WO2021121801A1 - Brennstoffzelle mit einem stapelaufbau - Google Patents

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WO2021121801A1
WO2021121801A1 PCT/EP2020/081894 EP2020081894W WO2021121801A1 WO 2021121801 A1 WO2021121801 A1 WO 2021121801A1 EP 2020081894 W EP2020081894 W EP 2020081894W WO 2021121801 A1 WO2021121801 A1 WO 2021121801A1
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WO
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area
fuel cell
stiffness
stack structure
individual
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Application number
PCT/EP2020/081894
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French (fr)
Inventor
Jochen Wessner
Gudrun Oehler
Eberhard Maier
Harald Bauer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • H01M8/248—Means for compression of the fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/002—Shape, form of a fuel cell
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
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    • 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 invention relates to a fuel cell with a stack structure of a number of individual elements arranged one above the other, which are braced to one another via a first end plate and a second end plate, and a use of the fuel cell as an energy source for an electrically powered vehicle.
  • PEN fuel cells For fuel cells, in particular PEN fuel cells, it is important that the individual, series-connected individual cells or individual elements are pressed together homogeneously. Since a typical fuel cell stack can comprise up to 1200 individual elements, for example anode elements, cathode elements and / or flow plates, manufacturing tolerances have a great influence on the quality of the bracing. For this reason, an elastic intermediate layer is usually installed at both ends of the stack for leveling purposes.
  • a flat, elastic plate is known from WO 2008/081962 A1, which is introduced between the individual cells and the end plates of a stack structure and which can be deformed in a shear-elastic manner orthogonally to the tensioning force.
  • a fuel cell stack with tensioning straps is known from US Pat. No. 5,789,091.
  • tensioning straps are provided which enclose the end plate arrangement and the individual elements of the stack arranged between them.
  • At least one of the end plates comprises a resilient element which cooperates with each of the tensioning straps such that the first end plate is pressed into the second end plate, so that a Compression force is exerted on the stack structure to ensure a seal and electrical contact between the individual layers of the fuel cell that form the stack structure.
  • stiffness of the stacked individual elements is different in the area of the active membrane surface or, in the case of gas diffusion layers made of carbon fiber mats, in the edge area with built-in seals.
  • end plates are known which are geometrically designed, for example, as continuously cast profiles in order to promote high rigidity, i.e. to achieve low weight.
  • Silicone mats that have been used up to now as shear-elastic elements have manufacturing-related tolerances, so that they are not characterized by improved flatness or tolerance.
  • a silicone plate with a thickness of 2 mm has a tolerance of approx. 0.2 mm, which can result in a pressure variance of 10%.
  • the hardness of elastomer seals also typically fluctuates by around 10%.
  • a fuel cell with a stack structure comprising a number of individual elements arranged one above the other, which are braced to one another via a first end plate and a second end plate.
  • the end plates are designed as composite components with different stiffness ranges.
  • a composite component can be implemented as an end plate with stiffness areas, so that the assembly of a fuel cell stack is essential can be simplified.
  • the solution according to the invention enables the rigidity requirements of the stacked individual elements in the active membrane area and in the edge area of the seals to be met in the best possible way.
  • the end plates can each have an insert at least in the first area, which represents a first stiffness area; in addition, a shear-elastic element can be placed on an end plate, in which in turn another elastic element is located.
  • a planar frame element can also be provided, in the center of which a soft or hard core is embedded.
  • the end plates, or their areas that lie outside the at least one first area represent a second stiffness area.
  • the rigidity of the material in the at least one first area which represents the first rigidity area, exceeds the rigidity of the second rigidity area.
  • This second stiffness range lies in particular in the edge region of the end plates.
  • force introduction points for introducing a pretensioning force into the stack structure are located on the end plates, in particular in the at least one first area. Since this represents the first stiffness range, it is ensured that a homogeneous surface pressure can be achieved within the stack structure via the points located there on the introduction points.
  • the area of the at least one first area corresponds to an area of an active membrane area of the individual elements.
  • the at least one first area enables homogeneous surface pressure to be achieved between the individual elements of the stack structure, in particular a gas-tight system, between the active membrane areas within the stack structure. Due to the geometry of the at least one first area, in particular its Area that corresponds to the area of the active membrane area of an individual element can be achieved in particular that a homogeneous surface pressure is achieved in the area of sealing elements on the active membrane area, so that a gas-tight stack structure is achieved.
  • the end plates used on them can be made of thermoplastic or thermosetting polymer.
  • Insert parts in particular trough-shaped receptacles, can be inserted into the end plates, the insert parts being able to be made from thermoplastic or thermosetting polymer, and optionally an increased proportion of glass fiber being present in the area of the force introduction points.
  • the composite part can be manufactured, for example, as an injection-molded component in which two polymers are combined with one another.
