Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung mit einem im Betrieb verformbaren Brennstoffzellenstapel. Insbesondere betrifft die Erfindung die Fixierung eines sich im Betrieb verformbaren Brennstoffzellenstapels in einer Tragstruktur, beispielsweise in einem den Brennstoffzellenstapel umgebenden Gehäuse. Dabei soll unter dem Begriff "Fixierung" im vorliegenden Zusammenhang insbesondere die Verhinderung von Starrkörperbewegungen relativ zur Tragstruktur verstanden werden. Zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels Brennstoffzellen wird üblicherweise eine größere Anzahl von Brennstoffzellen in Form eines Stapels entlang einer Längsachse angeordnet, wobei die Brennstoffzellen jeweils eine Anode, eine Kathode und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten aufweisen. Die einzelnen Brennstoffzellen sind jeweils durch Bipolarplatten voneinander getrennt und elektrisch kontaktiert. Der Brennstoffzellenstapel wird in Längsrichtung durch eine erste Endplatte am Anfang des Stapels und eine zweite Endplatte am Ende des Stapels begrenzt. An den Anoden und den Kathoden sind jeweils Stromkollektoren vorgesehen, die dazu dienen, die A- noden bzw. Kathoden einerseits elektrisch zu kontaktieren und anderseits Reaktionsgase an diesen vorbeizuführen. Im Randbereich von Anode, Kathode und Elektrolyt- matrix sind jeweils Dichtungselemente vorgesehen, welche eine seitliche Abdichtung der Brennstoffzellen und damit des Brennstoffzellenstapels gegen ein Austreten von Anoden- und Kathodengas bilden.

Es sind unterschiedlichste Brennstoffzellentypen bekannt, wie beispielsweise Polymer- elektrolyt-Brennstoffzellen, Festoxid-Brennstoffzellen oder Schmelzkarbonat- Brennstoffzellen.

Bei einer Schmelzkarbonatbrennstoffzelle besteht das Elektrolytmaterial typischerweise aus binären oder ternären Alkalikarbonatschmelzen (beispielsweise Mischschmel- zen aus Lithium- und Kaliumkarbonat), die in einer porösen Matrix gebunden sind. Im Betrieb erreichen Schmelzkarbonatbrennstoffzellen typischerweise Arbeitstemperaturen von etwa 650 °C. Dabei findet auf der Anodenseite eine Reaktion von Wasserstoff mit Karbonationen zu Wasser und Kohlendioxid unter Elektronenfreisetzung statt. Ka- thodenseitig reagiert Sauerstoff mit Kohlendioxid unter Elektronenaufnahme zu Karbo- nationen. Dabei wird Wärme frei. Die als Elektrolyt verwendete Alkalikarbonatschmelze liefert einerseits die für die Anodenhalbreaktion benötigten Karbonationen und nimmt andererseits die bei der Kathodenhalbreaktion entstehenden Karbonationen auf. In der Praxis wird der Anodenseite der Brennstoffzelle meist ein kohlenwasserstoffhaltiger Energieträger und Wasser zugeführt. Als kohlenwasserstoffhaltiger Energieträger eig- net sich beispielsweise Methan, das unter anderem aus Erdgas oder Biogas stammen kann. Durch interne Reformierung wird aus dem zugeführten Gemisch der für die Ano- denhalbreaktion benötigte Wasserstoff gewonnen wird. Das Anodenabgas wird mit zusätzlich zugeführter Luft gemischt und anschließend zur Beseitigung etwaiger Rest- bestandteile des Brenngases katalytisch oxidiert. Das entstandene Gasgemisch enthält nun Kohlendioxid und Sauerstoff, also genau die für die Kathodenhalbreaktion benötigten Gase, so dass Anodenabgas nach Frischluftzufuhr und katalytischer Oxidation unmittelbar in die Kathodenhalbzelle eingeleitet werden kann. Die am Kathodenausgang austretende heiße Abluft ist schadstofffrei und kann thermisch weiterverwertet werden. Der elektrische Wirkungsgrad der Schmelzkarbonat- Brennstoffzelle liegt bereits bei 45 bis 50 % und unter Nutzung der bei dem Gesamt- prozess freigesetzten Wärme lässt sich ein Gesamtwirkungsgrad von ca. 90 % erzielen.

