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Vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse. In dem Gehäuse wird ein Brennstoffzellenstapel, Batteriestapel oder Kondensatorstapel angeordnet. Ferner betrifft die Erfindung eine Energieversorgungseinheit für ein Kraftfahrzeug. Die Energieversorgungseinheit umfasst das Gehäuse und den Stapel.
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Brennstoffzellenstapel weisen üblicherweise mehrere aneinander gestapelte Bipolarplatten auf. Die Bipolarplatten, insbesondere für Polymermembran-Brennstoffzellen, müssen unter Druck verspannt werden, um über die entsprechende Lebensdauer die elektrische Kontaktierung und die Abdichtung der Medien (Wasserstoff, Luft und Kühlmittel) untereinander und nach außen sicherzustellen. Des Weiteren muss der Brennstoffzellenstapel gegen Umwelteinflüsse geschützt und ein unkontrolliertes Austreten von Wasserstoff verhindert werden. Es muss die Hochvoltsicherheit im Betrieb und im Falle eines Unfalls gewährleistet werden.
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Ferner werden hier Batteriestapel betrachtet. Beim Batteriestapel sind mehrere elektrochemische Zellen aneinander gestapelt. Auch der Batteriestapel, beispielsweise ausgebildet als Lithium-Ionen-Akkumulator, muss unter Druck verspannt werden, um die Funktion über die Lebensdauer sicherzustellen.
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Üblicherweise werden zum Verspannen des entsprechenden Stapels an den beiden Enden Druckplatten angeordnet. Die Druckplatten werden über Zuganker miteinander verbunden. Die Zuganker sind beispielsweise als Gewindestangen, Spannbänder oder Blechstreifen ausgebildet. Die Einheit aus Zugankern, Druckplatten und Stapel wird üblicherweise in einem mediendichten und elektrisch isolierten Gehäuse angeordnet. Die Druckplatten können sich auch an einem „äußeren“ Gehäuse abstützen, so dass die Längsseiten des Gehäuses als Zuganker dienen.
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Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung ein Gehäuse zur Aufnahme eines Brennstoffzellen-, Batterie- oder Kondensatorstapels anzugeben, das bei kostengünstiger Herstellung und einfacher Montage eine leichtbauende und gleichzeitig sichere Aufnahme des Stapels ermöglicht.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.
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Somit wird die Aufgabe gelöst durch ein Gehäuse zur Aufnahme des Brennstoffzellenstapels, des Batteriestapels oder des Kondensatorstapels. Das Gehäuse umfasst zwei gegenüberliegende Halbschalen und zwei gegenüberliegende Druckplattenanordnungen. Der entsprechende Stapel kann zwischen den beiden Druckplattenanordnungen und gleichzeitig zwischen den beiden Halbschalen angeordnet werden. Wobei die Druckplatten auch Teil der Halbschalen sein, d. h. in diese integriert sein können.
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Die beiden Druckplattenanordnungen weisen jeweils mit ihrer Innenseite zum Stapel. Wie eingangs beschrieben, werden die einzelnen Elemente (Bipolarplatten, Elektroden-Membran-Einheiten und Gasdiffusions- sowie Kontaktierungsmedien der Brennstoffzelle oder elektrochemische Elemente der Batterie oder Batteriezellen oder Kondensatorelemente) des Stapels gegeneinander verspannt. Durch dieses Verspannen wirkt auf die Druckplattenanordnungen eine Kraft, die die beiden Druckplattenanordnungen nach außen wegdrückt. Um diese Kraft aufzunehmen, müssen die Druckplattenanordnungen an ihren Außenseiten abgestützt werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass jede Halbschale jede Druckplattenanordnung an ihrer Außenseite umgreift. Dadurch ist jede der beiden Druckplattenanordnungen jeweils an jeder Halbschale abgestützt.
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Diese Ausgestaltung der beiden Halbschalen ermöglicht es, dass innerhalb der Halbschalen die beiden Druckplattenanordnungen nicht über herkömmliche Zuganker miteinander verbunden werden müssen. Vielmehr wirken die beiden Halbschalen als Zuganker und stellen gleichzeitig einen wesentlichen Bestandteil des mediendichten Gehäuses dar. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass jede Halbschale jede Druckplattenanordnung auf der Außenseite umgreift und sich somit die Kraft der Verspannung auf beide Halbschalen aufteilt.
