DE102018210165A1 - Clamping system for fuel cell stacks and fuel cell stacks with such - Google Patents

Clamping system for fuel cell stacks and fuel cell stacks with such Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spannsystem (10) für einen Brennstoffzellenstapel (100) umfassend eine erste auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels (100) angeordnete Endplatte (11), eine zweite auf der gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels (100) angeordnete Endplatte (12) sowie eine Mehrzahl von Spannelementen zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels (100) miteinander.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Endplatte (11, 12) jeweils aus einer ersten und einer zweiten miteinander korrespondierend ausgebildeten Teilendplatte (14, 15) bestehen, wobei die ersten Teilendplatten (14) am Brennstoffzellenstapel (100) angeordnet sind, dass die Spannelemente den Brennstoffzellenstapel (100) und die beiden ersten Teilendplatten (14) umfassen und die Kanten (16) der beiden ersten Teilendplatten (14) zumindest im Bereich, über den die Spannelemente geführt sind, abgerundet ausgebildet sind, und dass die zweiten Teilendplatten (15) jeweils auf den ersten Teilendplatten (14) angeordnet sind.
Zudem wird ein Brennstoffzellenstapel (100) ein erfindungsgemäßes Spannsystem (10) aufweisend offenbart.

Figure DE102018210165A1_0000
The invention relates to a tensioning system (10) for a fuel cell stack (100) comprising a first end plate (11) arranged on one side of the fuel cell stack (100), a second end plate (12) arranged on the opposite side of the fuel cell stack (100) and a plurality of clamping elements for clamping the fuel cell stack (100) together.
According to the invention, the first and second end plates (11, 12) each consist of a first and a second partial end plate (14, 15) designed to correspond to one another, the first partial end plates (14) being arranged on the fuel cell stack (100) in such a way that the clamping elements comprise the fuel cell stack (100) and the two first partial end plates (14) and the edges (16) of the two first partial end plates (14) are rounded at least in the area over which the clamping elements are guided, and that the second partial end plates ( 15) are each arranged on the first partial end plates (14).
In addition, a fuel cell stack (100) having an inventive tensioning system (10) is disclosed.
Figure DE102018210165A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Spannsystem für einen Brennstoffzellenstapel umfassend eine erste auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels angeordnete Endplatte, eine zweite auf der gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels angeordnete Endplatte sowie eine Mehrzahl von Spannelementen zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels über die erste und die zweite Endplatte miteinander. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit der Spannvorrichtung.The invention relates to a clamping system for a fuel cell stack comprising a first end plate arranged on one side of the fuel cell stack, a second end plate arranged on the opposite side of the fuel cell stack and a plurality of clamping elements for clamping the fuel cell stack together via the first and second end plates. The invention further relates to a fuel cell system with the tensioning device.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (Brennstoffzellenstapel) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-ElektrodenAnordnungen.Fuel cells use the chemical conversion of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electrode assembly (MEA) as a core component, which is a structure consisting of an ion-conducting (mostly proton-conducting) membrane and a catalytic electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. The latter mostly include supported precious metals, especially platinum. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane electrode arrangement on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a large number of MEAs arranged in the stack (fuel cell stack), the electrical powers of which add up. Bipolar plates (also called flow field or separator plates) are generally arranged between the individual membrane electrode arrangements, which ensure that the individual cells are supplied with the operating media, that is to say the reactants, and usually also serve for cooling. In addition, the bipolar plates ensure electrically conductive contact with the membrane electrode assemblies.

Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu Protonen H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 → 2 H+ + 2 e-). Über den Elektrolyten oder der Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O2 + 2 e- → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2- + 2 H+ → H2O).During operation of the fuel cell, the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode via an anode-side open flow field of the bipolar plate, where an electrochemical oxidation of H 2 to protons H + takes place with the release of electrons (H 2 → 2 H + + 2 e - ). A (water-bound or water-free) transport of the protons from the anode space into the cathode space takes place via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces from one another in a gas-tight manner and electrically insulates them. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture (e.g. air) as the cathode operating medium via an open flow field on the cathode side of the bipolar plate, so that a reduction from O 2 to O 2- takes place with the absorption of the electrons (½ O 2 + 2 e - → O 2 - ). At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported across the membrane to form water (O 2- + 2 H + → H 2 O).