Der Anmelderin ist es gelungen, den Brennstoffzellenstapel und alle auf hoher Temperatur arbeitenden Systemkomponenten in ein gemeinsames gasdichtes Schutzgehäuse zu integrieren. Damit wird einerseits der Wirkungsgrad der Anlage verbessert und andererseits konnte eine Anordnung realisiert werden, bei der der Kathodengasstrom im Innenraum des Schutzgehäuses frei zirkulieren und der Anodenabgasstrom frei in den zirkulierenden Kathodengasstrom eingeleitet werden kann. Die bekannte Brennstoffzellenanordnung der Anmelderin wird beispielsweise in den internationalen Patentanmeldungen WO 96/02951 A1 und WO 96/20506 A1 und in der deutschen Patentanmeldung DE 195 48 297 A1 ausführlicher beschrieben.

Schmelzkarbonat-Brennstoffzellenstapel, aber auch andere für einen höheren Leistungsbereich jenseits von 100 kW ausgelegte Brennstoffzellen, wie beispielsweise Festoxid-Brennstoffzellen, unterliegen im Betrieb durch innere Kräfte infolge von Temperaturprofilen im Stapel oder durch chemische Reaktionen beträchtlichen Verformun- gen. Um diese Verformungen zu ermöglichen, sind die oben beschriebenen Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen der Anmelderin beispielsweise auf einem Trägergestell in einem Gehäuse so gelagert, dass die Endplatten zwar elastisch gegeneinander vorgespannt sind, aber gleichzeitig eine gewisse Beweglichkeit des Stapels in Längs- und Querrichtung gewährleistet bleibt. Außerdem können äußere Kräfte auf den Brenn- Stoffzellenstapel einwirken, so zum Beispiel beim Transport der Brennstoffzelle zu einem stationären Einsatzort oder beim mobilen Einsatz der Brennstoffzelle, beispielsweise auf Schiffen, aber auch im stationären Einsatz, beispielsweise aufgrund von Erdbeben. Daher ist es für solche Anwendungsbereiche vorteilhaft, den Brennstoffzellenstapel innerhalb einer Tragstruktur, beispielsweise einem Gehäuse oder einem von einem Gehäuse umgebenen Träger, zu fixieren. Die Halterung muss dabei Bewegungen und Verformungen des Stapels infolge von äußeren Kräften, wie beispielsweise durch Schiffsbewegungen, verhindern, aber gleichzeitig eine gewisse Verformung des Stapels, beispielsweise ein Ausdehnen, Schrumpfen oder Verbiegen infolge von inne- ren Kräften ermöglichen. Es ist beispielsweise bekannt, Brennstoffzellenstapel vertikal in einem Gehäuse anzuordnen und dabei die untere Endplatte des Stapels am Gehäuse zu fixieren. Eine derartige Anordnung ist lediglich für den stationären Betrieb oder für Stapel mit geringer Höhe geeignet, da hier äußere Querkräfte nur durch die Reibung zwischen den einzelnen Zellen aufgenommen werden können. Ebenso ist be- kannt, den Brennstoffzellenstapel horizontal zu lagern und dabei eine der beiden Endplatten des Stapels an einem Träger zu fixieren. Der Stapel kann dabei zwar über seine ganze Länge auf einem Träger ruhen, muss aber aufgrund der durch innere Kräfte ausgelösten Verformungen in Längs- und Querrichtung zur Stapelachse beweglich sein, so dass auch hier die Aufnahme von äußeren Kräften begrenzt ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, eine Brennstoffzellenanordnung anzugeben, bei welcher der Brennstoffzellenstapel derart in einer Tragstruktur fixiert ist, dass einerseits Verformungen aufgrund von inneren Kräften ermöglicht werden, aber gleichzeitig von außen einwirkende Kräfte von der Tragstruktur aufgenommen werden können, so dass es zu keiner übermäßigen, den Brennstoffzellenstapel beschädigenden Stapelbewegung kommt.

Gelöst wird dieses technische Problem durch die Brennstoffzellenanordnung gemäß vorliegendem Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstän- de der abhängigen Patentansprüche.

