittel sowie Stromabführung) voneinander getrennt sein müssen. Außerdem ist ein weiterer Nachteil, daß selbst bei einer End- platte, bei der die obigen Anforderungen erfüllt sind, das Temperaturmanagement des Brennstoffzellenstacks sich als schwierig gestaltet, da die Endplatte üblicherweise Metallteile hoher Masse enthält, welche aufgrund ihrer Wärmekapazität ein trägeres Re- agieren auf Kühlanforderungen des Brennstoffzellenstacks bewirken. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem mit einer Endplatte zu schaffen, welche einerseits einen gleichmä- ßigen hohen Druck auf einen Brennstoffzellenstack ausüben kann und andererseits kostengünstig und einfach zu fertigen ist sowie ein gutes Temperaturmanagement ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellensystem mit einer Endplatte nach Anspruch 1 gelöst.
Dadurch, daß mindestens eine Endplatte einen Endplattengrundkörper sowie eine damit verbundene Kontakt- flächenplatte zur elektrischen Kontaktierung des
Brennstoffzellenstacks aufweist, wobei der Endplattengrundkörper Kanalstrukturen für einen Kühlkreislauf zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks aufweist, werden die Nachteile des Standes der Technik überwun- den.
Die erfindungsgemäße Endplatte zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus. Der Endplattengrundkörper verfügt über Kanalstrukturen, welche den Fluß eines Kühlkreislaufes zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks ermöglichen. Hierdurch ist ein verminderter Aufwand gegeben, da die Kanalstrukturen integraler Bestandteil der Endplatte sind und nicht ein gesondertes Kühlsegment vorgesehen werden muß. Weiterer Hauptbestandteil ist die Kontaktflächenplatte, welche den Brennstoffzellenstack elektrisch kontaktiert und außerdem die Wärmeabführung aus dem Stack praktisch ohne Umweg zu dem Kühlkreislauf hin abführt. Hierdurch wird auch die thermische Trägheit des Gesamt- Systems verringert, besondere Vorteile liegen darin, daß durch die begrenzte Anzahl von Teilen die Monta- gekosten und mögliche Montagefehler verringert werden. Es bietet sich insbesondere für die kostengünstige Serienfertigung von Endplatten an, den Endplattengrundkörper zum Beispiel als Spritzgußformteil vorzusehen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß der Endplattengrundkörper aus Kunststoff, zum Beispiel Thermoplasten wie PA, PEEK, PPS, LCP, POM oder Duroplasten wie PF, MF ist. Ein solcher Endplattengrundkörper mit seinen Kanalstrukturen ist zum Beispiel nach Spritzgußverfahren nach dem Stand der Technik sehr kostengünstig auch in Serie herzustellen. Kunststoff bietet außerdem den besonderen Vorteil, daß er eine niedrige Masse aufweist und somit insbesondere für mobile Anwendungen sich anbietet. Außerdem weisen Kunststoffe regelmäßig eine niedrigere Wärmekapazität auf als die üblichen Metalle, so daß es durch die direkt im Endplattengrundkörper vorgesehene Kühlung aufgrund des weniger trägen Ansprechverhaltens zu einer direkteren Kühlung und so- mit einem besseren Temperaturmanagement für den
Brennstoffzellenstack kommt. Darüber hinaus sind auch noch die elektrisch isolierenden Eigenschaften der meisten Kunststoffe als günstig zu betonen, welche eine gesonderte elektrische Isolierung der Kontakt- flächenplatte überflüssig macht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, den Endplattengrundkörper aus Metall herzustellen, etwa in Aluminiumdruckguß. Je nach Art des Metalls sind unter Umständen bestimmte Korrosionsschutzlacke zur Beschichtung der Metalle nötig .