  • the stiffer area of the injection molding polymer or its polymer can be specifically reinforced with fibers; Reinforcing fibers in this area can be specifically aligned in such a way that individual areas are stiffer due to the orientation of the fibers in the injection molding of the fiber-reinforced polymer and other areas are made more flexible.
  • the end plate is made of, for example, thermoplastic or thermosetting polymer, in which the glass fiber components for reinforcement in the injection molding process are aligned in such a way that the rigidity, for example at the force introduction points, is particularly high.
  • fiber reinforcement can be carried out for the stiffer area.
  • short fibers are mixed into the molten polymer in terms of stiffness
  • a softer area is represented by another polymer, or produced without fibers or with the addition of fibers that are, however, oriented differently compared to the orientation of the fibers in the membrane area.
  • elastic rubber balls can be mixed in in the softer area in order to make this area softer in terms of its rigidity. It is also possible to foam the polymer in one area and not in another area.
  • the invention also relates to the use of the fuel cell as an energy source for an electrically powered vehicle.
  • the end plates can be manufactured as composite components, so that the rigidity in the composite component obtained is very different locally. Furthermore, geometric structures could also be present. Due to the locally different stiffnesses, in which there is at least a first stiffness range and a second stiffness range, the composite component can be manufactured as an individual component, which considerably simplifies assembly.
  • the different stiffness ranges can be achieved and influenced, for example, by selecting the appropriate material with regard to the modulus of elasticity or the Poisson's ratio. Furthermore, in the case of an end plate, the edge area can represent a second rigidity area.
  • the end plates can advantageously be manufactured from thermoplastic or from thermosetting polymer.
  • inserts which are arranged in, for example, trough-shaped receptacles within the end plates, which have a higher proportion of glass fiber in particular in the area of the force introduction points for introducing the prestressing force into the stack structure.
  • the construction of the end plates proposed according to the invention as a composite component with different stiffness ranges can on the one hand simplify the assembly of a fuel cell stack; on the other hand it can be achieved by the solution proposed according to the invention that the number of components to be built can be kept low or limited to an unalterable minimum in order to achieve cost-effective mass production.
  • FIG. 1 shows a fuel cell with a stack structure made up of individual elements which are fixed via end plates made as a composite component
  • FIG. 2 the top view of an individual element with openings and an active membrane area
  • FIG. 3 shows the plan view of an end plate with openings and an insert part arranged in a receptacle
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a sensor field.
  • the illustration according to FIG. 1 shows a fuel cell 10 as a stack structure 12 made up of individual elements 14.
  • the stack structure 12 is made up of individual elements 14 which are arranged one on top of the other and occupy a stack height 16.
  • the individual elements 14, which form the stack structure 12 are braced against one another by a first end plate 20 and a second end plate 22.
  • the bias of the stack structure 12 possible Clamping elements are, for example, screw connections or tightening straps or the like.
  • the illustration according to FIG. 1 shows that the stack structure 12 of the fuel cell 10 is traversed by channels 18.
  • the individual channels 18 are each formed by openings 26 (cf. illustration according to FIGS. 2 and 3), which are implemented on the respective individual elements 14 representing the stack structure 12.
  • FIG. 1 also shows that the first end plate 20 and the second end plate 22 are each designed as composite components 24.
  • the composite components 24 are designed in such a way that they have at least one first region 32, which represents a first stiffness region 36.
  • the composite components 24 can each include trough-shaped receptacles 34, into which insert parts can be let that form different stiffness regions 36, 38.
  • FIG. 2 shows the top view of an individual element 14, which is part of the stack structure 12 shown in FIG.
  • the individual element 14 in the plan view according to FIG. 2 represents a flat component and has an active membrane area 28 that is approximately square.
  • the openings 26 which, when the individual elements 14 are placed one on top of the other and are arranged within the stack structure 12, form the respective channels 18, as shown in FIG.
  • the channels 18 run continuously through the stack structure 12 from the first end plate 20 to the second end plate 22.
  • FIG. 3 shows the second end plate 22 in a top view.
  • the second end plate 22 also has the openings 26, which are part of the channels 18.
  • the at least one first region represents a first stiffness region 36 within which there is a higher stiffness compared to the stiffness that is present within a second stiffness region 38 in the edge region 30 of the second end plate 22.
  • the first end plate 20 and the second end plate 22 are preferably made of thermoplastic or thermosetting polymer material.
  • FIG. 3 also shows that within the at least one first area 32, in which the first stiffness area 36 is located, there is a higher stiffness, force introduction points 40 are arranged.
  • an area of the at least one first area 32 essentially corresponds to an area of the active membrane area 28 of the individual element 14 according to FIG.
  • the force introduction points 40 are shown in dashed lines in FIG.
