WO2023089072A1 - Brennstoffzellenvorrichtung - Google Patents

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WO2023089072A1
WO2023089072A1 PCT/EP2022/082352 EP2022082352W WO2023089072A1 WO 2023089072 A1 WO2023089072 A1 WO 2023089072A1 EP 2022082352 W EP2022082352 W EP 2022082352W WO 2023089072 A1 WO2023089072 A1 WO 2023089072A1
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WO
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stack
fuel cell
longitudinal axis
stabilizer
abutment
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PCT/EP2022/082352
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Fabian Mönch
Gerhard Schuller
Wolfgang Fritz
Original Assignee
Ekpo Fuel Cell Technologies Gmbh
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Publication date
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to the field of fuel cell technology, in particular the field of fuel cell technology for means of locomotion and the stabilization of fuel cell stacks.
  • Fuel cells offer an opportunity for decarbonization and are being installed more and more frequently, including in means of transport such as motor vehicles. With regard to operational safety, stability, the complexity of the structure and manufacturing costs, there is still a need for improvement.
  • the task is to provide a fuel cell and components for fuel cells that enable safe fuel cell operation over the long term and enable a simple structure and inexpensive production.
  • a fuel cell device in particular for a means of transportation, the fuel cell device comprising the following: a fuel cell stack and a stack longitudinal axis stabilizer, at least one area of the stack longitudinal axis stabilizer being arranged between a stack surface of the fuel cell stack running parallel to the stack longitudinal axis and an abutment.
  • the means of transportation can be a motor vehicle, for example, in particular a motor vehicle that is at least partially driven with the aid of the fuel cell device.
  • the motor vehicle can be suitable for driving on paved and/or unpaved roads. It can be a passenger car (car) or truck (truck), for example.
  • parallel means that the parallel elements (eg the longitudinal axis of the stack and the stack surface) extend at an angle of at most 20°, eg at most 10°, to one another.
  • the abutment is preferably arranged on a further component of the fuel cell device, e.g. on a component of the fuel cell device which is at a distance from the stack surface of the fuel cell stack.
  • the abutment described here in connection with the stack longitudinal axis stabilizer can be a further component of the fuel cell device, e.g. a component of the fuel cell device which is at a distance from the stack surface of the fuel cell stack.
  • the abutment can, for example, be arranged on a stack housing.
  • the abutment described here in connection with the stack longitudinal axis stabilizer can be the stack housing itself or a part of the stack housing. All parts of the fuel cell device that extend into an area at a distance from the stack surface, in particular parts that at least partially enclose the fuel cell stack, are attributed to the stack housing.
  • the region spaced from the stack surface is external to the fuel cell stack and extends into a plane that intersects the fuel cell stack and is orthogonal to the longitudinal axis of the fuel cell stack.
  • successive reaction zones along the longitudinal axis of the stack are each typically sealed off by seals.
  • the seals serve, among other things, to ensure that fuel supplied, e.g. hydrogen (H2), does not escape from the fuel cell stack in an uncontrolled manner.
  • the rigidity of the fuel cell stack along the longitudinal axis of the stack is limited by the seals, and bending or bulges can occur along the longitudinal axis of the stack, as will be seen below in particular with reference to FIG of Figs. 1 and 2 explained.
  • the longitudinal axis of the stack extends orthogonally to the planes of the bipolar plates through the fuel cell stack.
  • the invention stabilizes the longitudinal axis of the stack in a particularly simple manner. Impairments to fuel cell operation, which could occur due to leaks in the fuel cell stack as a result of bulging, can be largely avoided. This enables safe fuel cell operation over the long term, even in the event of impacts and vibrations. At the same time, a simple structure and cost-effective production are ensured.
  • the stack longitudinal axis stabilizer is able to transmit at least part of a force acting on the fuel cell stack orthogonally to the stack longitudinal axis to the abutment. This can be sufficient for a desired stabilization along the longitudinal axis of the stack.
  • the fuel cell device may include multiple stack longitudinal axis stabilizers.
  • the fuel cell device can comprise any number of stack longitudinal axis stabilizers, e.g. at least one, in particular at least two, preferably at least three, particularly preferably at least four stack longitudinal axis stabilizers.
  • At least one area of each stack longitudinal axis stabilizer is preferably arranged between one of the stack surfaces of the fuel cell stack running parallel to the stack longitudinal axis and one or more abutments.
  • One or more stack longitudinal axis stabilizers are preferably able to transfer at least a portion of several forces acting on the fuel cell stack in different directions orthogonally to the stack longitudinal axis to one or more abutments. At least part of at least one stack longitudinal axis stabilizer is preferably arranged in a contact area of a stack surface in which no fluid conducting structures (eg lines, hoses and/or distributors) run. It can be particularly advantageous if at least part of the stack longitudinal axis stabilizer is elastic. At least a portion of the stack longitudinal axis stabilizer may include an elastomer. This has the advantage that vibrations from the abutment do not affect the stack surface. The edges of certain bipolar plates or also distributors and frame elements on the stack surface can thus be protected from damage and the service life of the fuel cell device can be increased.
  • the shape and material of the stack longitudinal axis stabilizer are preferably adapted to the structure of the fuel cell stack and the stack surface such that an acceleration a of 5 g, preferably 8 g, particularly preferably 10 g orthogonal to the stack longitudinal axis, does not damage the fuel cell stack.
  • an acceleration a of 5 g, preferably 8 g, particularly preferably 10 g orthogonal to the stack longitudinal axis does not damage the fuel cell stack.
  • the stack longitudinal axis stabilizer preferably includes a sliding contact surface.
  • the abutment preferably includes an abutment contact surface.
  • the sliding contact surface may be arranged on the abutment contact surface.
  • the abutment contact surface, together with the sliding contact surface, can define a sliding contact area running parallel to the longitudinal axis of the stack.
  • the word element "contact” in the terms “sliding contact surface”, “abutment contact surface” and “sliding contact area” means physical contact, not electrical contact. The effect of this is that a fuel cell stack stabilized by the stack longitudinal axis stabilizer remains movable in the axial direction.
  • a force acting along the stack which can occur, for example, when the vehicle vibrates, can thus be damped by a substantially reversible sliding movement in the sliding contact area. Edges of the bipolar plates can slide back and forth in the axial direction without being damaged. This can contribute to an increase in the longevity of the fuel cell stack, especially in the case of a very filigree stack, so that maintenance intervals can be shortened and particularly efficient vehicle operation can be achieved over the long term.
  • abutment contact surface and sliding contact surface can be a plastic surface, the other of the two surfaces can be a ceramic surface. This promotes sliding of the sliding contact surface on the abutment contact surface.
  • an agent can be applied in the sliding contact area that promotes sliding of the sliding contact surface on the abutment contact surface.
  • the stack longitudinal axis stabilizer may comprise an intermediate plate inserted into the fuel cell stack.
  • Part of the intermediate plate preferably protrudes from the stack surface.
  • This protruding portion may constitute at least part of the portion of the stack longitudinal axis stabilizer located between the stack surface and the abutment.
  • the part of the intermediate plate protruding from the stack surface can be connected via a connecting element, for example to a tie rod element (acting as an abutment) of the fuel cell device.
  • a connecting element for example to a tie rod element (acting as an abutment) of the fuel cell device.
  • tie rod element acting as an abutment
  • Specific options for connection are described below in connection with tie rod stabilizers. This can have a synergistic effect on the stability of the fuel cell stack of the fuel cell device. This is because the connection of the intermediate plate to a tie rod element leads not only to stabilization of the longitudinal axis of the stack per se, but also to stabilization of the tie rod element against breakage
  • the intermediate plate protrude from one or from several stack surfaces.
  • at least part of the intermediate plate can protrude from opposing stacking surfaces.
  • the part of the intermediate plate protruding from the stack surface can be connected to a stack housing (acting as an abutment) via a connecting element, for example.
  • the connection can be electrically insulating, for example.
  • connection can include a sliding bearing.
  • a connecting element can be slidably mounted on the abutment (e.g. housing or system frame).
  • the abutment may include an adjustable abutment member. This can have the effect that manufacturing tolerances can be compensated for, thermal expansion of the intermediate plate can be accommodated and/or compensated for and/or assembly of the fuel cell stack by a Transfer of the adjustable abutment element can be facilitated from a first position to a second position.
  • the abutment contact surface described can be, for example, a surface of the abutment element.
  • the sliding contact surface described can be, for example, a surface of a connecting element arranged on the intermediate plate. Adjusting the abutment element can ensure that the sliding contact surface can slide as desired on the abutment contact surface of the adjustable abutment element in the sliding contact area.
  • the part of the intermediate plate protruding from the stack surface can be connected to the abutment via an elastic element (spring, elastomer, etc.). This is particularly advantageous with regard to compensating for manufacturing tolerances and thermal expansion of the intermediate plate.
  • One possibility consists in supporting the part of the intermediate plate protruding from the stack surface via the connecting element on the housing or on the system frame.
  • An anode area defined by an anode-side element can be arranged, e.g. welded, on one side of the intermediate plate.
  • a cathode region defined by a cathode-side element can be arranged, for example welded, on one side (the other side) of the intermediate plate.
  • the surfaces of the intermediate plate have the shape of corresponding surface areas of the bipolar plates in areas in which the seal is in contact.
  • the same sealing geometry is achieved as with the adjacent bipolar plates.
  • the same seal can then be installed in the transition from intermediate plate to bipolar plate as in the transition from bipolar plate to bipolar plate. That means, that the fuel cell device can be assembled with particularly little effort.
  • a plurality of intermediate plates spaced apart from one another can be inserted into the fuel cell stack.
  • stabilization of the longitudinal axis of the stack and/or stabilization of one or more tie rod elements via several intermediate plates, which are inserted into the fuel cell stack at regular intervals can be useful.
  • the stack longitudinal axis stabilizer may include a support member that braces the stack surface against the abutment.
  • the support member may be a sliding support member.
  • the abutment can comprise a carrier on which the sliding support element is slidably guided.
  • the abutment contact surface described can be, for example, a surface of the carrier.
  • the sliding contact surface comprised by the stack longitudinal axis stabilizer may be a surface of the sliding support element facing the abutment contact surface.
  • One or more optional guide elements may extend parallel to the beam.
  • the one or more guide members may extend through one or more openings of one or more slide support members.
  • the sliding support element can be slidably guided on the carrier with return springs ng. During a sliding movement of the slide support element on the carrier, the restoring resilience can then promote a return of the slide support element to the starting position.
  • Many, for example at least six, sliding support elements are preferably guided on the carrier in a displaceable manner, for example with restoring springs.
  • a floating bearing element can also be guided on the carrier.
  • the fuel cell stack can have at least one contact area on the stack surface, on which at least one sliding support element can rest and support the fuel cell stack.
  • the shape of the contact area can be defined by one or more components of the fuel cell stack.
  • One or more bipolar plates can define the shape of the at least one contact area.
  • One or more seals can define the shape of the at least one contact area.
  • One or more bipolar plates and gaskets can collectively define the shape of the at least one contact area.
  • In the contact area there are preferably no fluid conducting structures (e.g. lines, hoses and/or distributors).
  • the at least one contact area can be adapted to the shape of the at least one sliding support element.
  • the sliding support elements With the help of the sliding support elements guided in this way, stabilization of the longitudinal axis of the stack can be achieved in that the surface of the stack is supported via the sliding support elements against a carrier acting as an abutment.
  • the restoring spring can dampen movements of the cell edges lying against the sliding support elements in the direction of the longitudinal axis of the stack. This can contribute to further stabilization of the fuel cell stack.
  • Stack longitudinal axis stabilizing effect achieves a damping effect acting essentially along the longitudinal axis of the stack.
  • the abutment can be formed by a rail element running along a stack surface of the fuel cell stack.
  • the support described in connection with the sliding support element can be designed as a rail element.
  • the rail element can be a tie rod rail element.
  • a tie rod rail element is a rail element that also functions as a tie rod element.
  • a buffer element can be arranged between the fuel cell stack and the rail element.
  • the cushioning element may contain an elastomer or a polymeric foam. It can be an elastic, polymer foam-based buffer element.
  • a stack longitudinal axis stabilizer may run in a concave area of the stack surface of the fuel cell stack.
  • the buffer element can support a stack surface against the rail element and thereby stabilize the longitudinal axis of the stack.
  • the abutment contact surface described in detail above may be a surface of the rail member.
  • the sliding contact surface comprised by the stack longitudinal axis stabilizer can be, for example, a surface of the buffer element which faces the abutment contact surface.
  • Stack longitudinal axis stabilizing effect a damping effect acting essentially along the longitudinal axis of the stack can be achieved.
  • the fuel cell stack can have at least one contact area on the stack surface, on which at least one buffer element can rest and support the fuel cell stack.
  • the shape of the contact area can be defined by one or more components of the fuel cell stack.
  • One or more bipolar plates can define the shape of the at least one contact area.
  • One or more seals can define the shape of the at least one contact area.
  • One or more bipolar plates and gaskets can collectively define the shape of the at least one contact area.
  • In the contact area there are preferably no fluid conducting structures (e.g. lines, hoses and/or distributors).
  • the at least one contact area can be adapted to the shape of the at least one buffer element.
  • At least part of the buffer element can lie in a concave region of the stack surface of the fuel cell stack that runs parallel to the longitudinal axis of the fuel cell stack.
  • the rail element is preferably aligned parallel to the longitudinal axis of the fuel cell stack.
  • one extension of the rail element which can be referred to as the height of the rail element, for example, can be greater than another extension of the rail element, which can be referred to as the width of the rail element, for example.
  • the terms width and height say nothing about the Orientation of the rail element in relation to the direction of gravity.
  • a cross section is understood to be an imaginary cut surface of the rail element, which would be obtained if the rail element were cut orthogonally to the longitudinal axis of the rail element.
  • the bumper member may be formed to extend partially (e.g., U-shaped) around the rail member in the cross-section between the rail member and the concave stacking surface.
  • a surface of the rail element that faces the stack surface can be wider than a surface of the rail element that faces away from the stack surface.
  • the cross-section of the rail member may be T-shaped.
  • the rail element can, for example, replace a conventional tie rod element with a round cross-section and stabilize the longitudinal axis of the fuel cell stack. It therefore has only a minimal impact on the installation space and can bring about particularly efficient stabilization of the longitudinal axis of the stack with minimal material expenditure.
  • the tie rod element can optimally develop its effect, for example vertically below a longitudinal axis of the stack.
  • the term "vertically below” here refers to the direction of gravity.
  • the stack longitudinal axis stabilizer may include a support pad member.
  • the support cushion can be filled with air or foam, for example.
  • the support cushion element can be arranged between the stack enclosure and the stack surface(s). This has the advantage of particularly simple assembly.
  • One or more support cushion elements can preferably cover at least 5%, particularly at least 10%, particularly preferably at least 25%, for example at least 50% of the total stack surfaces running parallel to the longitudinal axis of the stack.
  • the orientation of the fuel cell stack in the stack housing can be controlled via a predefined shape of the support cushion element.
  • the increase in surface area is accompanied by a reduction in surface pressure. This results in an advantageous load configuration and thus a lower risk of damage in the area of the stack surface(s).
  • the stack longitudinal axis stabilizer may comprise a bulk material.
  • the bulk material can be arranged between the stack housing and the stack surface. This allows a particularly simple installation. Since a large part of the space between the stack surfaces and the stack housing can be filled with loose material, there is the possibility of greatly reducing the ignitable volume in the event of a hydrogen escape, so that active ventilation of the space between the stack surface(s) and the stack housing may be unnecessary .
  • the stack longitudinal axis stabilizer can comprise a molded part.
  • the molding can preferably contain a polymer foam.
  • a surface contour of the molded part can be adapted to the contour of the stack surface, for example.
  • One or more molded parts can preferably cover at least 5%, particularly at least 10%, particularly preferably at least 25%, for example at least 50% of the entire stack surfaces running parallel to the longitudinal axis of the stack.
  • a large-area supporting effect can be achieved in a particularly simple manner by means of one or more molded parts.
  • an additional damping effect that acts essentially along the longitudinal axis of the stack with the support cushion element and the molded part is typically not brought about by a sliding contact area, but rather by an intrinsic elasticity of the support cushion element or the molded part.
  • a damping effect acting essentially along the longitudinal axis of the stack is also achieved in addition to the effect essentially orthogonal to the longitudinal axis of the stack, which stabilizes the longitudinal axis of the stack.
  • this can even be achieved without the sliding contact area.
  • a fixing area of the stack longitudinal axis stabilizer extends into a plate space, e.g. bipolar plate space, of the fuel cell stack.
  • the fixing area can preferably extend into an edge area of the space between the plates, with the edge area extending from the edge of the plate to a seal.
  • a support area of the stack longitudinal axis stabilizer can form the area of the stack longitudinal axis stabilizer arranged between the stack surface and the abutment.
  • the abutment contact surface can then be, for example, a surface of an abutment, e.g.
  • the sliding contact surface may be a surface of the support portion facing the abutment contact surface.
  • the support element described above e.g. sliding support element
  • the buffer element described in connection with the rail element e.g., the support cushion element, the bulk material and the molded part are each essentially on the outer contour of the Fuel cell stack and can hit the bipolar plate.
  • bipolar plates are often not stacked perfectly, protruding bipolar plates can be exposed to particular forces at the edges and can therefore be damaged by such stack longitudinal axis stabilizers.
  • sharp-edged bipolar plates can damage such stack longitudinal axis stabilizers, for example on their plastic surfaces, due to a cutting effect.
  • many small particles are generated and released.
  • the stabilization of the longitudinal axis of the stack with an intermediate plate can offer advantages.
  • one or more intermediate plates require additional components, which must also be sufficiently mechanically stable and electrically conductive. This can be accompanied by a significant additional weight.
  • the stack longitudinal axis stabilizer which includes the fixation region and the support region, can be an elastomeric element. Due to the design as an elastomer element, the characteristic of the application of force is relatively "soft", in contrast to an impact on a metallic element. In addition, tolerances in the outer contour of the fuel cell stack can be better compensated for, since stressed stack longitudinal axis stabilizers distribute the force to neighboring elements via the fixing area, among other things.
  • the fixation area can be clamped in the space between the plates by the two adjacent plates, eg bipolar plates. This allows local a stable connection between the elastomer element and the adjoining plates can be achieved, which also withstands the introduction of an external force in the direction of the cell level.
  • the mean pressure exerted on the fixation area in the space between the plates by the two adjacent plates is higher than the mean pressure exerted on the seal(s) in the space between the plates by the two adjacent bipolar plates.
  • One or more fixation areas preferably account for at most 10%, preferably at most 6%, particularly preferably at most 4% of a surface of a bipolar plate. Because of such a local design, the total force applied for bracing the fixing area or areas remains relatively small in relation to the total stack bracing force. This can offer the great advantage that existing concepts for stack bracing can largely be retained.
  • Stack longitudinal axis stabilizers with a fixation area and a support area can therefore be added to an established fuel cell design essentially easily without the need for further adjustments.
  • the local design permits the elastomer element to be arranged in a region in which the additional force can be easily compensated for by the bracing system (see, for example, FIG. 34), for example in a Area where a spring element of an existing bracing solution comes to lie close to the edge of the pressure distributor plate.
  • the spring element can in particular be a disk spring, compression spring, plate spring or spiral spring.
  • At least one convex area can be formed on at least one of the surfaces of the fixing area and/or the plate that come into contact with one another.
  • Part of the fixing area can preferably be thickened on one or both sides. This means that the part is thicker than an adjacent part of the fixation area.
  • Part of the surface of the bipolar plate coming to rest in the fixation area can be thickened.
  • the fixing area is pressed in the space between the plates in the clamped fuel cell stack, the fixing area is compressed in particular where the distance to the next plate is particularly small.
  • the support area can preferably be made thicker in the direction of the longitudinal axis of the stack than the fixing area.
  • the support area may include a shoulder that may extend over an edge surface of a bipolar plate. This can cause the shoulder to press on the edge of a bipolar plate that protrudes slightly from a non-ideally stacked fuel cell stack.
  • this can bring about additional stabilization of the fuel cell stack along the longitudinal axis of the stack, since local deviations from the ideal stack geometry are counteracted in a particularly targeted manner can.
  • the shoulder rests on the edge of the bipolar plate, it can prevent the fixation area from being pushed deeper into the space between the plates, where the sealing effect of a seal could otherwise be impaired. This means that the risk of H2 escaping can be further reduced and thus the operational reliability of the fuel cell device can be increased even further.
  • the support area can be thicker than the attachment area in the direction of the longitudinal axis of the stack, e.g.
  • the greatest thickness of both areas in the direction of the longitudinal axis of the stack is included.
  • a plurality of convex portions may be formed at the fixing portion.
  • a convex portion closer to the support member and a convex portion farther from the support member may be formed.
  • one or more further convex areas can be formed between these two convex areas.
  • the fixing area is designed in such a way that the force required to press the fixing area between the plates decreases towards the edges of the fixing area.
  • the fixing area can taper towards the edge of the fixing area.
  • the thickness of the fixing area can be smaller at a convex area closer to the support element and at a convex area further away from the support element than the thickness of a convex area formed between these two convex areas.
  • Significantly increased compression forces can occur locally in the fixing area. If the fixing areas of adjacent stack longitudinal axis stabilizers are offset, this can lead to the introduction of bending moments into the existing bipolar plates. If this changes the sealing gap in the area of the adjacent seal, this could impair the sealing function.
  • At least one seal and the stack longitudinal axis stabilizer are designed as a one-piece seal-stabilizer unit, e.g. as a seal-stabilizer unit which has a seal, a fixing area and a support area connected to the seal via the fixing area.
  • This has the advantage that the seal and the stack longitudinal axis stabilizer do not have to be manufactured separately. In addition, fewer individual parts have to be installed in the production of the fuel cell device.
  • the object is also achieved by a seal-stabilizer unit for sealing successive reaction zones along the longitudinal axis of a fuel cell stack, the seal-stabilizer unit having a seal, a fixing area and a support area connected to the seal via the fixing area.
  • the features of the stack longitudinal axis stabilizer described herein, of its fixing area and of its support area can also represent features of the seal-stabilizer unit.
  • the object is also achieved by a bipolar plate for a fuel cell stack, with an edge surface of the bipolar plate defining an edge support surface whose width D, measured orthogonally to the plane of the plate, exceeds the thickness of the bipolar plate material. If the bipolar plate material thickness is not uniform, the average bipolar plate material thickness is considered for the comparison with the width D. If the width D is not uniform, the average width of the edge support surface is considered as the width D.
  • D is preferably at least 125% of the bipolar plate material thickness, particularly preferably at least 150%, in particular at least 175%, e.g. at least 200% of the bipolar plate material thickness.
  • the edge support surface may be bent or beaded.
  • This adaptation of the edge surface can serve to avoid damage to the stack longitudinal axis stabilizer or the seal-stabilizer unit under vibration loading.
  • the support includes a shoulder that extends beyond the peripheral surface of a bipolar plate, the increased width D can counteract cutting of the peripheral surface into the shoulder of the support.
  • the invention is not limited to the edge support surface, the width D of which, measured orthogonally to the plane of the plate, exceeds the thickness of the bipolar plate material, is in contact with a support area described herein.
  • the edge support surface can also enable direct or almost direct support on the abutment, e.g. on the stack housing, and thereby stabilize the longitudinal axis of the fuel cell stack.
  • a fuel cell device comprising a fuel cell stack with at least one bipolar plate, with an edge surface of the bipolar plate having a Defined edge support surface whose width D measured orthogonally to the plane of the plate exceeds the thickness of the bipolar plate material and wherein the stack longitudinal axis of the fuel cell stack is stabilized in that the edge support surface is arranged on an abutment, eg on the stack housing.
  • the features specified above for the bipolar plate in particular with regard to the width D and the shape of the edge support surface, can of course also be features of the bipolar plate comprised by the fuel cell device.
  • edge support surface is arranged on the abutment, e.g. on the stack housing, can mean that the edge support surface is supported on the abutment or that there is a small distance between the edge support surface, which is e.g. at most 5% of the length of the fuel cell stack along the longitudinal axis of the stack .
  • the edge support surface is electrically isolated from the abutment.
  • a layer of an electrically insulating material can be arranged between the edge support surface and the abutment.
  • an electrically insulating coating can be applied to the abutment and/or to the edge support surface.
  • the edge support surface can then directly form the sliding contact surface described herein, which in other embodiments of the invention is comprised by the stack longitudinal axis stabilizer.
  • the abutment can comprise the abutment contact surface.
  • the sliding contact surface may be arranged on the abutment contact surface.
  • the abutment contact surface, together with the sliding contact surface, can define a sliding contact area running parallel to the longitudinal axis of the stack.
  • the edge surface of the bipolar plate can be oriented orthogonally to the plane of the plate, for example.
  • Orthogonal means here that the orthogonal elements (e.g. the plate plane and the edge surface) run at an angle to one another that does not deviate from 90° or deviates by at most 20°, preferably at most 10°.
  • a convex area of a bipolar plate e.g.
  • two convex regions of a bipolar plate e.g.
  • the convex portion of the bipolar plate may also be a corner portion of a bipolar plate, e.g., a corner portion of a substantially rectangular bipolar plate.
  • This configuration of the stack longitudinal axis stabilizer reverses the possibility described above of arranging a fixing region of the stack longitudinal axis stabilizer in a plate intermediate space. Conversely, it makes it possible to arrange a convex area of the bipolar plate or a plate projection area in the recess of the stack longitudinal axis stabilizer.
  • the recess can be a slot.
  • the recess can be delimited by recess edge areas.
  • the edge areas of the recess can, for example, limit the depth and length of the slot.
  • the recess edge areas can be adapted to the edge contour of the convex area of the bipolar plate, for example. Sections of the recess edge areas can be adapted to the edge contour of the convex area of the bipolar plate or together form a recess edge area continuously adapted to the edge contour of the convex area.
  • the recess edge area continuously adapted to the edge contour of the convex area can be adapted to the edge contour essentially over the entire length of the edge contour.
  • the support element of the stack longitudinal axis stabilizer can be formed by a region of the stack longitudinal axis stabilizer which projects beyond the plate projection region in the plane of the bipolar plate. At least one recess edge area can be in the transition from the recess to the support element.
  • the stack longitudinal axis stabilizer may include a sliding contact surface.
  • the sliding contact surface comprised by the stack longitudinal axis stabilizer can be a surface of the support element, preferably a surface of the support element lying on the support element opposite a recess edge area.
  • the sliding contact surface may abut an abutment contact surface.
  • the abutment contact surface may be an interior surface of a stack enclosure. The abutment contact surface, together with the sliding contact surface, then defines a sliding contact area running parallel to the longitudinal axis of the stack.
  • the convex area of the bipolar plate can be arranged in the recess with a force fit and/or with a form fit.
  • the stack longitudinal axis stabilizer surrounding the recess can be a plastic part.
  • the plastic part can preferably be formed from a plastic that can be formed by injection molding.
  • the stack longitudinal axis stabilizer can be formed, for example, by overmolding the convex area of the bipolar plate with a plastic.
  • the stack longitudinal axis stabilizer can be connected to the convex region of the bipolar plate via an undercut.
  • the bipolar plate In the convex area, the bipolar plate can have a depression, for example.
  • the stack longitudinal axis stabilizer can engage in the depression.
  • the bipolar plate In the convex area, the bipolar plate can have an elevation, for example.
  • the stack longitudinal axis stabilizer may extend around the ridge.
  • a bipolar plate for a fuel cell stack comprising a convex area and a stack longitudinal axis stabilizer, e.g.
  • the stack longitudinal axis stabilizer comprised by this bipolar plate according to the invention and the convex region of the bipolar plate can have the features that are described herein.
  • the above features of the recess, recess edge regions, the support region, the sliding contact surface and the type of arrangement of the convex region in the recess, the material of the longitudinal stack stabilizer comprising the recess, the manufacture of the longitudinal stack stabilizer comprising the recess, the connection via the undercut also Be features of the associated bipolar plate according to the invention.
  • a fuel cell device in particular for a means of locomotion, the fuel cell device comprising the following: a fuel cell stack and a cell suspension element which directly or indirectly connects a cell of the fuel cell stack to an abutment.