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Die Ausgestaltung des Gehäuses als Halbschalen hat den Vorteil, dass einfache und kostengünstige Fertigungsverfahren eingesetzt werden können. Dies betrifft zum Beispiel umformen von Blechen, gießen von metallischen Werkstoffen sowie spritzgießen, extrudieren und thermoumformen von Kunststoffen. Wobei bei den entsprechenden Verfahren ggf. noch kraftaufnehmende Strukturen wie Fasern, Bänder und Streifen integriert werden können.
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Der Stapel und somit der Aufnahmeraum zwischen den beiden Halbschalen und zwischen den beiden Druckplattenanordnungen ist vorzugsweise rechteckig. Die beiden Halbschalen überdecken in erster Linie die zwei größten kongruenten Flächen dieser rechteckigen Form. An den Stirnseiten befinden sich die beiden Druckplattenanordnungen.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die beiden Halbschalen beidseitig, jeweils an den Außenseiten der Druckplattenanordnungen miteinander verbunden sind. Dabei können an den beiden Seiten unterschiedlich Methoden oder zweimal die gleiche Methode zum Verbinden der beiden Halbschalen verwendet werden.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass an zumindest einer Seite ein Verbindungselement angeordnet ist, dass mit beiden Halbschalen fest verbunden ist, wodurch auch die beiden Halbschalen untereinander fest verbunden sind. Besonders bevorzugt wird das Verbindungselement mit den Halbschalen verschraubt oder vernietet oder verklebt oder formschlüssig verbunden, beispielsweise über eine Nut-Federverbindung.
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Des Weiteren ist auch bevorzugt vorgesehen, die beiden Halbschalen an zumindest einer Seite ohne einem Verbindungselement direkt miteinander zu verbinden. Auch diese direkte Verbindung erfolgt beispielsweise mittels Schrauben oder Nieten oder durch Verkleben. Als weitere Möglichkeit können die beiden Halbschalen auch direkt formschlüssig miteinander verbunden werden, wobei sich wieder die Nut-Federverbindung anbietet.
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Zusätzlich oder alternativ zur der Verbindung der beiden Halbschalen, ist vorzugsweise zumindest eine Zugbandanordnung auf der Außenseite der Halbschalen vorgesehen. Wie Eingangs beschrieben, umgreifen die Halbschalen die beiden Druckplattenanordnungen an ihren Außenseiten, sodass die Halbschalen nicht nur als Gehäuse sondern auch als Zuganker wirken. Um die Halbschalen in ihrer Funktion als Zuganker zu unterstützen, wird bevorzugt die zumindest eine Zugbandanordnung verwendet. Für die genaue Ausgestaltung sind hier vorzugsweise drei Varianten vorgesehen:
Gemäß der ersten Variante werden zwei Zugbandanordnungen verwendet, wobei jede Zugbandanordnung zumindest ein Zugband umfasst, das sich über die entsprechende Halbschale erstreckt. Die Enden der Zugbänder sind an Zugbandstangen befestigt. Da zwei Zugbandanordnungen vorgesehen sind, gibt es vier Zugbandstangen. Die Zugbandstangen befinden sich vorzugsweise stirnseitig des Gehäuses, also an der Außenseite der Druckplattenanordnungen. Zum Verschließen des Gehäuses werden die Zugbandstangen miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt.
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In der zweiten Variante wird nur eine Zugbandanordnung verwendet, wobei die Zugbandanordnung zumindest ein Zugband umfasst, das sich um beide Halbschalen erstreckt. Auch hier sind die Enden des zumindest einen Zugbandes wieder an Zugbandstangen befestigt. Folglich gibt es zwei Zugbandstangen die, insbesondere stirnseitig miteinander verbunden werden, um das Gehäuse zu verschließen.
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In der dritten Variante sind die Zugbänder funktional in den Halbschalen integriert.
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Vorteilhafterweise werden die Druckplattenanordnungen an ihren Außenseiten möglichst großflächig von den Halbschalen umgriffen. Dadurch steht eine möglichst große Fläche zur Einleitung der Kraft in die Halbschalen zur Verfügung. Dadurch wiederum können die Halbschalen relativ leichtbauend gestaltet werden. Dementsprechend ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die erste Druckplattenanordnung und/oder die zweite Druckplattenanordnung mit zumindest 40 %, vorzugsweise zumindest 50 %, besonders vorzugsweise zumindest 60 %, ihrer Außenfläche an den Halbschalen anliegt.