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die dem Endplattengrundkörper zugewandte Seite der Kontaktflächenplatte eine Begrenzungswand des Kühlkreislaufes ist. Hierdurch wird das erfindungsgemäße Prinzip optimal ausgeschöpft. Der Endplattengrundkörper ist besonders leicht zu fertigen, da die Kanalstrukturen lediglich als einfache Vertie- fungen ohne komplizierte Hinterschneidungsquerschnit- te ausgeführt werden können. Es ist nicht nötig, mit komplizierten Kern-Gußverfahren den Endplattengrundkörper herzustellen. Der dichtende Abschluß der Kanalstrukturen wird zu dem Brennstoffzellenstack hin von der Kontaktflächenplatte bewerkstelligt. Hierdurch wird auch erreicht, daß über die Kontaktflächenplatte eine sehr direkte Wärmeabfuhr von dem Brennstoffzellenstack in den Kühlkreislauf der Endplatte erfolgt.
Durch die Verschraubung bzw. Verspannung im Außenbereich, könnte es im Innern der Fläche zu einer ungleichmäßigen Anpreßkraftverteilung und somit zu einer unhomogenen Anpressung der Kontaktflächenplatte auf die Stackfläche kommen, wenn keine zusätzlichen Maßnahmen ergriffen werden. Solche inhomogenen An- pressungseffekte sind bei Kunststoffplatten besonders zu beachten. Um dies zu vermeiden, sind mehrere Maßnahmen sinnvoll. Eine besonders vorteilhafte Ausfüh- rungsform sieht vor, daß die Kontaktflächenplatte so in den Endplattengrundkörper eingefügt ist, daß die Kontaktflächenplatte zu dem Brennstoffzellenstack hin balliert ist. Hierdurch wird eine ungewünschte Durchbiegung, welche zu einer inhomogenen Anpressung auf die Stackfläche führen könnte, durch eine vorgegebene Verformung im Einbau ausgeglichen. Alternativ dazu kann auch die Kontaktflächenplatte so geformt sein, daß sie zum Endplattengrundkörper hin im Wesentlichen eben und zum Brennstoffzellenstack hin bombiert ist. Dadurch wird durch das Stromabnehmerinsert die Kraft in den Stacks so eingeleitet, daß ein Verzug ausgeglichen wird. Somit ist festzuhalten, daß die Kühlstruktur in ihrer Höhe so variiert werden kann, daß eine Kugelausschnittsform (Ballierung, Bombierung) an den Stack weitergegeben werden oder daß die notwendi- ge homogene Kraftverteilung im aktiven Bereich der Brennstoffzelle dadurch eingeleitet wird, daß die Endplatte durch eine geeignete Konstruktion so elastisch aufgebaut ist, daß die Kräfte durch eine zentrale Verspannung von außen aufgebaut werden.
Es ist besonders vorteilhaft, daß der Endplattengrundkörper bzw. die Kontaktflächenplatte Stützelemente zur Verteilung der auf die Kontaktflächenplatte wirkenden Drucklast aufweist. Hierdurch wird er- reicht, daß über die gesamte Fläche der Kontaktflächenplatte die Pressung von der Endplatte hin zu dem Brennstoffzellenstack homogen weitergegeben wird. Diese gleichmäßige Pressung bewirkt auch ein gleichmäßiges Anpressen sämtlicher weiterer Zwischenplatten des Brennstoffzellenstacks, so daß es zwischen den einzelnen Platten zu gutem elektrischen Kontakt kommt, dies schlägt sich in guten Wirkungsgraden des BrennstoffZeilensystems nieder. Die erfindungsgemäßen Stützelemente sind mit Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik (etwa KunststoffSpritzgußverfahren) leicht und kostengünstig herstellbar.