  • the cell suspension element can be arranged or formed on a component of the cell. Then the cell suspension element connects the cell directly to the abutment.
  • a component is a cell frame element that belongs to a cell frame of a single cell.
  • Another example of such a component is a gasket for sealing a cell.
  • the cell suspension element can also be arranged or formed on another component of the fuel cell stack, e.g. on a component of the fuel cell stack that extends over several cells or between two cells. Then the cell suspension element connects the cell indirectly to the abutment.
  • a component of the fuel cell stack that extends over several cells or between two cells.
  • the cell suspension element connects the cell indirectly to the abutment.
  • An example of such a device is a bipolar plate, as it extends between two cells.
  • Another example of such a component is a cell frame element that belongs to a frame enclosing several cells.
  • a cell or “the cell” in connection with a cell suspension element, if the cell suspension element cannot be attributed to a particular cell, it is the cell nearest to the cell suspension element or any two cells nearest to the cell suspension element meant.
  • the cell suspension element is preferably formed on a cell frame element.
  • the cell frame element can belong to a cell frame of a cell or also to a frame enclosing several cells.
  • the cell suspension element connects the cell to the abutment.
  • connects in this context typically refers to a mechanical connection.
  • the cell suspension element connects the cell to the abutment such that the cell is directly or indirectly attached to the abutment is mounted, the cell is directly or indirectly mechanically coupled to the abutment and/or the freedom of movement of the cell relative to the abutment is at least restricted.
  • the cell suspension element can connect the cell to the abutment, e.g. in a force-fitting, form-fitting and/or cohesive manner, preferably in a force-fitting and/or form-fitting manner.
  • the connection may include an undercut.
  • the cell suspension element is advantageously anchored in the abutment.
  • the abutment can be anchored in the cell suspension element.
  • the cell suspension element may have a head portion and a neck portion.
  • the head portion may be attached to the cell via the neck portion.
  • a collar area can be formed on the abutment for anchoring.
  • the collar area can, for example, be adapted to the dimensions and shape of the head area and neck area of the cell suspension element in such a way that the neck area can come to rest in the collar area, but the head area rests on a side of the collar area facing away from the cell, so that the head does not slip out of the collar area can.
  • the head area is preferably accommodated in the abutment by the collar area extending towards the neck area.
  • the described embodiment with head area, neck area and collar area is only an example for the implementation of the invention. It goes without saying that the cell suspension element can also be anchored in a different way in the abutment.
  • the abutment may have an abutment surface remote from the cell.
  • the abutment surface remote from the cell may be parallel to the stack surface or inclined to the stack surface. Reference is made to the stack surface (running parallel to the longitudinal axis of the stack) that faces the abutment.
  • the cell suspension element may have a suspension surface facing the cell.
  • the suspension surface facing the cell may be parallel to the stack surface or inclined to the stack surface.
  • the abutment surface remote from the cell may extend into an area between the cell and the cell-facing suspension surface.
  • the abutment may have an abutment surface facing the cell.
  • the abutment surface facing the cell may be parallel to the stack surface or inclined to the stack surface. In this case, reference is made to that stack surface which runs parallel to the longitudinal axis of the stack and faces the abutment.
  • the cell e.g., the cell frame member, advantageously has a suspension surface remote from the cell.
  • suspension surfaces described herein interact with the abutment surfaces to limit movement of the cell suspension member into and out of the abutment. This will be particular will be apparent from the specific embodiments shown in Figures 16 to 19 and described in more detail hereinbelow.
  • the cell suspension element can connect the cell to the abutment via a damping element, for example. This can cause vibration decoupling. Moreover, a support or suspension of the fuel cell stack can be implemented efficiently essentially without additional installation space.
  • the cushioning element may be constructed and arranged such that a portion of the cushioning element extends into an area between one of the abutment surfaces and one of the suspension surfaces.
  • a portion may extend into an area between the abutment surface remote from the cell and the suspension surface facing the cell.
  • This section may be referred to as the first section and the area as the first area.
  • a portion may extend into an area between the abutment surface facing the cell and the suspension surface facing away from the cell.
  • This section may be referred to as the second section and the area as the second area.
  • a particularly advantageous damping element can have a first and a second section.
  • the first portion may extend into the first area.
  • the second portion may extend into the second area.
  • the fuel cell stack is then particularly efficiently decoupled from impact movements of the abutment, both when the impact leads to a movement of the abutment away from the cell and towards the cell.
  • the abutment can include a counter bearing.
  • a cavity remaining in the area of the abutment and cell suspension element can be completely or partially filled with a filling material.
  • the filling material can contain, for example, a resin and/or an elastomer. This can be advantageous in order to compensate for tolerances and to connect the cell or the cell frame mechanically to the abutment, for example the stack housing.
  • At least 10% of the cells or at least every tenth cell of the fuel cell stack can each have an attached cell suspension element.
  • At least 20% of the cells or at least every fifth cell of the fuel cell stack can each have an attached cell suspension element.
  • At least 33% of the cells or at least every third cell of the fuel cell stack can each have an attached cell suspension element.
  • At least 50% of the cells or at least every second cell of the fuel cell stack can each have an attached cell suspension element.
  • each cell of the fuel cell stack may have an attached cell suspension element.
  • the ratio of the number of cell suspension elements to the number of cells comprised by the fuel cell stack is 0.1 to 10, in particular 0.2 to 5.
  • a higher proportion of cells with cell suspension elements can make it possible to design individual cell suspension elements to be weaker.
  • more and stronger designed cell suspension elements can be advantageous.
  • a few weaker cell suspension elements can be advantageous for fuel cell stacks that are constructed from relatively light cells and that are exposed to no or relatively little vibration during operation.
  • the relatively high proportions of cells with cell suspension element specified above make mechanical suspension on the abutment possible at the level of a few cells or even at the level of a single cell. The same applies if the above ratio is 1 or more.
  • a cell suspension element or elements may then be sufficient to form the cell suspension element or elements from an easily shaped material of a cell frame element or a gasket. It is thus possible to realize a cell suspension element as a cell suspension element formed in one piece with a cell frame element or a seal, e.g. by casting, in particular by plastic injection molding.
  • a cell suspension frame element for a fuel cell stack in particular for a cell or several cells of a fuel cell stack, e.g. for a cell of a fuel cell stack, wherein the cell suspension frame element comprises a cell suspension element formed on a cell frame element.
  • the cell suspension frame member may be a plastic part, such as a plastic injection molded part.
  • the cell or the cell suspension frame element has a plurality of cell suspension elements, in particular at least two, more preferably at least three, e.g. at least four cell suspension elements.
  • the cell or the cell suspension frame element has at most 32, in particular at most 24, further preferably at most 20, for example at most 16, cell suspension elements.
  • the cell suspension generally withstands the usual mechanical loads, e.g. associated with impacts and vibrations in ferry operations, without any problems.
  • a plurality of cells can each have a plurality of cell suspension elements.
  • the cell suspension elements are preferably oriented in different directions.
  • a direction predetermined by a stack surface of the fuel cell stack is regarded as one direction.
  • cell suspension elements can therefore be oriented in up to four directions.
  • At least two cell suspension elements are oriented in opposite directions.
  • At least three cell suspension elements are very particularly preferably oriented in three different directions. This can create the possibility of suspension on an abutment arranged above a fuel cell stack and at the same time on abutments arranged laterally on both sides of the fuel cell stack.
  • four cell suspension elements may be oriented in four different directions.
  • This can offer the additional option of mechanically connecting the fuel cell stack to an abutment arranged below the fuel cell stack, so that briefly upward forces that can occur, for example, when driving over speed bumps, can also be absorbed.
  • a speed bump is considered in particular to be a structural elevation on the roadway arranged transversely to the direction of travel, which leads to a reduction in speed and is therefore intended to contribute to traffic calming.
  • the abutment can be formed in any shape.
  • it may be a slot in a stack enclosure.
  • the abutment may preferably comprise a counter suspension element.
  • the counter suspension element can, for example, be adapted to the cell suspension element in such a way that the cell suspension element can connect the cell to the abutment via the counter suspension element in a non-positive, positive and/or material connection.
  • the mating suspension element can be arranged on a stack enclosure.
  • the counter-suspension element can be a profile rail element.
  • the counter-suspension element or the profile rail element can have, for example, the abutment surface facing away from the cell.
  • the mating suspension member or profile rail member may include a leg extending orthogonally to the nearest stacking surface.
  • the mating suspension member or profile rail member may comprise a leg having the abutment surface remote from the cell.
  • the leg may extend parallel to the nearest stacking surface.
  • the collar area formed on the abutment can be formed by two legs extending parallel to the nearest stack surface.
  • Certain profile rail elements can have an L-shaped profile cross section.
  • the area between the fuel cell stack and the stack housing can be divided into several channel sections.
  • the cell suspension elements described here can be located between adjacent channel sections.
  • a cell anchor stabilizer or a stack longitudinal axis stabilizer can be located between adjacent channel sections instead or in addition, e.g. a stack longitudinal axis stabilizer with a support area and a fixing area.
  • Ventilation systems are often used to implement explosion protection in fuel cell devices.
  • the stack housing or the fuel cell housing is selectively flown through with air and thereby possible occurring H2 leaks mixed into a non-critical mixture composition.
  • air baffle plates or flow guides may be necessary in conventional fuel cell devices. Depending on the situation, this requires additional elements that have to be manufactured and installed at high cost. Because air baffles are expensive and have to be installed.
  • the positions of the ventilation inlets and outlets cannot be chosen freely; inlets and outlets must be positioned where it makes sense in terms of flow/ventilation. Poor mixing/flow control can be counteracted with higher aeration volume flows, but at the expense of system efficiency.
  • the cell suspension elements described herein and/or a cell anchor stabilizer described herein or a stack longitudinal axis stabilizer described herein can lie between the adjacent channel sections. These channel sections can form part of a ventilation system that serves to protect the fuel cell device from explosion.
  • the ventilation system can, for example, connect at least one opening of the fuel cell device for supplying ventilation air to an outlet of the fuel cell device for discharging ventilation air.
  • a particular advantage results from the fact that a cell suspension element and/or cell anchor stabilizer and/or stack longitudinal axis stabilizer located between the channel sections can at least partially replace an air baffle otherwise required for ventilation.
  • a high proportion of the cells e.g. at least 10%, preferably at least 20%, more preferably at least 25%, particularly preferably at least 33%, very particularly preferably at least 50% of the cells each have at least one attached cell suspension element and/or a stack longitudinal axis stabilizer, can Air baffles can be dispensed with and still a very good ventilation of the fuel cell device can be achieved.
  • the channel sections can be defined in whole or in part by the cell suspension elements.
  • the channel sections can be defined entirely or partially by the cell suspension elements and/or at least one cell anchor stabilizer.
  • the channel sections can be defined in whole or in part by the cell suspension elements and/or at least one stack longitudinal axis stabilizer (e.g. in one of the embodiments with support area and fixation area).
  • a channel section can be delimited, for example, along the longitudinal axis of the stack by cell suspension elements and transversely to the longitudinal axis of the stack by at least one cell anchor stabilizer or one stabilizer for the longitudinal axis of the stack.
  • channel sections entirely or partially by cell suspension elements can enable efficiency-efficient ventilation of a fuel cell housing without additional components and also enable a geometrically more flexible design and positioning of the inlet and outlet of the ventilation.
  • Channel sections running parallel to one another and to the longitudinal axis of the stack can run on one or more stack surfaces.
  • the ends of two adjacent channel sections can each merge into one another at one end of a stacking surface.
  • a ventilation channel that is routed in a meandering manner around the fuel cell stack can be formed as a result. This results in the possibility of constructing the inlet and the outlet of the ventilation channel close to one another on the fuel cell device.
  • a further advantage of the defined channel sections is the spatial limitation of the flame front in the event of a fault and thus a reduction in the harmful effects of any mixture ignition that occurs.
  • a fuel cell device which comprises one or more sensor elements for detecting a force and/or a change in the fuel cell device which can be attributed to the action of the force.
  • all of the fuel cell devices described herein can include one or more sensor elements for detecting a force and/or a change in the fuel cell device that is attributable to the action of the force.
  • the one or more sensor elements can be designed for strain measurement, for stress measurement or for displacement measurement.
  • Such sensor elements are known to those skilled in the art.
  • it can be a piezoelectric or an electromagnetic sensor element.
  • the sensor element(s) result in advantages, e.g. detection of critical states of the clamping system. For example, falling below the minimum clamping force or exceeding the maximum clamping force, detection of tilting, detection of bending along the longitudinal axis of the stack, etc. There is also a possibility of deriving necessary measures, e.g. operating states, service requirements, etc.
  • At least one sensor element can transmit data to a data evaluation system.
  • the data evaluation system can be configured to compare a target value with an actual measured value. It can also be configured to output a message if the actual value deviates from the target value or if the actual value deviates too far from the target value.
  • a fuel cell device in particular for a means of locomotion, the fuel cell device comprising the following: a tie rod element; Tension bracing elements connected via the tie rod element, e.g
  • Tie rod plates Tie rod plates, and a tie rod stabilizer which is in contact with the tie rod element between the tension bracing elements.
  • the fuel cell device can comprise one or more tie rod elements, e.g. at least two, preferably at least four, particularly preferably at least six tie rod elements.
  • the fuel cell device can include one or more tie rod stabilizers.
  • the tie rod elements of a fuel cell stack can experience large flexural vibration amplitudes and possibly break.
  • the contact of the tie rod stabilizer at least partially suppresses or dampens bending vibrations of the tie rod element. Consequently, the risk of breakage of the tie rod element is reduced.
  • the invention can be integrated in a particularly simple manner in conventional fuel cell devices braced with tie rod elements.
  • tie rod elements An increase in the diameter of the tie rod elements or the use of tightening straps instead of tie rod elements would entail a considerable amount of adjustment work on other components of the fuel cell device as well. This can be avoided by the invention.
  • the tie rod element can, for example, also be a tie rod rail element described elsewhere herein.
  • the tie rod stabilizer is in contact with the tie rod element between the tension bracing elements, e.g. Contact can be made in any way.
  • tension bracing element means in particular a tension anchor plate.
  • tension bracing element is not limited to this, since the tension bracing function of a tie anchor plate can also be fulfilled, for example, by the wall of a stack housing.
  • tie rod plate is to be understood functionally.
  • Each component of a fuel cell device that is connected to a tie rod element and via which a tensile stress of the tie rod element can be transmitted directly or indirectly to a fuel cell stack is a tie rod plate.
  • a sufficiently torsion-resistant, essentially grid-shaped plate would also be conceivable, for example.
  • the tensile stress can be transmitted indirectly, e.g. with the help of a spring element, as shown in Fig. 15 by way of example.
  • Pressure distributor plates or force introduction plates for example, can also be arranged between the tie rod plate and the fuel cell stack.
  • the contact between the tie rod stabilizer and the tie rod element can be form-fitting, force-fitting and/or material-fitting. It is preferably form-fitting and/or force-fitting.
  • the tie rod stabilizer preferably has a tie rod connection element.
  • a particularly preferred tie rod connection element is adapted to the shape of the tie rod.
  • the tie rod connection element can be a snap connection element, for example.
  • the tie rod element can then be accommodated in the snap connection element.
  • the snap connection element can have two gripping elements.
  • the gripping elements can form a receiving area that is adapted to the shape of the tie rod element.
  • the receiving area is preferably round.
  • the inner diameter of the round receiving area can then be adapted to the outer diameter of the rod-shaped tie rod element.
  • the gripping elements can define a tapered receptacle for the tie rod element. At least one gripping element can be elastically deformed when the tie rod stabilizer is attached to the tie rod element and can be releasably or non-releasably, preferably releasably, hooked onto the tie rod element. Such an elastic deformation of a joining part is common in snap connections.
  • the tie rod stabilizer can have a connection securing element.
  • This can be an element of any design, with which a tie rod stabilizer connected in the tie rod connection element can be secured in the tie rod connection element.
  • the connection securing element can, for example, be a recess or an opening over which / which the tie rod stabilizer (e.g. with a strap or a cable tie) can be attached to the tie rod element.
  • the tie rod stabilizer is also in contact with at least one other component of the fuel cell device.
  • the contact to the further component can be made in any way.
  • a bending vibration amplitude of the tie rod element in the contact area with the tie rod stabilizer can then be more strongly damped.
  • the bending vibration amplitude can also be damped by the other component that is also in contact with the tie rod stabilizer.
  • the at least one further component can be selected, for example, from a further tie rod element (or a plurality of further tie rod elements), an intermediate plate inserted into the fuel cell stack of the fuel cell device (or a plurality of intermediate plates inserted into the fuel cell stack of the fuel cell device) and a stack housing.
  • a part of the intermediate plate which is in contact with the tie rod element preferably protrudes from the stack surface.
  • the tie rod stabilizer can in particular have a further connection element.
  • the further connection element can be, for example, a further tie rod connection element or an intermediate plate connection element.
  • the fuel cell device can include, for example: a plurality of tie rod elements, tension bracing elements connected via the tie rod elements, eg tie rod plates, with the tie rod stabilizer being in contact with a plurality of tie rod elements between the tension bracing elements.
  • the tie rod stabilizer can advantageously be in contact with the tie rod elements via tie rod connection elements, in particular via snap connection elements. This has the advantage that the tie rod stabilizer can then be easily clipped onto the tie rod elements.
  • Advantageous tie rod stabilizers have several tie rod connection elements and a stabilizer strut area, with the stabilizer strut area extending from tie rod connection element to tie rod connection element.
  • Two tie rod connection elements can be aligned in such a way that the tie rod stabilizer connects regions of two tie rods that are offset relative to one another in the longitudinal direction of the stack. Due to the offset, the two interconnected areas do not oscillate in phase and with the same amplitude. This results in the particular advantage that effective damping of bending vibrations is also achieved when both tie rods are excited or vibrate in phase.
  • a connection of such mutually offset areas of two tie rods is achieved, for example, when several tie rod connection elements coincide with the corners of a triangle or a square.
  • the tie rod stabilizer can, for example, have at least three tie rod connection elements, with at least three of the tie rod connection elements coinciding with the corners of a triangle, preferably a right-angled triangle. It is then advantageous if the tie rod stabilizer has a plurality of stabilizer strut areas which extend along at least two, preferably three, sides of the triangle from tie rod connection element to tie rod connection element.
  • the tie rod stabilizer can have, for example, at least four tie rod connection elements, with at least four of the tie rod connection elements coinciding with the corners of a square, preferably a rectangle. It is then advantageous if the tie rod stabilizer has a plurality of stabilizer strut areas which extend along at least three, preferably four, sides of the quadrilateral from tie rod connection element to tie rod connection element.
  • the tie rod stabilizer can advantageously have a stabilizer strut area that runs inclined to the longitudinal axis of the stack. Particularly advantageously, it has several stabilizer strut areas inclined in opposite directions to the longitudinal axis of the stack.
  • the trellis portion may include stabilizer bar portions that extend and intersect in at least two different directions.
  • the lattice area can, for example, have several stabilizer strut areas running parallel to one another and inclined to the longitudinal axis of the stack.
  • it particularly advantageously has a plurality of stabilizer strut regions which run parallel to one another and are inclined in the opposite direction to the longitudinal axis of the stack.
  • the tie rod stabilizer can also be in contact with a tension bracing element, e.g. a tie rod plate. It can also be in contact with another tension bracing element, e.g. another tie rod plate. This creates a simple way of preventing the tie rod stabilizer from slipping along the tie rod elements.
  • the tie rod stabilizer can have an intermediate plate connection element.
  • the tie rod stabilizer can have, for example, a tie rod connection element and an intermediate plate connection element.
  • a tie rod element can be accommodated in the tie rod connection element.
  • a part of an intermediate plate that is in contact with the tie rod stabilizer can be accommodated in the intermediate plate connection element.
  • the intermediate plate can be included in the fuel cell stack.
  • the intermediate plate connection element can have any shape suitable for connection to an intermediate plate.
  • the intermediate plate connection element is preferably a snap connection element.
  • the object is also achieved according to the invention by using a connecting element having two tie rod connection elements or one tie rod connection element and one intermediate plate connection element as a tie rod stabilizer of a fuel cell device.
  • a tie rod stabilizer for a fuel cell having: two tie rod connection elements or one tie rod connection element and one intermediate plate connection element.
  • connecting element and the tie rod stabilizer can have more tie rod connection elements and/or intermediate plate connection elements than here in connection with FIG Use according to the invention and the tie rod stabilizer according to the invention are explicitly mentioned.
  • the intermediate plate connection element can be aligned orthogonally to the axis of the tie rod connection element.
  • the axis of the tie rod connection element coincides with the axis of the tie rod element that can be connected via the tie rod connection element.
  • the orthogonal orientation is preferred when the intermediate plate is planar.
  • tie rod stabilizer Specific configuration options for the tie rod stabilizer have been described in connection with the fuel cell device according to the invention. Of course, they also apply to the tie rod stabilizer according to the invention discussed here and the use of the connecting element according to the invention discussed here, the structure of which can correspond to the tie rod stabilizer.
  • an intermediate plate for a fuel cell stack one edge of the intermediate plate having a concave edge area, flanked by two convex edge areas, for receiving a tie rod element and a latching element, e.g. a locking head, for connecting an intermediate plate connection element of a tie rod stabilizer is.
  • the intermediate plate may be connected to a tie rod stabilizer for a fuel cell, which has a tie rod connection element and an intermediate plate connection element.
  • the intermediate plate connection element can be aligned orthogonally to the axis of the tie rod connection element.
  • the intermediate plate can be connected to the tie rod stabilizer via a snap connection, with the intermediate plate connecting element being arranged on the remaining element, for example on a convex edge region of the intermediate plate adjoining the latching head.
  • the invention also relates to a fuel cell device which includes a stack longitudinal axis stabilizer and a cell suspension element.
  • the invention also relates to a fuel cell device which includes a stack longitudinal axis stabilizer and a tie rod stabilizer.
  • the invention also relates to a fuel cell device which includes a cell suspension element and a tie rod stabilizer.
  • the invention also relates to a fuel cell device which comprises a stack longitudinal axis stabilizer, a cell suspension element and a tie rod stabilizer.
  • Figures 1 and 2 show schematically the problem of bending of a fuel cell stack
  • 3 shows an intermediate plate for stabilizing the longitudinal axis of the stack; 4 connecting elements;
  • Fig. 5 is a schematic representation of a
  • FIG. 6 shows a detailed view of the structure of a fuel cell stack with an intermediate plate
  • Fig. 8 shows a carrier with sliding support elements
  • Fig. 9 is another view of the carrier of Fig. 8.
  • FIG. 11 shows a fuel cell device with support cushion elements
  • 16 shows a fuel cell stack in which the cell is connected to abutments via two cell suspension elements
  • 17 shows a fuel cell stack in which the cell is connected to abutments via eight cell suspension elements
  • FIG. 18 shows an embodiment of a cell suspension element with an abutment and damping element
  • FIG. 19 shows a further embodiment of a cell suspension element with an abutment, a damping element and an abutment
  • FIG. 21 is another view of the fuel cell stack of FIG. 20;
  • FIG. 23 is another view of the fuel cell stack of FIG. 22;
  • FIG. 25 shows another view of the tie rod stabilizer from FIG. 24
  • 26 shows another tie rod stabilizer
  • FIG. 28 shows another view of the fuel cell stack from FIG.
  • FIGS. 27 and 29 shows another view of the fuel cell stack of FIGS. 27 and
  • FIG. 31 shows an enlarged section XXXI of FIG. 30; 32-35 fuel cell stack with stack longitudinal axis stabilization via support elements and counter elements;
  • 41 is a cross section of a bipolar plate in which a sliding contact surface is formed by an edge support surface
  • FIG. 42 shows a schematic representation of a plate projection area accommodated in a recess of a stack longitudinal stabilizer.
  • FIG. 1 and 2 show a highly simplified fuel cell device 300 that includes a fuel cell stack 100 .
  • the dashed line shows a stack longitudinal axis of the fuel cell stack.
  • the fuel cell device 300 when installed in a means of transportation, e.g. in a motor vehicle, it can be exposed to shocks and vibrations.
  • the shock and vibration can cause the
  • Fuel cell stack tends to increase along the longitudinal stack axis to bend. Bending of the longitudinal axis of the stack is shown schematically in FIG.
  • the bending of the fuel cell stack 100 along the longitudinal axis of the stack can result in particular as a result of horizontal accelerations, for example when braking, accelerating and/or cornering. or as a result of vertical acceleration, for example when driving over potholes.
  • the undesired bending of the fuel cell stack 100 along the stack longitudinal axis can also be favored by the fact that in the fuel cell stack 100 successive reaction zones are each sealed off by seals 108 (cf. FIG. 6).
  • the sealing materials also have a residual compressibility in the clamped state, so that the flexural rigidity of the fuel cell stack 100 along the longitudinal axis of the stack is relatively low. This can be understood, for example, from Figure 6, which shows that gaskets 108 generally lie marginally between bipolar plates 104.
  • FIG. 3-6 illustrate embodiments for stabilizing the longitudinal axis of the stack by means of an intermediate plate 110.
  • the fuel cell device 300 includes a stack longitudinal axis stabilizer.
  • the stack longitudinal axis stabilizer comprises an intermediate plate 110 inserted into the fuel cell stack 100.
  • the intermediate plate 110 divides the fuel cell stack 100 into two fuel cell stack sections 102.
  • 5 clearly shows that part of the intermediate plate 110 protrudes from the stack surface and is thus arranged between a stack surface of the fuel cell stack 100 running parallel to the longitudinal axis of the stack and an abutment. 5 also shows a Connection or support of the part of the intermediate plate protruding from the stack surface via a connecting element 111 on the housing or on the system frame.
  • connection includes a sliding bearing.
  • Connecting element 111 is slidably mounted on the abutment via the adjustable abutment element 119 .
  • Assembly of the fuel cell stack is made easier by moving the adjustable abutment element 119 from a first position into a second position.
  • a surface of the abutment element 119 forms an abutment contact surface 123 .
  • a surface of a connecting element arranged on the intermediate plate forms a sliding contact surface 121. Adjusting the abutment element can ensure that the sliding contact surface 121 slides as desired on the abutment contact surface 123 of the adjustable abutment element 119 in the sliding contact area.
  • Connector 111 may be a ceramic connector or a plastic connector, for example.
  • the connecting element 111 can, for example, be attached to the intermediate plate via an elastic intermediate element, not shown here.
  • connection of the fuel cell stack to the abutment shown in Fig. 5 offers further advantages, e.g. high electrical insulation, compensation for manufacturing tolerances and thermal expansion of the intermediate plate (among other things due to the elastic intermediate element).
  • a tie rod element 138 can also function as an abutment (cf. FIG. 3). Each part of the intermediate plate 110 protruding from the stack surface can be connected to a respective tie rod element 138 or otherwise to an abutment via connecting elements 111 shown schematically in FIGS. 3-5.
  • FIGS. 3 and 6 Possibilities for constructing the intermediate plate 110 are particularly clear from FIGS. 3 and 6, with parts of the intermediate plate protruding from the stack surface not being shown in FIG. As shown on the left in FIG. 3, two edges of the intermediate plate each have a concave edge area flanked by two convex edge areas for receiving a tie rod element.
  • the design of the convex edge areas is conceivable, e.g. with locking head 284, as described in more detail below in connection with FIGS.
  • connecting elements 111 can also have a stabilizing effect on the tie rod element.
  • FIG. 6 shows that the intermediate plate 110 can be thicker than the bipolar plates 104 in the two fuel cell stack sections 102.
  • FIG. 6 is also the location of membrane electrode assemblies 106 between the intermediate plate 110 and adjacent bipolar plates 104 and between each two bipolar plates 104 and 104 in the two fuel cell sections 102 on either side of the intermediate plate 110 are shown.
  • the membrane-electrode units 106 between the intermediate plate 110 and adjacent bipolar plates 104 can be, for example, membrane-electrode units 106 with a 5-layer structure.
  • the membrane-electrode units 106 between the bipolar plates 104, 104 can be, for example, membrane-electrode units 106 with a 7-layer structure.