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Für die optimale Kraftübertragung wäre natürlich ein Anliegen der Druckplattenanordnungen mit 100 % ihre Außenfläche an den Halbschalen von Vorteil. Allerdings wird hier auch berücksichtigt, dass die Druckplattenanordnungen zum Teil weitere Funktionen erfüllen müssen und somit nicht vollständig von den Halbschalen bedeckt werden können. Beispielsweise sind in den Druckplattenanordnungen auch Medienschnittstellen ausgebildet, die nicht von den Halbschalen überdeckt werden dürfen.
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So befindet sich vorteilhafterweise in der ersten Druckplattenanordnung zumindest eine Medienschnittstelle. Die Medienschnittstelle dient zum Austausch zumindest eines gasförmigen oder flüssigen Mediums zwischen dem Stapel und der Umgebung. Beispielsweise bei Ausgestaltung des Stapels als Brennstoffzellenstapel müssen über das Gehäuse hinweg der Brennstoff, das Oxidationsmittel und die Kühlflüssigkeit ausgetauscht werden. Auch die Batteriestapel werden oftmals über eine Flüssigkeit gekühlt.
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Die Stapel können in ihrer Länge, also dem Abstand zwischen den beiden Druckplattenanordnungen herstellungsbedingt variieren. Um diese Schwankungen auszugleichen, ist bevorzugt vorgesehen, dass zumindest eine Druckplattenanordnung ein Toleranzausgleichsystem umfasst. In der ersten Druckplattenanordnung werden vorteilhafterweise die Medienschnittstellen angeordnet. Deshalb ist bevorzugt vorgesehen, dass das Toleranzausgleichsystem in der zweiten Druckplattenanordnung ausgebildet wird. Das Toleranzausgleichsystem stellt sicher, dass die zwei Druckplattenanordnungen am Stapel und gleichzeitig an den Halbschalen anliegen.
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In einer relativ einfachen Ausgestaltung des Toleranzausgleichsystems umfasst die zweite Druckplattenanordnung eine Endplatte und ein Toleranzausgleichselement, vorzugsweise ausgebildet als Toleranzausgleichsplatte. Die Endplatte liegt an den Halbschalen an. Das Toleranzausgleichselement befindet sich zwischen der Endplatte unter dem Stapel. Vor dem Einbauen des Stapels in das Gehäuse, wird der Stapel vermessen und ein passendes Toleranzausgleichselement, vorzugsweise eine Toleranzausgleichsplatte mit der passenden Wandstärke, gewählt und in das Gehäuse eingebaut, um so die herstellungsbedingten Schwankungen des Stapels auszugleichen.
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Das Toleranzausgleichselement kann auch federnde Eigenschaften aufweisen. Dadurch ist es möglich betriebs- oder lebensdauerbedingte Längenänderungen des Stapels auszugleichen.
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Anstatt oder zusätzlich zur Toleranzausgleichsplatte kann auch zumindest ein keilförmiges Element und/oder eine Leiste zwischen der Endplatte und dem Stapel als Toleranzausgleichselement eingeschoben werden.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass für den Toleranzausgleich die zweite Druckplattenanordnung eine an den Halbschalen anliegende Endplatte und eine zwischen der Endplatte und dem Stapel angeordnete Andrückplatte umfasst. Der Abstand zwischen der Endplatte und der Andrückplatte ist dabei über zumindest eine Stellanordnung veränderbar.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Stellanordnung von außen, also durch eine der Halbschalen hindurch und/oder durch die Druckplattenanordnung hindurch betätigt werden kann. Dadurch ist es möglich, den Stapel in das Gehäuse einzubauen und erst nach Verschließen des Gehäuses über die Stellanordnung den entsprechenden Toleranzausgleich vorzunehmen.
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Die Verwendung der Stellanordnung kann auch mit dem oben beschriebenen Toleranzausgleichselement kombiniert werden, wobei dann insbesondere grobe Schwankungen mit dem Toleranzausgleichselement ausgeglichen werden und nach dem Zusammenbau des Gehäuses die Stellanordnung getätigt wird.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Stellanordnung zumindest eine Schraube umfasst, wobei die Andrückplatte mittels der Schraube an der Endplatte abgestützt ist. Durch eine einfache Aussparung in der Druckplattenanordnung kann an die Schraube von außen betätigt werden.