Der Brennstoffzellenstapel weist an seinen gegenüberliegenden Stapelenden typischerweise Endplatten auf, welche mittels Spannvorrichtungen als Teil eines Spannsystems miteinander verbunden sind. Mittels der Spannvorrichtungen werden Zugkräfte übertragen, welche die Endplatten zueinander ziehen und die dazwischen angeordneten Einzelzellen verpressen, also gegeneinander pressen. Als Spannvorrichtungen werden üblicherweise Riemen, Bänder oder dergleichen verwendet. Der Press- oder Kompressionsdruck trägt zur Abdichtung des Stapels auch während dessen Betrieb bei und stellt einen adäquaten elektrischen Kontakt zwischen den Stapelkomponenten sicher.At its opposite stack ends, the fuel cell stack typically has end plates which are connected to one another by means of clamping devices as part of a clamping system. The clamping devices transmit tensile forces which pull the end plates towards each other and press the individual cells arranged between them, i.e. press them against each other. Belts, bands or the like are usually used as tensioning devices. The compression or compression pressure also helps to seal the stack during its operation and ensures adequate electrical contact between the stack components.

Aus der DE 10 2008 026 858 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, das zur Beibehaltung einer Kompression mit einem Riemenwerk versehen ist. Das Riemenwerk ist an gegenüberliegenden Endplatten festgelegt, die jeweils eine vom Brennstoffzellenstapel wegweisende Wölbung aufweisen. Alternativ können die Riemen den Brennstoffzellenstapel mit den beiden Endplatten umfangen.From the DE 10 2008 026 858 A1 a fuel cell system is known which is provided with a belt mechanism to maintain compression. The belt mechanism is fixed to opposite end plates, each of which has a curvature pointing away from the fuel cell stack. Alternatively, the straps can encircle the fuel cell stack with the two end plates.

In der DE 10 2004 027 694 A1 wird ein Brennstoffzellensystem mit einem Spannsystem offenbart, bei dem Endplatten des Brennstoffzellenstapels mit Spannbändern umfangen werden. Die Spannbänder sind jeweils an einem Mittel zum Spannen festgelegt, das auf den Endplatten aufliegt und mit dem die Spannbänder in einer konvexen Form um die Kanten der Brennstoffzelle geführt werden.In the DE 10 2004 027 694 A1 discloses a fuel cell system with a tensioning system in which end plates of the fuel cell stack are encased with tensioning straps. The tensioning straps are each fixed to a tensioning means which rests on the end plates and with which the tensioning straps are guided in a convex shape around the edges of the fuel cell.

DE 10 2012 000 266 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel, der mit Hilfe von Spannbändern komprimiert wird, die über gebogene Endplatten geführt sind, wodurch ein Druck auf den Brennstoffzellenstapel vergleichmäßigt wird. Die eine Endplatte weist dabei eine vom Stapel wegweisende Wölbung auf und die auf der gegenüberliegende Endplatte besitzt eine zum Stapel weisend Wölbung. DE 10 2012 000 266 A1 describes a fuel cell stack which is compressed with the aid of tensioning bands which are guided over curved end plates, as a result of which pressure on the fuel cell stack is evened out. One end plate has a curvature pointing away from the stack, and the one on the opposite end plate has a curvature facing the stack.

Vorgenannte Brennstoffzellensysteme mit Spannvorrichtungen weisen insgesamt den Nachteil auf, dass die Ausgestaltung einen relativ großen Bedarf an Bauraum, der bei automotiven Anwendungen regelmäßig sehr begrenzt zur Verfügung steht, aufweist. Zudem erfordern diese Ausgestaltungen meist zusätzliche konstruktive Maßnahmen, um eine möglichst ebene Standfläche bereitzustellen. Zudem lässt die Spannung der Vorrichtung in der Regel im Laufe der Zeit nach.Overall, the aforementioned fuel cell systems with tensioning devices have the disadvantage that the design requires a relatively large amount of installation space, which is regularly available to a very limited extent in automotive applications. In addition, these designs usually require additional constructive measures in order to provide a level footprint as possible. In addition, the tension of the device generally decreases over time.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Spannsystem für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, das die Probleme des Stands der Technik löst oder zumindest mildert. Ferner soll ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden, welches hinsichtlich eines Masse-/Ausbeute-Verhältnisses optimiert ist.The invention is based on the object of providing a tensioning system for a fuel cell stack which overcomes the problems of the prior art Technology solves or at least mitigates. Furthermore, a fuel cell system is to be provided which is optimized with regard to a mass / yield ratio.