  • the tensioning force can be introduced at the force introduction points 40, for example, via pre-tensioning elements such as tension screws or tensioning straps or the like. If the force introduction points 40 lie within the at least one first area, i.e. the first stiffness area 36, a gas-tight contact of the seals of individual active membrane areas 28 on the individual elements 14 can be achieved when the stack structure 12 is braced according to FIG. If the stack structure 12 is clamped, the individual elements 14 are in a gas-tight contact, in particular within the active membrane regions 28.
  • the edge area 30 of the second end plate 22 forms a second rigidity area 38 in which the material rigidity is lower compared to the material within the at least one first area 32, which represents the first rigidity area 36. Due to the different stiffness areas 36, 38 formed in the end plates 20 and 22, the number of elements to be built within a stack structure 12 can remain limited, so that inexpensive mass production is possible. Additional compensation elements, as used up to now, can be omitted.
  • thermoplastic or thermosetting polymers are preferably used. Glass fiber components are added for stiffening within the injection molding process and aligned in such a way that the stiffness, in particular the first stiffness region 36, is formed at least at the force introduction points 40 within the surface of the first region 32.
  • polyimides and PVDF or also PPS or PEEK are used as further materials for producing the composite components 24, which have different stiffnesses.
  • the mentioned materials carbon fibers, glass ceramic powder (glassy carbon) in a size of 10 ⁇ m with a high hardness can be added.
  • Glass ceramic powder can, for example, also be incorporated into PVDF, which in itself is a relatively soft material.
  • ceramic powder can also simply be added in order to modify the rigidity of polymer materials in a targeted manner.
  • Composite components 24 can be manufactured, for example, as an injection-molded component in which two polymer materials are combined with one another.
  • a stiffer area of the polymer can be specifically reinforced with fibers, for example the ceramic powders mentioned above, the glass fiber ceramic powder or the like.
  • the reinforcing fibers can be specifically aligned so that the individual areas, through the orientation of the reinforcing fibers during the injection molding process, give the fiber-reinforced polymer greater rigidity compared to other areas that have lower rigidity and which are consequently more flexible.
  • a fiber reinforcement for the stiffer area can, for example, thereby take place that short fibers are added to the molten polymer.
  • the softer, ie more flexible, area of the composite component 24 can be produced with a different polymer, or without reinforcing fibers or with fibers, but have a different orientation compared to the orientation of the reinforcing fibers in the active membrane area 28. Furthermore, there is the possibility of entering the area , which should have a lower stiffness, ie which should be designed to be more flexible, to incorporate elastic beads, for example rubber beads, in order to make this area more flexible with regard to its rigidity in a targeted manner. Furthermore, there is the possibility of foaming one of the polymers in the injection molding process and not foaming the other, so that in this way, too, regions with different stiffnesses can be produced in the composite component 24.
  • elastic elements with different stiffnesses can be inserted.
  • a flat frame element in the center of which a core made of a material or a material mixture can be inserted, which has a greater or lesser rigidity.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a sensor field.
  • a sensor field is received as an individual element 14 in the fuel cell 10.
  • the individual element 14, which contains the sensor field can be arranged at any point within the fuel cell 10 or be provided in the area of the first end plate 20 or in the area of the second end plate 22.
  • the use of several sensor fields as individual elements 14 within the fuel cell 10 is also possible.
  • a local surface pressure within the fuel cell 10 can be determined by means of the sensor fields.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle (10) mit einem Stapelaufbau (12) aus einer Anzahl übereinander angeordneter Einzelelemente (14), die über eine erste Endplatte (20) und eine zweite Endplatte (22) miteinander verspannt sind. Die Endplatten (20, 22) sind als Verbundbauteil (24) mit verschiedenen Steifigkeitsbereichen (36, 38) ausgebildet.

Description

Brennstoffzelle mit einem Stapelaufbau
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit einem Stapelaufbau aus einer Anzahl übereinander angeordneter Einzelelemente, die über eine erste Endplatte und eine zweite Endplatte miteinander verspannt sind, sowie eine Verwendung der Brennstoffzelle als Energiequelle für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
Stand der Technik
Für Brennstoffzellen, insbesondere PEN-Brennstoffzellen ist es wichtig, dass die einzelnen, in Reihe geschalteten Einzelzellen oder Einzelelemente, homogen miteinander verpresst werden. Da ein typischer Brennstoffzellenstapel bis zu 1200 Einzelelemente, beispielsweise Anodenelemente, Kathodenelemente und/ oder Strömungsbleche umfassen kann, haben Fertigungstoleranzen einen großen Einfluss auf die Qualität der Verspannung. Daher wird üblicherweise an den beiden Enden des Stapels eine elastische Zwischenlage zur Nivellierung eingebaut. Aus WO 2008/081962 Al ist eine flächige, elastische Platte bekannt, die zwischen den Einzelzellen und den Endplatten eines Stapelaufbaus eingebracht wird und welche sich orthogonal zur Verspannungskraft scherelastisch verformen kann.