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Alternativ zur Schraube kann auch ein Exzenter als Stellanordnung zwischen Andrückplatte und Endplatte verwendet werden. Mit einem entsprechenden Werkzeug kann der Exzenter von außen verdreht werden, um so den Abstand zu verändern.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Stellanordnung einen Freiraum zwischen der Andrückplatte und der Endplatte umfasst, wobei in den Freiraum ein aushärtbares Material einspritzbar ist. Insbesondere ist zumindest ein Zugang in der Druckplattenanordnung und/oder in den Halbschalen vorgesehen, durch den das entsprechende Material einspritzbar ist. Insbesondere wird flüssiger oder zähflüssiger Kunststoff eingespritzt, der dann in dem Freiraum aushärtet und dadurch den Abstand zwischen Endplatte und Andrückplatte fixiert. Dabei kann es sich um einen Thermoplasten oder Duroplasten handeln. Unter Duroplasten sind in diesem Zusammenhang auch Klebstoffe gemeint. Es ist auch möglich schaumartige Werkstoffe einzusetzen.
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Der Abstand zwischen der Endplatte und der Andrückplatte kann durch das Einspritzen des Materials in den Freiraum eingestellt werden. Hierzu ist insbesondere ein Zylinder/Kolbensystem vorgesehen, wobei in den Zylinder das Material eingespritzt wird und sich dadurch der Kolben bewegt. Der Kolben wiederum bewegt die Andrückplatte. Nach dem Aushärten des Materials ist der Zylinder mit dem Material gefüllt, sodass sich der Kolben nicht mehr zurück bewegen kann.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, beispielsweise über die oben beschriebene Schraube, den Exzenter oder eine andere Methode den Abstand zwischen Endplatte und Andrückplatte einzustellen und anschließend das Material in den Freiraum einzuspritzen, um den Abstand zu fixieren.
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Vorteilhafterweise befinden sich zwischen den Druckplattenanordnungen und dem Stapel Stromabnehmer. Außerhalb der Stromabnehmer sind in den Druckplattenanordnungen vorteilhafterweise Isolationsschichten oder Isolationsplatten für die elektrische Isolierung angeordnet.
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Vorteilhafterweise wird eine der beiden Halbschalen oder werden beide Halbschalen aus Kunststoff gefertigt. Insbesondere handelt es sich dabei um faserverstärkten Kunststoff. Besonders bevorzugt verläuft die Hauptrichtung der Fasern in Längsrichtung, also von einer Stirnseite zur anderen. Dadurch wirken die Fasern in den Halbschalen als Zuganker. Dabei handelt es sich insbesondere um sogenannte „Endlosfasern“ oder „Endlosbänder“.
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Vorteilhafterweise werden die Halbschalen aus Kunststoff mit einer EMV-Beschichtung versehen.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen zumindest eine der beiden Halbschalen aus Metall zu fertigen. Insbesondere wird Blech zur Herstellung der Halbschalen umgeformt. Bei metallischen Werkstoffen ist eine isolierende Schicht zwischen Brennstoffzellenstapel und Gehäuse sinnvoll.
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Sowohl die metallenen Halbschalen als auch die Halbschalen aus Kunststoff werden vorteilhafterweise einteilig gefertigt.
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Wie Eingangs beschrieben, ist das Gehäuse insbesondere für einen rechteckigen Stapel ausgebildet. Die zwei größten, kongruenten Flächen der rechteckigen Form werden als Oberseite bzw. Unterseite bezeichnet. An den beiden gegenüberliegenden Stirnseiten befinden sich die Druckplattenanordnungen. Die beiden verbleibenden Flächen werden als gegenüberliegende Längsseiten bezeichnet.
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Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die erste Halbschale die Fläche der Oberseite und die zweite Halbschale die Fläche der Unterseite jeweils über zumindest 50 %, vorzugsweise zumindest 80 %, besonders vorzugsweise 100 %, abdeckt. Insbesondere wenn die Medienschnittstellen in der Druckplattenanordnung ausgebildet sind, müssen an der Oberseite und an der Unterseite keine Anschlüsse vorhanden sein, sodass in diesem Fall die Oberseite und die Unterseite vollständig durch die Halbschalen bedeckt sein können.
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Ein wesentlicher Teil vorliegende Erfindung ist, dass sich die beiden Halbschalen von dem die Oberseite und Unterseite abdecken Anteil zu den Stirnseiten hin erstrecken, um so die beiden Druckplattenanordnungen zu umgreifen. Am Übergang zum stirnseitigen Bereich weisen die Druckplattenanordnungen vorteilhafterweise konvexe Flächen auf. Diese konvexen Flächen liegen flächig an den Halbschalen an. Dementsprechend sind in diesem Bereich die Halbschalen konkav ausgebildet.