  • Seals 108 are located at the edge between the plates 104 and 110 that follow one another in the stack structure.
  • an anode area 112 and a cathode area 114 are welded onto the intermediate plate, so that the surfaces of the intermediate plate 110 are in areas where the seal 108 rests , having the shape of corresponding surface areas of the bipolar plates 104 .
  • 7-9 show a further possible embodiment of a stack longitudinal axis stabilization for a fuel cell device.
  • a stack longitudinal axis stabilizer comprises a sliding support element 120 which supports the stack surface against a support 122 which acts as an abutment 118 .
  • the sliding support elements 120 can, for example, rest directly on the outer contour of the cell.
  • at least a portion of at least one slide support member 120 is located in an area of a stack surface where no fluid-conveying structures (e.g., conduits, hoses, and/or manifolds) pass.
  • FIG. 7 shows only a very small section of the outer cell contour lying against the sliding support element 120 .
  • the fuel cell stack can have one or more contact areas on which or on which the sliding support elements rest and support the fuel cell stack.
  • the contact areas can be formed by one or more components of the fuel cell stack.
  • One or more bipolar plates can also define the shape of one or more contact areas.
  • the spring indicated in FIG. 7 and the dashed line symbolize the elasticity of the material from which the sliding support element 120 is made.
  • the overlying cell can be protected. In the event of vibrations and impacts, the force transmission to the stack surface or the edge of one or more adjacent cells is distributed and damped over the surface of the sliding support element.
  • FIG. 8 shows that sliding support elements 120 and a floating bearing element 126 are guided in a displaceable manner on the carrier 122 .
  • Guide elements 124 e.g Guide rods extend parallel to the carrier 122 through the sliding support elements 120 and through the floating bearing element 126 .
  • Springs 128, e.g., coil springs, may be disposed about the guide rods between the slide support members. These are shown in FIG. The ends of the springs 128 remote from the slide support members 120 may be positioned on the guide rods by spring positioning members shown in FIG.
  • the abutment contact surface 123 is thus a surface of the carrier 122 here.
  • the sliding contact surface 121 comprised by the stack longitudinal axis stabilizer is a surface of the sliding support element 120 facing the abutment contact surface 123 .
  • the longitudinal axis of the stack is stabilized in that the surface of the stack is supported via the sliding support element 120 against a carrier 122 acting as an abutment.
  • the springs 128 damp movements of the cell edges resting against the sliding support elements 120 in the direction of the longitudinal axis of the stack. This can contribute to further stabilization of the fuel cell stack.
  • FIG. 10 shows an embodiment in which stabilization along the longitudinal axis of the stack takes place in a concave region of the stack surface of the fuel cell stack by a rail element 132 functioning as an abutment.
  • An elastic buffer element 130 is arranged between the fuel cell stack and the rail element; it is an elastomer buffer element.
  • a further element 134 can be arranged between buffer element 130 and rail element 132 .
  • the further element 134 can be a sliding element, for example, which promotes a sliding of the buffer element 130 along the longitudinal axis of the rail element 132 .
  • the abutment contact surface 123 is thus a surface of the rail element 132 here.
  • the sliding contact surface comprised by the stack longitudinal axis stabilizer is a surface of the buffer element 130 facing the abutment contact surface 123 . In Fig. 10, not all abutment contact surfaces and sliding contact surfaces are provided with the corresponding reference numerals.
  • the buffer element 130 is arranged between a concave region of the stack surface of the fuel cell stack 100 running parallel to the longitudinal axis of the fuel cell stack 100 and the rail element 132 functioning as an abutment. It is used for cell support.
  • the rail element can replace a tie rod or a tie rod element 138 of a conventional fuel cell device.
  • FIG. 11 shows an embodiment in which stabilization along the longitudinal axis of the stack is provided by support cushion elements 140 .
  • the support pad elements 140 function as stack longitudinal axis stabilizers.
  • FIG. 12 shows a further embodiment in which stabilization along the longitudinal axis of the stack is provided by support cushion elements 140 .
  • the support pad elements 140 function as stack longitudinal axis stabilizers. Deviating from the embodiment shown in FIG. 11, the support cushions shown here are only in contact with the fuel cell stack 100 in a central region thereof.
  • FIG. 13 shows an embodiment in which bulk material 150 stabilizes along the longitudinal axis of the stack.
  • the loose material 150 acts as a stack longitudinal axis stabilizer.
  • FIG. 14 shows an embodiment in which a stabilization along the longitudinal axis of the stack is effected by molded parts 160 . Moldings 160 function as stack longitudinal axis stabilizers.
  • FIGS. 11 to 14 the two ends of the fuel cell stack 100 are each in contact with a force introduction plate 146.
  • FIG. The structure of the fuel cell stack 100 and the two force introduction plates 146 is each arranged between a tie rod plate 142 and a pressure distributor plate 144 .
  • FIG. 15 shows locations of a fuel cell device 300.
  • One or more sensor element(s) for detecting a force and/or a change in the fuel cell device 300 attributable to the action of the force can be arranged at these locations.
  • the arrows shown with reference number 260 point to these points, the sensor elements themselves not being shown. As shown, the points can be e.g /or a fixed storage disk.
  • FIG. 16 schematically shows the interior of a fuel cell device 300, which includes: a fuel cell stack 100 and a cell suspension element 202 attached to a cell 200 of the fuel cell stack 100.
  • the cell suspension element 202 connects the cell 200 to an abutment 118.
  • the cell 200 includes the one also shown Membrane electrode unit 106.
  • the cell 200 comprises a cell suspension frame element 222.
  • the cell suspension frame element 222 comprises the cell frame element 220 and the cell suspension element 202 formed thereon.
  • the cell suspension element 202 is anchored in the abutment 118 .
  • FIG. 16 shows a cell 200 having two cell suspension elements 202.
  • FIG. The cell suspension elements 202 protrude beyond mutually opposite stack surfaces of the fuel cell stack 100 not shown in detail here.
  • Fig. 17 schematically shows the interior of another fuel cell device 300.
  • Cells 200 of this fuel cell device differ from cells 200 of the fuel cell device shown in Fig. 16 essentially by a higher number of cell suspension elements 202 and corresponding abutments 118.
  • Fig. 17 shows a cell 200 , which has eight cell suspension elements 202.
  • the cell 200 has a substantially rectangular cross section. Three cell suspension elements are attached to each of the two long sides of the cell 200 . A cell suspension element is attached to each of the two short sides of the cell.
  • the cell suspension elements 202 protrude beyond mutually opposite stack surfaces of the fuel cell stack 100 not shown in detail here.
  • FIG. 18 shows a section of a further fuel cell device 300 in an enlarged view, with a cell suspension element 202 connecting the cell 200 to an abutment 118 via a damping element 230 .
  • the cell suspension element 202 has a head area 204 and a neck area 206 .
  • the head portion 204 is over the neck portion 206 on the cell 200 attached.
  • 18 also shows that a collar area 208 is formed on the abutment 118 and that the head area 204 is accommodated in the abutment 118 by the collar area 208 extending towards the neck area 206 .
  • the abutment 118 has an abutment surface 210 facing away from the cell 200 and the cell suspension member 202 has a suspension surface 212 facing the cell 200.
  • FIG. The abutment surface 210 extends into an area between the cell 200 and the suspension surface 212.
  • the abutment 118 also has an abutment surface 214 facing the cell 200 . Furthermore, the cell frame member 220 has a suspension surface 216 facing away from the cell. The suspension surface 216 extends into an area between the cell 200 and the abutment surface 214. This limits the cell suspension element 202 from sliding into the abutment 118.
  • abutment surface 210 remote from the cell 200 is in contact with the suspension surface 212 in all of the abutments 118. There, abutment surfaces 210, 214 and suspension surfaces 212, 216 are not referenced, respectively.
  • a first section of the damping element 230 extends into an area between the abutment surface 210 and the suspension surface 212.
  • a second section of the damping element 230 extends into an area between the abutment surface 214 and the suspension surface 216.
  • the Cell suspension element 202 from the abutment 118 so braked by a compression of the first portion of the damping element 230 and ultimately stopped. Sliding of the cell suspension element 202 into the abutment 118 is slowed down and ultimately stopped by a compression of the second section of the damping element 230 .
  • the damping element 230 can contain an elastomer. It can be an elastomer bearing or an elastomer damper. This can be made, for example, from a material that can be used for seals 108 described herein.
  • FIG 19 shows an embodiment with an abutment 240 arranged on a side of the cell suspension element 202 facing away from the cell.
  • This abutment 240 can also counteract the cell suspension element 202 sliding into the abutment 118 .
  • the anvil may be formed of a resin and/or elastomer and/or mechanically attach the cell suspension frame member 222 to the stack enclosure 174 via the cell suspension member 202 .
  • cells 200 of the fuel cell stack 100 (preferably at least 10% of the cells 200 or at least every tenth cell 200 of the fuel cell stack 100, particularly preferably at least 50% of the cells 200 or at least every second cell 200 of the fuel cell stack 100, e.g. every cell 200 of the fuel cell stack 100) have cell suspension elements 202 which are attached as shown in the respective figure for the cell 200 shown there .
  • the abutment or abutments 118 comprise counter-suspension elements 218. These are arranged on the stack housing 174.
  • the cell suspension elements 202 lie between adjacent channel sections 250 and can delimit the channel sections 250 from one another.
  • the channel sections 250 can offer the particular advantage of better ventilation of the area between the fuel cell stack 100 and the stack housing 174 .
  • a gas flow for example an air flow, can be guided through the channel sections 250 . It can be guided in a meandering manner around the stack surface, as indicated in FIG. 17 with symbols which indicate an inflow towards the viewer and an outflow from the viewer. A formation of ignitable gas mixtures can thereby be avoided in the entire area and thus the operational safety of the fuel cell device can be further increased.
  • FIGS. 20 and 21 show a fuel cell stack 100 for a fuel cell device from different sides. This comprises: several tie rod elements 138, tie rod plates 142 connected via the tie rod elements 138 and tie rod stabilizers 270.
  • the tie rod stabilizers 270 stand between the tie rod plates 142 with three each Tie rod elements 138 in contact.
  • Cells 200 are only indicated in the fuel cell stacks 100 as parallel lines.
  • three mutually spaced tie rod stabilizers 270 are in contact with three tie rod elements 138 on two mutually opposite stack surfaces between the tie rod plates 142 .
  • tie rod stabilizer 270 has three tie rod connection elements 272.
  • a stabilizer bar area 276 extends from tie rod connection element 272 to tie rod connection element 272.
  • the tie rod connection elements 272 are adapted to the tie rod shape. They each have two gripping elements that form a round receiving area for the round, rod-shaped tie rod element 138 , the inner diameter of the round receiving area being adapted to the outer diameter of the round, rod-shaped tie rod element 138 .
  • the tie rod connection elements 272 are snap connection elements.
  • the tie rod stabilizer shown in FIGS. 24 and 25 preferably has connection securing elements 274 in the form of openings.
  • the tie rod stabilizer can be secured in the tie rod connection element 272 with a cable tie, for example, via these openings.
  • the cable tie is passed through the opening and around the tie rod attached in the tie rod connection element 272 (not shown here).
  • FIG. 26 shows another embodiment of a tie rod stabilizer 270 in which a stabilizer strut area 276 also extends from tie rod connection element 272 to tie rod connection element 272 .
  • tie rod connection elements 272 are also snap connection elements.
  • FIGS. 27 and 28 also show a fuel cell stack 100 for a fuel cell device from different sides.
  • This also includes: several tie rod elements 138, tie rod plates 142 connected via the tie rod elements 138, and tie rod stabilizers 270.
  • the tie rod stabilizers 270 are in contact with the tie rod element 138 between the tie rod plates 142.
  • Figure 29 shows the same fuel cell stack 100 in a schematic view with a view of a bipolar plate 104 inside the fuel cell stack 100.
  • the two tie rod stabilizers 270 shown in FIGS. 27 to 29 each have twelve tie rod connection elements 272, which are not all provided with reference numbers in the figures and are partially covered by other tie rod stabilizer areas.
  • Four tie rod connection elements 272 of each tie rod stabilizer 270 are in contact with a tie rod element 138 .
  • the tie rod connection elements 272 are each designed as shown in FIGS.
  • tie rod connection elements 272 coincide with the corners of a right-angled triangle.
  • tie rod attachment elements 272 one can identify many groups of three tie rod attachment elements 272 each, which coincide with the corners of a right triangle.
  • stabilizer bar portions 276, 278, 280, 282 extend along at least two of the sides of the triangle from tie rod attachment 272 to tie rod attachment 272.
  • stabilizer strut portions 276, 280 and 282 extend along three sides of a triangle. It can also be clearly seen from FIGS. 27 and 28 that at least four of the tie rod connection elements 272 coincide with the corners of a rectangle.
  • tie rod connection elements 272 many groups of four tie rod connection elements 272 can be identified, which coincide with the corners of a rectangle. For example, there are four tie rod connection elements 272 at the four corners of tie rod stabilizer 270. In the corresponding rectangle, four stabilizer strut areas extend along the four sides of tie rod stabilizer 270 from tie rod connection element 272 to tie rod connection element 272.
  • the tie rod stabilizer 270 shown in FIGS. 27 and 28 has stabilizer strut regions 276 running at right angles to the longitudinal axis of the stack as well as stabilizer strut regions 278 and 280 running inclined to the longitudinal axis of the stack.
  • Fig. 30 shows tie rod stabilizers 270 connected to an intermediate plate 110.
  • Fig. 31 shows a detailed view of a tie rod stabilizer 270 from Fig. 30.
  • the tie rod stabilizer 270 shown in these figures has a tie rod connection element 272 and two intermediate plate connection elements 286, with only the element facing the viewer Intermediate plate connection element is provided with reference number 286.
  • a tie rod element 138 can be received in the tie rod connection element 272 .
  • a part of an intermediate plate 110 in contact with the tie rod stabilizer 270 is accommodated in the intermediate plate connection element 286 .
  • the two intermediate plate connection elements 286 are snap connection elements.
  • the tie rod stabilizer 270 clearly visible in FIG. 31 has a tie rod connection element 272 and an intermediate plate connection element 286 aligned orthogonally to the axis of the tie rod connection element 272 .
  • the axis of the tie rod connection element 272 coincides with the axis of the tie rod element 138, which via the tie rod connection element 272 can be connected.
  • the alignment of the intermediate plate connection element 286 orthogonal to the axis of the tie rod connection element 272 means that this axis is aligned orthogonal to the plate plane of an intermediate plate 110 that can be connected via the intermediate plate connection element 286 .
  • FIGS. 30 and 31 show the tie rod stabilizer 270 on an intermediate plate 110.
  • This is an intermediate plate 110 for a fuel cell stack 100.
  • One edge of the intermediate plate 110 has a concave edge area flanked by two convex edge areas for receiving a tie rod element 138.
  • a latching head 284 is formed on each of the two convex edge regions. The locking heads 284 are each used to connect an intermediate plate connection element 286 of the tie rod stabilizer 270.
  • the sliding contact surface 121 comprised by the stack longitudinal axis stabilizer can be an inner surface of the tie rod connection element 272 .
  • the abutment contact surface, not shown here, is then a surface of the tie rod element.
  • FIGS. 32-40 are characterized in that a fixing area 170 (cf. Fig. 36-40) of a stack longitudinal axis stabilizer 116 made of an elastomer and/or a plastic (cf. Fig. 37), which is also part a seal-stabilizer unit 180 (see Fig. 36, 38, 39 and 40), extends into a plate gap 176 and is clamped in the plate gap 176 by the two adjacent bipolar plates 104, 104 (see Fig. 36 -40).
  • a fixing area 170 cf. Fig. 36-40
  • a stack longitudinal axis stabilizer 116 made of an elastomer and/or a plastic
  • a seal-stabilizer unit 180 see Fig. 36, 38, 39 and 40
  • FIG. 32 shows a fuel cell stack 100 with a view along the longitudinal axis of the stack onto a surface of a bipolar plate 104, the Plate gaps extending fixation areas 170 covered by the bipolar plate 104.
  • support areas 178 of stack longitudinal axis stabilizers form areas which are arranged between the four stack surfaces and abutments which are not fully shown here.
  • the abutment can, for example, comprise a part of the stacking enclosure, not shown here.
  • the abutment comprises counter-elements 172 which can press on the support areas 178 with a defined pretensioning force, so that a deflection of the fuel cell stack 100 in relation to the longitudinal axis of the stack is made more difficult and stabilization of the longitudinal axis of the stack is thereby achieved.
  • FIG. 32 also shows that counter-elements 172 can have very different shapes.
  • a flat surface of a counter element 172 can press flat on a flat surface of a support area 178 .
  • Counter elements 172 can also be curved and press on a surface of a support region 178 via one or more curves.
  • the bipolar plate 104 shown in FIG. 33 is widened at two opposite edges. Its contour resembles that of a bone. This creates additional inward corners that can be used to stabilize the longitudinal axis of the stack.
  • the inwardly arranged corners offer a good mechanical connection possibility for stack longitudinal axis stabilizers with fixing area 170 and support area 178. This is because the bipolar plates and seals have no interruption there through distributors. In principle, the corners arranged on the outside are also suitable for mechanical connection. Depending on the load characteristics, fewer than four stack longitudinal axis stabilizers can be sufficient for a space between the plates.
  • the bipolar plate 104 shown in FIG. 34 has expansion areas on two opposite edges which protrude beyond the otherwise rectangular basic shape of the bipolar plate 104 . Force peaks that could lead to bending along the longitudinal axis of the stack (cf. FIGS. 1 and 2) can be absorbed particularly well in these expansion areas. In this way, these expansion areas can be braced (with) between force introduction plates or end plates of the stack, without excessive localized compression of a seal of the fuel cell stack occurring as a result.
  • those of the fuel cell stack 100 shown in FIG. 35 have a rectangular shape.
  • Such a seal-stabilizer unit 180 is shown in section, for example, in Figures 36, 38, 39 and 40.
  • the seal-stabilizer units 180 shown there have a support area 178 connected to the seal 108 via the fixing area 170 .
  • the abutments 118 can each comprise a part of the stack housing 174 and counter-elements 172 arranged thereon, which press on the support areas 178 with a defined prestressing force.
  • Counter-elements 172 can be slidably arranged on the stack housing 174 in order to be able to set the defined prestressing force on the support areas of the stack longitudinal axis stabilizers 116 or seal-stabilizer units 180 .
  • the abutment contact surfaces 123 are surfaces of the mating elements 172 that face the support region 178.
  • Sliding contact surfaces 121 are surfaces of the support regions 178 that face the abutment contact surfaces 123.
  • the sections of Fig. 36-40 show edge areas of bipolar plates 104 with membrane electrode unit 106 and seal 108 arranged between the bipolar plates 104, with a fixing area 170 which extends into an intermediate plate space 176 and with a support area 178.
  • the bipolar plates 104 define a seal receiving area 190 and a stabilizer receiving area 192 at their edge.
  • the stabilizer receiving area 192 lies between the edge of the bipolar plates 106 and the seal receiving area 190.
  • the fixation portion 170 and the support portion 178 belong to a stack longitudinal axis stabilizer 116 that is offset from the seal 108.
  • both the two areas 170 and 178 characteristic of the stack longitudinal axis stabilizer 116 and the seal 108 belong to a one-piece seal-stabilizer unit 180.
  • the longest dimension of the seal 108 is greater than the longest dimension of the support portion 178.
  • the support area is made thicker in the direction of the longitudinal axis of the stack than the fixing area.
  • the support area has two shoulders each. The shoulders extend over the edge surfaces of the two bipolar plates between which the fixation area is fixed.
  • 38 and 39 show embodiments with metal bipolar plates 104, with an optional adaptation of the edge of the bipolar plates 104.
  • the adaptation of the edge is aimed at avoiding damage to the stack longitudinal axis stabilizer or the seal-stabilizer unit 180 under vibration loading.
  • By bending (FIG. 38) or beading (FIG. 39) the cutting effect of the metal edge on the support area 178 or its shoulder can be reduced to a permissible level.
  • an edge support surface 194 is defined on an edge surface of the bipolar plate oriented orthogonally to the plane of the plate, the width D of which, measured orthogonally to the plane of the plate, exceeds the thickness of the bipolar plate material.
  • Parts of the fixing area 170 are thickened in each case in FIGS. 36-40.
  • In the fixing area of FIG. 37 four thickened portions are formed on one side.
  • the sliding contact surface 121 is a surface of the support element 178.
  • the fixation area 170 is designed such that the force required to press the fixation area 170 between the bipolar plates 104 decreases towards the edges of the fixation area 170 .
  • the thickness of the fixing portion 170 is at a thickening closest to the support member 178 and at a thickening from the support member at furthest away thickening is less than the thickness of a thickening formed between these two thickenings.
  • the section in FIG. 41 also shows an edge area of bipolar plates
  • an edge surface of the bipolar plate defines an edge support surface 194 whose width D measured orthogonally to the plate plane exceeds the bipolar plate material thickness.
  • the longitudinal axis of the fuel cell stack can then be stabilized by arranging this edge support surface 194 on an abutment, e.g. on the stack housing.
  • FIG. 1 A further possibility for stabilizing a fuel cell stack along the longitudinal axis of the stack is shown in FIG.
  • An edge region of a bipolar plate 104 according to the invention is shown there.
  • the recess 117 is a slot.
  • the recess 117 is delimited by a recess edge area. This is continuously adapted to the edge contour of the flap shown in dotted lines. The edge area of the recess thus limits the depth and length of the recess 117.
  • the support element 178 of the stack longitudinal axis stabilizer 116 is formed by a region of the stack longitudinal axis stabilizer 116 which projects beyond the tab in the plane of the bipolar plate. The edge area of the recess is therefore in the transition from the recess 117 to the support element 178.
  • the sliding contact surface 121 covered by the stack longitudinal axis stabilizer is a surface of the support element 178, namely the surface of the support element 178 lying on the support element 178 opposite the edge area of the recess.
  • the sliding contact surface 121 can rest, for example, on an inner surface of a stack housing, not shown in FIG.
  • the tab is arranged in the recess 117 in a non-positive and positive manner.
  • the stack longitudinal axis stabilizer 116 is a plastic part here, which is formed by overmolding the lug of the bipolar plate 104 with a plastic.
  • the stack longitudinal axis stabilizer 116 is connected to the tab via an undercut.
  • the tab has two tab indentations 125 .
  • the tab indentations 125 may be openings that pass through the bipolar plate 104 in the area of the tab.
  • the plastic of the stack longitudinal axis stabilizer 116 formed by overmoulding the tab extends into the tab depressions 125 .
  • the stack longitudinal axis stabilizer 116 thus engages in the tab depressions 125 .
  • Fuel cell stack 100 Fuel cell stack 100
  • Rail element 132 further element 134
  • Seal Stabilizer Unit 180 Seal Receiving Area 190 Stabilizer Receiving Area 192 Edge Support Surface 194
  • Tie rod connection element 272 Connection securing element 274 Stabilizer strut area 276 Stabilizer strut area 278
  • Stabilizer bar area 280 Stabilizer bar area 282

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (300), insbesondere für ein Fortbewegungsmittel, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (300) Folgendes umfasst: einen Brennstoffzellenstapel (100), und einen Stapellängsachsstabilisator (116), wobei mindestens ein Bereich des Stapellängsachsstabilisators (116) zwischen einer parallel zur Stapellängsachse verlaufenden Stapeloberfläche des Brennstoffzellenstapels (100) und einem Widerlager (118) angeordnet ist.

Description

Brennstoffzellenvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Brennstoffzellentechnik, insbesondere das Gebiet der Brennstoffzellentechnik für Fortbewegungsmittel und die Stabilisierung von Brennstoffzellenstapeln.
Brennstoffzellen bieten eine Möglichkeit zur Dekarbonisierung und werden immer häufiger verbaut, auch in Fortbewegungsmitteln, wie z.B. Kraftfahrzeugen. Im Hinblick auf die Betriebssicherheit, Standfestigkeit, die Komplexität des Aufbaus und Herstellungskosten besteht weiterer Verbesserungsbedarf.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe in der Bereitstellung einer Brennstoffzelle und von Komponenten für Brennstoffzellen, die einen sicheren Brennstoffzellbetrieb dauerhaft ermöglichen und einen einfachen Aufbau und eine kostengünstige Herstellung ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere für ein Fortbewegungsmittel, gelöst, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung Folgendes umfasst: einen Brennstoffzellenstapel und einen Stapellängsachsstabilisator, wobei mindestens ein Bereich des Stapellängs- achsstabilisators zwischen einer parallel zur Stapellängsachse verlaufenden Stapeloberfläche des Brennstoffzellenstapels und einem Widerlager angeordnet ist.
Das Fortbewegungsmittel kann z.B. ein Kraftfahrzeug sein, insbesondere ein Kraftfahrzeug, das mindestens teilweise mit Hilfe der Brennstoffzellenvorrichtung angetrieben wird. Das Kraftfahrzeug kann für Fahrten auf befestigten und/oder unbefestigten Straßen geeignet sein. Es kann sich z.B. um einen Personenkraftwagen (PKW) oder Lastkraftwagen (LKW) handeln. Parallel bedeutet hierin, dass die parallelen Elemente (z.B. die Stapellängsachse und die Stapeloberfläche) zueinander in einem Winkel von höchstens 20°, z.B. höchstens 10° verlaufen.
Das Widerlager ist bevorzugt an einem weiteren Bauteil der Brennstoffzellenvorrichtung angeordnet, z.B. an einem Bauteil der Brennstoffzellenvorrichtung, das zu der Stapeloberfläche des Brennstoffzellenstapels beabstandet ist.
Insbesondere das hier im Zusammenhang mit dem Stapellängsachsstabilisator beschriebene Widerlager kann ein weiteres Bauteil der Brennstoffzellenvorrichtung sein, z.B. ein Bauteil der Brennstoffzellenvorrichtung, das zu der Stapeloberfläche des Brennstoffzellenstapels beabstandet ist.
Das Widerlager kann z.B. an einer Stapeleinhausung angeordnet sein. Insbesondere das hier im Zusammenhang mit dem Stapellängsachsstabilisator beschriebene Widerlager kann die Stapeleinhausung selbst oder ein Teil der Stapeleinhausung sein. Der Stapeleinhausung werden hierin sämtliche Teile der Brennstoffzellenvorrichtung zugerechnet, die sich in einen zu der Stapeloberfläche beabstandeten Bereich erstrecken, insbesondere Teile, die den Brennstoffzellenstapel mindestens teilweise umschließen. Der von der Stapeloberfläche beabstandete Bereich liegt außerhalb des Brennstoffzellenstapels und erstreckt sich in eine Ebene, die den Brennstoffzellenstapel schneidet und orthogonal zur Längsachse des Brennstoffzellenstapels verläuft.
Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung sind entlang der Stapellängsachse aufeinanderfolgende Reaktionszonen typischerweise jeweils durch Dichtungen abgedichtet. Die Dichtungen dienen unter anderem dazu, dass ein zugeführter Brennstoff, z.B. Wasserstoff (H2), nicht unkontrolliert aus dem Brennstoffzellenstapel entweicht.
Durch die Dichtungen ist die Steifigkeit des Brennstoffzellenstapels entlang der Stapellängsachse begrenzt und es kann zu Biegungen bzw. Bauchungen entlang der Stapellängsachse kommen, wie weiter unten insbesondere anhand von Fig. 1 und 2 erläutert. Die Stapellängsachse erstreckt sich orthogonal zur den Bipolarplattenebenen durch den Brennstoffzellenstapel.
Durch die Erfindung wird die Stapellängsachse auf besonders einfache Weise stabilisiert. Beeinträchtigungen des Brennstoffzellbetriebs, die etwa wegen Undichtigkeiten des Brennstoffzellenstapels in Folge einer Bauchung auftreten könnten, lassen sich weitgehend vermeiden. Dies ermöglicht einen sicheren Brennstoffzellbetrieb dauerhaft, auch bei einwirkenden Stößen und Erschütterungen. Zugleich werden ein einfacher Aufbau und eine kostengünstige Herstellung sichergestellt.