Diese Aufgabe wird durch ein Spannsystem sowie einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.This object is achieved by means of a tensioning system and a fuel cell stack with the features of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.

Erfindungsgemäß wird ein Spannsystem für einen Brennstoffzellenstapel bereitgestellt, das eine erste auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels angeordnete Endplatte und eine auf der gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels angeordnete zweite Endplatte aufweist. Beide Endplatten sind über eine Mehrzahl von Spannelementen miteinander verbunden, mittels derer der Brennstoffzellenstapel verpresst oder verspannt werden kann. Die erste und die zweite Endplatte bestehen jeweils aus einer ersten und einer zweiten miteinander korrespondierend ausgebildeten Teilendplatte, d.h. die aneinander grenzenden Flächen der ersten und der zweiten Teilendplatte einer Endplatte sind wie eine Positiv- und Negativ-Form beschaffen. Die erste Teilendplatte der ersten oder zweiten Endplatte ist am Brennstoffzellenstapel angeordnet und liegt an dieser an, wobei die Spannelemente den Brennstoffzellenstapel und die beiden ersten Teilendplatten umfassen und diese miteinander verpressen. Die Kanten der beiden ersten Teilendplatten sind zumindest im Bereich, über den die Spannelemente geführt sind, abgerundet ausgebildet. Diese Kanten sind den Kanten, die direkt an den Brennstoffzellenstapel angrenzen, gegenüberliegend, also auf der dem Brennstoffzellenstapel entgegengesetzten Seite der ersten Teilendplatte befindlich. Die beiden ersten Teilendplatten sind durch die korrespondierend ausgebildeten zweiten Teilendplatten abgedeckt.According to the invention, a tensioning system for a fuel cell stack is provided, which has a first end plate arranged on one side of the fuel cell stack and a second end plate arranged on the opposite side of the fuel cell stack. Both end plates are connected to one another via a plurality of clamping elements, by means of which the fuel cell stack can be pressed or braced. The first and the second end plate each consist of a first and a second partial end plate which corresponds to one another, i.e. the adjoining surfaces of the first and the second partial end plate of an end plate are designed like a positive and negative shape. The first partial end plate of the first or second end plate is arranged on and lies against the fuel cell stack, the tensioning elements encompassing the fuel cell stack and the two first partial end plates and pressing them together. The edges of the first two end plates are rounded, at least in the area over which the tensioning elements are guided. These edges are located opposite the edges that directly adjoin the fuel cell stack, that is to say on the side of the first partial end plate opposite the fuel cell stack. The two first partial end plates are covered by the correspondingly designed second partial end plates.

Vorzugsweise sind zudem Mittel vorgesehen, die die erste und die zweite Endplatte in Relation zueinander fixieren.Means are preferably also provided which fix the first and the second end plate in relation to one another.

Die zweite Teilendplatte bewirkt dabei vorteilhafterweise eine Versteifung der jeweiligen Endplatte.The second partial end plate advantageously brings about stiffening of the respective end plate.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Spannsystems ermöglicht die Führung von Spannelementen, insbesondere von Spannbändern um die Kanten des Brennstoffzellenstapels mit einem optimierten, d. h. größeren Radius, so dass eine nachlassende Spannung oder Kompression aufgrund einer Längung des Materials der Spannelemente oder eines Nachlassens der Federkraft verringert werden kann.The configuration of the tensioning system according to the invention enables tensioning elements, in particular tensioning straps, to be guided around the edges of the fuel cell stack with an optimized, ie. H. larger radius, so that a decrease in tension or compression due to an elongation of the material of the tensioning elements or a decrease in the spring force can be reduced.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Spannsystems werden nachstehend noch angeführt.Further advantages of the tensioning system according to the invention are listed below.