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Aufgrund der Verspannung des Stapels werden die Halbschalen auf Zug belastet. Um diese Zugbelastung gut zwischen den stirnseitigen Bereichen der Halbschalen zu übertragen, ist ein möglichst großer Radius an den konkaven Flächen der Halbschalen bzw. an den konvexen Flächen der Druckplattenanordnungen vorgesehen. Der Radius beträgt vorteilhafterweise zumindest 10 cm, vorzugsweise zumindest 15 cm.
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Die beiden Längsseiten werden vorzugsweise über entsprechende Deckel verschlossen. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass sich die beiden Halbschalen zumindest über einen kleinen Bereich auch auf die Längsseiten erstrecken. Die beiden Halbschalen bilden dabei den Rand an dem die entsprechenden Deckel befestigt werden können. Vorteilhafterweise ist deshalb vorgesehen, dass die beiden Halbschalen zumindest 5 % der Fläche der Längsseiten abdecken.
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Innerhalb des Gehäuses führen vorteilhafterweise zumindest zwei Stromschienen von den plattenförmigen Stromabnehmern zu einer der beiden Längsseiten. An dieser Längsseite können die beiden Stromschienen kontaktiert werden und es kann ein entsprechender Deckel an den Halbschalen befestigt werden. Auch die gegenüberliegende Längsseite wird vorteilhafterweise mit einem Deckel verschlossen. Unter diesem Deckel sind vorteilhafterweise Elektronikbauteile und dazu notwendige Anschlüsse zum Ansteuern und/oder Überwachen des Stapels angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es auch möglich, dass zumindest eine der Längsseiten geschlossen ist, also von den Halbschalen umgriffen wird. Die Stromanschlüsse bzw. Stromschienen und die Anschlüsse für die Elektronikbauteile können dazu über Durchbrüche in den Halbschalen auf der Ober- und/oder Unterseite nach außen geführt werden.
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Darüber hinaus ist es auch möglich die Stromabnehmer durch die Druckplatten hindurch zu kontaktieren.
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Grundsätzlich kann die Trennebene der Halbschalen längs oder quer verlaufen.
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Das hier beschriebene Gehäuse schließt den Stapel vorteilhafterweise mediendicht ein. Dementsprechend ist vorteilhafterweise eine Dichtung zwischen den beiden Halbschalen vorgesehen. Die Dichtung kann ein separates Einlegeteil sein, oder im 2-Komponenten-Spritzgussverfahren mit einer der beiden Halbschalen gefertigt werden.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die beschriebenen Medienschnittstellen in der ersten Druckplattenanordnung gegenüber den beiden Halbschalen abgedichtet sind. Wie beschrieben, werden die beiden Längsseiten vorteilhafterweise durch Deckel verschlossen. Auch diese Deckel werden vorteilhafterweise mediendicht mit den beiden Halbschalen verbunden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass an den Außenflächen des Gehäuses Befestigungspunkte zur Anbringung von Haltern vorgesehen sind. Mittels der Halter kann das Gehäuse vorzugsweise in einem Fahrzeug befestigt werden.
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Vorzugsweise sind an zumindest einer Druckplattenseite Durchbrüche zur Aufbringung von Verspannkräften auf den Stapel während des Montageprozesses vorhanden. Ferner bevorzugt ist mindestens ein Zugang zum Einbringen von aushärtbarem Material vorhanden.
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Bevorzugt hält das Gehäuse zumindest eine Vorrichtung zum Druckausgleich und/oder zur Feuchteregulierung bereit.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Energieversorgungseinheit. Die Energieversorgungseinheit wiederum umfasst das beschriebene Gehäuse und den darin angeordneten Stapel. Der Stapel ist entweder als Brennstoffzellenstapel oder als Batteriestapel ausgebildet. Die Energieversorgungseinheit befindet sich insbesondere in einem Fahrzeug und wird zur Stromversorgung eines elektrischen Antriebs des Fahrzeugs verwendet.
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Die im Rahmen des erfindungsgemäßen Gehäuses beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Unteransprüche finden entsprechend vorteilhafte Anwendung für die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
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1 eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit mit einem erfindungsgemäßen Gehäuse gemäß einem Ausführungsbeispiel,
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2 zwei Ansichten der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel,
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3–6 unterschiedliche Varianten für ein Toleranzausgleichsystem des Gehäuses gemäß dem Ausführungsbeispiel,
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7 eine Variante für die Verbindung zweier Halbschalen des Gehäuses gemäß dem Ausführungsbeispiel,
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8 eine weitere Variante für die Verbindung der zwei Halbschalen des Gehäuses gemäß dem Ausführungsbeispiel, und
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9 ein Detail zu 8.