Typischerweise vermag der Stapellängsachsstabilisator mindestens einen Teil einer orthogonal zur Stapellängsachse auf den Brennstoffzellenstapel einwirkenden Kraft auf das Widerlager zu übertragen. Dies kann für eine gewünschte Stabilisierung entlang der Stapellängsachse ausreichen.
Die Brennstoffzellenvorrichtung kann mehrere Stapellängsachsstabilisatoren umfassen. Die Brennstoffzellenvorrichtung kann beliebig viele Stapellängsachsstabilisatoren umfassen, z.B. mindestens einen, insbesondere mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, besonders bevorzugt mindestens vier Stapellängsachsstabilisatoren.
Bevorzugt ist je mindestens ein Bereich jedes Stapellängsachsstabilisators zwischen einer der parallel zur Stapellängsachse verlaufenden Stapeloberflächen des Brennstoffzellenstapels und einem oder mehreren Widerlagern angeordnet.
Bevorzugt vermögen ein oder mehrere Stapellängsachsstabilisatoren je mindestens einen Teil mehrerer, in unterschiedliche Richtungen orthogonal zur Stapellängsachse auf den Brennstoffzellenstapel einwirkender Kräfte, auf ein oder mehrere Widerlager zu übertragen. Bevorzugt ist mindestens ein Teil mindestens eines Stapellängsachs- stabilisators in einem Kontaktbereich einer Stapeloberfläche angeordnet, in dem keine Fluidleitstrukturen (z.B. Leitungen, Schläuche und/oder Verteiler) verlaufen. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens ein Teil des Stapellängsachsstabilisators elastisch ist. Mindestens ein Teil des Stapellängsachsstabilisators kann ein Elastomer enthalten. Dies hat den Vorteil, dass Erschütterungen des Widerlagers nicht auf die Stapeloberfläche durchschlagen. Die Kanten bestimmter Bipolarplatten oder auch Verteiler sowie Rahmenelemente an der Stapeloberfläche können so vor Schäden geschützt und die Betriebsdauer der Brennstoffzellenvorrichtung gesteigert werden.
Bevorzugt sind Form und Material des Stapellängsachsstabilisators so an den Aufbau des Brennstoffzellenstapels und die Stapeloberfläche angepasst, dass eine Beschleunigung a von 5 g, bevorzugt 8 g, besonders bevorzugt 10 g orthogonal zur Stapellängsachse, nicht zu einer Beschädigung des Brennstoffzellenstapels führt. In Kenntnis der Erfindung ist es für den Fachmann erkennbar, dass vielfältige Möglichkeiten zu einer entsprechenden Anpassung des Stapellängsachsstabilisators an den Aufbau des Brennstoffzellenstapels und die Stapeloberfläche bestehen. Diese umfassen z.B. die Wahl eines elastischen Stapellängsachsstabilisators, die Wahl einer großen Fläche, an der der Stapellängsachsstabilisator an der Stapeloberfläche anliegt, die Anpassung der Kontur des Stapellängsachsstabilisators an eine Kontur der Stapeloberfläche etc.
Der Stapellängsachsstabilisator umfasst bevorzugt eine Gleitkontaktfläche. Das Widerlager umfasst bevorzugt eine Widerlagerkontaktfläche. Die Gleitkontaktfläche kann an der Widerlagerkontaktfläche angeordnet sein. Die Widerlagerkontaktfläche kann zusammen mit der Gleitkontaktfläche einen parallel zur Stapellängsachse verlaufenden Gleitkontaktbereich definieren. Wie aus dem Zusammenhang deutlich wird, steht der Wortbestandteil „kontakt" bei den Begriffen „Gleitkontaktfläche", „Widerlagerkontaktfläche" und „Gleitkontaktbereich" für physischen Kontakt, nicht für elektrischen Kontakt. Dies bewirkt, dass ein über den Stapellängsachsstabilisator stabilisierter Brennstoffzellenstapel in Achsrichtung beweglich bleibt. Eine entlang des Stapels wirkende Kraft, die z.B. bei einer Erschütterung des Fahrzeugs auftreten kann, kann so durch eine im Wesentlichen reversible Gleitbewegung im Gleitkontaktbereich gedämpft werden. Ränder der Bipolarplatten können sich in Achsrichtung gleitend hin- und herbewegen, ohne dass sie beschädigt würden. Dies kann gerade bei einem recht filigranen Stapel zu einer Steigerung der Langlebigkeit des Brennstoffzellenstapels beitragen, so dass Wartungsintervalle verkürzt und ein besonders effizienter Fahrzeugbetrieb dauerhaft erreicht werden kann.
Eine der beiden als Widerlagerkontaktfläche und Gleitkontaktfläche bezeichneten Oberflächen kann eine Kunststoffoberfläche sein, die andere der beiden Oberfläche eine Keramikoberfläche. Dies begünstigt ein Gleiten der Gleitkontaktfläche an der Widerlagerkontaktfläche.
Um ein Gleiten der Gleitkontaktfläche an der Widerlagerkontaktfläche zu begünstigen, kann im Gleitkontaktbereich ein Mittel aufgebracht sein, das ein Gleiten der Gleitkontaktfläche an der Widerlagerkontaktfläche begünstigt.
Mit dem Gleitkontaktbereich wird also zusätzlich zur im Wesentlichen orthogonal zur Stapellängsachse wirkenden, stapellängsachsstabilisierenden Wirkung eine im Wesentlichen entlang der Stapellängsachse wirkende Dämpfungswirkung erreicht.
Der Stapellängsachsstabilisator kann z.B. eine in den Brennstoffzellenstapel eingefügte Zwischenplatte umfassen. Bevorzugt ragt ein Teil der Zwischenplatte aus der Stapeloberfläche heraus. Dieser herausragende Teil kann mindestens einen Teil des Bereichs des Stapellängsachsstabilisators bilden, der zwischen der Stapeloberfläche und dem Widerlager angeordnet ist. Der aus der Stapeloberfläche herausragende Teil der Zwischenplatte kann über ein Verbindungselement z.B. an einem (als Widerlager fungierenden) Zugankerelement der Brennstoffzellenvorrichtung angebunden werden. Konkrete Möglichkeiten zur Anbindung werden weiter unten im Zusammenhang mit Zugankerstabilisatoren beschrieben. Dies kann einen synergistischen Effekt auf die Stabilität des Brennstoffzellenstapels der Brennstoffzellenvorrichtung haben. Denn die Anbindung der Zwischenplatte an ein Zugankerelement führt nicht nur zu einer Stabilisierung der Stapellängsachse an sich, sondern auch zu einer ebenfalls unten näher beschriebenen Stabilisierung des Zugankerelements gegen Bruch.
Besonders bevorzugt kann es sein, wenn mehrere Teile der Zwischenplatte aus einer oder aus mehreren Stapeloberflächen herausragen. Es können z.B. je mindestens ein Teil der Zwischenplatte aus einander gegenüberliegenden Stapeloberflächen herausragen.
Mehrere aus der Stapeloberfläche herausragende Teile der Zwischenplatte können je an einem anderen Zugankerelement der Brennstoffzellenvorrichtung angebunden sein.
Der aus der Stapeloberfläche herausragender Teil der Zwischenplatte kann über ein Verbindungselement z.B. an einer (als Widerlager fungierenden) Stapeleinhausung angebunden werden. Die Anbindung kann z.B. elektrisch isolierend sein.
Die Anbindung kann eine gleitende Lagerung umfassen. So kann z.B. ein Verbindungselement an dem Widerlager (z.B. Gehäuse oder Systemrahmen) gleitend gelagert sein.
Das Widerlager kann ein justierbares Widerlagerelement umfassen. Dies kann bewirken, dass Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können, eine Wärmeausdehnung der Zwischenplatte aufgenommen und/oder ausgeglichen werden kann und/oder eine Montage des Brennstoffzellenstapels durch eine Überführung des justierbaren Widerlagerelements von einer ersten Position in eine zweite Position erleichtert werden kann.
Die beschriebene Widerlagerkontaktfläche kann z.B. eine Oberfläche des Widerlagerelements sein. Die beschriebene Gleitkontaktfläche kann z.B. eine Oberfläche eines an der Zwischenplatte angeordneten Verbindungselements sein. Durch Justieren des Widerlagerelements kann sichergestellt werden, dass es zu einem gewünschten Gleiten der Gleitkontaktfläche an der Widerlagerkontaktfläche des justierbares Widerlagerelement im Gleitkontaktbereich kommen kann.
Die Anbindung des aus der Stapeloberfläche herausragenden Teils der Zwischenplatte am Widerlager kann über ein elastisches Element (Feder, Elastomer, etc.) verwirklicht sein. Dies ist insbesondere im Hinblick auf den Ausgleich von Fertigungstoleranzen und von einer Wärmeausdehnung der Zwischenplatte vorteilhaft.
Eine Möglichkeit besteht in einer Abstützung des aus der Stapeloberfläche herausragenden Teils der Zwischenplatte über das Verbindungselement am Gehäuse oder am Systemrahmen.
Auf einer Seite der Zwischenplatte kann ein von einem anodenseitigen Element definierter Anodenbereich angeordnet, z.B. aufgeschweißt, sein.
Auf einer Seite (der anderen Seite) der Zwischenplatte kann ein von einem kathodenseitigen Element definierte Kathodenbereich angeordnet, z.B. aufgeschweißt, sein. Mit Hilfe der anodenseitigen und kathodenseitigen Elemente kann erreicht werden, dass die Oberflächen der Zwischenplatte in Bereichen, in denen die Dichtung anliegt, die Form entsprechender Oberflächenbereiche der Bipolarplatten aufweist. So wird dieselbe Dichtgeometrie wie bei den angrenzenden Bipolarplatten erreicht. Im Übergang Zwischenplatte zu Bipolarplatte kann dann also dieselbe Dichtung verbaut werden, wie im Übergang Bipolarplatte zu Bipolarplatte. Das heißt, dass die Brennstoffzellenvorrichtung mit besonders geringem Aufwand zusammengebaut werden kann.
In den Brennstoffzellenstapel können mehrere voneinander bebstandete Zwischenplatten eingefügt sein. Bevorzugt ragt dann ein Teil mehrerer Zwischenplatten, z.B. jeder Zwischenplatte, aus der Stapeloberfläche heraus. Je nach Länge des Brennstoffzellenstapels kann z.B. eine Stapellängsachs- stabilisation und/oder eine Stabilisierung eines oder mehrerer Zugankerelemente über mehrere Zwischenplatten sinnvoll sein, die in regelmäßigen Abständen in den Brennstoffzellenstapel eingefügt sind.
Vorzugsweise kann der Stapellängsachsstabilisator ein Stützelement umfassen, das die Stapeloberfläche gegen das Widerlager abstützt.
Das Stützelement kann ein Gleitstützelement sein.
Das Widerlager kann einen Träger umfassen, an dem das Gleitstützelement verschiebbar geführt ist.
Die beschriebene Widerlagerkontaktfläche kann z.B. eine Oberfläche des Trägers sein. Die vom Stapellängsachsstabilisator umfasste Gleitkontaktfläche kann z.B. eine der Widerlagerkontaktfläche zugewandte Oberfläche des Gleitstützelements sein.
Ein oder mehrere optionale Führungselemente, z.B. Führungsstäbe, können sich parallel zum Träger erstrecken. Die ein oder mehreren Führungselemente können sich z.B. durch ein oder mehrere Öffnungen von ein oder mehreren Gleitstützelementen hindurch erstrecken.
Das Gleitstützelement kann an dem Träger verschiebbar mit Rückstellfedern ng geführt sein. Bei einer Gleitbewegung des Gleitstützelements am Träger kann die Rückstellfederung dann eine Rückkehr des Gleitstützelements in die Ausgangsposition begünstigen. Bevorzugt sind an dem Träger viele, z.B. mindestens sechs Gleitstützelemente verschiebbar, z.B. mit Rückstellfederung, geführt.
An dem Träger kann zusätzlich ein Loslagerelement geführt sein.
Der Brennstoffzellenstapel kann an der Stapeloberfläche mindestens einen Kontaktbereich aufweisen, an dem mindestens ein Gleitstützelement anliegen und den Brennstoffzellenstapel abstützen kann.
Die Form des Kontaktbereich kann durch ein oder mehrere Bestandteile des Brennstoffzellenstapels definiert sein.
Ein oder mehrere Bipolarplatten können die Form des mindestens einen Kontaktbereichs definieren. Ein oder mehrere Dichtungen können die Form des mindestens einen Kontaktbereichs definieren. Ein oder mehrere Bipolarplatten und Dichtungen können die Form des mindestens einen Kontaktbereichs gemeinsam definieren. In dem Kontaktbereich verlaufen bevorzugt keine Fluidleitstrukturen (z.B. Leitungen, Schläuche und/oder Verteiler).
Der mindestens eine Kontaktbereich kann an die Form des mindestens einen Gleitstützelements angepasst sein.
Mit Hilfe der so geführten Gleitstützelemente kann eine Stabilisierung der Stapellängsachse erreicht werden, indem die Stapeloberfläche über die Gleitstützelemente gegen einen als Widerlager fungierenden Träger abgestützt wird. Zugleich kann die Rückstellfederung Bewegungen der an den Gleitstützelementen anliegenden Zellränder in Richtung der Stapellängsachse dämpfen. Dies kann zu einer weiteren Stabilisierung des Brennstoffzellenstapels beitragen.
Über das Gleitstützelement und dessen Gleitkontaktbereich wird also zusätzlich zur im Wesentlichen orthogonal zur Stapellängsachse wirkenden, stapellängsachsstabilisierenden Wirkung eine im Wesentlichen entlang der Stapellängsachse wirkende Dämpfungswirkung erreicht.
Das Widerlager kann durch ein entlang einer Stapeloberfläche des Brennstoffzellenstapels verlaufendes Schienenelement gebildet sein. So kann z.B. der in Verbindung mit dem Gleitstützelement beschriebene Träger als Schienenelement ausgeführt sein.
Das Schienenelement kann ein Zugankerschienenelement sein. Ein Zugankerschienenelement ist eine Schienenelement, das zugleich als Zugankerelement fungiert.
Zwischen Brennstoffzellenstapel und Schienenelement kann ein Pufferelement angeordnet sein. Das Pufferelement kann z.B. ein Elastomer oder einen Polymerschaum enthalten. Es kann ein elastisches, polymerschaumbasiertes Pufferelement sein.
Ein Stapellängsachsstabilisator kann in einem konkaven Bereich der Stapeloberfläche des Brennstoffzellenstapels verlaufen.
Das Pufferelement kann eine Stapeloberfläche gegen das Schienenelement abstützen und dadurch eine Stapellängsachsstabilisierung bewirken.
Bewegungen des Brennstoffzellenstapels hin in Richtung zum Schienenelement werden durch das Pufferelement gedämpft.
Die oben näher beschriebene Widerlagerkontaktfläche kann z.B. eine Oberfläche des Schienenelements sein. Die vom Stapellängsachsstabilisator umfasste Gleitkontaktfläche kann z.B. eine der Widerlagerkontaktfläche zugewandte Oberfläche des Pufferelements sein.
Auch über das Pufferelement und dessen Gleitkontaktbereich kann also zusätzlich zur im Wesentlichen orthogonal zur Stapellängsachse wirkenden, stapellängsachsstabilisierenden Wirkung eine im Wesentlichen entlang der Stapellängsachse wirkende Dämpfungswirkung erreicht werden.
Der Brennstoffzellenstapel kann an der Stapeloberfläche mindestens einen Kontaktbereich aufweisen, an dem mindestens ein Pufferelement anliegen und den Brennstoffzellenstapel abstützen kann.
Die Form des Kontaktbereich kann durch ein oder mehrere Bestandteile des Brennstoffzellenstapels definiert sein.
Ein oder mehrere Bipolarplatten können die Form des mindestens einen Kontaktbereichs definieren. Ein oder mehrere Dichtungen können die Form des mindestens einen Kontaktbereichs definieren. Ein oder mehrere Bipolarplatten und Dichtungen können die Form des mindestens einen Kontaktbereichs gemeinsam definieren. In dem Kontaktbereich verlaufen bevorzugt keine Fluidleitstrukturen (z.B. Leitungen, Schläuche und/oder Verteiler).
Der mindestens eine Kontaktbereich kann an die Form des mindestens einen Pufferelements angepasst sein.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann mindestens ein Teil des Pufferelements in einem parallel zur Längsachse des Brennstoffzellenstapels verlaufenden, konkaven Bereich der Stapeloberfläche des Brennstoffzellenstapels liegen.
Bevorzugt ist das Schienenelement parallel zur Längsachse des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet.
In einem Querschnitt des Schienenelements kann eine Ausdehnung des Schienenelements, die z.B. als Höhe des Schienenelements bezeichnet werden kann, größer sein, als eine andere Ausdehnung des Schienenelements, die z.B. als Breite des Schienenelements bezeichnet werden kann. In diesem Zusammenhang sagen die Begriffe Breite und Höhe nichts über die Orientierung des Schienenelements in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft aus. Unter einem Querschnitt wird eine gedachte Schnittfläche des Schienenelements verstanden, die bei einem Schnitt des Schienenelements orthogonal zur Längsachse des Schienenelements erhalten würde.
Dies ermöglicht eine Ausrichtung des Schienenelements relativ zum Brennstoffzellenstapel so, dass das Schienenelement besonders biegesteif ist gegen Kräfte, die vom Brennstoffzellenstapel auf das Schienenelement einwirken.
Das Pufferelement kann so ausgebildet sein, dass es sich in dem Querschnitt zwischen Schienenelement und der konkaven Stapeloberfläche teilweise (z.B. U-förmig) um das Schienenelement erstreckt.
Eine der Stapeloberfläche zugewandte Oberfläche des Schienenelements kann breiter sein, als eine von der Stapeloberfläche abgewandte Oberfläche des Schienenelements. Dies bietet den zusätzlichen Vorteil, dass die Kontaktfläche des Schienenelements zu Pufferelement größer sein kann, so dass selbst eine sensible Stapeloberfläche auch bei starken Erschütterungen und Stößen aufgrund der großflächigeren Druckverteilung im Bereich des anliegenden Pufferelements unbeschädigt bleiben kann. Der Querschnitt des Schienenelements kann z.B. T-förmig sein.
Das Schienenelement kann z.B. ein konventionelles Zugankerelement mit rundem Querschnitt ersetzen und die Stapellängsachse des Brennstoffzellenstapels stabilisieren. So hat es nur minimalen Einfluss auf den Bauraum und kann bei minimalem Materialaufwand eine Stapellängsachsstabilisierung besonders effizient bewirken.
Wenn das Schienenelement z.B. an Stelle eines mittleren von drei Zugankerelementen eingesetzt wird, kann das Zugankerelement seine Wirkung z.B. senkrecht unterhalb einer Stapellängsachse optimal entfalten. Die Angabe „senkrecht unterhalb" bezieht sich hier auf die Richtung der Schwerkraft. Der Stapellängsachsstabilisator kann ein Stützkissenelement umfassen. Das Stützkissen kann z.B. mit Luft oder Schaum gefüllt sein. Das Stützkissenelement kann zwischen Stapeleinhausung und Stapeloberfläche(n) angeordnet sein. Dies hat den Vorteil einer besonders einfachen Montage. Ein oder mehrere Stützkissenelemente können bevorzugt mindestens 5 %, besonders mindestens 10 %, besonders bevorzugt mindestens 25 %, z.B. mindestens 50 % der gesamten, parallel zur Stapellängsachse verlaufenden Stapeloberflächen bedecken. Wird das Stützkissenelement erst an der Oberfläche des Brennstoffzellenstapels (vollständig) gefüllt, kann über eine vordefinierte Form des Stützkissenelements die Ausrichtung des Brennstoffzellenstapels in der Stapeleinhausung gesteuert werden. Außerdem geht mit der Vergrößerung der Fläche eine Reduktion der Flächenpressung einher. Dies bewirkt eine vorteilhafte Lastgestaltung und dadurch ein geringeres Risiko von Beschädigungen im Bereich der Stapeloberfläche(n).
Der Stapellängsachsstabilisator kann ein Schüttmaterial umfassen. Das Schüttmaterial kann zwischen Stapeleinhausung und Stapeloberfläche angeordnet sein. Dies erlaubt eine besonders einfache Montage. Da ein großer Teil des Raumes zwischen Stapeloberflächen und Stapeleinhausung mit Schüttmaterial ausgefüllt werden kann, ergibt sich die Möglichkeit, für den Fall eines Wasserstoffaustritts das zündfähige Volumen stark zu verringern, so dass eine Aktive Belüftung des Raumes zwischen Stapeloberfläche(n) und Stapeleinhausung entbehrlich sein kann.
Der Stapellängsachsstabilisator kann ein Formteil umfassen. Das Formteil kann bevorzugt einen Polymerschaum enthalten. Eine Oberflächenkontur des Formteils kann z.B. an die Kontur der Stapeloberfläche angepasst sein. Ein oder mehrere Formteile können bevorzugt mindestens 5 %, besonders mindestens 10 %, besonders bevorzugt mindestens 25 %, z.B. mindestens 50 % der gesamten, parallel zur Stapellängsachse verlaufenden Stapeloberflächen bedecken. Durch ein oder mehrere Formteile kann eine großflächige Stützwirkung auf besonders einfache Weise erreicht werden. Anders als etwa mit dem oben beschriebenen Gleitstützelement und dem Pufferelement wird eine zusätzliche, im Wesentlichen entlang der Stapellängsachse wirkende Dämpfungswirkung mit dem Stützkissenelement und dem Formteil typischerweise nicht über einen Gleitkontaktbereich bewirkt, sondern über eine intrinsische Elastizität des Stützkissenelements oder des Formteils.
Mit dem Stützkissenelement und/oder dem Formteil wird also zusätzlich zur im Wesentlichen orthogonal zur Stapellängsachse wirkenden, stapellängsachs- stabilisierenden Wirkung ebenfalls eine im Wesentlichen entlang der Stapellängsachse wirkende Dämpfungswirkung erreicht. Optional kann diese sogar ohne den Gleitkontaktbereich erreicht werden.
Es kann besonders vorteilhaft sein, wenn ein Fixierungsbereich des Stapel- längsachsstabilisators sich in einen Plattenzwischenraum, z.B. Bipolarplattenzwischenraum des Brennstoffzellenstapels erstreckt. Der Fixierungsbereich kann sich bevorzugt in einen Randbereich des Plattenzwischenraums erstrecken, wobei der Randbereich sich vom Plattenrand bis zu einer Dichtung erstreckt. Dann kann z.B. ein Stützbereich des Stapellängsachsstabilisators den zwischen der Stapeloberfläche und dem Widerlager angeordneten Bereich des Stapellängsachsstabilisators bilden.
Die Widerlagerkontaktfläche kann dann z.B. eine dem Stützbereich zugewandte Oberfläche eines Widerlagers, z.B. einer Stapeleinhausung, sein. Die Gleitkontaktfläche kann z.B. eine der Widerlagerkontaktfläche zugewandte Oberfläche der Stützbereichs sein.
Dies bietet weitere Vorteile gegenüber den vorstehend beschriebenen Stapellängsachsstabilisatoren. Das vorstehend beschriebene Stützelement (z.B. Gleitstützelement), das im Zusammenhang mit dem Schienenelement beschriebene Pufferelement, das Stützkissenelement, das Schüttmaterial und das Formteil liegen je im Wesentlichen an der Außenkontur des Brennstoffzellenstapels an und können dabei an die Bipolarplatte anschlagen. Es wurde gefunden, dass Bipolarplatten häufig nicht perfekt gestapelt sind, hervorstehende Bipolarplatten an den Rändern besonderen Kräften ausgesetzt sein können und deshalb durch derartige Stapellängsachsstabilisatoren gegebenenfalls beschädigt werden können. Zudem können scharfkantige Bipolarplatten derartige Stapellängsachsstabilisatoren, etwa an deren Kunststoffoberflächen aufgrund einer Schnittwirkung beschädigen. Zusätzlich werden dabei viele kleine Partikel erzeugt und freigesetzt.
Im Vergleich dazu kann die vorstehend ebenfalls beschriebene Stapellängs- achsstabilisation mit Zwischenplatte Vorteile bieten. Jedoch erfordern ein oder mehrere Zwischenplatten zusätzliche Bauteile, die zudem ausreichend mechanisch stabil und stromleitfähig sein müssen. Dies kann mit einem erheblichen Zusatzgewicht einhergehen.
Durch den Stapellängsachsstabilisator mit dem beschriebenen Fixierungsbereich lassen sich die genannten Nachteile, die mit vorstehend beschriebenen Stapellängsachsstabilisatoren einhergehen können, auf besonders einfache Weise vermeiden. Mit geringstmöglichem Bauteilaufwand können etwaige Nachteile, wie Beschädigungen von Bipolarplatten an deren Rändern oder von Stapellängsachsstabilisatoren weitgehend vermieden werden.
Der Stapellängsachsstabilisator, der den Fixierungsbereich und den Stützbereich umfasst, kann z.B. ein Elastomerelement sein. Durch die Ausführung als Elastomerelement ist die Charakteristik der Krafteinleitung relativ "weich", im Gegensatz zu einem Anschlag an ein metallisches Element. Zudem können damit Toleranzen in der Außenkontur des Brennstoffzellenstapels besser kompensiert werden, da beanspruchte Stapellängsachsstabilisatoren die Kraft unter anderem über den Fixierungsbereich auf benachbarte Elemente verteilen.
Der Fixierungsbereich kann in dem Plattenzwischenraum durch die beiden angrenzenden Platten, z.B. Bipolarplatten, eingespannt sein. Damit kann lokal eine stabile Verbindung zwischen Elastomerelement und den angrenzenden Platten erreicht werden, die auch der Einleitung einer Kraft von außen in Richtung der Zellebene standhält.
Vorzugsweise ist dabei der auf den Fixierungsbereich in dem Plattenzwischenraum durch die beiden angrenzenden Platten, z.B. Bipolarplatten, ausgeübte mittlere Druck höher, als der auf die Dichtung(en) in dem Plattenzwischenraum durch die beiden angrenzenden Bipolarplatten ausgeübte mittlere Druck.
Dies lässt sich testen, indem man die Dichtungen und den Fixierungsbereich je einzeln zwischen den Platten auf den gewünschten Plattenabstand komprimiert, die dafür erforderliche Kraft misst und über die von der Dichtung bzw. den Dichtungen eingenommene Fläche und über die von dem Fixierungsbereich eingenommene Fläche die jeweils aufgewandte Kraft in einen Druck umrechnet.
Bevorzugt wird von einem oder mehreren Fixierungsbereichen ein Anteil von höchstens 10 %, bevorzugt höchstens 6 %, besonders bevorzugt höchstens 4 % einer Oberfläche einer Bipolarplatte eingenommen. Aufgrund einer solchen lokalen Ausführung bleibt die insgesamt für die Verspannung des Fixierungsbereichs oder der Fixierungsbereiche aufgewandte Kraft relativ klein im Verhältnis zur gesamten Stapelverspannkraft. Dies kann den großen Vorteil bieten, dass bestehende Konzepte für die Stapelverspannung weitgehend beibehalten werden können.
Stapellängsachsstabilisatoren mit Fixierungsbereich und Stützbereich, wie hierin in unterschiedlichsten Ausführungsformen beschrieben, können einem etablierten Brennstoffzellendesign also im Wesentlichen einfach hinzugefügt werden, ohne dass weitergehende Anpassungen notwendig wären.
Weiterhin gestattet die lokale Ausführung eine Anordnung des Elastomerelements in einem Bereich, in dem die zusätzliche Kraft durch das Verspannsystem gut kompensiert werden kann (siehe z.B. Fig. 34), etwa in einem Bereich, in dem ein Federelement einer existierenden Verspannungslösung nahe am Rand der Druckverteilerplatte zu liegen kommt. Das Federelement kann insbesondere eine Tellerfeder, Druckfeder, Plattfeder oder Spiralfeder sein.
Zur Fixierung des Fixierungsbereichs an den Plattenoberflächen im Plattenzwischenraum kann mindestens ein konvexer Bereich an mindestens einer der miteinander in Kontakt tretenden Oberflächen des Fixierungsbereichs und/oder der Platte ausgebildet sein.