Demnach betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel, der eine erste Endplatte, eine zweite Endplatte und zahlreiche Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode und eine Kathode und einen zwischen Anode und Kathode angeordneten Elektrolyten umfassen, aufweist, wobei die Brennstoffzellen entlang einer Längsachse des Brennstoffzellenstapels zwischen der ersten und der zweiten Endplatte angeordnet sind, einer Tragstruktur, in welcher der Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, wobei die erste Endplatte des Brennstoffzellenstapels gegebenenfalls fest mit der Tragstruktur verbunden ist, wobei die erfindungsgemäße Brenn- Stoffzellenanordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens ein, von der gegebenenfalls fest mit der Tragstruktur verbunden ersten Endplatte verschiedenes Lagermittel zur Aufnahme von auf den Brennstoffzellenstapel quer zur Längsachse des Stapels wirkenden Querkräften vorgesehen ist. Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, dass dann, wenn die erste Endplatte an der Tragstruktur fixiert ist, wenigstens ein weiteres Lagermittel zur Aufnahme von auf den Brennstoffzellenstapel quer zur in Stapelrichtung verlaufenden Längsachse wirkenden Querkräften vorgesehen ist. In dem Fall, dass keine der Endplatten an der Tragstruktur fixiert ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zumindest ein Lagermittel, bei dem es sich nicht um eine Endplatte handelt, zur Aufnahme von Quer- kräften vorgesehen ist. Die Orientierung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels unterliegt keinerlei Einschränkungen, kann also beispielsweise vertikal, vorzugsweise aber horizontal sein. Auch die Orientierung der quer zur Längsachse des Stapels wirkenden Querkräfte und damit auch die Orientierung der zur Aufnahme dieser Kräfte vorgesehenen Lagermittel unterliegt keiner Einschränkung. Die entsprechenden Lagermittel können bei einer horizontalen Orientierung des Stapels beispielsweise parallel (oder antiparallel) zur Richtung der Schwerkraft oder senkrecht zur Richtung der Schwerkraft verlaufen.

Bei der Tragstruktur kann es sich um einen den Brennstoffzellenstapel ganz oder teilweise umgebenden Rahmen handeln, der wiederum von einem Gehäuse umgeben sein kann. Die Tragstruktur kann aber auch von einem den Brennstoffzellenstapel umgebenden Gehäuse selbst gebildet werden.

Vorzugsweise umfassen die Lagermittel wenigstens eine in dem Brennstoffzellenstapel angeordnete Halteplatte, die durch ein Querlager mit der Tragstruktur verbunden ist. Unter einer in dem Brennstoffzellenstapel angeordneten Halteplatte wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung jede Halteplatte verstanden, die Teil des Brennstoffzellen- Stapels ist, einschließlich der beiden Endplatten. Unter einem Querlager versteht man im vorliegenden Zusammenhang eine Lagerung quer zur Längsachse des Brennstoffzellenstapels.

Für den Fall, dass die erste Endplatte, wie aus dem Stand der Technik bekannt, fest mit der Tragstruktur verbunden ist, kann es sich gemäß einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung bei der wenigstens einen Halteplatte um die zweite, den Brennstoffzellenstapel begrenzenden Endplatte handeln. Bei dieser Variante ist die erste Endplatte über ein Festlager mit der Tragstruktur verbunden, während die zweite Endplatte, welche die Halteplatte zur Aufnahme von Querkräften bildet, über ein Loslager mit der Tragstruktur verbunden ist, so dass die zweite Endplatte in Stapel-Längsrichtung beweglich, quer dazu aber fixiert ist. Damit werden Verformungen des Brennstoffzellenstapels zwischen den beiden Endplatten zwar ermöglicht, gleichzeitig aber auftretende Querkräfte nicht nur durch die erste Endplatte, sondern auch durch die zweite Endplatte aufgenommen. Gemäß einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung ist die Halteplatte eine zwischen zwei Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels angeordnete Zwischenplatte, die wiederum mit der Tragstruktur zur Aufnahme von Quer- kräften verbunden ist. Gemäß einer Variante stellt die zwischen zwei Brennstoffzellen angeordnete Zwischenplatte das einzige Lagermittel zur Aufnahme von auf den Brennstoffzellenstapel quer zur Längsachse des Stapels wirkenden Querkräften dar. In diesem Fall sind die beiden Endplatten des Brennstoffzellenstapels abgesehen von ihrer horizontalen Lagerung oder der vertikalen Lagerung der ersten Endplatte frei beweg- lieh. Gegenüber dem Stand der Technik können jedoch äußere Querkräfte aufgrund der Zwischenplatte besser in die Tragstruktur eingeleitet werden, da Querkräfte nicht mehr über die gesamte Stapellänge auf die Halteplatte übertragen werden müssen, sondern jeweils nur entlang der auf beiden Seiten der Halteplatte befindlichen Anteile des Stapels. Vorzugsweise ist die Zwischenplatte daher im Wesentlichen auf halber Länge des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Es ist auch möglich, mehr als eine Zwischenplatte, beispielsweise zwei Zwischenplatten, vorzusehen, die dann beispielsweise bei einem Drittel bzw. zwei Drittel der Stapellänge angeordnet sind.

Zusätzlich zu der Zwischenplatte bzw. den Zwischenplatten können auch eine oder beide Endplatten als Halteplatten zur Aufnahme von Querkräften ausgebildet sein.