Aus US 5,789,091 ist ein Brennstoffzellenstapel mit Spannbändern bekannt. Zur Aufrechterhaltung eines Stapelaufbaus aus Einzelelementen zwischen einem Paar von Endplatten sind Spannbänder vorgesehen, welche die Endplattenanordnung und die dazwischen angeordneten Einzelelemente des Stapels umschließen. Zumindest eine der Endplatten umfasst ein nachgiebiges Element, welches mit einem jeden der Spannbänder zusammenwirkt, derart, dass die erste Endplatte in die zweite Endplatte gedrückt wird, so dass eine Kompressionskraft auf den Stapelaufbau ausgeübt wird zur Sicherstellung einer Abdichtung und des elektrischen Kontaktes zwischen den einzelnen den Stapelaufbau formenden Schichten der Brennstoffzelle.
Es ist weiterhin bekannt, dass die Steifigkeit der gestapelten Einzelelemente im Bereich der aktiven Membranfläche oder bei Gasdiffusionslagen aus Carbonfasermatten im Randbereich mit verbauten Dichtungen unterschiedlich ist. Des Weiteren sind Endplatten bekannt, die geometrisch beispielsweise als Stranggussprofile ausgeführt werden, um eine hohe Steifigkeit begünstigen, d.h. geringes Gewicht zu erreichen.
Bisher eingesetzte Silikonmatten als scherelastische Elemente weisen fertigungsbedingt Toleranzen auf, so dass sich diese nicht durch eine verbesserte Ebenheit oder Toleranz auszeichnen. So hat eine Silikonplatte von 2mm Dicke eine Toleranz von ca. 0,2 mm, was in 10% Pressungsvarianz resultieren kann. Auch die Härte schwankt typischerweise bei Elastomerdichtungen um ca. 10%.
Weiterhin hängt es davon ab, ob die Einzelelemente innerhalb des Stapelaufbaus als beispielsweise aus Graphit gefräste Bipolarplatten oder als geprägte Bleche ausgeführt sind. Die Anzahl der zu verbauenden Elemente sollte für eine kostengünstige Massenfertigung möglichst gering sein, was jedoch durch das Vorsehen zusätzlicher Ausgleichselemente konterkariert würde.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Brennstoffzelle mit einem Stapelaufbau vorgeschlagen, aus einer Anzahl übereinander angeordneter Einzelelemente, die über eine erste Endplatte und eine zweiten Endplatte miteinander verspannt sind. Die Endplatten sind erfindungsgemäß als Verbundbauteile mit verschiedenen Steifigkeitsbereichen ausgeführt.
Durch lokal unterschiedliche Steifigkeiten, wie beispielsweise durch unterschiedliche E-Module bzw. Querdehnungszahlen der eingesetzten Materialien, kann ein Verbundbauteil als Endplatte mit Steifigkeitsbereichen realisiert werden, so dass die Montage eines Brennstoffzellenstapels wesentlich vereinfacht werden kann. Durch die erfindungsgemäße Lösung können den Steifigkeitsanforderungen an die gestapelten Einzelelemente im aktiven Membranbereich und im Randbereich der Dichtungen bestmöglich entsprochen werden.
In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können die Endplatten jeweils ein Einlegeteil mindestens im ersten Bereich aufweisen, welcher einen ersten Steifigkeitsbereich darstellt; daneben kann auf eine Endplatte ein scherelastisches Element aufgelegt sein, in welchem sich wiederum ein weiteres elastisches Element befindet. Alternativ dazu kann auch ein planes Rahmenelement vorgesehen sein, in dessen Zentrum ein weicher oder harter Kern eingebettet ist.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle stellen die Endplatten, bzw. deren Bereiche, die außerhalb des mindestens einen ersten Bereiches liegen, einen zweiten Steifigkeitsbereich dar.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle übersteigt die Steifigkeit des Materials in dem mindestens einen ersten Bereich, das den ersten Steifigkeitsbereich darstellt, die Steifigkeit des zweiten Steifigkeitsbereiches. Dieser zweite Steifigkeitsbereich liegt insbesondere im Randbereich der Endplatten.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle liegen Krafteinleitungspunkte zur Einleitung einer Vorspannkraft in den Stapelaufbau, an den Endplatten, insbesondere in dem mindestens einen ersten Bereich. Da dieser den ersten Steifigkeitsbereich darstellt, ist sichergestellt, dass über die dort liegenden, auf Einleitungspunkten eine homogene Flächenpressung innerhalb des Stapelaufbaus erreicht werden kann.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle entspricht die Fläche des mindestens einen ersten Bereiches einer Fläche eines aktiven Membranbereiches der Einzelelemente. Durch den mindestens einen ersten Bereich kann eine homogene Flächenpressung zwischen den Einzelelementen des Stapelaufbaus, insbesondere eine gasdichte Anlage, zwischen den aktiven Membranbereichen innerhalb des Stapelaufbaus erreicht werden. Durch die Geometrie des mindestens einen ersten Bereiches, insbesondere dessen Fläche, die der Fläche des aktiven Membranbereiches eines Einzelelementes entspricht, kann insbesondere erreicht werden, dass eine homogene Flächenpressung im Bereich von Dichtelementen am aktiven Membranbereich erreicht wird, so dass ein gasdichter Stapelaufbau erreicht wird.