Bevorzugt sind die Kanten nicht nur im Bereich der Spannelemente, sondern über deren gesamte Länge abgerundet, so dass sich vorteilhafterweise deren Fertigung vereinfacht.The edges are preferably not only rounded in the area of the clamping elements, but rather over their entire length, so that their manufacture is advantageously simplified.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Bereich zwischen den ganz oder teilweise abgerundeten Kanten nicht plan, sondern vom Brennstoffzellenstapel wegweisend gewölbt (konvex) ausgeformt. Die zweite Teilendplatte ist dementsprechend „wannenförmig“ (konkav) gestaltet.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the area between the wholly or partially rounded edges is not flat, but instead is convexly shaped so as to point away from the fuel cell stack. The second partial end plate is accordingly “trough-shaped” (concave).

Vorteilhafterweise kann durch diese bevorzugte Ausgestaltung der ersten und der zweiten Teilendplatte der Krümmungsradius weiter vergrößert werden und zudem wird hierdurch die Kompression im mittleren Bereich der beiden Endplatten optimiert.This preferred configuration of the first and second partial end plates advantageously allows the radius of curvature to be increased further and, moreover, the compression in the central region of the two end plates is optimized.

Ebenfalls besonders bevorzugt ist es, dass die erste und die zweite Teilendplatte zusammengelegt quaderförmig sind bzw. einen Quader ausbilden.It is also particularly preferred that the first and the second partial end plates are cuboid-shaped or form a cuboid.

Dies bietet den Vorteil, dass auch der Brennstoffzellenstapel eine im Wesentlichen quaderförmige Gestaltung und insbesondere eine ebene Standfläche aufweist. Dadurch vereinfacht sich die Anordnung des Brennstoffzellenstapels in dem zur Verfügung stehenden Bauraum in beispielsweise einem Fahrzeug.This offers the advantage that the fuel cell stack also has an essentially cuboid design and in particular a flat base. This simplifies the arrangement of the fuel cell stack in the available space in, for example, a vehicle.

Andere Ausgestaltungen der zweiten Teilendplatte hinsichtlich der vom Brennstoffzellenstapel wegweisenden Fläche können vorgesehen sein, um sich bestimmten Gegebenheit bei dem zur Verfügung stehenden Bauraum, die eine andere Geometrie erfordern, anzupassen. Vorzugsweise ist dabei zu beachten, dass der Bereich zwischen den Kanten hervorsteht, um eine verbesserte Kompression zu gewährleisten.Other configurations of the second partial end plate with regard to the surface facing away from the fuel cell stack can be provided in order to adapt to certain circumstances in the available installation space, which require a different geometry. It should preferably be noted that the area between the edges protrudes in order to ensure improved compression.

Bevorzugterweise sind die Spannelemente Spannbänder, die sich besonders leicht handhaben lassen, einen geringen Raumbedarf haben und zudem hohen Belastungen standhalten können bzw. mit denen eine hohe Kompression erzielt werden kann.The tensioning elements are preferably tensioning straps which are particularly easy to handle, require little space and can also withstand high loads or with which high compression can be achieved.

Im Rahmen der Erfindung können auch Spannelemente gewählt werden, bei denen nur im Bereich der Endplatten Spannbänder zum Einsatz kommen, die mit anderen Spannelementen, die dem Fachmann grundsätzlich bekannt sind, kombiniert werden können.Within the scope of the invention, tensioning elements can also be selected in which tensioning straps are used only in the area of the end plates, which can be combined with other tensioning elements which are known in principle to the person skilled in the art.

Bevorzugterweise sind die Spannelemente und/oder die Spannbänder aus einem polymeren und/oder einem metallischen Werkstoff gefertigt. Entsprechende Ausgestaltungen sind dem Fachmann bekannt.The tensioning elements and / or the tensioning straps are preferably made of a polymer and / or a metallic material. Corresponding configurations are known to the person skilled in the art.

Als polymerer Werkstoff lässt sich beispielsweise Polyester verwenden, das aus miteinander gewebten Polymerfasern bestehen kann. Der metallische Werkstoff besteht vorzugsweise aus Stahl, der vorzugsweise rostfrei oder galvanisiert ist. Dieser wird vorzugsweise als massives Band eingesetzt.Polyester, for example, can be used as the polymeric material, which can consist of polymer fibers woven together. The metallic material is preferably made of steel, which is preferably rustproof or galvanized. This is preferably used as a solid band.