Die beiden Endplatten können beispielsweise als Festlager bzw. Loslager ausgebildet sein. Eine Festlegung der Zwischenplatte quer zur Längsachse des Stapels würde in diesem Fall zu einer statisch unbestimmten Lagerung führen. Bevorzugt wird daher das Querlager für die Zwischenplatte so ausgebildet, dass die Zwischenplatte quer zur Längsachse des Stapels elastisch mit der Tragstruktur verbunden ist.

Gemäß einer Variante kann die Zwischenplatte außerdem über ein Längslager mit der Tragstruktur verbunden sein. Vorzugsweise wird in diesem Fall die Zwischenplatte in Richtung der Längsachse des Brennstoffzellenstapels kippbar gelagert.

Bei größeren Brennstoffzellenstapeln wird außer einer Zwischenplatte zumindest die zweite Endplatte als eine über ein Querlager mit der Tragstruktur verbundene elastisch in der Längsachse des Brennstoffzellenstapels bewegliche Halteplatte ausgebildet sein.

Wenn wenigstens drei Halteplatten in dem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind, wird wenigstens eine der Halteplatten quer zur Längsachse des Stapels beweglich sein. Um eine statisch bestimmte Lagerung zu erreichen, kann man dabei die jeweili- gen Lagermittel derart miteinander koppeln, dass ein Ausgleich der von den Lagermitteln aufgenommenen Querkräfte ermöglicht wird. Zu diesem Zweck können die Lagermittel beispielsweise über ein Ausgleichsgetriebe miteinander verbunden werden. Bei dem an die Halteplatte angreifenden Querlager kann es sich beispielsweise um eine Pendelstütze handeln. Im Fall eines horizontalen Brennstoffzellenstapels kann die Pendelstütze beispielsweise ebenfalls horizontal angeordnet sein und die Halteplatte mit einer Seitenwand der Tragstruktur bzw. des Gehäuses verbinden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Querlager wenigstens einen passiven Stellzylinder. Bei dem Stellzylinder kann es sich beispielsweise um einen passiven Hydraulikzylinder für Zug- und Druckkräfte handeln, bei dem die Zug- und die Druckseite so verbunden sind, dass Ausgleichsbewegungen nur sehr langsam erfolgen. Zug- und Druckseite können beispielsweise über ein Drosselventil verbunden sein. Somit werden kurzzeitig auftretende äußere Kräfte blockiert, während über einen längeren Zeitraum auftretende Kräfte zugelassen werden. Damit können beispielsweise Schiffsbewegungen als typisches Beispiel von kurzfristig auftretenden äußeren Kräften blockiert werden, während eine Stapelbewegung aufgrund von im längeren Betrieb auftretenden inneren Kräften des Stapels ermöglicht wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Stellzylinders können Sicherheitssteuerungen vorgesehen sein, welche den Zylinder in kritischen Betriebszuständen blockieren. Ein sicherheitstechnisches Blockieren des Zylinders kann beispielsweise bei Überschreitung einer definierten Kraft durch ein kraftgesteuertes Absperrventil erfolgen. Ferner kann das Absperrventil über einen Neigungssensor bei Überschreiten eines definierten Neigungswinkels geschlossen werden. Außerdem kann ein Blockieren des Zylinders bei Überschreitung einer vorgegebenen Temperatur, die mittels Temperatursensoren ermittelt wird, ausgelöst werden.

Die Lagermittel umfassen vorzugsweise Isolationsmittel, um den Brennstoffzellenstapel zumindest elektrisch von der Tragstruktur zu isolieren. Bei Hochtemperaturbrennstoffzellen, wie beispielsweise der Schmelzkarbonatbrennstoffzelle, gewährleisten die Isolationsmittel vorzugsweise auch eine thermische Isolation des Brennstoffzellenstapels von der Tragstruktur. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, sind die erste und die zweite Endplatte vorzugsweise elastisch gegeneinander vorgespannt. Gemäß einer bevorzugten Variante sind dazu regelbare Kraftmittel vorgesehen, die eine im wesentlichen konstante Vorspannung auf die zwischen den Endplatten angeordneten Brennstoffzellen ausüben. Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf ein in den beigefügten Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines horizontal angeordneten Brennstoffzellenstapels;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung, bei welcher die zweite Endplatte als zusätzliche Halteplatte ausgebildet ist;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung, bei welcher eine Halteplatte zwischen den Brennstoffzellen des Stapels angeordnet ist;

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf eine dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung, bei welcher zwei Halteplatten in dem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind;

Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung;

Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf eine Variante der Brennstoffzellenanordnung der Figur 5;

Fig. 7 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Variante der Ausführungsform der Figur 5;

Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung;

Fig. 9 eine schematische Draufsicht auf eine Variante der Ausführungsform der

Figur 8 bei Einwirkung von äußeren Kräften;

Fig. 10 eine schematische Draufsicht auf die Ausführungsform der Figur 9 bei Einwirkung von inneren Kräften;

Fig. 11 einen schematischen Querschnitt einer sechsten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung, bei welcher das Querlager einen passiven Stellzylinder umfasst;

Fig. 12 eine Variante der Ausführungsform der Figur 11 mit kraftgesteuertem Absperrventil; und

Fig. 13 eine Variante der Ausführungsform der Figur 11 mit neigungsgesteuertem

Absperrventil.