Es ist zusätzlich möglich, zum Beispiel auf der der Kontaktflächenplatte abgewandten Rückseite des End- plattengrundkörper Stützstreben vorzusehen zur Versteifung insbesondere von Endplattengrundkörpern aus Kunststoff. Somit wird auch bei Endplattengrundkör- pern mit sehr niedriger Masse ein steifer Querschnitt erreicht, so daß sich die gleichmäßige Pressung auf dem Brennstoffzellenstack auch im Leichtbau verwirk- liehen läßt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß zwischen Kontaktflächenplatte und Endplattengrundkörper Dichtungsmittel angeordnet sind, um ein Auslaufen von Kühlflüssigkeit aus den Kanalstrukturen heraus zu vermeiden. Hierzu kann etwa ein gesondertes Dichtelement (etwa eine Gummidichtung) vorgesehen werden, die Kontaktflächenplatte wird dann zum Beispiel durch eine Rastverbindung fixiert. Es ist aber auch möglich, die Kontaktflächenplatte direkt in den Endplattengrundkörper einzuspritzen bzw. sie mit diesem zu verschmelzen (diese Verfahren bieten sich insbesondere bei Endplattengrundkörpern aus Kunststoff an) .
Für die Kontaktflächenplatte selbst sind auch verschiedene Ausführungsformen denkbar. So ist es möglich, diese gänzlich aus einem Metall (etwa Edelstahl, Aluminium oder Kupfer mit 0,5 - 3 mm Stärke) vorzusehen. Hierbei ist, je nach Metall, unter Umständen die Aufbringung eines Korrosionsschutzlackes auf dem Metall sinnvoll.
Es ist jedoch auch möglich, die Kontaktflächenplatte als eine metallisch beschichtete Kunststoffplatte auszugestalten. Hierbei ist etwa eine Aluminium- oder Kupferfolie geringer Stärke vorteilhafterweise 0,1 bis 1 mm auf eine Metall- oder Kunststoffplatte auf der dem Brennstoffzellenstack zugewandten Seite auf- gebracht. Vorteilhaft sind hierbei die elektrisch i- solierenden Eigenschaften vieler Kunststoffe, welche zusatzliche Isolierungen überflüssig machen, es ist allerdings auf eine ausreichende Abstutzung der Kunststoffplatte zu achten, um eine gleichmaßige Flachenpressung für den Brennstoffzellenstack zu errei- chen. Außerdem ist für die Kontaktflachenplatte eine elektrisch leitende Korrosionsbeschichtung vorzusehen.
Besonders vorteilhaft an dem erfindungsgemaßen System ist, daß die Anschlüsse für verschiedene Medien leicht an der Endplatte anzubringen sind. Der Stromanschluß kann zum Beispiel als herausragende Lasche der Kontaktflache ausgeführt sein, welche einfach mit einem elektrischen Verbraucher verbindbar ist. Dar- über hinaus können an dem Endplattengrundkörper leicht Ein- bzw. Auslasse für Gase oder Flüssigkeiten vorgesehen werden, welche mit korrespondierenden Einbzw. Auslassen des Brennstoffzellenstacks zur Medienversorgung (etwa H2, 02, Luft, Methanol etc.) ver- bindbar sind. Ebenso sind leicht Kuhlmittelein- bzw. Kuhlmittelauslasse zu den kuhlmittelfuhrenden Kanalstrukturen hin möglich. Samtliche dieser Ein- bzw. Auslasse können als lochartige Offnungen in dem Endplattengrundkörper oder auch als Stutzen ausgeführt sein. Hierbei ist es bei der Herstellung des Endplat- tengrundkorpers in einem Spritzgußverfahren leicht möglich, die Stutzen integral zu formen, bei einem Endplattengrundkörper aus Kunststoff kann hierbei jegliche weitere elektrische Dichtung entfallen. Es ist jedoch auch möglich, die Stutzen als gesonderte
Bauteile auszufuhren und erst spater fest an den Endplattengrundkörper anzukoppeln.