Für eine einfache Montage der Spannelemente weisen diese vorzugsweise Verschlussmittel auf, die vorzugsweise außerhalb des die Endplatten überspannenden Bereiches vorgesehen sind, um die Gestaltung der Endplatten möglichst einfach zu halten.For simple assembly of the tensioning elements, they preferably have closure means, which are preferably provided outside the area spanning the end plates, in order to keep the design of the end plates as simple as possible.

Bevorzugterweise besitzen die Spannelemente Mittel zum Spannen, so dass vorteilhafterweise die Spannung bzw. Kompression auch noch nach der Fertigung zu beliebigen Zeitpunkten variiert werden kann. Hinsichtlich der Anordnung der Mittel zum Spannen gelten die vorgemachten Ausführungen zu den Verschlussmitteln.The tensioning elements preferably have means for tensioning, so that the tension or compression can advantageously also be varied at any time after manufacture. With regard to the arrangement of the means for tensioning, the explanations given for the locking means apply.

Gegenstand der Erfindung ist zudem ein Brennstoffzellenstapel, der ein vorbeschriebenes Spannsystem aufweist.The invention also relates to a fuel cell stack which has a previously described tensioning system.

Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Spannsystems in einem Brennstoffzellenstapel wird vorteilhafterweise die Leistungsdichte durch eine optimierte Kompression, bezogen auf das Gewicht des Brennstoffzellensystems, verbessert.By using the tensioning system according to the invention in a fuel cell stack, the power density is advantageously improved by optimized compression, based on the weight of the fuel cell system.

Dabei bietet die Ausgestaltung den Vorteil, dass die Kraft, die beispielsweise bei der Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel durch die Spannelemente der Spannvorrichtung auf die Brennstoffzellen übertragen wird, homogener, d.h. insbesondere nicht nur den Kantenbereich, über die Grundfläche des Brennstoffzellenstapels verteilt wird.The configuration offers the advantage that the force that is transmitted to the fuel cells, for example when used in a fuel cell stack, by the tensioning elements of the tensioning device is more homogeneous, i.e. in particular not only the edge area over which the base area of the fuel cell stack is distributed.

Durch die größeren Radien der Spannelemente im Kantenbereich der Teilendplatten im Vergleich zum Stand der Technik kann zudem vorteilhafterweise ein Verlust der Spannung deutlich reduziert werden, da die Spannelemente nicht in einem Winkel von 90° geführt werden müssen. Zudem können die Spannelemente bei Nachlassen der Federkraft dies über den gesamten Umfang des Brennstoffzellenstapels verteilen.Due to the larger radii of the tensioning elements in the edge area of the partial end plates compared to the prior art, a loss of tension can advantageously be significantly reduced, since the tensioning elements do not have to be guided at an angle of 90 °. In addition, the tensioning elements can distribute this over the entire circumference of the fuel cell stack when the spring force decreases.

So können Wartungsintervalle deutlich verlängert werden.In this way, maintenance intervals can be significantly extended.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellenstapel sowie ein Brennstoffzellensystem, welches ein erfindungsgemäßes Spannsystem in einer der beschriebenen Ausführungen aufweist. Derartige Brennstoffzellenstapel bzw. -systeme weisen ein besseres Verhältnis von Gewicht zur Ausbeute auf und sind zudem bruchstabiler.Another aspect of the invention is a fuel cell stack and a fuel cell system which has a tensioning system according to the invention in one of the embodiments described. Such fuel cell stacks or systems have a better ratio of weight to yield and are also more break-resistant.

Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.The various embodiments of the invention mentioned in this application can be advantageously combined with one another, unless otherwise stated in the individual case.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellenstapels mit einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung;
  • 2 eine geschnittene perspektivische Ansicht des Brennstoffzellenstapels nach 1;
  • 3 eine perspektivische Ansicht einer ersten Teilendplatte der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung; und
  • 4 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Teilendplatte der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung.
The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a perspective view of a fuel cell stack with a tensioning device according to the invention;
  • 2 a sectional perspective view of the fuel cell stack after 1 ;
  • 3 a perspective view of a first partial end plate of the tensioning device according to the invention; and
  • 4 a perspective view of a second partial end plate of the tensioning device according to the invention.