Bevorzugt kann ein Teil des Fixierungsbereichs ein oder beidseitig aufgedickt sein. Dies bedeutet, dass der Teil dicker ist, als ein benachbarter Teil des Fixierungsbereichs. Bei einem Verpressen des Fixierungsbereichs in dem Plattenzwischenraum im verspannten Brennstoffzellenstapel findet eine Kompression des Fixierungsbereichs dann insbesondere in dem aufgedickten Bereich bzw. den aufgedickten Bereichen statt.
Es kann ein Teil der im Fixierungsbereich zu liegen kommenden Oberfläche der Bipolarplatte aufgedickt sein. Bei einem Verpressen des Fixierungsbereichs in dem Plattenzwischenraum im verspannten Brennstoffzellenstapel findet eine Kompression des Fixierungsbereichs dann insbesondere dort statt, wo der Abstand zur nächsten Platte besonders gering ist.
Bevorzugt kann der Stützbereich in Richtung der Stapellängsachse dicker ausgeführt sein, als der Fixierungsbereich. Der Stützbereich kann z.B. eine Schulter umfassten, die sich über eine Randoberfläche einer Bipolarplatte erstrecken kann. Dies kann bewirken, dass die Schulter auf den Rand einer Bipolarplatte drückt, die geringfügig aus einem nicht ideal gestapelten Brennstoffzellenstapel heraussteht.
Dies kann letztlich eine zusätzliche Stabilisierung des Brennstoffzellenstapels entlang der Stapellängsachse bewirken, da lokalen Abweichung von der idealen Stapelgeometrie besonders zielgerichtet entgegengewirkt werden kann. Außerdem kann ein Aufliegen der Schulter am Rand der Bipolarplatte bewirken, dass der Fixierungsbereich nicht tiefer in der Plattenzwischenraum geschoben wird, wo sonst ggf. die Dichtwirkung einer Dichtung beeinträchtigt werden könnte. Das bedeutet, dass das Risiko von H2-Austritten weiter verringert und damit die Betriebssicherheit der Brennstoffzellenvorrichtung noch weiter gesteigert werden kann.
Der Stützbereich kann in Richtung der Stapellängsachse z.B. auch vor einem Verspannen des Fixierungsbereichs im Brennstoffzellenstapel (und der damit einhergehenden Kompression des Fixierungsbereichs in Richtung der Stapellängsachse) dicker sein, als der Fixierungsbereich.
Bei dem Vergleich der Dicken des Stützbereichs und des Fixierungsbereichs geht jeweils die größte Dicke beider Bereiche in Richtung der Stapellängsachse ein.
Am Fixierungsbereich können mehrere konvexe Bereiche ausgebildet sein. Es kann z.B. ein zum Stützelement näherer konvexer Bereich und ein vom Stützelement weiter entfernter konvexer Bereich ausgebildet sein. Optional können zwischen diesen beiden konvexen Bereichen ein oder mehrerer weitere konvexe Bereiche ausgebildet sein.
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn der Fixierungsbereich so ausgeführt ist, dass die zum Verpressen des Fixierungsbereichs zwischen den Platten erforderliche Kraft zu Rändern des Fixierungsbereichs hin abnimmt. Dazu kann sich der Fixierungsbereich zum Rand des Fixierungsbereichs hin verjüngen. Z.B. kann die Dicke des Fixierungsbereichs an einem zum Stützelement näheren konvexen Bereich und an einem vom Stützelement weiter entfernten konvexen Bereich jeweils geringer sein, als die Dicke eines zwischen diesen beiden konvexen Bereichen ausgebildeten konvexen Bereichs. Im Fixierungsbereich können lokal deutlich erhöhte Verpresskräfte auftreten. Bei einem Versatz der Fixierungsbereiche benachbarter Stapellängsachs- stabilisatoren kann dies zur Einleitung von Biegemomenten in die anstehende Bipolarplatten führen. Wenn sich dadurch der Dichtspalt im Bereich der angrenzenden Dichtung veränderte, könnte dies zu einer Beeinträchtigung der Dichtfunktion führen. Diese Auswirkung von Assembliertoleranzen kann weitgehend vermieden werden, wenn der Fixierungsbereich so ausgeführt wird, dass die Verpresskraft zu den Rändern des Fixierungsbereichs hin abnimmt, etwa durch eine zum Rand des Bereiches hin erfolgende Verjüngung oder eine entsprechende Strukturierung der Oberfläche. Dies kann auch vorteilhaft sein, wenn es aufgrund eines Assemblierversatzes zu Kollisionen mit Merkmalen auf einer Bipolarplatte kommen kann.
Es kann besonders vorteilhaft sein, wenn mindestens eine Dichtung und der Stapellängsachsstabilisator als eine einstückige Dichtungs-Stabilisator-Einheit ausgebildet sind, z.B. als Dichtungs-Stabilisator-Einheit, die eine Dichtung, einen Fixierungsbereich und einen über den Fixierungsbereich mit der Dichtung verbundenen Stützbereich aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Dichtung und der Stapellängsachsstabilisator nicht separat gefertigt werden müssen. Außerdem müssen bei der Herstellung der Brennstoffzellenvorrichtung weniger Einzelteile verbaut werden.
Die Aufgabe wir auch durch eine Dichtungs-Stabilisator-Einheit zur Abdichtung von entlang der Stapellängsachse eines Brennstoffzellenstapels aufeinanderfolgenden Reaktionszonen gelöst, wobei die Dichtungs-Stabilisator-Einheit eine Dichtung, einen Fixierungsbereich und einen über den Fixierungsbereich mit der Dichtung verbundenen Stützbereich aufweist.
Selbstverständlich können insbesondere die hierin beschriebenen Merkmale des Stapellängsachsstabilisators, von dessen Fixierungsbereich und von dessen Stützbereich auch Merkmale der Dichtungs-Stabilisator-Einheit darstellen. Die Aufgabe wird auch durch eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel gelöst, wobei eine Randoberfläche der Bipolarplatte eine Randstütz- fläche definiert, deren orthogonal zur Plattenebene gemessene Breite D die Bipolarplattenmaterialdicke übersteigt. Wenn die Bipolarplattenmaterialdicke nicht einheitlich ist, wird für den Vergleich mit der Breite D die durchschnittliche Bipolarplattenmaterialdicke berücksichtigt. Wenn die Breite D nicht einheitlich ist, wird die durchschnittliche Breite der Randstützfläche als Breite D berücksichtigt.
Vorzugsweise beträgt D mindestens 125 % der Bipolarplattenmaterialdicke, besonders bevorzugt mindestens 150 %, insbesondere mindestens 175 %, z.B. mindestens 200 % der Bipolarplatten-materialdicke.
Die Randstützfläche kann z.B. umgebogen oder umgebördelt sein.
Diese Anpassung der Randoberfläche kann dazu dienen, eine Beschädigung des Stapellängsachsstabilisators bzw. der Dichtungs-Stabilisator-Einheit unter Vibrationsbelastung zu vermeiden. Wenn der Stützbereich eine Schulter umfasst, die sich über die Randoberfläche einer Bipolarplatte erstreckt, kann die vergrößerte Breite D einem Einschneiden der Randoberfläche in die Schulter des Stützbereichs entgegenwirken.
Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, dass die Randstützfläche, deren orthogonal zur Plattenebene gemessene Breite D die Bipolarplattenmaterialdicke übersteigt, an einem hierin beschriebenen Stützbereich anliegt.
Die Randstützfläche kann auch eine direkte oder nahezu direkte Abstützung am Widerlager, z.B. an der Stapeleinhausung, ermöglichen und dadurch eine Stabilisierung der Stapellängsachse des Brennstoffzellenstapels bewirken.
So wird die Aufgabe auch gelöst durch eine Brennstoffzellenvorrichtung, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer Bipolarplatte umfasst, wobei eine Randoberfläche der Bipolarplatte eine Randstützfläche definiert, deren orthogonal zur Plattenebene gemessene Breite D die Bipolarplattenmaterialdicke übersteigt und wobei die Stapellängsachse des Brennstoffzellenstapels dadurch stabilisiert ist, dass die Randstützfläche an einem Widerlager, z.B. an der Stapeleinhausung, angeordnet ist.
Die oben zur Bipolarplatte insbesondere im Hinblick auf die Breite D und die Form der Randstützfläche angegebenen Merkmale können selbstverständlich auch Merkmale der von der Brennstoffzellenvorrichtung umfassten Bipolarplatte sein.
Die Angabe, dass die Randstützfläche an dem Widerlager, z.B. an der Stapeleinhausung, angeordnet ist, kann bedeuten, dass die Randstützfläche am Widerlager abgestützt ist oder dass ein geringer Abstand der Randstützfläche besteht, der z.B. höchstens 5 % der Länge des Brennstoffzellenstapels entlang der Stapellängsachse beträgt.
Insbesondere wenn das Widerlager selbst kein elektrischer Isolator ist, wird die Randstützfläche gegen das Widerlager elektrisch isoliert. Dazu kann z.B. eine Lage eines elektrisch isolierenden Materials zwischen Randstützfläche und Widerlager angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann am Widerlager und/oder an der Randstützfläche eine elektrisch isolierende Beschichtung aufgebracht sein.
Die Randstützfläche kann dann direkt die hierin beschriebene Gleitkontaktfläche bilden, die bei anderen Ausführungsformen der Erfindung vom Stapellängsachsstabilisator umfasst ist. Das Widerlager kann, wie im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen beschrieben, die Widerlagerkontaktfläche umfassen. Die Gleitkontaktfläche kann an der Widerlagerkontaktfläche angeordnet sein. Die Widerlagerkontaktfläche kann zusammen mit der Gleitkontaktfläche einen parallel zur Stapellängsachse verlaufenden Gleitkontaktbereich definieren. Die Randoberfläche der Bipolarplatte kann z.B. orthogonal zur Plattenebene orientiert sein.
Orthogonal bedeutet hierin, dass die orthogonalen Elemente (z.B. die Plattenebene und die Randoberfläche) zueinander in einem Winkel verlaufen, der von 90° nicht oder höchstens um 20°, bevorzugt höchstens um 10° abweicht.
Es ist erfindungsgemäß ebenfalls möglich, dass ein konvexer Bereich einer Bipolarplatte, z.B. ein Plattenvorsprungbereich, bevorzugt ein Plattenvorsprungbereich in Form einer Lasche, sich in eine Ausnehmung des Stapellängsachsstabilisators erstreckt. Beispielsweise können zwei an einander abgewandt angeordneten Randbereichen oder Kanten oder Ecken einer Bipolarplatte angeordnete konvexe Bereiche einer Bipolarplatte, z.B. Plattenvorsprungbereiche, vorgesehen sein.
Der konvexe Bereich der Bipolarplatte kann auch ein Eckbereich einer Bipolarplatte sein, z.B. ein Eckbereich einer im Wesentlichen rechteckigen Bipolarplatte.
Diese Ausgestaltung des Stapellängsachsstabilisators kehrt die zuvor beschriebene Möglichkeit um, einen Fixierungsbereich des Stapellängsachsstabilisators in einem Plattenzwischenraum anzuordnen. Denn sie ermöglicht es umgekehrt, einen konvexen Bereich der Bipolarplatte bzw. einen Plattenvorsprungbereich in der Ausnehmung des Stapellängsachsstabilisators anzuordnen.
Die Ausnehmung kann ein Schlitz sein.
Die Ausnehmung kann durch Ausnehmungsrandbereiche begrenzt sein. Die Ausnehmungsrandbereiche können z.B. die Tiefe und Länge des Schlitzes begrenzen. Die Ausnehmungsrandbereiche können z.B. an die Randkontur des konvexen Bereichs der Bipolarplatte angepasst sein. Die Ausnehmungsrandbereiche können dabei abschnittsweise an die Randkontur des konvexen Bereichs der Bipolarplatte angepasst sein oder zusammen einen durchgehend an die Randkontur des konvexen Bereichs angepassten Ausnehmungsrandbereich bilden. Der durchgehend an die Randkontur des konvexen Bereichs angepasste Ausnehmungsrandbereich kann im Wesentlichen über die gesamte Länge der Randkontur an die Randkontur angepasst sein.
Das Stützelement des Stapellängsachsstabilisators kann durch einen Bereich des Stapellängsachsstabilisators gebildet sein, der in der Ebene der Bipolarplatte über den Plattenvorsprungbereich hinaussteht. Mindestens ein Ausnehmungsrandbereich kann im Übergang von der Ausnehmung zum Stützelement liegen.
Der Stapellängsachsstabilisator kann eine Gleitkontaktfläche umfassen. Die vom Stapellängsachsstabilisator umfasste Gleitkontaktfläche kann eine Oberfläche des Stützelements sein, bevorzugt eine am Stützelement gegenüber eines Ausnehmungsrandbereichs liegende Oberfläche des Stützelements.
Die Gleitkontaktfläche kann an einer Widerlagerkontaktfläche anliegen. Die Widerlagerkontaktfläche kann z.B. eine Innenoberfläche einer Stapeleinhausung sein. Die Widerlagerkontaktfläche definiert dann zusammen mit der Gleitkontaktfläche einen parallel zur Stapellängsachse verlaufenden Gleitkontaktbereich .
Der konvexe Bereich der Bipolarplatte kann kraftschlüssig und/oder formschlüssig in der Ausnehmung angeordnet sein.
Der die Ausnehmung umfassende Stapellängsachsstabilisator kann ein Kunststoffteil sein. Das Kunststoffteil kann bevorzugt aus einem durch Spritzguss formbaren Kunststoff gebildet sein. Der Stapellängsachsstabilisator kann z.B. durch Umspritzen des konvexen Bereichs der Bipolarplatte mit einem Kunststoff gebildet sein.
Der Stapellängsachsstabilisator kann mit dem konvexen Bereich der Bipolarplatte über eine Hinterschneidung verbunden sein. In dem konvexen Bereich kann die Bipolarplatte z.B. eine Vertiefung aufweisen. In die Vertiefung kann der Stapellängsachsstabilisator eingreifen. In dem konvexen Bereich kann die Bipolarplatte z.B. eine Erhöhung aufweisen. Der Stapellängsachsstabilisator kann sich um die Erhöhung erstrecken.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch eine Bipolarplatte für einen Brennstoffzellenstapel gelöst, wobei die Bipolarplatte einen konvexen Bereich und einen Stapellängsachsstabilisator umfasst, z.B. ein Plattenvorsprungbereich, bevorzugt ein Plattenvorsprungbereich in Form einer Lasche, wobei sich der konvexe Bereich der Bipolarplatte in eine Ausnehmung des Stapellängsachsstabilisators erstreckt.
Selbstverständlich kann der von dieser erfindungsgemäßen Bipolarplatte umfasste Stapellängsachsstabilisator und der konvexe Bereich der Bipolarplatte diejenigen Merkmale aufweisen, die hierin dazu beschrieben sind. Insbesondere können die obigen Merkmale der Ausnehmung, von Ausnehmungsrandbereichen, des Stützbereichs, der Gleitkontaktfläche sowie zur Art der Anordnung des konvexen Bereichs in der Ausnehmung, zum Material des die Ausnehmung umfassende Stapellängsachsstabilisators, zur Herstellung des die Ausnehmung umfassende Stapellängsachsstabilisators, zur Verbindung über die Hinterschneidung auch Merkmale der zugehörigen erfindungsgemäßen Bipolarplatte sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere für ein Fortbewegungsmittel, gelöst, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung Folgendes umfasst: einen Brennstoffzellenstapel und ein Zellaufhängungselement, das eine Zelle des Brennstoffzellenstapels unmittelbar oder mittelbar mit einem Widerlager verbindet. Das Zellaufhängungselement kann an einem Bauteil der Zelle angeordnet oder ausgebildet sein. Dann verbindet das Zellaufhängungselement die Zelle unmittelbar mit dem Widerlager. Ein Beispiel für ein solches Bauteil ist ein Zellrahmenelement, das einem Zellrahmen einer einzelnen Zelle angehört. Ein weiteres Beispiel für eine solches Bauteil ist eine Dichtung zur Abdichtung einer Zelle.
Das Zellaufhängungselement kann aber auch an einem anderen Bauteil des Brennstoffzellenstapels angeordnet oder ausgebildet sein, z.B. an einem Bauteil des Brennstoffzellenstapels, das sich über mehrere oder zwischen zwei Zellen erstreckt. Dann verbindet das Zellaufhängungselement die Zelle mittelbar mit dem Widerlager. Ein Beispiel für ein solches Bauteil ist eine Bipolarplatte, da diese sich zwischen zwei Zellen erstreckt. Ein weiteres Beispiel für ein solches Bauteil ist ein Zellrahmenelement, das einem mehrere Zellen einfassenden Rahmen angehört.
Soweit im Zusammenhang mit einem Zellaufhängungselement hierin auf „eine Zelle" oder „die Zelle" Bezug genommen wird, ist - wenn das Zellaufhängungselement nicht einer bestimmten Zelle zugerechnet werden kann - die zu dem Zellaufhängungselement nächste Zelle oder eine beliebige von zwei zu dem Zellaufhängungselement nächsten Zellen gemeint.
Bevorzugt ist das Zellaufhängungselement an einem Zellrahmenelement ausgebildet. Das Zellrahmenelement kann einem Zellrahmen einer Zelle oder auch einem mehrere Zellen einfassenden Rahmen angehören.
Erfindungsgemäß verbindet das Zellaufhängungselement die Zelle mit dem Widerlager. Das Wort „verbindet" bezieht sich in diesem Zusammenhang typischerweise auf ein mechanisches Verbinden.
Im Allgemeinen verbindet das Zellaufhängungselement die Zelle mit dem Widerlager so, dass die Zelle unmittelbar oder mittelbar am Widerlager gelagert ist, die Zelle unmittelbar oder mittelbar mechanisch mit dem Widerlager gekoppelt und/oder die Bewegungsfreiheit der Zelle bezüglich des Widerlagers mindestens eingeschränkt ist.
Zwischen Zellaufhängungselement und Widerlager kann jede dem Fachmann bekannte Verbindung bestehen. Das Zellaufhängungselement kann die Zelle mit dem Widerlager z.B. kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig, bevorzugt kraftschlüssig und/oder formschlüssig, verbinden. Die Verbindung kann eine Hinterschneidung umfassen.
Vorteilhaft ist das Zellaufhängungselement in dem Widerlager verankert. Alternativ kann das Widerlager in dem Zellaufhängungselement verankert sein.
Das Zellaufhängungselement kann z.B. einen Kopfbereich und einen Halsbereich aufweisen. Der Kopfbereich kann über den Halsbereich an der Zelle angebracht sein.
Zur Verankerung kann am Widerlager ein Kragenbereich ausgebildet sein.
Der Kragenbereich kann z.B. so an die Abmessungen und Form von Kopfbereich und Halsbereich des Zellaufhängungselements angepasst sein, dass der Halsbereich in dem Kragenbereich zu liegen kommen kann, der Kopfbereich jedoch auf einer zellabgewandten Seite des Kragenbereichs aufliegt, so dass der Kopf nicht aus dem Kragenbereich herausrutschen kann.
Der Kopfbereich ist bevorzugt durch den sich zum Halsbereich hin erstreckenden Kragenbereich in das Widerlager aufgenommen.
Die beschriebene Ausführungsform mit Kopfbereich, Halsbereich und Kragenbereich bildet jedoch nur ein Beispiel zur Ausführung der Erfindung. Es versteht sich, dass das Zellaufhängungselement in dem Widerlager auch in anderer Weise verankert sein kann.
Das Widerlager kann z.B. eine von der Zelle abgewandte Widerlageroberfläche aufweisen. Die von der Zelle abgewandte Widerlageroberfläche kann parallel zur Stapeloberfläche verlaufen oder zur Stapeloberfläche geneigt sein. Dabei wird auf diejenige (parallel zur Stapellängsachse verlaufende) Stapeloberfläche Bezug genommen, die dem Widerlager zugewandt ist.
Das Zellaufhängungselement kann z.B. eine der Zelle zugewandte Aufhängungsoberfläche aufweisen. Die der Zelle zugewandte Aufhängungsoberfläche kann parallel zur Stapeloberfläche verlaufen oder zur Stapeloberfläche geneigt sein. Dabei wird auf diejenige parallel zur Stapellängsachse verlaufende Stapeloberfläche Bezug genommen, die dem Zellaufhängungselement zugewandt ist.
Die von der Zelle abgewandte Widerlageroberfläche kann sich in einen Bereich zwischen der Zelle und der der Zelle zugewandten Aufhängungsoberfläche erstrecken.
Das Widerlager kann eine der Zelle zugewandte Widerlageroberfläche aufweisen. Die der Zelle zugewandte Widerlageroberfläche kann parallel zur Stapeloberfläche verlaufen oder zur Stapeloberfläche geneigt sein. Dabei wird auf diejenige parallel zur Stapellängsachse verlaufende Stapeloberfläche Bezug genommen, die dem Widerlager zugewandt ist.
Außerdem weist die Zelle, z.B. das Zellrahmenelement, vorteilhaft eine von der Zelle abgewandte Aufhängungsoberfläche auf.
Die hier beschriebenen Aufhängungsoberflächen begrenzen in Wechselwirkung mit den Widerlageroberflächen die Bewegung des Zellaufhängungselements in das Widerlager hinein und aus dem Widerlager heraus. Dies wird insbesondere anhand der konkreten Ausführungsbeispiele deutlich, die in Fig. 16 bis 19 gezeigt und hierin untenstehend näher beschrieben sind.
Das Zellaufhängungselement kann die Zelle z.B. über ein Dämpfungselement mit dem Widerlager verbinden. Dies kann eine Schwingungsentkopplung bewirken. Überdies kann eine Abstützung bzw. Aufhängung des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen ohne zusätzlichen Bauraum effizient realisiert werden.
Das Dämpfungselement kann so ausgebildet und angeordnet sein, dass sich ein Abschnitt des Dämpfungselements in einen Bereich zwischen einer der Widerlageoberflächen und einer der Aufhängungsoberflächen erstreckt.
Ein Abschnitt kann sich z.B. in einen Bereich zwischen der von der Zelle abgewandten Widerlageroberfläche und der der Zelle zugewandten Aufhängungsoberfläche erstrecken. Dieser Abschnitt kann als erster Abschnitt und der Bereich als erster Bereich bezeichnet werden.
Ein Abschnitt kann sich z.B. in einen Bereich zwischen der der Zelle zugewandten Widerlageroberfläche und der von der Zelle abgewandten Aufhängungsoberfläche erstrecken. Dieser Abschnitt kann als zweiter Abschnitt und der Bereich als zweiter Bereich bezeichnet werden.
Ein besonders vorteilhaftes Dämpfungselement kann einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufweisen. Der erste Abschnitt kann sich in den ersten Bereich erstrecken. Der zweite Abschnitt kann sich in den zweiten Bereich erstrecken.
Von Stoßbewegungen des Widerlagers wird der Brennstoffzellenstapel dann besonders effizient entkoppelt, sowohl wenn der Stoß zu einer Bewegung des Widerlagers von der Zelle weg, als auch zur Zelle hin führt. Das Widerlager kann ein Gegenlager umfassen. Ein im Bereich von Widerlager und Zellaufhängungselement verbleibender Hohlraum kann mit einem Füllmaterial ganz oder teilweise ausgefüllt sein. Das Füllmaterial kann z.B. ein Harz und/oder ein Elastomer enthalten. Dies kann vorteilhaft sein, um Toleranzen zu kompensieren und um die Zelle bzw. den Zellrahmen mechanisch an dem Widerlager, z.B. der Stapeleinhausung anzubinden.
Denkbar ist eine Aufhängung eines beliebigen Anteils der Zellen des Brennstoffzellenstapels über erfindungsgemäße Zellaufhängungselemente. Es kann also z.B. nur eine einzelne Zelle des Brennstoffzellenstapels je ein angebrachtes Zellaufhängungselement aufweisen, das die Zelle mit einem Widerlager verbindet.
Dies hat den Vorteil, dass nur einzelne Zellen mit der Zellaufhängung ausgestattet werden müssen und die übrigen Zellen in konventioneller Weise gefertigt werden können. Dies kann insbesondere bei stationären Anwendungen der Brennstoffzellenvorrichtung vorteilhaft sein, wenn das Widerlager eine feste Position einnimmt und im Wesentlichen keinen Erschütterungen oder Stößen ausgesetzt ist. Dann kann eine Aufhängung des Brennstoffzellenstapels über nur wenige Zellaufhängungselemente zur Aufnahme der auftretenden Kräfte ausreichen.
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn mehrere Zellen des Brennstoffzellenstapels je ein angebrachtes Zellaufhängungselement aufweisen.
Es können mindestens 10 % der Zellen oder mindestens jede zehnte Zelle des Brennstoffzellenstapels je ein angebrachtes Zellaufhängungselement aufweisen.
Insbesondere können mindestens 20 % der Zellen oder mindestens jede fünfte Zelle des Brennstoffzellenstapels je ein angebrachtes Zellaufhängungselement aufweisen. Bevorzugt können mindestens 25 % der Zellen oder mindestens jede vierte Zelle des Brennstoffzellenstapels je ein angebrachtes Zellaufhängungselement aufweisen.
Besonders bevorzugt können mindestens 33 % der Zellen oder mindestens jede dritte Zelle des Brennstoffzellenstapels je ein angebrachtes Zellaufhängungselement aufweisen.
Ganz besonders bevorzugt können mindestens 50 % der Zellen oder mindestens jede zweite Zelle des Brennstoffzellenstapels je ein angebrachtes Zellaufhängungselement aufweisen.
Beispielsweise kann jede Zelle des Brennstoffzellenstapels je ein angebrachtes Zellaufhängungselement aufweisen.
Möglich ist beispielsweise, dass das Verhältnis der Anzahl der Zellaufhängungselemente zur Anzahl der vom Brennstoffzellenstapel umfassten Zellen 0,1 bis 10, insbesondere 0,2 bis 5, beträgt.
Je höher der Anteil der Zellen mit Zellaufhängungselement ist und/oder je größer das genannte Verhältnis ist, desto geringer sind die Kräfte, die auf einzelne Zellaufhängungselemente wirken. Ein höherer Anteil an Zellen mit Zellaufhängungselement kann es ermöglichen, einzelne Zellaufhängungselemente schwächer auszulegen. In Kenntnis der Erfindung ist es dem Fachmann möglich, die Zahl und Auslegung der Zellaufhängungselemente auf die jeweilige Anwendung der Brennstoffzellenvorrichtung abzustimmen. So können für Brennstoffzellenstapel, die aus relativ schweren Zellen aufgebaut sind und die im Betrieb relativ großen Erschütterungen ausgesetzt sind, mehr und stärker ausgelegte Zellaufhängungselemente vorteilhaft sein. Hingegen können für Brennstoffzellenstapel, die aus relativ leichten Zellen aufgebaut sind und die im Betrieb keinen oder relativ geringen Erschütterungen ausgesetzt sind, wenige schwächer ausgelegte Zellaufhängungselemente vorteilhaft sein. Die oben angegebenen, relativ hohen Anteile an Zellen mit Zellaufhängungselement machen eine mechanische Aufhängung am Widerlager auf Ebene weniger Zellen oder gar auf Einzelzellebene möglich. Gleiches gilt, wenn das oben angegebene Verhältnis 1 oder mehr beträgt.
Es kann dann ausreichen, das Zellaufhängungselement oder die Zellaufhängungselemente aus einem leicht in Form zu bringenden Material eines Zellrahmenelements oder einer Dichtung zu bilden. So ist eine Realisierung eines Zellaufhängungselements als ein am Stück mit einem Zellrahmenelement oder einer Dichtung gebildetes Zellaufhängungselement möglich, z.B. durch Guss, insbesondere durch Kunststoffspritzguss.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch ein Zellaufhängungsrahmenelement für einen Brennstoffzellenstapel, insbesondere für eine Zelle oder mehrere Zellen eines Brennstoffzellenstapels, z.B. für eine Zelle eines Brennstoffzellenstapels gelöst, wobei das Zellaufhängungsrahmenelement ein an einem Zellrahmenelement ausgebildetes Zellaufhängungselement umfasst.