Bei den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzellen können die an diesen eingesetzten Endplatten aus thermoplastischem oder duroplastischem Polymer gefertigt werden. In die Endplatten können Einlegeteile, insbesondere in wannenförmigen Aufnahmen eingelegt werden, wobei die Einlegeteile aus thermoplastischem oder duroplastischem Polymer gefertigt werden können, und im Bereich der Krafteinleitungspunkte optional ein erhöhter Glasfaseranteil vorliegt.
In einer weiteren vorteilhafteren Realisierung kann das Verbundteil beispielsweise als ein Spritzgussbauteil gefertigt sein, bei welchem zwei Polymere miteinander kombiniert werden. Alternativ kann der steifere Bereich des Spritzgusspolymers bzw. dessen Polymer gezielt mit Fasern verstärkt sein; Verstärkungsfasern in diesem Bereich können gezielt so ausgerichtet sein, dass einzelne Bereiche durch die Orientierung der Fasern im Spritzguss des faserverstärkten Polymers steifer sind und andere Bereiche nachgiebiger ausgestaltet sind. „Die Endplatte wird aus zum Beispiel thermoplastischem oder duroplastischem Polymer gefertigt, bei dem Glasfaseranteile zur Aussteifung im Spritzgussprozess derart ausgerichtet werden, dass die Steifigkeit zum Beispiel an den Krafteinleitungspunkten besonders hoch ist.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann eine Faserverstärkung für den steiferen Bereich vorgenommen werden. So zum Beispiel werden Kurzfasern in das geschmolzene Polymer eingemischt hinsichtlich der Steifigkeit weicherer Bereich wird durch ein anderes Polymer dargestellt, oder ohne Fasern oder mit der Beimischung von Fasern hergestellt, die jedoch anders orientiert sind, verglichen mit der Orientierung der Fasern im Membranbereich. Alternativ können im weicheren Bereich elastische Gummikügelchen eingemischt werden, um diesen Bereich hinsichtlich seiner Steifigkeit gezielt weicher zu machen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, das Polymer in einem Bereich aufzuschäumen und in einem anderen Bereich nicht. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der Brennstoffzelle als Energiequelle für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung können die Endplatten als Verbundbauteile hergestellt werden, so dass die Steifigkeit im erhaltenen Verbundbauteil lokal sehr unterschiedlich ist. Des Weiteren könnten geometrische Strukturen zusätzlich vorhanden sein. Durch die lokal unterschiedlichen Steifigkeiten, bei denen zumindest ein erster Steifigkeitsbereich und ein zweiter Steifigkeitsbereich vorliegen, kann das Verbundbauteil als Einzelbauteil gefertigt werden, was die Montage wesentlich vereinfacht. Die unterschiedlichen Steifigkeitsbereiche lassen sich beispielsweise durch entsprechende Materialwahl hinsichtlich der E-Module bzw. der Querdehnzahlen erreichen und beeinflussen. Des Weiteren kann bei einer Endplatte der Randbereich einen zweiten Steifigkeitsbereich darstellen. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung können in vorteilhafter Weise die Endplatten aus thermoplastischem oder aus duroplastischem Polymer gefertigt werden. Es können Einlegeteile, die insbesondere in beispielsweise wannenförmigen Aufnahmen innerhalb der Endplatten angeordnet sind eingesetzt werden, die insbesondere im Bereich der Krafteinleitungspunkte zur Einleitung der Vorspannkraft in den Stapelaufbau einen höheren Glasfaseranteil aufweisen.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausbildung der Endplatten als Verbundbauteil mit unterschiedlichen Steifigkeitsbereichen kann einerseits die Montage eines Brennstoffzellenstapels vereinfacht werden; andererseits kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erreicht werden, dass zur Erzielung einer kostengünstigen Massenfertigung die Anzahl der zur verbauenden Bauteile gering gehalten werden kann, bzw. auf ein unabänderliches Minimum beschränkt werden kann.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung können hinsichtlich der Bauhöhe des Stapelaufbaus Vorteile erzielt werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Materialdicke der eingesetzten Einzelelemente zu variieren. In diesem Falle ist jedoch analog zur Federrate in der Dicke von Randbereich zu Membranbereich um einen Faktor zwei zu variieren; erfindungsgemäß wäre die Steifigkeit um einen Faktor zwei zu variieren, was durch Wechsel des Polymers oder durch Variation des Füllgrades leicht möglich wäre.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 eine Brennstoffzelle mit einem Stapelaufbau aus Einzelelementen, die über als Verbundbauteil gefertigte Endplatten fixiert sind,