1 und 2 zeigen schematisch einen insgesamt mit 100 bezeichneten Brennstoffzellenstapel gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Der Brennstoffzellenstapel 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch den Brennstoffzellenstapel 100 mit elektrischer Energie versorgt wird. 1 and 2 schematically show a fuel cell stack denoted overall by 100 according to a preferred embodiment of the present invention. The fuel cell stack 100 is part of a vehicle, not shown, in particular an electric vehicle, which has an electric traction motor that passes through the fuel cell stack 100 is supplied with electrical energy.

Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine Vielzahl von abwechselnd, an deren Flachseiten aneinander gereihten (gestapelten) Membran-ElektrodenAnordnungen und Polarplatten, die hier nicht weiter dargestellt sind. Insgesamt bilden also mehrere gestapelte Einzelzellen den Brennstoffzellenstapel 100. Die vorgenannten, nicht dargestellten Komponenten des Brennstoffzellenstapels 100 weisen u.a. nicht dargestellte Anoden- und Kathodenräume auf, die mit ebenfalls nicht dargestellten Dichtungen begrenzt sind.The fuel cell stack 100 comprises a plurality of alternating, on the flat sides of one another (stacked) membrane electrode arrangements and polar plates, which are not shown here. Overall, several stacked single cells form the fuel cell stack 100 , The aforementioned components of the fuel cell stack, not shown 100 have anode and cathode spaces, not shown, which are limited by seals, also not shown.

Unter anderem, um die Dichtfunktion der Dichtungen herzustellen, wird der Brennstoffzellenstapel 100 in der Stapelrichtung S mittels des erfindungsgemäßen Spannsystems 10 zusammengepresst (verpresst).Among other things, the fuel cell stack is used to produce the sealing function of the seals 100 in the stacking direction S by means of the clamping system according to the invention 10 pressed together.

Das Spannsystem 10 umfasst eine erste auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnete Endplatte 11, eine zweite auf der gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnete Endplatte 12 sowie eine Mehrzahl von Spannbändern 13 als Spannelemente zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels 100 über die erste und die zweite Endplatte 11, 12.The clamping system 10 includes a first on one side of the fuel cell stack 100 arranged end plate 11 , a second one on the opposite side of the fuel cell stack 100 arranged end plate 12 as well as a plurality of straps 13 as tensioning elements for tensioning the fuel cell stack 100 over the first and second end plates 11 . 12 ,

Die erste und die zweite Endplatte 11, 12 bestehen jeweils aus einer ersten und einer zweiten miteinander korrespondierend ausgeformten Teilendplatte 14, 15, die in 3 und 4 separat dargestellt sind.The first and second end plates 11 . 12 consist of a first and a second mutually correspondingly shaped partial end plate 14 . 15 , in the 3 and 4 are shown separately.

Die ersten Teilendplatten 14 liegen direkt am Brennstoffzellenstapel 100 an und sind von den Spannbändern 13 umfasst. Die zweiten Teilendplatten 15 sind auf den ersten Teilendplatten 14 und den Spannbändern 13 angeordnet und fixiert, wobei sich ein lückenloser quaderförmiger Verband ergibt, der die erste und die zweite Endplatte 11, 12 darstellt.The first partial end plates 14 are located directly on the fuel cell stack 100 on and are off the straps 13 includes. The second partial end plates 15 are on the first partial end plates 14 and the straps 13 arranged and fixed, resulting in a gapless cuboid dressing, the first and the second end plate 11 . 12 represents.

Durch die Ausgestaltung der ersten Teilendplatte 14 mit abgerundeten Kanten 16, über die die Spannbänder 13 geführt sind, und einer zwischen den Kanten 16 ausgebildeten Wölbung, die sich vollständig über den Brennstoffzellenstapel 100 erstreckt, kann vorteilhafterweise eine Spannung im zeitlichen Verlauf weitgehend gleich gehalten werden und eine Kompression über die gesamte Fläche, insbesondere im mittleren Bereich der Brennstoffzellen sichergestellt werden.By designing the first partial end plate 14 with rounded edges 16 over which the straps 13 are guided, and one between the edges 16 trained curvature that extends completely over the fuel cell stack 100 extends, a voltage can be kept largely the same over time and compression over the entire area, in particular in the central region of the fuel cells, can be ensured.