In Figur 1 ist eine Seitenansicht einer insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnete, an sich bekannte Brennstoffzellenanordnung mit einem Brennstoffzellenstapel 11 dargestellt, der eine erste Endplatte 12, eine zweite Endplatte 13 und zahlreiche Brenn- Stoffzellen 14 umfasst. Die in Figur 1 nicht detaillierter dargestellten Brennstoffzellen 14 umfassen in an sich bekannter Weise jeweils eine Anode, eine Kathode und einen zwischen Anode und Kathode angeordneten Elektrolyten. Die Brennstoffzellen 14 sind entlang einer Längsachse 15 des Brennstoffzellenstapels 11 zwischen der ersten und zweiten Endplatte angeordnet. Die der ersten Endplatte 12 gegenüberliegende zweite Endplatte 13 ist gegen die erste Endplatte 12 vorgespannt (in Figur 1 durch den auf die Endplatte wirkenden Pfeil 16 symbolisiert) und ist in Stapellängsrichtung in gewissen Grenzen beweglich, um innere Kräfte des Brennstoffzellenstapels, die beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen oder chemischen Reaktionen entstehen, aus- zugleichen Ferner ist schematisch eine Tragstruktur 17, beispielsweise ein den Brennstoffzellenstapel umgebendes Gehäuse angedeutet, auf dem der Brennstoffzellenstapel 11 einerseits ruht, und mit dem die erste Endplatte 12 des Stapels 11 verbunden ist. Die Auflage des Brennstoffzellenstapels 11 auf einem Boden 18 der Trag struktur 17 wird in Figur 1 durch zahlreiche Loslager 19 symbolisiert. Die erste Endplatte 12 ruht nicht nur über ein Loslager 19' auf dem Boden 18 der Tragstruktur 17 sondern ist außerdem über ein senkrecht zum Loslager 19' wirkendes Loslager 20 mit einer Seitenwand 21 der Tragstruktur 17 verbunden. Alternativ zu den beiden Loslagern 19' und 20 kann die erste Endplatte 12 auch über ein (hier nicht dargestelltes) Festlager mit der Tragstruktur 17 verbunden werden.

Üblicherweise sind abgesehen von der beschriebenen Befestigung der ersten Endplatte 12 keine weiteren Mittel vorgesehen, um äußere Kräfte, insbesondere Querbeschleunigungen, also quer zur Längsache 15 des Stapels wirkende Kräfte auszugleichen. Die bisher bekannten Brennstoffzellenanordnungen, die für einen höheren Leis- tungsbereich ausgelegt sind und somit zahlreiche hintereinander angeordnete Brennstoffzellen 14 umfassen, sind daher beispielsweise für den mobilen Einsatz, wo derartige äußere Kräfte im Betrieb auftreten können, nicht geeignet.