Figur 2 die Draufsicht auf ein Einzelelement mit Durchbrüchen und einem aktiven Membranbereich,
Figur 3 die Draufsicht auf eine Endplatte mit Durchbrüchen sowie einem in einer Aufnahme angeordneten Einlegeteil und
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Sensorfelds.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Der Darstellung gemäß Figur 1 ist eine Brennstoffzelle 10 als Stapelaufbau 12 aus Einzelelementen 14 zu entnehmen. Der Stapelaufbau 12 ist aus Einzelelementen 14 aufgebaut, die übereinander liegend angeordnet sind und eine Stapelhöhe 16 einnehmen. Die Einzelelemente 14, die den Stapelaufbau 12 bilden, sind durch eine erste Endplatte 20 und eine zweite Endplatte 22 gegeneinander verspannt. Die die Vorspannung des Stapelaufbaus 12 möglichen Spannelemente sind beispielsweise Verschraubungen oder Spannbänder oder dergleichen mehr. Aus der Darstellung gemäß Figur 1 geht hervor, dass der Stapelaufbau 12 der Brennstoffzelle 10 von Kanälen 18 durchzogen ist. Die einzelnen Kanäle 18 werden jeweils durch Durchbrüche 26, (vgl. Darstellung gemäß der Figuren 2 und 3) gebildet, die an den jeweiligen, den Stapelaufbau 12 darstellenden Einzelelementen 14, ausgeführt sind.
Figur 1 zeigt des Weiteren, dass die erste Endplatte 20 sowie die zweite Endplatte 22 jeweils als Verbundbauteile 24 ausgeführt sind. Beispielsweise sind die Verbundbauteile 24 so ausgebildet, dass diese mindestens einen ersten Bereich 32 aufweisen, der einen ersten Steifigkeitsbereich 36 darstellt.
Die Verbundbauteile 24 können jeweils wannenförmig ausgeführte Aufnahmen 34 umfassen, in welche Einlegeteile eingelassen sein können, die unterschiedliche Steifigkeitsbereiche 36, 38 ausbilden.
Figur 2 zeigt die Draufsicht auf ein Einzelelement 14, welches Bestandteil des in Figur 1 dargestellten Stapelaufbaus 12 ist. Das Einzelelement 14 in der Draufsicht gemäß Figur 2 stellt ein flächiges Bauteil dar, und weist einen etwa quadratisch ausgeführten aktiven Membranbereich 28 auf. Im Randbereich 30 des Einzelelementes 14 gemäß der Draufsicht in Figur 2 befinden sich die Durchbrüche 26, welche bei übereinander gelegten, innerhalb der Stapelaufbaus 12 angeordneten Einzelelementen 14 die jeweiligen Kanäle 18 bilden, wie sie in Figur 1 dargestellt sind. Die Kanäle 18 verlaufen von der ersten Endplatte 20 zur zweiten Endplatte 22 durchgängig durch den Stapelaufbau 12.
Figur 3 zeigt in der Draufsicht die zweite Endplatte 22. Auch die zweite Endplatte 22 weist die Durchbrüche 26 auf, die Teil der Kanäle 18 sind. Der mindestens eine erste Bereich stellt einen ersten Steifigkeitsbereich 36 dar, innerhalb dessen eine höhere Steifigkeit vorliegt, verglichen mit der Steifigkeit, die innerhalb eines zweiten Steifigkeitsbereiches 38 im Randbereich 30 der zweiten Endplatte 22 vorliegt. Die erste Endplatte 20 sowie die zweite Endplatte 22 werden vorzugsweise aus thermoplastischem oder duroplastischem Polymermaterial gefertigt.
Figur 3 ist des Weiteren zu entnehmen, dass innerhalb des mindestens einen ersten Bereiches 32, in dem der erste Steifigkeitsbereich 36 liegt, eine höhere Steifigkeit vorliegt, Krafteinleitungspunkte 40 angeordnet sind. Bei einem Vergleich der Figuren 2 und 3 zeigt sich, dass eine Fläche des mindestens einen ersten Bereiches 32 im Wesentlichen einer Fläche des aktiven Membranbereiches 28 des Einzelelementes 14 gemäß Figur 2 entspricht. In Figur 2 sind die Krafteinleitungspunkte 40 gestrichelt eingezeichnet.
Werden nun eine Anzahl von Einzelelementen 14 im Stapelaufbau 12 übereinander liegend angeordnet, so liegen deren aktiven Membranbereiche 28 übereinander. Wird in einem derart aufgebauten Stapelaufbau 12 aus übereinander liegenden Einzelelementen 14 die Vorspannkraft eingeleitet, so liegen die Krafteinleitungspunkte 40 innerhalb des mindestens einen ersten Bereiches 32, in dem der erste Steifigkeitsbereich 36 liegt. Dies bedeutet, dass innerhalb der Fläche des mindestens einen ersten Bereiches 32 und damit innerhalb der aktiven Membranbereiche 28 der übereinanderliegenden Einzelelemente 14, eine homogene Flächenpressung bei Anlegen der Verspannkraft erreicht werden kann.