Sonstige Komponenten der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 10, wie beispielsweise Verschlussmittel oder dergleichen sind nicht dargestellt.Other components of the tensioning device according to the invention 10 , such as closure means or the like are not shown.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Brennstoffzellenstapel fuel cell stack
1010
Spannvorrichtungjig
1111
erste Endplattefirst end plate
1212
zweite Endplattesecond end plate
1313
Spannbandstrap
1414
erste Teilendplattefirst partial end plate
1515
zweite Teilendplattesecond end plate
1616
Kante edge
SS
Stapelrichtungstacking direction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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  • DE 102004027694 A1 [0006]DE 102004027694 A1 [0006]
  • DE 102012000266 A1 [0007]DE 102012000266 A1 [0007]

Claims (10)

Spannsystem (10) für einen Brennstoffzellenstapel (100) umfassend eine erste auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels (100) angeordnete Endplatte (11), eine zweite auf der gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels (100) angeordnete Endplatte (12) sowie eine Mehrzahl von Spannelementen zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels (100) über die erste und die zweite Endplatte (11, 12) miteinander, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Endplatte (11, 12) jeweils aus einer ersten und einer zweiten miteinander korrespondierend ausgebildeten Teilendplatte (14, 15) bestehen, wobei die ersten Teilendplatten (14) am Brennstoffzellenstapel (100) angeordnet sind, dass die Spannelemente den Brennstoffzellenstapel (100) und die beiden ersten Teilendplatten (14) umfassen und die Kanten (16) der beiden ersten Teilendplatten (14) zumindest im Bereich, über den die Spannelemente geführt sind, abgerundet ausgebildet sind, und dass die zweiten Teilendplatten (15) jeweils auf den ersten Teilendplatten (14) angeordnet sind.Clamping system (10) for a fuel cell stack (100) comprising a first end plate (11) arranged on one side of the fuel cell stack (100), a second end plate (12) arranged on the opposite side of the fuel cell stack (100) and a plurality of clamping elements for clamping of the fuel cell stack (100) with one another via the first and the second end plate (11, 12), characterized in that the first and the second end plate (11, 12) each consist of a first and a second partial end plate (14, 15) which correspond to one another. The first partial end plates (14) are arranged on the fuel cell stack (100), the clamping elements comprise the fuel cell stack (100) and the two first partial end plates (14) and the edges (16) of the two first partial end plates (14) at least in the area , over which the tensioning elements are guided, are rounded, and that the second partial end plates (15) each are arranged on the first partial end plates (14). Spannsystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten (16), über die die Spannelemente geführt sind, über deren gesamte Länge abgerundet sind.Clamping system (10) after Claim 1 , characterized in that the edges (16) over which the tensioning elements are guided are rounded over their entire length. Spannsystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich zwischen den ganz oder teilweise abgerundeten Kanten (16) der ersten Teilendplatten (14) gewölbt ausgeformt ist.Clamping system (10) after Claim 1 or 2 , characterized in that the area between the fully or partially rounded edges (16) of the first partial end plates (14) is arched. Spannsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Teilendplatte (14, 15) der ersten und der zweiten Endplatte (11, 12) in zusammengefügtem Zustand quaderförmig sind.Clamping system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second partial end plate (14, 15) of the first and the second end plate (11, 12) are cuboid in the assembled state. Spannsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente Spannbänder (13) sind.Tensioning system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the tensioning elements are tensioning straps (13). Spannsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente oder die Spannbänder (13) aus einem polymeren und/oder einem metallischen Werkstoff bestehen.Tensioning system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the tensioning elements or the tensioning straps (13) consist of a polymeric and / or a metallic material. Spannsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente oder die Spannbänder (13) jeweils über ein Verschlussmittel verfügen.Tensioning system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the tensioning elements or the tensioning straps (13) each have a closure means. Spannsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente oder Spannbänder (13) über ein Mittel zum Spannen verfügen.Tensioning system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the tensioning elements or tensioning straps (13) have a means for tensioning. Spannsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten (11, 12) aus einem polymeren Werkstoff, einem metallischen Werkstoff oder einer Mischung aus beiden Werkstoffen bestehen.Clamping system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the end plates (11, 12) consist of a polymeric material, a metallic material or a mixture of both materials. Brennstoffzellenstapel (100) aufweisend ein Spannsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Fuel cell stack (100) comprising a tensioning system (10) according to one of the preceding claims.
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