Um einen derartigen Kräfteausgleich zu ermöglichen, wird nun erfindungsgemäß vor- geschlagen, in dem Brennstoffzellenstapel 11 wenigstens ein weiteres Lagermittel zur Aufnahme von auf den Brennstoffzellenstapel 11 quer zur Längsachse 15 des Stapels wirkenden Querkräften vorzusehen. Bevorzugt wird dazu wenigstens eine Halteplatte in dem Brennstoffzellenstapel 11 angeordnete, die durch ein Querlager mit der Tragstruktur 17 verbunden ist. Im Folgenden wird das von der Erfindung vorgeschlagene Konzept anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Die in der Figur 2 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung geht von der in Figur 1 dargestellte Brennstoffzellenanordnung 10 aus, bei welcher die erste Endplatte 12, beispielsweise über zwei senkrecht zueinander wirkende Loslager 19', 20, eine feste Einspannung oder über ein Festlager 29, mit der Tragstruktur 17 verbunden ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass dann, wenn die erste Endplatte an der Tragstruktur fixiert ist, wenigstens ein weiteres Lagermittel zur Aufnahme von auf den Brennstoffzellenstapel quer zur in Stapelrichtung verlaufenden Längsachse wirkenden Querkräften vorgesehen ist. Figur 2 zeigt eine erste erfindungsgemäße Variante in einer schematischen Draufsicht auf den Brennstoffzellenstapel 11. Bei dieser Variante wird die Halteplatte des weiteren Lagermittels von der zweiten Endplatte 13 gebildet wird. Dazu wird die zweite Endplatte 13 über ein senkrecht zu den (in der Draufsicht der Figur 2 nicht erkennbaren) Loslagern 19, 19' orientiertes Querlager 22 mit der Seitenwand 21 der Tragstruktur 17 verbunden. Wenn die erste Endplatte über zwei senkrecht zueinander wirkende Loslager oder über ein Festlager mit der Tragstruktur 17 verbunden ist, ist das Querlager 22, wie dargestellt, als Loslager ausgebildet. Alternativ kann natürlich auch die zweite Endplatte 13 über ein Festlager und die erste Endplatte 12 über ein Loslager mit der Tragstruktur 17 verbunden werden, so dass die zweite Endplatte in Stapel-Längsrichtung beweglich, quer dazu aber fixiert ist. Bei dieser Ausführungsform werden Verformungen des Brennstoffzellenstapels 11 zwischen den beiden Endplatten 12, 13 zwar ermöglicht, gleichzeitig aber auftretende Querkräfte nicht nur durch die erste Endplatte 12, sondern auch durch die zweite Endplatte 13 aufgenommen.

In dem Fall, dass keine der Endplatten 12, 13 an der Tragstruktur 17 fixiert ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zumindest eine Zwischenplatte in dem Brennstoffzellenstapel 11 zur Aufnahme von Querkräften vorgesehen ist. Bei der in Figur 3 dargestellten schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 11 greift die vorgeschlagene Querlagerung im Gegensatz zur Variante der Figur 2 jedoch nicht an der zweiten Endplatte 13 an. Vielmehr ist bei der Variante der Figur 3 eine als Zwischenplatte 23 ausgebildete Halteplatte vorgesehen, die im Stapel 11 zwischen zwei Brennstoffzellen 14 angeordnet ist. Die Zwischenplatte 23 ist über ein Querlager 24 mit der Tragstruktur 17 verbunden. In diesem Fall ist das Querlager 24 bevorzugt als feste Einspannung ausgebildet. In diesem Fall dienen weder die erste noch die zweite Endplatte 12, 13 zur Aufnahme von Querkräften, sondern die beiden Endplatten 12, 13 sind lediglich gegeneinander vorgespannt, was in Figur 3 durch die Pfeile 16, 25 symbolisiert wird. Vor- zugsweise handelt es sich bei der Zwischen platte 23 um eine speziell zur Aufnahme von Querkräften ausgelegte Platte. Die Zwischenplatte 23 kann jedoch auch zusätzliche Funktionen, beispielsweise Kühlfunktionen übernehmen und dazu beispielsweise mit Kanälen für ein Kühlfluid versehen sein. Gemäß einer anderen Variante kann die Zwischenplatte auch eine mechanisch besonders stabil ausgebildete Brennstoffzelle sein. Gemäß dieser Variante stellt die zwischen zwei Brennstoffzellen 14 angeordnete Zwischen platte 23 das einzige Lagermittel zur Aufnahme von auf den Brennstoffzellenstapel 11 quer zur Längsachse des Stapels wirkenden Querkräften dar. In diesem Fall sind die beiden Endplatten 12, 13 des Brennstoffzellenstapels 11 abgesehen von ihrer horizontalen Lagerung oder der vertikalen Lagerung der ersten Endplatte 13 frei beweglich. Gegenüber dem Stand der Technik können jedoch äußere Querkräfte aufgrund der Zwischenplatte 23 besser in die Tragstruktur 17 eingeleitet werden, da Querkräfte nicht mehr über die gesamte Stapellänge auf die Halteplatte 23 übertragen werden müssen, sondern jeweils nur entlang der auf beiden Seiten der Halteplatte 23 befindlichen Anteile des Stapels 11. Vorzugsweise ist die Zwischenplatte 23 daher im Wesentlichen auf halber Länge des Brennstoffzellenstapels 11 angeordnet.

Gemäß einer (nicht dargestellten) Variante der Ausführungsform der Figur 3 kann die erste oder zweite Endplatte (wie beispielsweise die erste Endplatte der Figur 3) mit der Tragstruktur verbunden sein. In diesem Fall ist das Querlager 24 vorzugsweise als Loslager ausgebildet.