Die Verspannkraft kann an den Krafteinleitungspunkten 40 beispielsweise über Vorspannelemente wie Zugschrauben oder Spannbänder oder dergleichen eingeleitet werden. Liegen die Krafteinleitungspunkte 40 innerhalb des mindestens einen ersten Bereiches d.h. des ersten Steifigkeitsbereiches 36, so kann bei der Verspannung des Stapelaufbaus 12 gemäß Figur 1 eine gasdichte Anlage der Dichtungen einzelner aktiver Membranbereiche 28 an den Einzelelementen 14 erreicht werden. Wird der Stapelaufbau 12 verspannt, liegt eine gasdichte Anlage der Einzelelemente 14, insbesondere innerhalb der aktiven Membranbereiche 28 vor.
Von Bedeutung ist insbesondere, dass beispielsweise im Bereich der Krafteinleitungspunkte 40 in dem mindestens einen ersten Bereich 32 ein erhöhter Anteil von Glasfasern vorliegen kann, durch welchen dort, d.h. insbesondere im Bereich der Krafteinleitungspunkte 40, der erste Steifigkeitsbereich 36 dargestellt ist.
Verglichen mit dem ersten Steifigkeitsbereich 36 bildet der Randbereich 30 der zweiten Endplatte 22 einen zweiten Steifigkeitsbereich 38, in dem die Materialsteifigkeit geringer ist, verglichen mit dem Material innerhalb des mindestens einen ersten Bereiches 32, welches den ersten Steifigkeitsbereich 36 darstellt. Durch die in den Endplatten 20 bzw. 22 ausgebildeten unterschiedlichen Steifigkeitsbereiche 36, 38 kann die Anzahl der zu verbauenden Elemente innerhalb eines Stapelaufbaus 12 begrenzt bleiben, so dass eine kostengünstige Massenfertigung möglich ist. Zusätzliche Ausgleichselemente, wie sie bislang eingesetzt werden, können entfallen. Bei der Herstellung der als Verbundbauteile 24 ausgebildeten Endplatten 20 bzw. 22 werden bevorzugt thermoplastische oder duroplastische Polymere eingesetzt. Glasfaseranteile werden zur Aussteifung innerhalb des Spritzgussprozesses beigegeben und derart ausgerichtet, dass sich die Steifigkeit, insbesondere der erste Steifigkeitsbereich 36, zumindest an den Krafteinleitungspunkten 40 innerhalb der Fläche des ersten Bereichs 32 bildet.
Als weitere Materialien zur Herstellung der unterschiedliche Steifigkeiten aufweisenden Verbundbauteile 24 kommen neben thermoplastischen oder duroplastischen Polymeren, Polyimide und PVDF, oder auch PPS oder PEEK zum Einsatz. Hinsichtlich der Erzeugung unterschiedlicher Steifigkeitsbereiche 36, 38 durch Beimischung von Komponenten zum Polymer, können außer Glasfasern in unterschiedlicher Orientierung, den genannten Materialien Kohlefasern, Glaskeramikpulver (glassy carbon) in einer Größe von 10 pm mit einer hohen Härte beigegeben werden. Glaskeramikpulver kann beispielsweise auch in PVDF eingearbeitet werden, welches an sich einen relativ weichen Werkstoff darstellt. Neben Glaskeramikpulver kann auch einfach Keramikpulver beigemischt werden, um die Steifigkeit von Polymermaterialien gezielt zu modifizieren.
Verbundbauteile 24 können zum Beispiel als Spritzgussbauteil gefertigt werden, in dem zwei Polymermaterialien miteinander kombiniert sind. Ein steiferer Bereich des Polymers kann gezielt mit Fasern, so zum Beispiel den obenstehend erwähnten Keramikpulvern, dem Glasfaserkeramikpulver oder dergleichen verstärkt werden. Innerhalb des zu verstärkenden, bzw. zu versteifenden Bereiches des Verbundbauteiles 24 können die Verstärkungsfasern gezielt so ausgerichtet werden, dass die einzelnen Bereiche durch die Orientierung der Verstärkungsfasern während des Spritzgussprozesses dem faserverstärkten Polymer eine höhere Steifigkeit verliehen, verglichen mit anderen Bereichen, die eine geringere Steifigkeit aufweisen und die demzufolge nachgiebiger sind. Eine Faserverstärkung für den steiferen Bereich kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass dem geschmolzenen Polymer Kurzfasern beigemischt werden.