Eine weitere vorteilhafte Ausfuhrungsform sieht vor, daß die Kontaktflachenplatte auf ihrer dem
Brennstoffzellenstack zugewandten Seite eine solche dreidimensionale Struktur aufweist, daß Reaktanten über diese Struktur führbar sind. Das heißt, daß ein sogenanntes "Flowfield" integraler Bestandteil der Kontaktflächenplatte ist. Hiermit wird es z.B. mög- lieh, ein Reaktionsgas wie molekularen Wasserstoff flächig verteilt über die Kontaktflächenplatte zu leiten, damit eine homogene Flächenverteilung gegeben ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß der Endplattengrundkörper auf seiner dem Brennstoffzellenstack zugewandten Seite Dichtungen zur Abdichtung der Ein- oder Auslässe für Gase oder Flüssigkeiten sowie zur Abdichtung elektrochemisch aktiver Bereiche des Brennstoffzellenstacks aufweist. Hierbei kann es sich z.B. um Elastomerdichtungen handeln, welche in Nuten des Endplattengrundkörpers angebracht sind. Beim Zusammenpressen der Endplatten aufeinander zu wird somit auch gleichzeitig sicherge- stellt, daß die Medienzufuhr abgedichtet ist. Alternativ ist es auch möglich, daß die Kontaktflächenplatte sich im wesentlichen über die gesamte Fläche des Endplattengrundkörpers erstreckt und auf ihrer dem Brennstoffzellenstack zugewandten Seite die Dich- tungen zur Abdichtung der Ein- oder Auslässe für Medien sowie der elektrochemisch aktiven Bereiche des Brennstoffzellenstacks aufweist. In diesem Fall gehen die Kanäle für die Gase bzw. Flüssigkeiten durch die Kontaktflächenplatte hindurch. Insbesondere bei me- tallischen Kontaktflächenplatten ist der Auftrag von Dichtungen, etwa mittels Elastomerauftrag durch Siebdruckverfahren, kostengünstig möglich.
Zusätzlich kann bei dieser Variante die Kontaktflä- chenplatte auch auf ihrer dem Endplattengrundkörper zugewandten Seite Dichtungen aufweisen. So können z.B. in diesem Bereich Elastomerdichtungen zwischen dem Endplattengrundkörper und der Kontaktflächenplatte vorgesehen werden (dies ist z.B. dann notwendig, wenn die Kontaktflächenplatte gleichzeitig eine Be- grenzungswand des im Endplattengrundkörper angeordneten Kühlkreislaufes darstellt) . Hierbei sollte zusätzlich ein Schnapp- bzw. Fixiermechanismus (z.B. durch punktförmiges termisches Fixieren) zwischen Kontaktflächenplatte und Endflächengrundkörper erfol- gen, um diese Bauteile wie gewollt zueinander zu positionieren. Die endgültige Dichtwirkung tritt dann ein, sobald der Brennstoffzellenstack durch Druckausübung auf die Endplatten aufeinander zu verspannt wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden in den weiteren abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand mehrerer Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Endplatte,
Fign. 3a und 3b Ansichten eines erfindungsgemäßen Endplattengrundkörpers, und
Fig. 4 Ballierung einer Kontaktflächenplatte,
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Bei diesem ist ein aus mehreren Zwischen- platten aufgebauter Brennstoffzellenstack 2, welcher aus einer Aufeinanderschichtung mehrerer plattenför- miger Brennstoffzellen, welche elektrisch in Reihe geschaltet sind, zu sehen. Dieser Brennstoffzellenstack ist zwischen zwei Endplatten 3 angeordnet. Die Ausübung von Druckkräften auf den Brennstoffzel- lenstack ist zum Beispiel möglich mittels Spannbolzen, welche jeweils durch Durchgangslöcher 13 geführt und an den dem Brennstoffzellenstack abgewandten Rückseiten der Endplatten gekontert werden, alternativ sind auch Spannbänder oder Spannanker zum Auf- bringen dieser Druckkräfte möglich.