Figur 4 zeigt dabei eine schematische Draufsicht auf eine dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung, bei welcher die erste und zweite End- platte 12, 13, wie im Fall der Figur 3, nicht mit der Tragstruktur 17 verbunden, sondern lediglich gegeneinander vorgespannt sind (Pfeile 16, 25). Wie bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform gezeigt, ist auch möglich, mehr als eine Zwischenplatte, beispielsweise zwei über Querlager mit der Tragstruktur 17 verbundene Zwischenplatten 26, 27 vorzusehen, die dann beispielsweise bei einem Drittel bzw. zwei Drittel der Sta- pellänge angeordnet sind. Im dargestellten Beispiel ist die Zwischen platte 26 über ein Loslager 28 und die Zwischenplatte 27 über ein Festlager 29 mit der Seitenwand 21 der Tragstruktur verbunden.

In den Ausführungsbeispielen der Figuren 2 bis 4 ist der Brennstoffzellenstapel 11 durch höchstens zwei Halteplatten quer zur Längsachse 15 des Stapels festgelegt. In diesen Fällen ist die Lagerung des Stapels statisch bestimmt. Die Größe des Brennstoffzellenstapels und/oder die Größe der angreifenden äußeren Kräfte kann es aber erforderlich machen, den Brennstoffzellenstapel in Querrichtung durch mehr als zwei Halteplatten festzulegen. Wenn aber mehr als zwei Halteplatten über als Festlager bzw. Loslager ausgebildete Querlager mit der Seitenwand der Tragstruktur verbunden werden führt dies zu einer statisch unbestimmten Querlagerung des Stapels. In derartigen Fällen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die statisch unbestimmte Lagerung mittels elastischer Bettung einer oder mehrerer Halteplatten oder mittels eines Ausgleichsgetriebes in einer statisch bestimmte Lagerung zurückzuführen. Entsprechende Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren 5 bis 10 erläutert.

In der in Figur 5 dargestellten Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform der Erfindung sind drei Halteplatten durch Querlager mit der Tragstruktur 11 verbunden. Zum einen ist die erste Endplatte 12 über ein Festlager 30 mit der Seitenwand 21 der Tragstruktur 11 verbunden, während die zweite Endplatte 13 über ein Loslager 31 mit der Seitenwand verbunden ist. Eine im Stapel angeordnete Zwischenplatte 32 ist über ein elastisches Querlager 33 mit der Seitenwand verbunden. Gemäß einer nichtdargestellten Variante kann die Zwischenplatte 32 außerdem über ein Längslager mit der Tragstruktur verbunden sein. Vorzugsweise wird in diesem Fall die Zwischenplatte 32 in Richtung der Längsachse 15 des Brennstoffzellenstapels 11 kippbar gelagert. Bei größeren Brennstoffzellenstapeln wird außer einer Zwischen platte zumindest die zweite Endplatte 13 als eine über ein Querlager mit der Tragstruktur verbundene elastisch in der Längsachse 15 des Brennstoffzellenstapels 11 bewegliche Halteplatte ausgebildet sein.

Figur 6 zeigt eine Variante der Ausführungsform der Figur 5, wobei die Zwischenplatte 32 statt über eine Federung über ein Dämpfungselement 34, das, wie durch die Pfeile angedeutet, eine Verschiebung in Stapellängsrichtung erlaubt, mit der Seitenwand 21 der Tragstruktur 11 verbunden ist.

In Figur 7 ist eine weitere Variante der Ausführungsform der Figur 5 dargestellt. In diesem Fall ist die Zwischenplatte 32 über ein Querlager 35 fest mit der Seitenwand 21 der Tragstruktur 11 verbunden. In diesem Fall wird die elastische Bettung durch die Elastizität der die Querlager 30, 31 , 35 verbindenden Wandabschnitte 36, 37 der Seitenwand 21 der Tragstruktur 17 gewährleistet. Die Querlager 31 , 32 können, wie dargestellt, Loslager oder auch starre Quergelenke sein. Wenn wenigstens drei Halteplatten in dem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind, wird wenigstens eine der Halteplatten quer zur Längsachse des Stapels beweglich sein. Um eine statisch bestimmte Lagerung zu erreichen, kann man dabei die jeweiligen Lagermittel derart miteinander koppeln, dass ein Ausgleich der von den Lagermitteln aufgenommenen Querkräfte ermöglicht wird. Zu diesem Zweck können die Lager- mittel beispielsweise über ein Ausgleichsgelenk oder ein Ausgleichsgetriebe miteinander verbunden werden.