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Die 1 bis 9 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 1. Die Energieversorgungseinheit 1 umfasst ein Gehäuse 2. In dem Gehäuse 2 ist ein Stapel 3 angeordnet. Im gezeigten Beispiel ist der Stapel 3 als Brennstoffzellenstapel ausgebildet und umfasst somit mehrere aneinander gestapelte Bipolarplatten 4. Alternativ dazu könnte der Stapel 3 auch als Batteriestapel mit mehreren gestapelten elektrochemischen Zellen ausgebildet sein.
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Die Energieversorgungseinheit 1 ist zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Im Kraftfahrzeug dient sie zur Energieversorgung eines elektrischen Antriebs.
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung der Energieversorgungseinheit 1. 2 zeigt zwei Ansichten der zusammengebauten Energieversorgungseinheit 1:
Das Gehäuse 2 umfasst eine erste und eine zweite Halbschale 5 sowie eine erste Druckplattenanordnung 6 und eine zweite Druckplattenanordnung 7.
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Zwischen den beiden Halbschalen 5 und den beiden Druckplattenanordnungen 6, 7 ist der Stapel 3 angeordnet. Der Stapel 3 und das Gehäuse 2 sind rechteckig. Entsprechend der Rechteckform sind zwei gegenüberliegende Stirnseiten 9, eine Oberseite 10, eine Unterseite 11 und zwei gegenüberliegende Längsseiten 12 definiert. Die Oberseite 10 und die Unterseite 11 sind die beiden größten kongruenten Flächen der Rechteckform.
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Der Stapel 3 weist eine Länge 18, eine Breite 19 und eine Stapelhöhe 23 auf. Entlang der Länge 19 sind die einzelnen Bipolarplatten 4 hintereinander angeordnet. An den Stirnseiten 9 befinden sich die beiden Druckplattenanordnungen 6, 7. Zwischen den Druckplattenanordnungen 6, 7 und dem Stapel 3 ist jeweils ein Stromabnehmer 8 positioniert. Die Stromabnehmer 8 entsprechen mit Wesentlichen der Größe einer Bipolarplatte 4.
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Die obere Halbschale 5 deckt die vollständige Oberseite 10 des Stapels 3 ab. Die untere Halbschale 5 deckt die vollständige Unterseite 11 Stapels 3 ab. An beiden Stirnseiten 9 sind beide Halbschalen 5 um ca. 90° gebogen, sodass jede Halbschale 5 jede Druckplattenanordnung 6, 7 an der Außenseite umgreift.
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3 zeigt hierzu eine Schnittansicht an der zweiten Druckplattenanordnung 7. Gemäß dieser Schnittansicht weist jede der beiden Halbschalen 5 eine Halbschalenhöhe 24 auf. Die Halbschalenhöhe 24 ist parallel zur Stapelhöhe 23 definiert.
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Zumindest stellenweise an den Stirnseiten 9 ist bevorzugt vorgesehen, dass die einzelne Halbschalenhöhe 24 zumindest 30 % der Stapelhöhe 23 beträgt. Besonders bevorzugt beträgt die Halbschalenhöhe 24 an den Stirnseiten 9 zumindest stellenweise zumindest 40 % der Stapelhöhe 23. Dadurch ist sichergestellt, dass die Halbschalen 5 die Druckplattenanordnungen 6, 7 soweit als möglich umgreifen und ausreichend Fläche für die Abstützung der Druckplattenanordnungen 6, 7 bereitstellen.
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Ferner zeigt 3 konvexe Flächen 25 der zweiten Druckplattenanordnung 7. Auf den konvexen Flächen 25 liegt eine entsprechende konkave Fläche der jeweiligen Halbschale 5 flächig auf. Der Radius 26 der konvexen Flächen 25 ist möglichst groß ausgestaltet.
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Gemäß den 1 und 2 sind an der ersten Druckplattenanordnung 6 zwei Medienschnittstellen 17 ausgebildet. Diese Medienschnittstellen 17 dienen zum Austausch von Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff), Oxidationsmittel (zum Beispiel Luftsauerstoff) und Kühlflüssigkeit zwischen dem Stapel 3 und der Umgebung. Die Medienschnittstellen 17 befinden sich in entsprechenden Aussparungen der Halbschalen 5, wobei zwischen den Halbschalen 5 und den Medienschnittstellen 17 vorteilhafterweise eine entsprechende Dichtung vorgesehen ist.