Der weichere, d.h. nachgiebigere Bereich des Verbundbauteiles 24 kann mit einem anderen Polymer hergestellt werden, oder ohne Verstärkungsfasern oder mit Fasern, jedoch eine andere Orientierung aufweisen, verglichen mit der Orientierung der Verstärkungsfasern im aktiven Membranbereich 28. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, in den Bereich, der eine geringere Steifigkeit aufweisen soll, d.h. der nachgiebiger ausgestaltet werden soll, elastische Kügelchen, beispielsweise Gummikügelchen einzuarbeiten, um diesen Bereich hinsichtlich seiner Steifigkeit gezielt nachgiebiger zu machen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, beim Spritzgießverfahren eines der Polymere aufzuschäumen und das andere nicht aufzuschäumen, so dass auch auf diesem Wege im Verbundbauteil 24 Bereiche mit unterschiedlichen Steifigkeiten hergestellt werden können.
In dieses wiederum können elastische Elemente mit verschiedenen Steifigkeiten eingelegt sein. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, ein plan ausgeführtes Rahmenelement einzusetzen, in dessen Zentrum ein Kern aus einem Material oder einer Materialmischung eingelegt werden kann, der eine größere oder eine geringere Steifigkeit aufweist.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorfelds. Ein Sensorfeld ist als Einzelelement 14 in der Brennstoffzelle 10 aufgenommen. Dabei kann das Einzelelement 14, welches das Sensorfeld enthält, an beliebiger Stelle innerhalb der Brennstoffzelle 10 angeordnet sein oder im Bereich der ersten Endplatte 20 oder im Bereich der zweiten Endplatte 22 vorgesehen sein. Auch die Verwendung mehrerer Sensorfelder als Einzelelemente 14 innerhalb der Brennstoffzelle 10 ist möglich. Mittels der Sensorfelder ist die Ermittlung einer lokalen Flächenpressung innerhalb der Brennstoffzelle 10 möglich.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzelle (10) mit einem Stapelaufbau (12) aus einer Anzahl übereinander angeordneter Einzelelemente (14), die über eine erste Endplatte (20) und eine zweite Endplatte (22) miteinander verspannt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten (20, 22) als Verbundbauteile (24) mit verschiedenen Steifigkeitsbereichen (36, 38) ausgebildet sind.
2. Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten (20, 22) mindestens einen ersten Bereich (32) aufweisen, welcher einen ersten Steifigkeitsbereich (36) darstellt.
3. Brennstoffzelle (10) gemäß der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten (20, 22) außerhalb des mindestens einen ersten Bereiches (32) einen zweiten Steifigkeitsbereich (38) aufweisen.
4. Brennstoffzelle (10) gemäß der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit des Materials im ersten Steifigkeitsbereich (36) die Steifigkeit des Materials des zweiten Steifigkeitsbereiches (38) übersteigt.
5. Brennstoffzelle (10) gemäß der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Krafteinleitungspunkte (40) zur Einleitung einer Vorspannkraft in den Stapelaufbau (12) an den Endplatten (20, 22) im mindestens einen ersten Bereich (32) liegen, der den ersten Steifigkeitsbereich (36) darstellt.
6. Brennstoffzelle (10) gemäß der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche des mindestens einen Bereiches (32) einer Fläche eines aktiven Membranbereiches (28) der Einzelelemente (14) entspricht.
7. Brennstoffzelle (10) gemäß der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch den ersten Steifigkeitsbereich (36) eine homogene Flächenpressung zwischen den Einzelelementen (14), insbesondere eine gasdichte Anlage zwischen den aktiven Membranbereichen (28) der Einzelelemente (14) erreicht wird.
8. Brennstoffzelle (10) gemäß der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten (20, 22) aus thermoplastischem oder duroplastischem Polymer oder Polyimid, PVDF, PPS oder PEEK gefertigt sind.
9. Brennstoffzelle (10) gemäß der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Bereich (32) aus thermoplastischem oder duroplastischem Polymer gefertigt ist und im Bereich der Krafteinleitungspunkte (40) ein erhöhter Anteil von Verstärkungsfasern vorliegt.
10. Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsfasern Kohlefasern, Glaskeramikpulver oder Keramikpulver beigemischt sind.
11. Brennstoffzelle (10) gemäß der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapelaufbau (12) aus Einzelelementen (14) mindestens ein Einzelelement (14) mit einem Sensorfeld oder mit mindestens einem Einzelsensor enthält, zur Bestimmung einer lokalen Flächenpressung im Stapelaufbau (12).
12. Brennstoffzelle (10) gemäß der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Stärkungsfasern oberhalb des Polymeres so ausgerichtet sind, dass die einzelnen Steifigkeitsbereiche (36, 38) durch die Orientierung der Verstärkungsfasern im Spritzgussverfahren gegeben sind.
13. Verwendung der Brennstoffzelle (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche als Energiequelle für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
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