In Ausführungsform mit einem Ausgleichsgelenk ist in Figur 8 dargestellt. Die Zwischenplatte 32 und die zweite Endplatte 13 sind über Gelenkstangen 38, 39 und eine starre Ausgleichsplatte 40 so mit einem als Festlager ausgebildeten Querlager 41 verbunden, dass sie ihre Lage zueinander nicht verändern wenn äußere Kräfte gleichmäßig verteilt am Stapel angreifen. Eine Variante der Ausführungsform der Figur 8 mit einem insgesamt mit der Bezugsziffer 42 bezeichneten Ausgleichsgetriebe ist in den Figuren 9 und 10 dargestellt. In Figur 9 ist die Reaktion des Brennstoffzellenstapels 11 auf gleichmäßig verteilt angreifende äußere Kräfte (Pfeile 43) dargestellt. Durch das Ausgleichsgetriebe 42 kann sich der Stapel zwar verformen (gestrichelte Linien 44), die Lagerung bleibt aber im Gleichge- wicht. In Figur 10 ist die Wirkung des Ausgleichsgetriebes 42 beim Auftreten von inneren Kräften, beispielsweise infolge eine Temperaturprofils in Querrichtung aufgrund von chemischen Reaktionen dargestellt. Unterschiedliche Ausdehnung der Zellflächen der Brennstoffzellen des Stapel in Querrichtung (Pfeile 45) führt zwar zu einer Krümmung des Stapels 11 (gestrichelte Linien 46), aber das Getriebe kann diese Deformati- on des Stapels ausgleichen.

Bei dem in den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Querlagern kann es sich beispielsweise um eine Pendelstutze handeln, die gegebenenfalls auch mit einer geeigneten elektrischen und/oder thermischen Isolation versehen sind, um den Brenn- stoffzellenstapel 11 von der Tragstruktur 17 zu isolieren.

Demgegenüber zeigt Figur 11 eine Variante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels, bei der das zumindest eine Querlager einen passiven Stellzylinder, beispielsweise einen Hydraulikzylinder umfasst. In Figur 11 ist der Brennstoffzellenstapel mit der Bezugsziffer 11 bezeichnet, wobei der Querschnitt an einer Stelle entlang der

Längsachse des Stapels erfolgt , die nicht quer zur Stapelachse festgehalten wird (vgl. Ausführungsformen der Figuren 1 - 10). Mit der Bezugsziffer 52 ist ein Loslager des Stapels bezeichnet, während die Bezugsziffer 53 ein Festlager bezeichnet. Ein doppelt wirkender Hydraulikzylinder 54 dient als Querlager und verbindet den Stapel 51 mit dem Festlager 53. In einem Überströmkanal zwischen der druckseitigen und der zug- seitigen Zylinderkammer des Hydraulikzylinders 54 ist ein Drosselventil 55 vorgesehen, so dass schnelle Bewegungen des Stapels infolge von Massekräften in Stapelquerrichtung abgebremst werden. Langsame Bewegungen des Stapels aufgrund von inneren Kräften werden jedoch zugelassen.

Figur 12 zeigt eine Variante der Anordnung der Figur 11 , wobei Elemente, die bereits im Zusammenhang mit der Ausführungsform der Figur 11 beschrieben worden sind, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und hier nicht mehr erläutert werden. Bei der Variante der Figur 12 ist im Überströmkanal zwischen den Zylinderkammem des Hydraulikzylinders 54 zusätzlich ein kraftgesteuertes Absperrventil 56 vorgesehen, welches den Hydraulikzylinder 54 bei Überschreitung einer vordefinierten kraft blockiert. Dazu ist zwischen dem Hydraulikzylinder 54 und dem Festlager 53 eine Kraftmessdose 57 angeordnet, die über einen Regler 58 ein Stellelement 59 steuert, wel- ches das Absperrventil 56 bei Überschreiten der vordefinierten Kraft blockiert.

Bei der Variante der Figur 13 ist wiederum ein Absperrventil 56 im Überströmkanal zwischen den Zylinderkammern des Hydraulikzylinders 54 vorgesehen, das wie bei der Variante der Figur 12 über einen Regler 58 und ein Stellelement 59 betätigt wird. Auf den Regler 58 wirkt in diesem Fall jedoch das Signal eines Winkelgebers 60, so dass das Absperrventil 56 bei Überschreitung eines vordefinierten Neigungswinkels geschlossen wird.

In den Figuren 11 - 13 sind die jeweils wirkenden Kräfte durch Pfeile bezeichnet: So bezeichnet der Pfeil 61 in den Figuren 11 und 12 die Massenkraft quer zur Stapelachse, während der Pfeil 62 in Figur 13 die Gewichtskraft des Stapels symbolisiert. Der Pfeil 63 bezeichnet die in Querrichtung zur Stapellängsachse wirkende Komponente dieser Gewichtskraft.