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An den beiden Längsseiten 12 sind eine erste seitliche Aussparung 14 und eine zweite seitliche Aussparung 15 zwischen den beiden Halbschalen 5 vorgesehen. Gemäß 2 wird die erste seitliche Aussparung 14 mit einem Deckel 13 verschlossen. Unter dem Decken 13 können beispielsweise Elektronikbauteile für die Ansteuerung und/oder Überwachung des Stapels 3 angeordnet werden.
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Die gegenüberliegende zweite seitliche Aussparung 15 ist in der Darstellung nach 2 offen. In der zweiten zeitlichen Aussparung 15 laufen zwei Stromschienen 16 zusammen. Diese Stromschienen 16 sind mit den Stromabnehmern 8 verbunden. Über die zweite seitliche Aussparung 15 können die beiden Stromschienen 16 kontaktiert werden. Nachdem die entsprechende Kontaktierung montiert ist, wird die zweite seitliche Aussparung 15 mit einem nicht dargestellten Deckel verschlossen, sodass das Gehäuse 2 den Stapel 3 mediendicht aufnimmt.
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Die 3 bis 6 zeigen unterschiedliche Ausgestaltungen für ein Toleranzausgleichsystem des Gehäuses 2.
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Gemäß 3 umfasst die zweite Druckplattenanordnung 7 eine Endplatte 20. An der Endplatte 20 liegen die beiden Halbschalen 5 an. Zwischen der Endplatte 20 und dem Stapel 3 befindet sich ein Toleranzausgleichselement, ausgebildet als Toleranzausgleichsplatte 21. Zwischen der Toleranzausgleichsplatte 21 und der Endplatte 20 kann noch eine Isolationsplatte für die elektrische Isolierung angeordnet werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Toleranzausgleichsplatte 21 auch als Isolationsplatte ausgebildet werden. Zwischen dem Stapel 3 und der Toleranzausgleichsplatte 21 befindet sich eine innere Druckplatte 22.
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Vor der Montage des Stapels 3 zwischen den beiden Halbschalen 5 wird der Stapel 3 in seiner Länge 18 vermessen. Entsprechend dieser Länge 18 kann die Toleranzausgleichsplatte 21 in passender Wandstärke gewählt werden. Dabei kann die Toleranzausgleichsplatte 21 auch aus mehreren einzelnen Platten zusammengesetzt werden. Zusätzlich oder alternativ zur Toleranzausgleichsplatte 21 können auch andere Toleranzausgleichselemente eingesetzt werden. So können zum Beispiel auch federnde Komponenten als Toleranzausgleichselemente eingesetzt werden.
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Gemäß der Variante in 4 umfasst die zweite Druckplattenanordnung 7 neben der Endplatte 20 eine Andrückplatte 27. Die Andrückplatte 27 befindet sich zwischen der Endplatte 20 und dem Stapel 3. Der Abstand zwischen der Andrückplatte 27 und der Endplatte 20 wird hier über ein passendes Stellmittel verändert. Diese Stellmittel sind vorzugsweise von außerhalb des Gehäuses 2 betätigbar.
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Im Beispiel nach 4 ist das Stellmittel durch Schrauben 28 gebildet. Die Schrauben 28 stecken in entsprechenden Gewinden in der Endplatte 20 und der Andrückplatte 27. Durch Drehen der Schrauben 28 verändert sich der Abstand zwischen der Endplatte 20 und der Andrückplatte 27. In diesem Fall werden Öffnungen in den Halbschalen 5 zur Betätigung der Schrauben vorgehalten. Alternativ zu Schrauben 28 ist es auch vorgesehen Exzenter und/oder Keile als Stellmittel für den Toleranzausgleich vorzusehen.
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In 5 ist das Stellmittel durch ein Zylinder/Kolbensystem 29 gebildet. In der Endplatte 20 sind Zylinder ausgespart. In diesen Zylindern sind entsprechende Kolben geführt. Die Kolben wiederum sind mit der Andrückplatte 27 verbunden. Über erste Zugänge 31 in der Endplatte 20 sind die Zylinder von außen zugänglich.
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Es ist hier insbesondere vorgesehen, dass in die Zylinder (in 5 bezeichnet als Freiraum 30) über die ersten Zugänge 31 ein aushärtbares Material, beispielsweise Kunststoff in flüssiger Form eingespritzt wird. Sobald das Material innerhalb des Freiraums 30 ausgehärtet ist, ist auch die Position des Kolbens und somit die Position der Andrückplatte 27 festgelegt.