Der nähere Aufbau einer einzelnen Endplatte 3 wird nun anhand von Fig. 2 erläutert. Diese zeigt einen Endplattengrundkörper 4 sowie eine damit verbundene bzw. darin eingelegte Kontaktflächenplatte 5 zur e- lektrischen Kontaktierung des Brennstoffzellenstacks 2 (Fig. 2 zeigt eine noch unmontierte Lage der Kontaktflächenplatte 5, die fertige Einbaulage ist in den Endplatten in Fig. 1 zu erkennen). Der Endplat- tengrundkörper 4 weist Kanalstrukturen 6 für einen
Kühlkreislauf zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks auf. Vorliegend ist der Endplattengrundkörper 4 aus einem KunststoffSpritzguß hergestellt. Vorteilhaft sind hier insbesondere die niedrige Masse sowie die niedrige Wärmekapazität, so daß der Kühlkreislauf praktisch unmittelbar die Temperatur im Brennstoffzellenstack ohne Trägheitsverluste beeinflussen kann.
Die dem Endplattengrundkörper 4 zugewandte Seite 5.1 der Kontaktflächenplatte 5 ist eine Begrenzungswand des Kühlkreislaufes. Die Kanalstrukturen sind als Vertiefungen des einseitig offenen Endplattengrundkörpers ausgeführt. In der Querschnittszeichnung in Fig. 2 sind mehrere nebeneinanderliegende Kanäle ge- zeigt, welche durch Erhebungen bzw. Stützelemente 7 voneinander getrennt sind. Eine solche Form ist fer- tigungstechnisch leicht realisierbar, da die Kanalstruktur keine Hinterschneidungen aufweist. Die Kontaktflächenplatte 5 wird so auf den Stützelementen 7 fixiert, so daß die Kanäle der Kanalstruktur 6 voll- ständig geschlossen sind. Hierbei ist vorteilhaft, daß auf sehr breiter Fläche die Stützelemente 7 die Kontaktflächenplatte 5 unterstützen, so daß es zu keiner Durchbiegung der Kontaktflächenplatte, etwa in deren Zentrum, kommen kann und somit zu einem un- gleichmäßigen Pressverhalten des Brennstoffzellenstacks. Zwischen der Kontaktflächenplatte 5 und dem Endplattengrundkörper 4 können umlaufend Dichtungsmittel 8 angebracht sein, um eine Leckage des durch die Kanalstruktur 6 fließenden Kühlmediums zu vermeiden. Als Dichtungsmittel kann eine Verklebung vorgesehen sein, es sind jedoch auch gesonderte Dichtelemente, wie etwa eine Gummidichtung möglich. Je nach Material ist auch thermisches Fügen zwischen Kontaktflächenplatte und Endplattengrundkörper mög- lieh.
Vorliegend ist die Kontaktflächenplatte aus einem Kunststoff, welcher mit einer Kupferfolie der Stärke 0,2 mm auf der zu dem Brennstoffzellenstack hinwei- senden Seite vollflächig belegt ist. Alternativ ist es auch möglich, die Kontaktflächenplatte komplett aus Metall vorzusehen. Die Kontaktflächenplatte hat einen leitenden Ausläufer, den Stromanschluß 9, mit welchem eine elektrische Verbindung von dem Brennstoffzellenstack über die Kontaktflächenplatte hin zu einem an den Stromanschluß 9 angeschlossenen elektrischen Verbraucher möglich wird.
Der Endplattengrundkörper 4 zeigt außerdem einen Ein- laß 10 zur Zuleitung von Reaktionsgas (etwa Luft oder Wasserstoff) sowie einen Auslaß 11 für Reaktionsgas sowie einen Kühlmitteleinlaß 12, welcher mit der Kanalstruktur 6 zum Betreiben des Kühlkreislaufs verbunden ist. Der Einlaß 10 bzw. der Auslaß 11 für Gas sowie der Kühlmitteleinlaß 12 sind außerdem über nicht näher dargestellte Kanäle mit korrespondierenden Öffnungen des Brennstoffzellenstacks und der entsprechenden Zu- und Abfuhr von Gasen und Flüssigkeiten verbunden. Die Ein- bzw. Auslässe 10, 11 und 12 sind als Stutzen ausgebildet, welche als gesonderte Bauteile auf der dem Brennstoffzellenstack abgewandten Rückseite der Endplatte angebracht sind.