Anstelle der konventionell für den Guss, z.B. Kunststoffspritzguss, von Zellrahmenelementen verwendeten Gussform kann zur Herstellung des Zellaufhängungsrahmenelements eine um Bereiche zur Bildung der Zellaufhängungselemente erweiterte Gussform eingesetzt werden.
Das Zellaufhängungsrahmenelement kann ein Kunststoffteil sein, z.B. ein Kunststoffspritzgussteil.
Es versteht sich, dass hierin im Zusammenhang mit der Brennstoffzellenvorrichtung beschriebene Merkmale des Zellaufhängungselements ebenso für das am Zellaufhängungsrahmenelement ausgebildete Zellaufhängungselement gelten können. Durch eine Erweiterung eines gespritzten Kunststoffrahmens oder einer gespritzten Dichtung, also insbesondere einer durch Kunststoffspritzguss erhältlichen Dichtung, um ein oder mehrere außenliegende Zellaufhängungselemente kann mit minimalem Aufwand eine Aufhängung einzelner oder sämtlicher Zellen des Brennstoffzellenstapels an einem oder mehreren Widerlagern bewirkt werden.
Es ist bevorzugt, wenn die Zelle oder das Zellaufhängungsrahmenelement mehrere Zellaufhängungselemente, insbesondere mindestens zwei, weiterhin bevorzugt mindestens drei, z.B. mindestens vier Zellaufhängungselemente aufweist.
Bevorzugt weist die Zelle oder das Zellaufhängungsrahmenelement höchstens 32, insbesondere höchstens 24, weiterhin bevorzugt höchstens 20, z.B. höchstens 16, Zellaufhängungselemente auf.
Liegt die Zahl der Zellaufhängungselemente innerhalb dieser Grenzen, hält die Zellaufhängung insgesamt den üblichen, z.B. mit Stößen und Erschütterungen im Fährbetrieb verbundenen mechanischen Belastungen in der Regel problemlos Stand.
Bei einer bevorzugten Brennstoffzellenvorrichtung können mehrere Zellen je mehrere Zellaufhängungselemente aufweisen.
Bevorzugt sind die Zellaufhängungselemente in unterschiedliche Richtungen orientiert. Als eine Richtung wir dabei ein durch eine Stapeloberfläche des Brennstoffzellenstapels vorgegebene Richtung angesehen. Bei einem Brennstoffzellenstapel mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt, können Zellaufhängungselemente also in bis zu vier Richtungen orientiert sein.
Besonders bevorzugt sind mindestens zwei Zellaufhängungselemente in gegenüberliegende Richtungen orientiert. Ganz besonders bevorzugt sind mindestens drei Zellaufhängungselemente in drei unterschiedliche Richtungen orientiert. Dies kann die Möglichkeit einer Aufhängung an einem oberhalb eines Brennstoffzellenstapels angeordnetem Widerlager und zugleich an seitlich auf beiden Seiten des Brennstoffzellenstapels angeordneten Widerlagern schaffen.
Es können z.B. vier Zellaufhängungselemente in vier unterschiedliche Richtungen orientiert sein. Dies kann die zusätzliche Möglichkeit einer mechanischen Anbindung des Brennstoffzellenstapels an ein unterhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnetes Widerlager bieten, so dass auch kurzzeitig nach oben wirkende Kräfte, die etwa beim Überfahren von Bremsschwellen auftreten können, aufgenommen werden können. Unter einer Bremsschwelle wird insbesondere eine quer zur Fahrtrichtung angeordnete bauliche Erhebung auf der Fahrbahn angesehen, die zu einer Geschwindigkeitsdämpfung führt und damit zur Verkehrsberuhigung beitragen soll.
Das Widerlager kann in beliebiger Form gebildet sein. Es kann sich z.B. um einen Schlitz in einer Stapeleinhausung handeln.
Das Widerlager kann bevorzugt ein Aufhängungsgegenelement umfassen. Das Aufhängungsgegenelement kann z.B. so an das Zellaufhängungselement angepasst sein, dass das Zellaufhängungselement die Zelle mit dem Widerlager über das Aufhängungsgegenelement kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbinden kann.
Das Aufhängungsgegenelement kann z.B. an einer Stapeleinhausung angeordnet sein.
So kann das Aufhängungsgegenelement z.B. ein Profilschienenelement sein. Das Aufhängungsgegenelement oder das Profilschienenelement kann z.B. die von der Zelle abgewandte Widerlageroberfläche aufweisen. Das Aufhängungsgegenelement oder das Profilschienenelement kann einen Schenkel umfassen, der sich orthogonal zur nächstgelegenen Stapeloberfläche erstreckt.
Das Aufhängungsgegenelement oder das Profilschienenelement kann einen Schenkel umfassen, der die von der Zelle abgewandte Widerlageroberfläche aufweist. Der Schenkel kann sich parallel zur nächstgelegenen Stapeloberfläche erstrecken.
Der am Widerlager ausgebildete Kragenbereich kann durch zwei sich parallel zur nächstgelegenen Stapeloberfläche erstreckende Schenkel gebildet sein.
Bestimmte Profilschienenelemente können einen L-förmigen Profilquerschnitt aufweisen.
Der Bereich zwischen Brennstoffzellenstapel und Stapeleinhausung kann in mehrere Kanalabschnitte aufgeteilt sein. Dabei können z.B. die hier beschriebenen Zellaufhängungselemente zwischen benachbarten Kanalabschnitten liegen.
Genauso können jedoch stattdessen oder zusätzlich andere hierin beschriebene Elemente, z.B. ein Zellankerstabilisator oder ein Stapellängsachsstabilisator zwischen benachbarten Kanalabschnitten liegen, z.B. ein Stapellängsachsstabilisator mit Stützbereich und Fixierungsbereich.
Dies bietet neben dem Zellaufhängungs-, Zellankerstabilisations- und/oder Stapellängsachsstabilisationseffekt Synergien insbesondere im Hinblick auf den Explosionsschutz der Brennstoffzellenvorrichtung.
Zur Realisierung eines Explosionsschutzes bei Brennstoffzellenvorrichtungen werden häufig Belüftungen eingesetzt. Hier wird die Stapeleinhausung bzw. das Brennstoffzellengehäuse gezielt mit Luft durchströmt und dadurch mögliche auftretende H2-Leckagen in eine unkritischen Gemischzusammensetzung vermischt. Um die Bildung von Totwassergebieten/Gebieten schlechter Vermischung zu vermeiden, können bei konventionellen Brennstoffzellenvorrichtungen Luftleitbleche bzw. Strömungsführungen notwendig sein. Dies bedarf je nach Situation Zusatzelemente, welche kostenintensiv hergestellt und verbaut werden müssen. Denn Luftleitbleche sind teuer und müssen montiert werden. Die Positionen der Ein- und Ausgänge der Belüftung sind nicht frei wählbar, Ein- und Ausgänge müssen dort positioniert werden, wo es strömungstechnisch/belüftungstechnisch sinnvoll ist. Schlechten Vermischungen/Strömungsführungen kann mit höheren Belüftungsvolumenströmen entgegengewirkt werden, jedoch auf Kosten des System Wirkungsgrads.
Wie erwähnt, können die hierin beschriebenen Zellaufhängungselemente und/oder ein hierin beschriebener Zellankerstabilisator oder ein hierin beschriebener Stapellängsachsstabilisator zwischen den benachbarten Kanalabschnitten liegen. Diese Kanalabschnitte können einen Teil eines Belüftungssystems bilden, das dem Explosionsschutz der Brennstoffzellenvorrichtung dient. Das Belüftungssystem kann z.B. mindestens eine Öffnung der Brennstoffzellenvorrichtung zur Zufuhr von Belüftungsluft mit einem Auslass der Brennstoffzellenvorrichtung zur Abfuhr von Belüftungsluft verbinden.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich dabei dadurch, dass ein zwischen den Kanalabschnitten liegendes Zellaufhängungselement und/oder Zellankerstabilisator und/oder Stapellängsachsstabilisator ein für die Belüftung andernfalls erforderliches Luftleitblech mindestens teilweise ersetzen können.
Wenn ein hoher Anteil der Zellen, z.B. mindestens 10%, bevorzugt mindestens 20%, weiterhin bevorzugt mindestens 25%, besonders bevorzugt mindestens 33 %, ganz besonders bevorzugt mindestens 50% der Zellen je mindestens ein angebrachtes Zellaufhängungselement und/oder einen Stapellängsachsstabilisator aufweisen, können Luftleitbleche entbehrlich sein und trotzdem eine sehr gute Belüftung der Brennstoffzellenvorrichtung erreicht werden.
Die Kanalabschnitte können ganz oder teilweise durch die Zellaufhängungselemente definiert sein.
Die Kanalabschnitte können ganz oder teilweise durch die Zellaufhängungselemente und/oder mindestens einen Zellankerstabilisator definiert sein.
Die Kanalabschnitte können ganz oder teilweise durch die Zellaufhängungselemente und/oder mindestens einen Stapellängsachsstabilisator (z.B. in einer der Ausführungsformen mit Stützbereich und Fixierungsbereich) definiert sein.
Ein Kanalabschnitt kann z.B. längs zur Stapellängsachse durch Zellaufhängungselemente und quer zur Stapellängsachse durch mindestens einen Zellankerstabilisator oder einen Stapellängsachsstabilisator begrenzt sein.
Die Definition von Kanalabschnitten ganz oder teilweise durch Zellaufhängungselemente kann eine wirkungsgradeffiziente Belüftung eines Brennstoffzellengehäuses ohne Zusatzkomponenten ermöglichen und auch eine geometrisch flexiblere Gestaltung und Positionierung des Ein- und Auslasses der Belüftung ermöglichen.
Parallel zueinander und zur Stapellängsachse verlaufende Kanalabschnitte können auf ein oder mehreren Stapeloberflächen verlaufen. Die Enden jeweils zwei benachbarter Kanalabschnitte können je an einem Ende einer Stapeloberfläche ineinander übergehen. Z.B kann dadurch ein mäanderförmig um den Brennstoffzellenstapel geführter Belüftungskanal ausgebildet sein. So ergibt sich die Möglichkeit, den Einlass und den Auslass des Belüftungskanals an der Brennstoffzellenvorrichtung nahe beieinander auszubilden. Ein weiterer Vorteil der definierten Kanalabschnitte ist die räumliche Einschränkung der Flammenfront im Fehlerfall und dadurch eine Verringerung der schädlichen Auswirkungen einer auftretenden Gemischzündung.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch eine Brennstoffzellenvorrichtung gelöst, die ein oder mehrere Sensorelemente zur Erfassung einer Kraft und/oder einer auf die Einwirkung der Kraft zurückzuführenden Veränderung der Brennstoffzellenvorrichtung umfasst.
Insbesondere können sämtliche hierin beschriebenen Brennstoffzellenvorrichtungen ein oder mehrere Sensorelement zur Erfassung einer Kraft und/oder einer auf die Einwirkung der Kraft zurückzuführenden Veränderung der Brennstoffzellenvorrichtung umfassen.
Die ein oder mehreren Sensorelemente können zur Dehnungsmessung, zur Spannungsmessung oder zur Wegmessung ausgelegt sein. Solche Sensorelemente sind dem Fachmann bekannt. Es kann sich z.B. je um ein piezoelektrisches oder elektromagnetisches Sensorelement handeln.
Durch das Sensorelement / die Sensorelemente ergeben sich Vorteile, z.B. ein Erkennen kritischer Zustände des Verspannsystems. Etwa eine Unter- schreitung der Mindestverspannkraft oder eine Überschreitung der Maximalverspannkraft, die Erkennung einer Verkippung, das Erkennen einer Biegung entlang der Stapellängsachse etc. Ferner ergibt sich eine Möglichkeit zum Ableiten nötiger Maßnahmen, z.B. von Betriebszuständen, Serviceanforderungen, etc.
Mindestens ein Sensorelement kann Daten an ein Datenauswertungssystem übertragen. Das Datenauswertungssystem kann konfiguriert sein, um einen Soll-Wert mit einem gemessenen Ist-Wert abzugleichen. Es kann ferner konfiguriert sein, gegebenenfalls einen Hinweis auszugeben, falls der Ist-Wert vom Soll-Wert abweicht oder falls der Ist-Wert zu weit vom Soll-Wert abweicht. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere für ein Fortbewegungsmittel, gelöst, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung Folgendes umfasst: ein Zugankerelement; über das Zugankerelement verbundene Zugverspannelemente, z.B.
Zugankerplatten, und einen Zugankerstabilisator, der zwischen den Zugverspannelementen mit dem Zugankerelement in Kontakt steht.
Selbstverständlich kann die Brennstoffzellenvorrichtung ein oder mehrere Zugankerelemente umfassen, z.B. mindestens zwei, bevorzugt mindestens vier, besonders bevorzugt mindestens sechs Zugankerelemente.
Ebenso selbstverständlich kann die Brennstoffzellenvorrichtung ein oder mehrere Zugankerstabilisatoren umfassen.
Die Zugankerelemente eines Brennstoffzellen-Stacks können bei Resonanz große Biegeschwingungs-Amplituden erfahren und gegebenenfalls brechen. Der Kontakt des Zugankerstabilisators unterdrückt bzw. dämpft Biegeschwingungen des Zugankerelements mindestens teilweise. Folglich wird das Risiko eines Bruchs des Zugankerelements verringert.
Im Vergleich zu anderen technischen Lösungen, etwa Zuganker mit größerem Durchmesser, oder Spannbänder an Stelle von Zugankerelementen, lässt sich die Erfindung auf besonders einfache Weise in übliche, mit Zugankerelementen verspannten Brennstoffzellenvorrichtungen, integrieren.
Eine Vergrößerung des Durchmessers der Zugankerelemente oder die Verwendung von Spannbändern an Stelle von Zugankerelementen würden einen beträchtlichen Anpassungsaufwand auch an anderen Bauteilen der Brennstoffzellenvorrichtung mit sich bringen. Dieser lässt sich durch die Erfindung vermeiden. Als Zugankerelement kommt jedes Bauteil in Betracht, mit dem sich ein Brennstoffzellenstapel mit Hilfe von Zugverspannelementen, z.B. Zugankerplatten, einspannen lässt. Es kann sich z.B. um einen zu diesem Zweck allgemein üblichen Zuganker handeln.
Das Zugankerelement kann z.B. auch ein hierin an anderer Stelle beschriebenes Zugankerschienenelement sein.
Erfindungsgemäß steht der Zugankerstabilisator zwischen den Zugverspannelementen, z.B. Zugankerplatten, mit dem Zugankerelement in Kontakt. Der Kontakt kann auf beliebige Weise hergestellt sein.
Mit dem Begriff Zugverspannelement ist insbesondere eine Zugankerplatte gemeint. Der Begriff Zugverspannelement ist hierauf jedoch nicht begrenzt, da die Zugverspannfunktion einer Zugankerplatte z.B. auch durch die Wand einer Stapeleinhausung erfüllt werden kann.
Der Begriff Zugankerplatte ist funktionell zu verstehen. Jedes an ein Zugankerelement angebundenes Bauteil einer Brennstoffzellenvorrichtung über das eine Zugspannung des Zugankerelements auf einen Brennstoffzellenstapel direkt oder indirekt übertragen werden kann, ist eine Zugankerplatte. Denkbar wäre z.B. auch eine hinreichend verwindungssteife, im Wesentlichen gitterförmige Platte. Indirekt kann die Zugspannung z.B. mit Hilfe eines Federelements übertragen werden, wie in Fig. 15 beispielhaft dargestellt. Auch können zwischen Zugankerplatte und Brennstoffzellenstapel z.B. Druckverteilerplatten oder Krafteinleitungsplatten angeordnet sein.
Entscheidend ist im Hinblick auf die dämpfende Wirkung auf eine Biegeschwingung, dass der Kontakt zum Zugankerelement überhaupt besteht. Eine mit der Biegeschwingung einhergehende Auslenkung des Zugankerelements an der Stelle, an der der Zugankerstabilisator mit dem Zugankerelement in Kontakt steht, wird allein durch den Kontakt zum Zugankerstabilisator erschwert. Der Kontakt zwischen Zugankerstabilisator und Zugankerelement kann formschlüssig, kraftschlüssig, und/oder stoffschlüssig sein. Bevorzug ist er formschlüssig und/oder kraftschlüssig.
Bevorzugt weist der Zugankerstabilisator ein Zugankeranbindungselement auf.
Ein besonders bevorzugtes Zugankeranbindungselement ist an die Form des Zugankers angepasst.
Das Zugankeranbindungselement kann z.B. ein Schnappverbindungselement sein. Das Zugankerelement kann dann in das Schnappverbindungselement aufgenommen sein.
Das Schnappverbindungselement kann zwei Greifelemente aufweisen. Die Greifelemente können einen Aufnahmebereich bilden, der an die Form des Zugankerelements angepasst ist. Bei einem stabförmigen Zugankerelement mit rundem Querschnitt ist der Aufnahmebereich bevorzugt rund. Der Innendurchmesser des runden Aufnahmebereichs kann dann an den Außendurchmesser des stabförmigen Zugankerelements angepasst sein.
Die Greifelemente können eine sich verjüngende Aufnahme für das Zugankerelement definieren. Dabei kann sich mindestens ein Greifelement beim Anbringen des Zugankerstabilisators am Zugankerelement elastisch verformen und kann sich lösbar oder unlösbar, bevorzugt lösbar, am Zugankerelement verhaken. Ein derartiges elastisches Verformen eines Fügeteils ist bei Schnappverbindungen üblich.
Der Zugankerstabilisator kann ein Anbindungssicherungselement aufweisen. Hierbei kann es sich um ein beliebig ausgestaltetes Element handeln, mit dem sich ein im Zugankeranbindungselement angebundener Zugankerstabilisator im Zugankeranbindungselement sichern lässt. Das Anbindungssicherungselement kann z.B. eine Vertiefung oder eine Öffnung sein, über die/das sich der Zugankerstabilisator (z.B. mit einem Band oder einem Kabelbinder) am Zugankerelement befestigen lässt.
Typischerweise steht der Zugankerstabilisator auch mit mindestens einem weiteren Bauteil der Brennstoffzellenvorrichtung in Kontakt. Der Kontakt zu dem weiteren Bauteil kann auf beliebige Weise hergestellt sein. Eine Biegeschwingungsamplitude des Zugankerelements im Kontaktbereich zum Zugankerstabilisator kann dann stärker gedämpft werden. Zusätzlich kann die Biegeschwingungsamplitude auch durch das ebenfalls in Kontakt zum Zugankerstabilisator stehende, andere Bauteil gedämpft werden.
Das mindestens eine weitere Bauteil kann z.B. unter einem weiteren Zugankerelement (oder mehreren weiteren Zugankerelementen), einer in den Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzellenvorrichtung eingefügten Zwischenplatte (oder mehreren in den Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzellenvorrichtung eingefügten Zwischenplatten) und einer Stapeleinhausung ausgewählt sein.
Es ragt bevorzugt ein mit dem Zugankerelement in Kontakt stehender Teil der Zwischenplatte aus der Stapeloberfläche heraus.
Der Zugankerstabilisator kann insbesondere ein weiteres Anbindungselement aufweisen. Das weitere Anbindungselement kann z.B. ein weiteres Zugankeranbindungselement oder ein Zwischenplattenanbindungselement sein.
Dies kann auf besonders einfache Weise ein Verbrücken des Zugankerelements über den Zugankerstabilisator mit dem anderen Bauteil ermöglichen. Eine Minderung der Biegeschwingungsamplitude auch durch das ebenfalls in Kontakt zum Zugankerstabilisator stehende, andere Bauteil, wird mit minimalem Aufwand erreicht. Die Brennstoffzellenvorrichtung kann z.B. umfassen: mehrere Zugankerelemente, über die Zugankerelemente verbundene Zugverspannelemente, z.B. Zugankerplatten, wobei der Zugankerstabilisator zwischen den Zugverspannelementen mit mehreren Zugankerelementen in Kontakt steht. Der Zugankerstabilisator kann vorteilhaft über Zugankeranbindungselemente, insbesondere über Schnappverbindungselemente mit den Zugankerelementen in Kontakt stehen. Dies hat den Vorteil, dass der Zugankerstabilisator dann ganz einfach an die Zugankerelemente geclipst werden kann.
Vorteilhafte Zugankerstabilisatoren weisen mehrere Zugankeranbindungselemente und einen Stabilisatorstrebenbereich auf, wobei der Stabilisatorstrebenbereich sich von Zugankeranbindungselement zu Zugankeranbindungselement erstreckt.
Zwei Zugankeranbindungselemente können so ausgerichtet sein, dass der Zugankerstabilisator in Stapellängsrichtung zueinander versetzte Bereiche zweier Zuganker miteinander verbindet. Die beiden miteinander verbundenen Bereiche schwingen aufgrund des Versatzes nicht gleichphasig und mit derselben Amplitude. Es ergibt sich also der besondere Vorteil, dass eine wirksame Dämpfung von Biegeschwingungen auch dann erreicht wird, wenn beide Zuganker gleichphasig angeregt werden oder schwingen.
Eine Verbindung von derartig zueinander versetzten Bereichen zweier Zuganker wird z.B. dann erreicht, wenn mehrere Zugankeranbindungselemente mit den Ecken eines Dreiecks oder eines Vierecks zusammenfallen.
Der Zugankerstabilisator kann z.B. mindestens drei Zugankeranbindungselemente aufweisen, wobei mindestens drei der Zugankeranbindungselemente mit den Ecken eines Dreiecks, bevorzug eines rechtwinkligen Dreiecks, zusammenfallen. Es ist dann vorteilhaft, wenn der Zugankerstabilisator mehrere Stabilisatorstrebenbereiche aufweist, die sich entlang von mindestens zwei, bevorzugt von drei Seiten des Dreiecks von Zugankeranbindungselement zu Zugankeranbindungselement erstrecken. Der Zugankerstabilisator kann z.B. mindestens vier Zugankeranbindungselemente aufweisen, wobei mindestens vier der Zugankeranbindungselemente mit den Ecken eines Vierecks, bevorzugt eines Rechtecks, zusammenfallen. Es ist dann vorteilhaft, wenn der Zugankerstabilisator mehrere Stabilisatorstrebenbereiche aufweist, die sich entlang von mindestens drei, bevorzugt von vier Seiten des Vierecks von Zugankeranbindungselement zu Zugankeranbindungselement erstrecken.
Der Zugankerstabilisator kann vorteilhaft einen zur Stapellängsachse geneigt verlaufende Stabilisatorstrebenbereich aufweisen. Besonders vorteilhaft weist er mehrere gegensinnig zur Stapellängsachse geneigte Stabilisatorstrebenbereiche auf.
Er kann z.B. einen Gitterbereich umfassen. Der Gitterbereich kann Stabilisatorstrebenbereiche umfassen, die in mindestens zwei unterschiedliche Richtungen verlaufen und sich kreuzen.
Der Gitterbereich kann z.B. mehrere parallel zueinander und zur Stapellängsachse geneigt verlaufende Stabilisatorstrebenbereiche aufweisen. Besonders vorteilhaft weist er zusätzlich mehrere parallel zueinander und gegensinnig zur Stapellängsachse geneigt verlaufende Stabilisatorstrebenbereiche auf.
Der Zugankerstabilisator kann zusätzlich in Kontakt zu einem Zugverspannelement, z.B. einer Zugankerplatte, stehen. Er kann auch in Kontakt zu einem weiteren Zugverspannelement, z.B. einer weiteren Zugankerplatte, stehen. Dies schafft eine einfache Möglichkeit, den Zugankerstabilisator an einem Verrutschen entlang der Zugankerelemente zu hindern.
Der Zugankerstabilisator kann ein Zwischenplattenanbindungselement aufweisen. Der Zugankerstabilisator kann z.B. ein Zugankeranbindungselement und ein Zwischenplattenanbindungselement aufweisen. Es kann ein Zugankerelement in das Zugankeranbindungselement aufgenommen sein. Ferner kann ein mit dem Zugankerstabilisator in Kontakt stehender Teil einer Zwischenplatte in das Zwischenplattenanbindungselement aufgenommen sein.
Die Zwischenplatte kann in den Brennstoffzellenstapel aufgenommen sein.
So ergibt sich zwischen den Zugverspannelementen, z.B. Zugankerplatten, eine weitere Lagerung des Zugankerelements. Dadurch kann eine (weitere) Minderung von Biegungsschwingungen des Zugankerelements bewirkt werden.
Das Zwischenplattenanbindungselement kann jeder Form haben, die sich zur Anbindung an eine Zwischenplatte eignet. Bevorzugt ist das Zwischenplattenanbindungselement ein Schnappverbindungselement.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch die Verwendung eines Verbindungselements aufweisend zwei Zugankeranbindungselemente oder ein Zugankeranbindungselement und ein Zwischenplattenanbindungselement als Zugankerstabilisator einer Brennstoffzellenvorrichtung.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch einen Zugankerstabilisator für eine Brennstoffzelle, aufweisend: zwei Zugankeranbindungselemente oder ein Zugankeranbindungselement und ein Zwischenplattenanbindungselement.
Selbstverständlich kann das Verbindungselement und der Zugankerstabilisator mehr Zugankeranbindungselemente und/oder Zwischenplattenanbindungselemente aufweisen, als dazu hier im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verwendung und dem erfindungsgemäßen Zugankerstabilisator explizit genannt sind.
Das Zwischenplattenanbindungselement kann zur Achse des Zugankeranbindungselements orthogonal ausgerichtet sein. Die Achse des Zugankeranbindungselements fällt mit der Achse des Zugankerelements zusammen, das über das Zugankeranbindungselement angebunden werden kann. Die orthogonale Ausrichtung ist bevorzugt, wenn die Zwischenplatte eben ist.
Konkrete Ausgestaltungsmöglichkeiten des Zugankerstabilisators wurden im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben. Sie gelten selbstverständlich auch für den hier angesprochenen, erfindungsgemäßen Zugankerstabilisator und die hier angesprochene erfindungsgemäße Verwendung des Verbindungselements, dessen Aufbau dem Zugankerstabilisator entsprechen kann.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Zwischenplatte für einen Brennstoffzellenstapel, wobei ein Rand der Zwischenplatte einen durch zwei konvexe Randbereiche flankierten konkaven Randbereich zur Aufnahme eines Zugankerelements aufweist und an mindestens einem konvexen Randbereich ein Rastelement, z.B. einen Rastkopf, zur Anbindung eines Zwischenplattenanbindungselement eines Zugankerstabilisators ausgebildet ist.
Die Zwischenplatte kann mit einem Zugankerstabilisator für eine Brennstoffzelle verbunden sein, der ein Zugankeranbindungselement und ein Zwischenplattenanbindungselement aufweist. Das Zwischenplattenanbindungselement kann zur Achse des Zugankeranbindungselements orthogonal ausgerichtet sein. Die Zwischenplatte kann mit dem Zugankerstabilisator über eine Schnappverbindung verbunden sein, wobei z.B. das Zwischenplattenanbindungselement am Restelement, z.B. an einem an den Rastkopf angrenzenden, konvexen Randbereich der Zwischenplatte, angeordnet ist.
Merkmale der Erfindung, die in Verbindung mit einem Gegenstand der Erfindung beschrieben sind, also z.B. in Verbindung mit einer bestimmten erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung können auch für eine andere hierin beschriebene erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung gelten.
So betrifft die Erfindung auch eine Brennstoffzellenvorrichtung die einen Stapellängsachsstabilisator und ein Zellaufhängungselement umfasst.
So betrifft die Erfindung auch eine Brennstoffzellenvorrichtung die einen Stapellängsachsstabilisator und einen Zugankerstabilisator umfasst.
Ferner betrifft die Erfindung auch eine Brennstoffzellenvorrichtung die ein Zellaufhängungselement und einen Zugankerstabilisator umfasst.
Außerdem betrifft die Erfindung auch eine Brennstoffzellenvorrichtung die einen Stapellängsachsstabilisator, ein Zellaufhängungselement und einen Zugankerstabilisator umfasst.
Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 und 2 schematisch das Problem einer Biegung eines Brennstoffzellenstapels;
Fig. 3 eine Zwischenplatte zur Stapellängsachsstabilisation; Fig. 4 Verbindungselemente;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer
Brennstoffzellenvorrichtung mit Zwischenplatte;
Fig. 6 eine Detailansicht des Aufbaus eines Brennstoffzellenstapels mit Zwischenplatte;
Fig. 7 einen Träger mit Gleitstützelement;
Fig. 8 einen Träger mit Gleitstützelementen;
Fig. 9 eine andere Ansicht des Trägers aus Fig. 8;
Fig. 10 eine Stabilisierung entlang der Stapellängsachse über einen konkaven Bereich einer Stapeloberfläche;
Fig. 11 eine Brennstoffzellenvorrichtung mit Stützkissenelementen;
Fig. 12 eine weitere Brennstoffzellenvorrichtung mit Stützkissenelementen ;
Fig. 13 eine Brennstoffzellenvorrichtung mit Schüttmaterial;
Fig. 14 eine Brennstoffzellenvorrichtung mit Formkörpern;
Fig. 15 einen Brennstoffzellenstapel mit Stellen zur Anbringung von Sensorelementen;
Fig. 16 eine Brennstoffzellenstapel bei dem die Zelle über zwei Zellaufhängungselemente mit Widerlagern verbunden sind; Fig. 17 eine Brennstoffzellenstapel bei dem die Zelle über acht Zellaufhängungselemente mit Widerlagern verbunden sind;
Fig. 18 ein Ausführungsform eines Zellaufhängungselements mit Widerlager und Dämpfungselement;
Fig. 19 ein weitere Ausführungsform eines Zellaufhängungselements mit Widerlager, Dämpfungselement und Gegenlager;
Fig. 20 einen Brennstoffzellenstapel mit Zugankerstabilisatoren;
Fig. 21 eine andere Ansicht des Brennstoffzellenstapels aus Fig. 20;
Fig. 22 einen Brennstoffzellenstapel mit Zugankerstabilisatoren;
Fig. 23 eine andere Ansicht des Brennstoffzellenstapels aus Fig. 22;
Fig. 24 einen Zugankerstabilisator;
Fig. 25 eine andere Ansicht des Zugankerstabilisators aus Fig. 24;
Fig. 26 einen weiteren Zugankerstabilisator;
Fig. 27 einen Brennstoffzellenstapel mit Zugankerstabilisatoren;
Fig. 28 eine andere Ansicht des Brennstoffzellenstapels aus Fig. 7,'
Fig. 29 eine andere Ansicht des Brennstoffzellenstapels aus Fig. 27 und
28 mit Blick auf eine Bipolarplatte;
Fig. 30 eine Zwischenplatte mit Zugankerstabilisatoren;
Fig. 31 einen vergrößerten Ausschnitt XXXI der Fig. 30; Fig. 32-35 Brennstoffzellenstapel mit Stapellängsachsstabilisation über Stützelemente und Gegenelemente;
Fig. 36 einen Querschnitt zweier Bipolarplatten mit einstückiger Dichtungs-Stabilisator- Einheit;
Fig. 37 einen Querschnitt zweier Bipolarplatten mit Dichtung und Stapellängsachsstabilisator;
Fig. 38-40 Querschnitte zweier Metall-Bipolarplatten mit einstückiger Dichtungs-Stabilisator- Einheit;
Fig. 41 einen Querschnitt einer Bipolarplatte bei der eine Gleitkontaktfläche durch eine Randstützfläche gebildet ist; und
Fig. 42 eine schematische Darstellung eines in eine Ausnehmung eines Stapel längsachsstabilisators aufgenommenen Plattenvorsprungbereichs.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 und 2 zeigen eine stark vereinfacht dargestellte Brennstoffzellenvorrichtung 300, die einen Brennstoffzellenstapel 100 umfasst. Die gestrichelte Linie zeigt eine Stapellängsachse des Brennstoffzellenstapels.
Insbesondere wenn die Brennstoffzellenvorrichtung 300 in einem Fortbewegungsmittel, z.B. in einem Kraftfahrzeug verbaut ist, kann sie Stößen und Erschütterungen ausgesetzt sein.
Die Stöße und Erschütterungen können dazu führen, dass der
Brennstoffzellenstapel dazu neigt, sich entlang der Stapellängsachse zu biegen. Eine Biegung der Stapellängsachse ist in Fig. 1 schematisch dargestellt.
Je nachdem, ob die Zellen im Brennstoffzellenstapel in dem Fortbewegungsmittel in horizontal liegender oder in vertikal stehender Richtung verbaut sind, kann sich die Biegung des Brennstoffzellenstapels 100 entlang der Stapellängsachse insbesondere in Folge von horizontalen Beschleunigungen, etwa beim Bremsen, Beschleunigen und/oder Kurvenfahrt ergeben, oder in Folge von vertikalen Beschleunigungen, etwa beim Überfahren von Schlaglöchern.
Die ungewünschte Biegung des Brennstoffzellenstapels 100 entlang der Stapellängsachse kann auch dadurch begünstigt sein, dass im Brennstoffzellenstapel 100 aufeinanderfolgende Reaktionszonen jeweils durch Dichtungen 108 (vgl. Fig. 6) abgedichtet sind. Die Dichtungsmaterialien haben auch im eingespannten Zustand eine restliche Komprimierbarkeit, so dass die Biegungssteifigkeit des Brennstoffzellenstapels 100 entlang der Stapellängsachse relativ gering ist. Dies wird z.B. aus Fig. 6 verständlich, die zeigt, dass Dichtungen 108 im Allgemeinen am Rand zwischen den Bipolarplatten 104 liegen.
Fig. 3-6 illustrieren Ausführungsformen zur Stabilisierung der Stapellängsachse mittels Zwischenplatte 110. Ein grundlegender Aufbau ist in Fig. 5 gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 300 umfasst einen Stapellängsachs- stabilisator. Der Stapellängsachsstabilisator umfasst bei der hier gezeigten Ausführungsform eine in den Brennstoffzellenstapel 100 eingefügte Zwischenplatte 110. Die Zwischenplatte 110 unterteil den Brennstoffzellenstapel 100 in zwei Brennstoffzellenstapel-Abschnitte 102.
In Fig. 5 ist gut zu erkennen, dass ein Teil der Zwischenplatte 110 aus der Stapeloberfläche herausragt und damit zwischen einer parallel zur Stapellängsachse verlaufenden Stapeloberfläche des Brennstoffzellenstapels 100 und einem Widerlager angeordnet ist. Fig. 5 zeigt außerdem ein Anbindung bzw. Abstützung des aus der Stapeloberfläche herausragenden Teils der Zwischenplatte über ein Verbindungselement 111 am Gehäuse oder am Systemrahmen.
Die Anbindung umfasst eine gleitende Lagerung. Verbindungselement 111 ist an dem Widerlager über das justierbares Widerlagerelement 119 gleitend gelagert.
Eine Montage des Brennstoffzellenstapels wird durch eine Überführung des justierbaren Widerlagerelements 119 von einer ersten Position in eine zweite Position erleichtert.
Eine Oberfläche des Widerlagerelements 119 bildet eine Widerlagerkontaktfläche 123 sein. Eine Oberfläche eines an der Zwischenplatte angeordneten Verbindungselements bildet eine Gleitkontaktfläche 121. Durch Justieren des Widerlagerelements kann sichergestellt werden, dass es zu einem gewünschten Gleiten der Gleitkontaktfläche 121 an der Widerlagerkontaktfläche 123 des justierbares Widerlagerelement 119 im Gleitkontaktbereich kommen kann.
Verbindungselement 111 kann z.B. ein Keramik-Verbindungselement oder ein Kunststoff-Verbindungselement sein.
Das Verbindungselement 111 kann z.B. über ein hier nicht dargestellte elastisches Zwischenelement an der Zwischenplatte angebracht sein.
Die in Fig. 5 gezeigte Art der Anbindung des Brennstoffzellenstapels am Widerlager bietet weitere Vorteile, z.B. eine hohe elektrische Isolation, den Ausgleich von Fertigungstoleranzen und einer Wärmedehnung der Zwischenplatte (unter anderem durch das elastische Zwischenelement).
Als Widerlager kann auch ein Zugankerelement 138 fungieren (vgl. Fig. 3). Jeder aus der Stapeloberfläche herausragende Teil der Zwischenplatte 110 kann über in Fig. 3-5 schematisch gezeigte Verbindungselemente 111 an je ein Zugankerelement 138 oder anderweitig an ein Widerlager angebunden sein.
Möglichkeiten zum Aufbau der Zwischenplatte 110 werden insbesondere aus Fig. 3 und 6 deutlich, wobei aus der Stapeloberfläche herausragende Teile der Zwischenplatte in Fig. 6 nicht gezeigt sind. Wie in Fig. 3 links gezeigt, weisen zwei Ränder der Zwischenplatte je einen durch zwei konvexe Randbereiche flankierten konkaven Randbereich zur Aufnahme eines Zugankerelements auf. Denkbar ist die Ausgestaltung der konvexen Randbereiche z.B. mit Rastkopf 284, wie im Zusammenhang mit Fig. 30 und 31 unten näher beschrieben. Verbindungselemente 111 können in Zusammenwirkung mit Zwischenplatte 110 also zugleich eine stabilisierende Wirkung auf das Zugankerelement haben.
Fig. 6 zeigt, dass die Zwischenplatte 110 dicker sein kann als die Bipolarplatten 104 in den beiden Brennstoffzellenstapel-Abschnitten 102. In Fig. 6 ist außerdem die Lage von Membran-Elektroden-Einheiten 106 zwischen der Zwischenplatte 110 und benachbarten Bipolarplatten 104 sowie zwischen je zwei Bipolarplatten 104 und 104 in den beiden Brennstoffzellen-Abschnitten 102 beiderseits der Zwischenplatte 110 gezeigt. Bei den Membran-Elektroden- Einheiten 106 zwischen der Zwischenplatte 110 und benachbarten Bipolarplatten 104 kann es sich z.B. um Membran-Elektroden-Einheiten 106 mit 5-Schicht-Aufbau handeln. Bei den Membran-Elektroden-Einheiten 106 zwischen Bipolarplatten 104, 104 kann es sich z.B. um Membran-Elektroden- Einheiten 106 mit 7-Schicht-Aufbau handeln. Dichtungen 108 liegen jeweils am Rand zwischen den im Stapelaufbau aufeinanderfolgenden Platten 104 und 110. Für die Erzeugung der Dichtgeometrie ist ein Anodenbereich 112 und ein Kathodenbereich 114 auf die Zwischenplatte aufgeschweißt, so dass die Oberflächen der Zwischenplatte 110 in Bereichen, in denen die Dichtung 108 anliegt, die Form entsprechender Oberflächenbereiche der Bipolarplatten 104 aufweist. Fig. 7-9 zeigen eine weitere mögliche Ausgestaltung einer Stapellängsachs- stabilisierung für eine Brennstoffzellenvorrichtung. Hier umfasst ein Stapellängsachsstabilisator ein Gleitstützelement 120, das die Stapeloberfläche gegen ein als Widerlager 118 fungierenden Träger 122 abstützt.
Die Gleitstützelemente 120 können z.B. direkt auf der Zellaußenkontur anliegen. Bevorzugt ist mindestens ein Teil mindestens eines Gleitstützelements 120 in einem Bereich einer Stapeloberfläche angeordnet, in dem keine Fluidleitstrukturen (z.B. Leitungen, Schläuche und/oder Verteiler) verlaufen.
Fig. 7 zeigt nur einen sehr kleinen Ausschnitt der an Gleitstützelement 120 anliegenden Zellaußenkontur. So ist aus Fig. 7 nicht zu erkennen, dass der Brennstoffzellenstapel ein oder mehrere Kontaktbereiche aufweisen kann, an dem oder an denen die Gleitstützelemente anliegen und den Brennstoffzellenstapel abstützen. Die Kontaktbereiche können durch ein oder mehrere Bestandteile des Brennstoffzellenstapels gebildet sein. Auch ein oder mehrere Bipolarplatten können die Form eines oder mehrerer Kontaktbereiche definieren.
Die in Fig. 7 angedeutete Feder und die gestrichelte Linie symbolisieren die Elastizität des Materials, aus dem das Gleitstützelement 120 gefertigt ist. Durch Verwendung eines weichen elastischen Materials kann die aufliegende Zelle geschont werden. Bei Erschütterungen und Stößen kommt es zu einer über die Oberfläche des Gleitstützelements verteilten und gedämpften Kraftübertragung auf die Stapeloberfläche bzw. den Rand einer oder mehrerer anliegenden Zellen.
Fig. 8 zeigt, dass Gleitstützelemente 120 sowie ein Loslagerelement 126 an dem Träger 122 verschiebbar geführt sind. Führungselemente 124, z.B. Führungsstäbe, erstrecken sich parallel zum Träger 122 durch die Gleitstützelemente 120 und durch das Loslagerelement 126 hindurch.
Zwischen den Gleitstützelementen können um die Führungsstäbe Federn 128, z.B. Spiralfedern, angeordnet sein. Diese sind in Fig. 9 gezeigt. Die von den Gleitstützelementen 120 abgewandten Enden der Federn 128 können durch in Fig. 9 gezeigte Federpositionierungselemente an den Führungsstäben positioniert sein.
Die Widerlagerkontaktfläche 123 ist hier also eine Oberfläche des Trägers 122. Die vom Stapellängsachsstabilisator umfasste Gleitkontaktfläche 121 ist eine der Widerlagerkontaktfläche 123 zugewandte Oberfläche des Gleitstützelements 120 sein.
Bei der Ausführungsform der Fig. 7-9 ergibt sich also eine Stabilisierung der Stapellängsachse, indem die Stapeloberfläche über das Gleitstützelement 120 gegen einen als Widerlager fungierenden Träger 122 abgestützt wird. Zugleich Dämpfen die Federn 128 Bewegungen der an den Gleitstützelementen 120 anliegenden Zellränder in Richtung der Stapellängsachse. Dies kann zu einer weiteren Stabilisierung des Brennstoffzellenstapels beitragen.
Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Stabilisierung entlang der Stapellängsachse in einem konkaven Bereich der Stapeloberfläche des Brennstoffzellenstapels durch ein als Widerlager fungierendes Schienenelement 132 erfolgt.
In Figur 10 ist eine Zellkontur angedeutet. Zwischen Brennstoffzellenstapel und Schienenelement ist ein elastisches Pufferelement 130 angeordnet, es ist ein Elastomer-Pufferelement. Zusätzlich kann zwischen Pufferelement 130 und Schienenelement 132 ein weiteres Element 134 angeordnet sein. Das weitere Element 134 kann z.B. ein Gleitelement sein, das ein Gleiten des Pufferelements 130 entlang der Längsachse des Schienenelements 132 begünstigt. Die Widerlagerkontaktfläche 123 ist hier also eine Oberfläche des Schienenelements 132. Die vom Stapellängsachsstabilisator umfasste Gleitkontaktfläche ist eine der Widerlagerkontaktfläche 123 zugewandte Oberfläche des Pufferelements 130 sein. In Fig. 10 sind nicht sämtliche Widerlagerkontaktflächen und Gleitkontaktflächen mit den entsprechenden Bezugszeichen versehen.
Das Pufferelement 130 ist zwischen einem parallel zur Längsachse des Brennstoffzellenstapels 100 verlaufenden konkaven Bereich der Stapeloberfläche des Brennstoffzellenstapels 100 und dem als Widerlager fungierenden Schienenelement 132 angeordnet. Es dient zur Zellabstützung. Das Schienenelement kann einen Zuganker bzw. ein Zugankerelement 138 einer konventionellen Brennstoffzellenvorrichtung ersetzen.
Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Stabilisierung entlang der Stapellängsachse durch Stützkissenelemente 140 erfolgt. Die Stützkissenelemente 140 fungieren als Stapellängsachsstabilisatoren.
Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der eine Stabilisierung entlang der Stapellängsachse durch Stützkissenelemente 140 erfolgt. Die Stützkissenelemente 140 fungieren als Stapellängsachsstabilisatoren. Abweichend von der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform liegen die hier gezeigten Stützkissen nur in einem mittleren Bereich des Brennstoffzellenstapels 100 an demselben an.
Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Stabilisierung entlang der Stapellängsachse durch Schüttmaterial 150 erfolgt. Das Schüttmaterial 150 fungiert als Stapellängsachsstabilisator. Fig. 14 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Stabilisierung entlang der Stapellängsachse durch Formteile 160 erfolgt. Die Formteile 160 fungieren als Stapellängsachsstabilisatoren.
Bei den in Fig. 11 bis 14 gezeigten Ausführungsformen liegen die beiden Enden des Brennstoffzellenstapels 100 je an einer Krafteinleitungsplatte 146 an. Der Aufbau aus Brennstoffzellenstapel 100 und den beiden Krafteinleitungsplatten 146 ist je zwischen einer Zugankerplatte 142 und einer Druckverteilerplatte 144 angeordnet.
Fig. 15 zeigt Stellen einer Brennstoffzellenvorrichtung 300. An diesen können ein oder mehrerer Sensorelement(e) zur Erfassung einer Kraft und/oder einer auf die Einwirkung der Kraft zurückzuführenden Veränderung der Brennstoffzellenvorrichtung 300 angeordnet werden. Auf diese Stellen deuten die gezeigten Pfeile mit Bezugszeichen 260 hin, wobei die Sensorelemente selbst nicht dargestellt sind. Wie dargestellt, können sich die Stellen z.B. an einer Zugankerplatte, an einem Zuganker bzw. an einem Zugankerelement, an einer Befestigungsmutter eines Zugankers bzw. eines Zugankerelements, an einer Feder (insbesondere an einer zwischen Zugankerplatte und Druckverteilerplatte angeordneten Tellerfeder), an einer Druckverteilerplatte und/oder einer Festlagerplatte befinden.
Fig. 16 zeigt schematisch das Innere einer Brennstoffzellenvorrichtung 300, die Folgendes umfasst: einen Brennstoffzellenstapel 100 und ein an einer Zelle 200 des Brennstoffzellenstapels 100 angebrachtes Zellaufhängungselement 202. Das Zellaufhängungselement 202 verbindet die Zelle 200 mit einem Widerlager 118. Zur Zelle 200 gehört die ebenfalls gezeigte Membran- Elektroden-Einheit 106.
In dem hier gezeigten Beispiel umfasst die Zelle 200 ein Zellaufhängungsrahmenelement 222. Das Zellaufhängungsrahmenelement 222 umfasst das Zellrahmenelement 220 und das daran ausgebildete Zellaufhängungselement 202. Wie in Fig. 16 gut zu erkennen ist, ist das Zellaufhängungselement 202 in dem Widerlager 118 verankert.
Fig. 16 zeigt eine Zelle 200, die zwei Zellaufhängungselemente 202 aufweist. Die Zellaufhängungselemente 202 stehen über einander gegenüberliegenden Stapeloberflächen des hier nicht näher gezeigten Brennstoffzellenstapels 100 heraus.
Fig. 17 zeigt schematisch das Innere einer anderen Brennstoffzellenvorrichtung 300. Zellen 200 dieser Brennstoffzellenvorrichtung unterscheiden sich von Zellen 200 der in Fig. 16 gezeigten Brennstoffzellenvorrichtung im Wesentlichen durch eine höhere Zahl an Zellaufhängungselementen 202 und korrespondierenden Widerlagern 118. So zeigt Fig. 17 eine Zelle 200, die acht Zellaufhängungselemente 202 aufweist. Die Zelle 200 hat einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt. An den beiden langen Seiten der Zelle 200 sind jeweils drei Zellaufhängungselemente angebracht. An den beiden kurzen Seiten der Zelle ist jeweils ein Zellaufhängungselement angebracht. Die Zellaufhängungselemente 202 stehen über einander gegenüberliegende Stapeloberflächen des hier nicht näher gezeigten Brennstoffzellenstapels 100 heraus.
Fig. 18 zeigt einen Ausschnitt einer weiteren Brennstoffzellenvorrichtung 300 in vergrößerter Darstellung, wobei ein Zellaufhängungselement 202 die Zelle 200 über ein Dämpfungselement 230 mit einem Widerlager 118 verbindet.
Einige Details der Verbindung von Zellaufhängungselement 202 und Widerlager 118 sind in der vergrößerten Ansicht der Fig. 18 besonders gut zu erkennen. Sie werden daher im Folgenden an Fig. 18 erläutert. Die Erläuterungen gelten jedoch ebenso auch für Ausführungsformen ohne Dämpfungselement, wie z.B. in Fig. 16 und 17 gezeigt. So weist das Zellaufhängungselement 202 einen Kopfbereich 204 und einen Halsbereich 206 aufweist. Der Kopfbereich 204 ist über den Halsbereich 206 an der Zelle 200 angebracht. Außerdem zeigt Fig. 18, dass am Widerlager 118 ein Kragenbereich 208 ausgebildet ist und dass der Kopfbereich 204 durch den sich zum Halsbereich 206 hin erstreckenden Kragenbereich 208 in das Widerlager 118 aufgenommen ist.
Fig. 18 zeigt auch, dass das Widerlager 118 eine von der Zelle 200 abgewandte Widerlageroberfläche 210 und dass das Zellaufhängungselement 202 eine der Zelle 200 zugewandte Aufhängungsoberfläche 212 aufweist. Die Widerlageroberfläche 210 erstreckt sich in einen Bereich zwischen der Zelle 200 und der Aufhängungsoberfläche 212. Zwischen Zellaufhängungselement 202 und Widerlager 108 besteht also eine Verbindung, die eine Hinterschneidung umfasst.
Dies begrenzt ein Herausgleiten des Zellaufhängungselements 202 aus dem Widerlager 118.
Das Widerlager 118 weist auch eine der Zelle 200 zugewandte Widerlageroberfläche 214 auf. Ferner weist das Zellrahmenelement 220 eine von der Zelle abgewandte Aufhängungsoberfläche 216 auf. Die Aufhängungsoberfläche 216 erstreckt sich in einen Bereich zwischen der Zelle 200 und der Widerlageroberfläche 214. Dies begrenzt ein Hineingleiten des Zellaufhängungselements 202 in das Widerlager 118.
Bei den Ausführungsformen der Fig. 16 und 17 steht die von der Zelle 200 abgewandte Widerlageroberfläche 210 in sämtlichen Widerlagern 118 mit der Aufhängungsoberfläche 212 in Kontakt. Dort sind Widerlageroberflächen 210, 214 und Aufhängungsoberflächen 212, 216 jeweils nicht mit Bezugszeichen versehen.
Betrachtet man in Fig. 16 und 17 nur ein Widerlager 118, wäre ein
Hineingleiten des Zellaufhängungselements 202 denkbar, bis Aufhängungsoberfläche 216 in Kontakt zu Widerlageroberfläche 214 tritt. Dem wirkt bei den Ausführungsformen der Fig. 16 und 17 jedoch das jeweils gegenüberliegende Zellaufhängungselement 202 entgegen, indem ein Herausgleiten des Zellaufhängungselements 202 aus dem Widerlager dadurch verhindert wird, dass auch dort die Widerlageroberfläche 210 mit der Aufhängungsoberfläche 212 in Kontakt steht.
In der Ausführungsform der Fig. 18 erstreckt sich ein erster Abschnitt des Dämpfungselements 230 in einen Bereich zwischen Widerlageroberfläche 210 und Aufhängungsoberfläche 212. Ein zweiter Abschnitt des Dämpfungselements 230 erstreckt sich in einen Bereich zwischen Widerlageroberfläche 214 und Aufhängungsoberfläche 216. Bei dieser Ausführungsform wird ein Herausgleiten des Zellaufhängungselements 202 aus dem Widerlager 118 also durch eine Kompression des ersten Abschnitts des Dämpfungselements 230 gebremst und letztlich gestoppt. Ein Hineingleiten des Zellaufhängungselements 202 in das Widerlager 118 wird durch eine Kompression des zweiten Abschnitts des Dämpfungselements 230 gebremst und letztlich gestoppt.
Das Dämpfungselement 230 kann ein Elastomer enthalten. Es kann sich um ein Elastomerlager bzw. einen Elastomerdämpfer handeln. Dieser kann z.B. aus einem Material gefertigt sein, das für hierin beschriebene Dichtungen 108 verwendet werden kann.
Fig. 19 zeigt eine Ausführungsform, mit auf einer zellabgewandten Seite des Zellaufhängungselements 202 angeordnetem Gegenlager 240. Auch dieses Gegenlager 240 kann einem Hineingleiten des Zellaufhängungselements 202 in das Widerlager 118 entgegenwirken. Das Gegenlager kann z.B. aus einem Harz und/oder Elastomer gebildet sein und/oder das Zellaufhängungsrahmenelement 222 über das Zellaufhängungselement 202 mechanisch an die Stapeleinhausung 174 anbinden.
Bei den in Fig. 16 und 17 gezeigten Ausführungsformen können je mehrere Zellen 200 des Brennstoffzellenstapels 100 (bevorzugt mindestens 10 % der Zellen 200 oder mindestens jede zehnte Zelle 200 des Brennstoffzellenstapels 100, besonders bevorzugt mindestens 50 % der Zellen 200 oder mindestens jede zweite Zelle 200 des Brennstoffzellenstapels 100, z.B. jede Zelle 200 des Brennstoffzellenstapels 100) Zellaufhängungselemente 202 aufweisen, die so angebracht sind, wie in der jeweiligen Fig. für die dort dargestellte Zelle 200 gezeigt.
Bei den Ausführungsformen der Fig. 16 bis 19 umfassen das bzw. die Widerlager 118 Aufhängungsgegenelemente 218. Diese sind an der Stapeleinhausung 174 angeordnet.
Wenn viele Zellen 200 des Brennstoffzellenstapels 100 Zellaufhängungselemente 202 aufweisen, die so angebracht sind, wie in Fig. 17 für die dort dargestellte Zelle 200 gezeigt, wird ein Bereich zwischen Brennstoffzellenstapel 100 und Stapeleinhausung 174 in acht Kanalabschnitte 250 aufgeteilt. Die Zellaufhängungselemente 202 liegen zwischen benachbarten Kanalabschnitten 250 und können die Kanalabschnitte 250 gegeneinander abgrenzen.
Die Kanalabschnitte 250 können den besonderen Vorteil einer besseren Belüftung des Bereichs zwischen Brennstoffzellenstapel 100 und Stapeleinhausung 174 bieten. Durch die Kanalabschnitte 250 kann ein Gasstrom, z.B. Luftstrom geführt werden. Er kann mäandrierend um die Stapeloberfläche geführt werden, wie in Fig. 17 mit Symbolen angedeutet, die ein Zuströmen auf den Betrachter und ein Abströmen vom Betrachter anzeigen. Eine Bildung zündfähiger Gasgemische kann dadurch in dem gesamten Bereich vermieden und somit die Betriebssicherheit der Brennstoffzellenvorrichtung weiter gesteigert werden.
Fig. 20 und 21 zeigen einen Brennstoffzellenstapel 100 für ein Brennstoffzellenvorrichtung von unterschiedlichen Seiten. Dieser umfasst: mehrere Zugankerelemente 138, über die Zugankerelemente 138 verbundene Zugankerplatten 142 und Zugankerstabilisatoren 270. Die Zugankerstabilisatoren 270 stehen zwischen den Zugankerplatten 142 mit je drei Zugankerelementen 138 in Kontakt. Zellen 200 sind in den Brennstoffzellenstapeln 100 nur als parallel verlaufenden Linien angedeutet.
Bei dem in Figuren 22 und 23 gezeigten Brennstoffzellenstapel stehen an zwei einander gegenüberliegenden Stapeloberflächen zwischen den Zugankerplatten 142 jeweils drei zueinander beabstandete Zugankerstabilisatoren 270 mit drei Zugankerelementen 138 in Kontakt.