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In 6 befindet sich der Freiraum 30 ebenfalls zwischen der Endplatte 20 und der Andrückplatte 27, jedoch außerhalb des Zylinder/Kolbensystems 29. Über die ersten Zugänge 31 werden die Kolben und somit die Andrückplatte 27 bewegt. Dies erfolgt entweder über einen Hydraulikdruck über die ersten Zugänge 31 oder über ein entsprechendes Werkzeug das über die ersten Zugänge 31 eingesteckt wird. Über einen zweiten Zugang 32 wird das aushärtbare Material in den Freiraum 30 eingespritzt.
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Im Rahmen der Erfindung ist insbesondere vorgesehen, dass der Stapel 3 innerhalb der Halbschalen 5 keine eigenen Zuganker umfasst. Vielmehr erfüllt das Gehäuse 2 mit seinen beiden Halbschalen 5 die Funktion der Zuganker. Dies ist insbesondere dadurch möglich, dass die Halbschalen 5 die beiden Druckplattenanordnungen 6, 7 beidseitig umgreifen. Insbesondere durch das hier beschriebene Toleranzausgleichsystem können dabei unterschiedliche Längen 18 des Stapels 3 berücksichtigt werden.
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7 zeigt eine Möglichkeit zur Verbindung der beiden Halbschalen 5. Gemäß dem hier gezeigten Beispiel liegen die beiden Halbschalen 5 außerhalb der zweiten Druckplattenanordnung 7 direkt aufeinander. Zur Verbindung der beiden Halbschalen 5 wird ein Verbindungselement 33 aufgesetzt und mit beiden Halbschalen 5 verschraubt. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Verbindungselement 33 zumindest einen Befestigungspunkt 34 aufweist, über den die Energieversorgungseinheit 1 beispielsweise im Fahrzeug befestigt werden kann.
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8 und 9 zeigen eine weitere Möglichkeit zum Verschließen des Gehäuses 2. Hier ist pro Halbschale 5 eine Zugbandanordnung 35 vorgesehen. Die einzelne Zugbandanordnung 35 umfasst sechs Zugbänder 36 die sich über die jeweilige Halbschalen 5 von Stirnseite 9 zu Stirnseiten 9 erstrecken. An den Enden sind die Zugbänder 36 jeweils an Zugbandstangen 37 befestigt. An den Stirnseiten 9 werden die Zugbandstangen 37, beispielsweise durch Nieten oder Schrauben miteinander verbunden. Die Verwendung der Zugbandanordnungen 35 dient nicht nur zum Verschließen der beiden Halbschalen 5, sondern auch zur Stabilisierung der Halbschalen 5.
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Alternativ zur dargestellten Variante kann auch nur eine Zugbandanordnung 35 verwendet werden, deren Zugbänder 36 sich über beide Halbschalen 5 erstrecken.
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Das gezeigte Gehäuse 2 ist vorteilhafterweise mediendicht verschlossen. Dementsprechend werden Dichtungen zwischen den beiden Halbschalen 5, zwischen den Halbschalen 5 und den Deckeln und zwischen den Halbschalen 5 und den Medienschnittstellen 17 verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energieversorgungseinheit
- 2
- Gehäuse
- 3
- Stapel, ausgebildet als Brennstoffzellenstapel oder Batteriestapel
- 4
- Bipolarplatten
- 5
- erste und zweite Halbschale
- 6
- erste Druckplattenanordnung
- 7
- zweite Druckplattenanordnung
- 8
- Stromabnehmer
- 9
- Stirnseiten
- 10
- Oberseite
- 11
- Unterseite
- 12
- Längsseiten
- 13
- Deckel
- 14
- erstes seitliche Aussparung
- 15
- zweites seitliche Aussparung
- 16
- Stromschienen
- 17
- Medienschnittstelle
- 18
- Länge
- 19
- Breite
- 20
- Endplatte
- 21
- Isolationsplatte und Toleranzausgleichsplatte
- 22
- Innere Druckplatte
- 23
- Stapelhöhe
- 24
- Halbschalenhöhe
- 25
- konvexe Flächen
- 26
- Radius
- 27
- Andrückplatte
- 28
- Schrauben
- 29
- Zylinder/Kolbensystem
- 30
- Freiraum
- 31
- erster Zugang
- 32
- zweiter Zugang
- 33
- Verbindungselement
- 34
- Befestigungspunkte
- 35
- Zugbandanordnung
- 36
- Zugbänder
- 37
- Zugbandstangen