Fign. 3a und 3b zeigen eine Vorder- sowie eine Rückansicht eines erfindungsgemäßen Endplattengrundkör- pers. Dieser hat einen im wesentlichen quadratischen Flachquerschnitt, Systeme mit rundem oder nichtquadratisch rechteckigem Querschnitt sind jedoch auch möglich. Der Endplattengrundkörper ist als ein Kunststoffspritzgußteil ausgeführt. In Fig. 3a ist die Kanalstruktur 6' mit den Stützelementen 71 zu sehen, auf welche später die Kontaktflächenplatte aufgelegt wird. Die dreiecksförmigen Ausnehmungen im Randbereich des Endplattengrundkörpers dienen der Verbindung des Kühlbereichs der Endplatte mit dem Kühlbereich des Brennstoffzellenstacks . Der Einlaß 10', der Auslaß 11' sowie der Kühlmitteleinlaß 12' sind als integrale Stutzen des Kunststoff- Endplattengrundkörpers 4' ausgebildet. Dies ist vorteilhaft in bezug auf Dichtigkeit, Herstellungsauf- wand sowie mögliche elektrische Isolierung der Stutzen.
Der Einlaß 10' bzw. der Auslaß 11' münden in Öffnungen 10a' bzw. 11a', über welche eine gasleitende Ver- bindung mit dem Brennstoffzellenstack möglich ist.
Der Kühlmitteleinlaß 12' mündet in die Kanalstruktur 6', welche durch Ξtützelemente 7' unterbrochen ist, welche im wesentlichen stegförmig und diagonal den Endplattengrundkörper durchkreuzen .
In Fig. 3b ist zu sehen, daß auf der Rückseite des
Endplattengrundkörpers zur Erhöhung der Biegesteifig- keit des Endplattengrundkörpers ein randseitiger Rahmen mit zum Zentrum des Endplattengrundkörpers hin verlaufenden sternförmig zulaufenden Verstärkungs- streben angeordnet ist. Hierdurch wird eine vollflächige Verpressung des Brennstoffzellenstacks über dessen gesamte Fläche erreicht.
Fig. 4 zeigt in schematischer Weise, wie durch Bal- lierung der Kontaktflächenplatte eine homogene Anpressung an die Brennstoffzellenstackflache erreicht wird. Hierzu ist in einen Endplattengrundkörper 4 eine Kontaktflächenplatten 5 so eingefügt, daß sie zu dem Brennstoffzellenstack 2 hin balliert ist. Bei ei- nem axialen Verspannen von Endplattengrundkörper sowie Brennstoffzellenstack 2, welches z.B. durch eine Verschraubung in Randbereich stattfindet, kommt es im Zentralbereich der Kontaktflächenplatte 5 zu einer Verformung, wodurch in der Summe erreicht wird, daß durch die Kugelausschnittsform der Ballierung insgesamt eine homogene Anpressung der Kontaktflächenplatte auf die Stackfläche erreicht wird. Alternativ ist dieser Effekt auch durch eine Bombierung der Kontaktflächenplatte (siehe Beschreibungseinleitung) zu er- reichen. Insgesamt ist also festzustellen, daß die
Endplatte so verformt wird, daß sie an den Stack eine gleichmäßige Verpressung weitergeben kann, sowie daß sie außerdem das Setzungsverhalten des Stacks und/oder auch der Endplatte ausgleichen kann.