Details des in Fig. 20 bis 23 gezeigten Zugankerstabilisators 270 sind aus Figuren 24 und 25 gut zu erkennen, der Zugankerstabilisator 270 weist drei Zugankeranbindungselemente 272 auf. Ein Stabilisatorstrebenbereich 276 erstreckt sich von Zugankeranbindungselement 272 zu Zugankeranbindungselement 272. Die Zugankeranbindungselemente 272 sind an die Zugankerform angepasst. Sie weisen jeweils zwei Greifelemente auf, die einen runden Aufnahmebereich für das runde, stabförmige Zugankerelement 138 bilden, wobei der Innendurchmesser des runden Aufnahmebereichs an den Außendurchmesser des runden, stabförmigen Zugankerelements 138 angepasst ist. In dem hier gezeigten Beispiel sind die Zugankeranbindungselemente 272 Schnappverbindungselemente.
Der in Figuren 24 und 25 gezeigte Zugankerstabilisator weist vorzugsweise Anbindungssicherungselemente 274 in Form von Öffnungen auf. Über diese Öffnungen kann der Zugankerstabilisator z.B. mit einem Kabelbinder im Zugankeranbindungselement 272 gesichert werden.
Der Kabelbinder wird durch die Öffnung und um das im Zugankeranbindungselement 272 angebundene Zugankerelement geführt (hier nicht gezeigt).
Figur 26 zeigt eine andere Ausführungsform eines Zugankerstabilisators 270, bei dem sich ebenfalls ein Stabilisatorstrebenbereich 276 von Zugankeranbindungselement 272 zu Zugankeranbindungselement 272 erstreckt. Dort sind die Zugankeranbindungselemente 272 ebenfalls Schnappverbindungselemente.
Auch Figuren 27 und 28 zeigen einen Brennstoffzellenstapel 100 für eine Brennstoffzellenvorrichtung von unterschiedlichen Seiten. Auch dieser umfasst: mehrere Zugankerelemente 138, über die Zugankerelemente 138 verbundene Zugankerplatten 142 und Zugankerstabilisatoren 270. Die Zugankerstabilisatoren 270 stehen zwischen den Zugankerplatten 142 mit dem Zugankerelement 138 in Kontakt. Figur 29 zeigt denselben Brennstoffzellenstapel 100 in schematischer Ansicht mit Blick auf eine Bipolarplatte 104 im Inneren des Brennstoffzellenstapels 100.
Die beiden in Figuren 27 bis 29 gezeigten Zugankerstabilisatoren 270 weisen je zwölf Zugankeranbindungselemente 272 auf, die in den Figuren nicht alle mit Bezugszeichen versehen und teilweise von anderen Zugankerstabilisatorbereichen überdeckt sind. Je vier Zugankeranbindungselemente 272 jedes Zugankerstabilisators 270 stehen mit einem Zugankerelement 138 in Kontakt. Die Zugankeranbindungselemente 272 sind jeweils so ausgeführt, wie in Figuren 24 bis 26 gezeigt.
Aus Figuren 27 und 28 ist auch gut zu erkennen, dass mindestens drei der Zugankeranbindungselemente 272 mit den Ecken eines rechtwinkligen Dreiecks zusammenfallen. Unter den Zugankeranbindungselementen 272 lassen sich viele Gruppen von jeweils drei Zugankeranbindungselementen 272 identifizieren, die mit den Ecken eines rechtwinkligen Dreiecks zusammenfallen. Bei einigen dieser rechtwinkligen Dreiecke erstrecken sich Stabilisatorstrebenbereiche 276, 278, 280, 282 entlang mindestens zwei der Seiten des Dreiecks von Zugankeranbindungselement 272 zu Zugankeranbindungselement 272. So verlaufen in Figur 27 z.B. die Stabilisatorstrebenbereiche 276, 280 und 282 entlang drei Seiten eines Dreiecks. Aus Figuren 27 und 28 ist auch gut zu erkennen, dass mindestens vier der Zugankeranbindungselemente 272 mit den Ecken eines Rechtecks zusammenfallen. Unter den Zugankeranbindungselementen 272 lassen sich viele Gruppen von jeweils vier Zugankeranbindungselementen 272 identifizieren, die mit den Ecken eines Rechtecks zusammenfallen. So liegen z.B. vier Zugankeranbindungselemente 272 an den vier Ecken des Zugankerstabilisators 270. Bei dem korrespondierenden Rechteck erstrecken sich vier Stabilisatorstrebenbereiche entlang der vier Seiten des Zugankerstabilisators 270 von Zugankeranbindungselement 272 zu Zugankeranbindungselement 272.
Der in Figuren 27 und 28 gezeigten Zugankerstabilisator 270 weist neben zur Stapellängsachse rechtwinklig verlaufenden Stabilisatorstrebenbereichen 276 auch zur Stapellängsachse geneigt verlaufende Stabilisatorstrebenbereiche 278 und 280 auf.
Fig. 30 zeigt an einer Zwischenplatte 110 angebundene Zugankerstabilisatoren 270. Fig. 31 zeigt eine Detailansicht eines Zugankerstabilisators 270 aus Fig. 30. Der in diesen Figuren gezeigte Zugankerstabilisator 270 weist ein Zugankeranbindungselement 272 und zwei Zwischenplattenanbindungselemente 286 auf, wobei nur das auf den Betrachter zugewandte Zwischenplattenanbindungselement mit Bezugszeichen 286 versehen ist. Ein Zugankerelement 138 kann in das Zugankeranbindungselement 272 aufgenommen werden. Ein mit dem Zugankerstabilisator 270 in Kontakt stehender Teil einer Zwischenplatte 110 ist in das Zwischenplattenanbindungselement 286 aufgenommen. Die beiden Zwischenplattenanbindungselemente 286 sind Schnappverbindungselemente.
Der in Figur 31 gut sichtbare Zugankerstabilisator 270 weist ein Zugankeranbindungselement 272 und ein zur Achse des Zugankeranbindungselements 272 orthogonal ausgerichtetes Zwischenplattenanbindungselement 286 auf. Die Achse des Zugankeranbindungselements 272 fällt mit der Achse des Zugankerelements 138 zusammen, das über das Zugankeranbindungselement 272 angebunden werden kann. Die zur Achse des Zugankeranbindungselements 272 orthogonale Ausrichtung des Zwischenplattenanbindungselements 286 bedeutet, dass diese Achse orthogonal zu der Plattenebene einer über das Zwischenplattenanbindungselement 286 anbindbaren Zwischenplatte 110 ausgerichtet ist.
Figuren 30 und 31 zeigen den Zugankerstabilisator 270 an einer Zwischenplatte 110. Es handelt sich um eine Zwischenplatte 110 für einen Brennstoffzellenstapel 100. Ein Rand der Zwischenplatte 110 weist einen durch zwei konvexe Randbereiche flankierten konkaven Randbereich zur Aufnahme eines Zugankerelements 138 auf. An den beiden konvexen Randbereich ist jeweils ein Rastkopf 284 ausgebildet. Die Rastköpfe 284 dienen je zur Anbindung eines Zwischenplattenanbindungselements 286 des Zugankerstabilisators 270.
Aus den Figuren 30 und 31 ist nicht direkt zu erkennen, dass in einem Brennstoffzellenstapel 100 mit der Zwischenplatte 110 ein mit dem Zugankerstabilisators 270 in Kontakt stehender Teil der Zwischenplatte 110 aus der Stapeloberfläche herausragt. Die vom Stapellängsachsstabilisator umfasste Gleitkontaktfläche 121 kann eine innere Oberfläche des Zugankeranbindungselements 272 sein. Die hier nicht gezeigte Widerlagerkontaktfläche ist dann also eine Oberfläche des Zugankerelements.
Die in Fig. 32-40 gezeigten Ausführungsformen zeichnen sich dadurch aus, dass ein Fixierungsbereich 170 (vgl. Fig. 36-40) eines aus einem Elastomer und/oder einem Kunststoff gefertigten Stapellängsachsstabilisators 116 (vgl. Fig. 37), der auch Teil einer Dichtungs-Stabilisator-Einheit 180 sein kann (vgl. Fig. 36, 38, 39 und 40), sich in einen Plattenzwischenraum 176 erstreckt und in dem Plattenzwischenraum 176 durch die beiden angrenzenden Bipolarplatten 104, 104 eingespannt ist (vgl. Fig. 36-40).
Da Fig. 32 einen Brennstoffzellenstapel 100 mit Blick entlang der Stapellängsachse auf eine Oberfläche einer Bipolarplatte 104 zeigt, sind die sich in Plattenzwischenräume erstreckenden Fixierungsbereiche 170 durch die Bipolarplatte 104 verdeckt.
Fig. 32 verdeutlicht, dass Stützbereiche 178 von Stapellängsachsstabilisatoren Bereiche bilden, die zwischen den vier Stapeloberflächen und hier nicht vollständig gezeigten Widerlagern angeordnet sind. Das Widerlager kann z.B ein Teil der hier nicht dargestellten Stapeleinhausung umfassen. Das Widerlager umfasst Gegenelemente 172 umfassen, die mit einer definierten Vorspannkraft auf die Stützbereiche 178 drücken können, so dass eine Auslenkung des Brennstoffzellenstapels 100 gegenüber der Stapellängsachse erschwert und dadurch eine Stapellängsachsstabilisation erreicht wird.
Fig. 32 zeigt außerdem, dass Gegenelemente 172 ganz unterschiedlich geformt sein können. So kann eine ebene Oberfläche eines Gegenelementes 172 flach auf eine ebene Oberfläche eines Stützbereichs 178 drücken. Dabei kann ein großflächiger Kontakt bestehen oder ein kleinflächiger Kontakt. Gegenelemente 172 können auch gekrümmt sein und über eine oder mehrere Krümmungen auf eine Oberfläche eines Stützbereichs 178 drücken.
Auch Fig. 33 und 34 zeigen Brennstoffzellenstapel 100 mit Blick entlang der Stapellängsachse auf eine Oberfläche einer Bipolarplatte. Deshalb sind auch dort die sich in Plattenzwischenräume erstreckenden Fixierungsbereiche 170 von Stapellängsachsstabilisatoren durch Bipolarplatte 104 verdeckt. Von den Stapellängsachsstabilisatoren sind nur die Stützbereiche zu sehen und mit Bezugszeichen versehen.
Die in Fig. 33 gezeigte Bipolarplatte 104 ist an zwei einander gegenüberliegenden Kanten verbreitert. Ihre Kontur ähnelt der eines Knochens. Dadurch entstehen zusätzliche, nach innen angeordnete Ecken, die für die Stapellängsachsstabilisation genutzt werden können. Die nach innen angeordneten Ecken bieten eine gute mechanische Anbindungsmöglichkeit für Stapellängsachsstabilisatoren mit Fixierungsbereich 170 und Stützbereich 178. Denn die Bipolarplatten und Dichtungen weisen dort keine Unterbrechung durch Verteiler auf. Prinzipiell sind auch die außen angeordneten Ecken zur mechanischen Anbindung geeignet. Je nach Belastungscharakteristik können für einen Plattenzwischenraum auch weniger als vier Stapellängsachsstabilisatoren ausreichen.
Die in Fig. 34 gezeigte Bipolarplatte 104 weist an zwei einander gegenüberliegenden Kanten Erweiterungsbereiche auf, die über die ansonsten rechteckige Grundform der Bipolarplatte 104 hinausstehen. Kraftspitzen, die zu einer Biegung entlang der Stapellängsachse führen könnten (vgl. Fig. 1 und 2), können in diesen Erweiterungsbereichen besonders gut aufgenommen werden. So können diese Erweiterungsbereiche (mit) zwischen Krafteinleitungsplatten oder Endplatten des Stapels verspannt werden, ohne dass dadurch zugleich eine übermäßige punktuelle Komprimierung einer Dichtung des Brennstoffzellenstapels erfolgen würde.
Abweichend von den in Fig. 33 und 34 gezeigten Bipolarplatten 104 weisen diejenigen des in Fig. 35 gezeigten Brennstoffzellenstapels 100 eine rechteckige Form auf. Es kann sich insbesondere bei solchen Ausführungsformen anbieten, die hier nicht zu sehende Dichtung 108 und den Stapellängsachsstabilisator 116 als eine einstückige Dichtungs-Stabilisator- Einheit 180 auszubilden. Eine solche Dichtungs-Stabilisator-Einheit 180 ist z.B. in Fig. 36, 38, 39 und 40 im Schnitt gezeigt. Die dort gezeigten Dichtungs- Stabilisator-Einheiten 180 weisen einen über den Fixierungsbereich 170 mit der Dichtung 108 verbundenen Stützbereich 178 auf. Wie Fig. 35 zeigt, können die Widerlager 118 je ein Teil der Stapeleinhausung 174 und daran angeordnete Gegenelemente 172 umfassen, die mit einer definierten Vorspannkraft auf die Stützbereiche 178 drücken.
Gegenelemente 172 können an der Stapeleinhausung 174 verschiebbar angeordnet sein, um die definierte Vorspannkraft auf die Stützbereiche der Stapellängsachsstabilisatoren 116 bzw. Dichtungs-Stabilisator-Einheiten 180 einstellen zu können. Bei Brennstoffzellenstapeln 100 der Fig. 32-35 ist sind Widerlagerkontaktflächen 123 jeweils dem Stützbereich 178 zugewandte Oberflächen der Gegenelemente 172. Gleitkontaktflächen 121 sind jeweils den Widerlagerkontaktflächen 123 zugewandte Oberflächen der Stützbereiche 178.
Die Schnitte der Fig. 36-40 zeigen Randbereiche von Bipolarplatten 104 mit zwischen den Bipolarplatten 104 angeordneter Membran-Elektroden-Einheit 106 und Dichtung 108, mit einem Fixierungsbereich 170, der sich in einen Plattenzwischenraum 176 erstreckt und mit einem Stützbereich 178. Die Bipolarplatten 104 definieren an deren Rand jeweils einen Dichtungsaufnahmebereich 190 und einen Stabilisatoraufnahmebereich 192. Der Stabilisatoraufnahmebereich 192 liegt zwischen dem Rand der Bipolarplatten 106 und dem Dichtungsaufnahmebereich 190.
Bei der Ausführungsform der Fig. 37 gehören der Fixierungsbereich 170 und der Stützbereich 178 einem Stapellängsachsstabilisator 116 an, der von der Dichtung 108 abgesetzt ist. Bei den Ausführungsformen der Fig. 36, 38, 39 und 40 gehören sowohl die beiden für den Stapellängsachsstabilisator 116 charakteristischen Bereiche 170 und 178 als auch die Dichtung 108 einer einstückigen Dichtungs-Stabilisator-Einheit 180 an.
Aus Fig. 32 und 35 wird deutlich, dass Stützbereiche sich typischerweise nur über Abschnitte der Kanten von Bipolarplatten 104 erstrecken, nicht über die gesamte Länge der Kanten um Bipolarplatten herum. Bei der Dichtungs- Stabilisator-Einheit 180 der Fig. 36, 38, 39 und 40 ist die längste Ausdehnung der Dichtung 108 größer als die längste Ausdehnung des Stützbereichs 178.
In Fig. 36-40 ist der Stützbereich in Richtung der Stapellängsachse dicker ausgeführt als der Fixierungsbereich. Der Stützbereich hat jeweils zwei Schultern. Die Schultern erstrecken sich über die Randoberflächen der beiden Bipolarplatten, zwischen denen der Fixierungsbereich fixiert ist. Fig. 38 und 39 zeigen Ausführungsformen mit Bipolarplatten 104 aus Metall, mit einer optionalen Anpassung des Randes der Bipolarplatten 104. Die Anpassung des Randes zielt darauf ab, eine Beschädigung des Stapellängsachsstabilisators bzw. der Dichtungs-Stabilisator-Einheit 180 unter Vibrationsbelastung zu vermeiden. Durch ein Umbiegen (Fig. 38) oder Umbördeln (Fig. 39), kann die Schnittwirkung der Metallkante auf den Stützbereich 178 bzw. dessen Schulter auf ein zulässiges Maß reduziert werden. In beiden Ausführungsformen der Fig. 38 und 39 wird so an einer orthogonal zur Plattenebene orientierte Randoberfläche der Bipolarplatte eine Randstützfläche 194 definiert, deren orthogonal zur Plattenebene gemessene Breite D die Bipolarplattenmaterialdicke übersteigt.
Fig. 36-40 stellen die Dichtung 108, den Fixierungsbereich 170 und die Membran-Elektroden-Einheit 106 jeweils in ihrer unverpressten Dicke dar. Im Brennstoffzellenstapel wird Dichtung 108 auf Dichtspalt verpresst, ebenso der Fixierungsbereich 170 und die Membran-Elektroden Einheit 106 entsprechend der anliegenden Verspannkraft. Die Verformung unter der Verpressung, die sich durch die einwirkende Verspannkraft ergibt, wird in den Fig. 36-40 nicht gezeigt.
In Fig. 36-40 sind jeweils Teile des Fixierungsbereichs 170 aufgedickt. Im Fixierungsbereich der Fig. 37 sind einseitig vier Aufdickungen ausgebildet. In Fixierungsbereichen der Figuren 36, 38 und 39 sind je beidseitig drei Aufdickungen ausgebildet.
Die Gleitkontaktfläche 121 ist jeweils eine Oberfläche des Stützelements 178.
Fig. 40 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Fixierungsbereich 170 so ausgeführt ist, dass die zum Verpressen des Fixierungsbereichs 170 zwischen den Bipolarplatten 104 erforderliche Kraft zu Rändern des Fixierungsbereichs 170 hin abnimmt. Die Dicke des Fixierungsbereichs 170 ist an einer zum Stützelement 178 nächsten Aufdickung und an einer vom Stützelement am weitesten entfernten Aufdickung jeweils geringer, als die Dicke einer zwischen diesen beiden Aufdickungen ausgebildeten Aufdickung.
Der Schnitt der Fig. 41 zeigt ebenfalls einen Randbereich von Bipolarplatten
104 mit zwischen den Bipolarplatten 104 angeordneter Membran-Elektroden- Einheit 106 und Dichtung 108. Bei der hier gezeigten Ausführungsform definiert eine Randoberfläche der Bipolarplatte eine Randstützfläche 194, deren orthogonal zur Plattenebene gemessene Breite D die Bipolarplattenmaterialdicke übersteigt. Die Stapellängsachse des Brennstoffzellenstapels kann dann dadurch stabilisiert werden, dass diese Randstützfläche 194 an einem Widerlager, z.B. an der Stapeleinhausung, angeordnet wird.
Eine weitere Möglichkeit zur Stabilisation eines Brennstoffzellenstapels entlang der Stapellängsachse ist in Fig. 42 gezeigt. Dort ist ein Randbereich einer erfindungsgemäßen Bipolarplatte 104 dargestellt. Ein Plattenvorsprungbereich
105 in Form einer Lasche erstreckt sich in eine Ausnehmung 117 des Stapellängsachsstabilisators 116. Die Ausnehmung 117 ist ein Schlitz.
Die Ausnehmung 117 ist durch einen Ausnehmungsrandbereich begrenzt. Dieser ist durchgehend an die punktiert dargestellte Randkontur der Lasche angepasst. Der Ausnehmungsrandbereich begrenzt also die Tiefe und Länge der Ausnehmung 117.
Das Stützelement 178 des Stapellängsachsstabilisators 116 ist durch einen Bereich des Stapellängsachsstabilisators 116 gebildet, der in der Ebene der Bipolarplatte über die Lasche hinaussteht. Der Ausnehmungsrandbereich liegt also im Übergang von der Ausnehmung 117 zum Stützelement 178.
Die vom Stapellängsachsstabilisator umfasste Gleitkontaktfläche 121 ist eine Oberfläche des Stützelements 178, nämlich die am Stützelement 178 gegenüber des Ausnehmungsrandbereichs liegende Oberfläche des Stützelements 178. Die Gleitkontaktfläche 121 kann z.B. an einer in Fig. 42 nicht dargestellten Innenoberfläche einer Stapeleinhausung anliegen. Die als Widerlagerkontaktfläche fungierende Innenoberfläche der Stapeleinhausung definiert dann zusammen mit der Gleitkontaktfläche 121 den parallel zur Stapellängsachse verlaufenden Gleitkontaktbereich.
Die Lasche ist im hier gezeigten Beispiel kraft- und formschlüssig in der Ausnehmung 117 angeordnet. Der Stapellängsachsstabilisator 116 ist hier ein Kunststoffteil, das durch Umspritzen der Lasche der Bipolarplatte 104 mit einem Kunststoff gebildet ist.
Der Stapellängsachsstabilisator 116 ist mit der Lasche über eine Hinter- schneidung verbunden. Die Lasche weist zwei Laschenvertiefungen 125 auf. Die Laschenvertiefungen 125 können Öffnungen sein, die im Bereich der Lasche durch die Bipolarplatte 104 hindurchführen. In die Laschenvertiefungen 125 erstreckt sich der Kunststoff des durch Umspritzen der Lasche gebildeten Stapellängsachsstabilisator 116 hinein. Der Stapellängsachsstabilisator 116 greift also in die Laschenvertiefungen 125 ein.
Bezugszeichenliste
Brennstoffzellenstapel 100
Brennstoffzellenstapel-Abschnitt 102
Bipolarplatte 104
Plattenvorsprungbereich 105
Membran-Elektroden-Einheit 106
Dichtung 108
Zwischenplatte 110
Verbindungselement 111
Anodenbereich 112
Kathodenbereich 114
Stapellängsachsstabilisator 116
Ausnehmung 117
Widerlager 118 justierbares Widerlagerelement 119
Gleitstützelement 120
Gleitkontaktfläche 121
Träger 122
Widerlagerkontaktfläche 123
Führungselement 124
Laschenvertiefung 125
Loslagerelement 126
Feder 128
Pufferelement 130
Schienenelement 132 weiteres Element 134
Stapelkontur 136
Zugankerelement 138
Stützkissenelement 140
Zugankerplatte 142
Druckverteilerplatte 144
Krafteinleitungsplatte 146 Schüttmaterial 150
Formteil 160
Fixierungsbereich 170 Gegenelement 172 Stapeleinhausung 174 Plattenzwischenraum 176
Stützbereich 178
Dichtungs-Stabilisator- Einheit 180 Dichtungsaufnahmebereich 190 Stabilisatoraufnahmebereich 192 Randstützfläche 194
Zelle 200
Zellaufhängungselement 202
Kopfbereich 204
Halsbereich 206
Kragenbereich 208
Widerlageroberfläche 210
Aufhängungsoberfläche 212
Widerlageroberfläche 214
Aufhängungsoberfläche 216 Aufhängungsgegenelement 218 Zellrahmenelement 220
Zellaufhängungsrahmenelement 222 Dämpfungselement 230
Gegenlager 240
Kanalabschnitt 250
Sensorelement 260
Zugankerstabilisator 270
Zugankeranbindungselement 272 Anbindungssicherungselement 274 Stabilisatorstrebenbereich 276 Stabilisatorstrebenbereich 278
Stabilisatorstrebenbereich 280 Stabilisatorstrebenbereich 282
Rastkopf 284
Zwischenplattenanbindungselement 286
Brennstoffzellenvorrichtung 300

Claims

- 74 -
Patentansprüche Brennstoffzellenvorrichtung (300), wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (300) Folgendes umfasst: einen Brennstoffzellenstapel (100) und einen Stapellängsachsstabilisator (116), wobei mindestens ein Bereich des Stapellängsachsstabilisators (116) zwischen einer parallel zur Stapellängsachse verlaufenden Stapeloberfläche des Brennstoffzellenstapels (100) und einem Widerlager (118) angeordnet ist. Brennstoffzellenvorrichtung (300) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Stapellängsachse aufeinanderfolgende Reaktionszonen jeweils durch Dichtungen (108) abgedichtet sind. Brennstoffzellenvorrichtung (300) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapellängsachsstabilisator (116) mindestens einen Teil einer orthogonal zur Stapellängsachse auf den Brennstoffzellenstapel (100) einwirkenden Kraft auf das Widerlager (118) zu übertragen vermag. Brennstoffzellenvorrichtung (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Stapellängsachsstabilisators (116) elastisch ist. Brennstoffzellenvorrichtung (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapellängsachsstabilisator (116) eine Gleitkontaktfläche (121) umfasst und das Widerlager eine Widerlagerkontaktfläche (123) umfasst, wobei die Gleitkontaktfläche (121) an der Widerlagerkontaktfläche (123) angeordnet ist und die Widerlagerkontaktfläche zusammen mit der Gleitkontaktfläche (121) einen parallel zur Stapellängsachse verlaufenden Gleitkontaktbereich definiert. - 75 - Brennstoffzellenvorrichtung (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Form und Material des Stapellängsachsstabilisators (116) so an den Aufbau des Brennstoffzellenstapels (100) und die Stapeloberfläche angepasst sind, dass eine Beschleunigung a von 5 g orthogonal zur Stapellängsachse, nicht zu einer Beschädigung des Brennstoffzellenstapels (100) führt. Brennstoffzellenvorrichtung (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapellängsachs- stabilisator (116) eine in den Brennstoffzellenstapel (100) eingefügte Zwischenplatte (110) umfasst. Brennstoffzellenvorrichtung (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapellängsachs- stabilisator (116) ein Stützelement (178) umfasst, das die Stapeloberfläche gegen das Widerlager (118) abstützt. Brennstoffzellenvorrichtung (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerlager (118) durch ein entlang einer Stapeloberfläche des Brennstoffzellenstapels (100) verlaufendes Schienenelement (132) gebildet ist. Brennstoffzellenvorrichtung (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapellängsachsstabilisator (116) ein Stützkissenelement (140) umfasst; der Stapellängsachsstabilisator (116) ein Schüttmaterial (150) umfasst; und/oder der Stapellängsachsstabilisator (116) ein Formteil (160) umfasst. - 76 - Brennstoffzellenvorrichtung (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fixierungsbereich (170) des Stapellängsachsstabilisators (116) sich in einen Plattenzwischenraum (176) erstreckt. Brennstoffzellenvorrichtung (300) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Fixierungsbereich (170) in dem Plattenzwischenraum (176) durch die beiden angrenzenden Bipolarplatten (104, 104) eingespannt ist. Brennstoffzellenvorrichtung (300) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der auf den Fixierungsbereich (170) in dem Plattenzwischenraum (176) durch die beiden angrenzenden Bipolarplatten (104, 104) ausgeübte mittlere Druck höher ist, als der auf die Dichtung(en) (108) in dem Plattenzwischenraum (176) durch die beiden angrenzenden Bipolarplatten (104, 104) ausgeübte mittlere Druck. Brennstoffzellenvorrichtung (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Dichtung (108) und der Stapellängsachsstabilisator (116) als eine einstückige Dichtungs-Stabilisator-Einheit (180) ausgebildet sind. Brennstoffzellenvorrichtung (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein konvexer Bereich einer Bipolarplatte (104), z.B. ein Plattenvorsprungbereich (105), sich in eine Ausnehmung (117) des Stapellängsachsstabilisators (116) erstreckt. Dichtungs-Stabilisator-Einheit (180) zur Abdichtung von entlang der Stapellängsachse eines Brennstoffzellenstapels (100) aufeinanderfolgenden Reaktionszonen, aufweisend eine Dichtung (108), einen Fixierungsbereich (170) und einen über den Fixierungsbereich (170) mit der Dichtung (108) verbundenen Stützbereich (178). - 77 - Bipolarplatte (104) für einen Brennstoffzellenstapel (100), wobei eine Randoberfläche der Bipolarplatte eine Randstützfläche (194) definiert, deren orthogonal zur Plattenebene gemessene Breite D die Bipolarplattenmaterialdicke übersteigt. Brennstoffzellenvorrichtung (300), wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (300) einen Brennstoffzellenstapel (100) mit mindestens einer Bipolarplatte (104) gemäß Anspruch 17 umfasst, wobei die Stapellängsachse des Brennstoffzellenstapels (100) dadurch stabilisiert ist, dass die Randstützfläche (194) an einem Widerlager (118) angeordnet ist. Bipolarplatte (104) für einen Brennstoffzellenstapel (100), wobei die Bipolarplatte (104) einen konvexen Bereich und einen Stapellängsachsstabilisator (116) umfasst, wobei sich der konvexe Bereich der Bipolarplatte (104) in eine Ausnehmung (117) des Stapellängsachsstabilisators (116) erstreckt.
PCT/EP2022/082352 2021-11-18 2022-11-17 Brennstoffzellenvorrichtung WO2023089072A1 (de)

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