Claims

16Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (1), bei dem ein aus mehreren Zwischenplatten aufgebauter Brennstoffzellenstack (2) zwischen zwei Endplatten (3) zum Zusammenpressen der Zwischenplatten eingefaßt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens eine Endplatte (3) einen Endplattengrundkörper (4) sowie eine damit verbundene Kontaktflächenplatte (5) zur elektrischen Kontaktierung des Brennstoffzellenstacks aufweist, wobei der Endplattengrundkörper (4) Kanalstrukturen (6) für einen Kühlkreislauf zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks aufweist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Endplattengrundkörper (4) aus Kunststoff ist.
3. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Endplattengrundkörper (4) aus Metalldruckguß, aus Metallguß oder aus Metallschaum ist.
4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Endplattengrundkörper (4) zugewandte Seite (5.1) der Kontaktflächenplatte (5) eine Begrenzungswand des Kühlkreislaufes ist.
5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Endplattengrundkörper (4) und/oder die Kontaktflächenplatte (5) Stützelemente (7) zur Ver- 17
teilung der auf die Kontaktflächenplatte (5) wirkenden Drucklast hin zu dem Endplattengrundkörper (4) aufweist.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kontaktflächenplatte (5) und Endplattengrundkörper (4) Dichtungsmittel angeordnet sind.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte (5) in den Endplattengrundkörper (4) eingespritzt oder mit diesem verschmolzen ist.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte (5) aus Metall ist.
9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte (5) eine metallisch beschich- tete Kunststoffplatte ist.
10. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte mit einem Stromanschluß (9) zum elektrischen Verbinden des Brennstoff- zellensystems (1) mit einem elektrischen
Verbraucher in Kontakt steht.
11. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatte (3) Ein- (10) und/oder Auslässe (11) für Gase oder Flüssigkeiten aufweist, wobei die Ein- und/oder Auslässe jeweils über Kanäle mit korrespondierenden Öffnungen des Brennstoffzellenstacks in Verbindung stehen.
12. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatte (3) mit den Kanalstrukturen (6) für den Kühlkreislauf verbundene Kühlmittelein- (12) und Kühlmittelauslässe aufweist.
13. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- (10; 12) und/oder Auslässe (11) als lochartige
Öffnungen in der Endplatte, als integrale Stutzen oder als als gesonderte Bauteile ausgeführte Stutzen ausgebildet sind.
14. Brennstoffzellensystem nach einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatte Durchgangslöcher (13) zum Durchführen von Spannbolzen oder Aussparungen zur Aufnahme von Spannbändern zur Ausübung von Druck auf die Brennstoffzellenstacks aufweist.
15. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte auf ihrer dem Brennstoffzellenstack (2) zugewandten Seite eine solche dreidimensionale Struktur aufweist, daß Reaktanten über diese Struktur führbar sind.
16. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11., dadurch gekennzeichnet, daß der Endplattengrundkörper (5) auf seiner den Brennstoffzellenstack (2) zugewandten Seite Dichtungen zur Abdichtung der Ein- (10) oder Auslässe (11) für Gase oder
Flüssigkeiten sowie elektrochemisch aktiver Bereiche des Brennstoffzellenstacks (2) aufweist. 19
17. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11., dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte (5) auf ihrer dem Brennstoffzellenstack
(2) zugewandten Seite Dichtungen zur Abdichtung der Ein- (10) oder Auslässe (11) für Gase oder
Flüssigkeiten sowie elektrochemisch aktiver Bereiche des Brennstoffzellenstacks (2) aufweist.
18. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte (5) zusätzlich auf ihrer dem Endplattengrundkörper
(4) zugewandten Seite Dichtungen aufweist.
19. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte so in den Endplatten- grundkörper eingefügt ist, daß die Kontaktflächenplatte zu dem Brennstoffzellenstack hin balliert ist.
20. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächenplatte zum Endplattengrundkörper hin im Wesentlichen eben und zum Brennstoffzellenstack hin bombiert ist.
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