DE102020127917A1

DE102020127917A1 - Kompressionssystem für einen Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102020127917A1
Application number: DE102020127917.5A
Authority: DE
Inventors: Jeff Laflamme; Amy Warkentin; Shizhong Duan; Jon Smith; Napat Tamisanon
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-10-23
Filing date: 2020-10-23
Publication date: 2022-04-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kompressionssystem 200 für einen Brennstoffzellenstapel 100. Das Kompressionssystem 200 enthält eine Kompressionsplatte 90, die auf einer ersten Endplatte 80 des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet ist; ein erstes Federelement 50, das zwischen der Kompressionsplatte 90 und der ersten Endplatte 80 angeordnet ist; ein Abstandselement 40, das zwischen der Kompressionsplatte 90 und der ersten Endplatte 80 angeordnet ist; und eine Anschlagfläche 45 für die Kompressionsplatte 90, welche einen Mindestabstand zwischen Kompressionsplatte 90 und erster Endplatte 80 begrenzt. Das Abstandselement 40 ist bezüglich der ersten Endplatte 80 zwischen einer zurückgezogenen Ausgangsposition und einer ausgefahrenen Endposition in Stapelrichtung beweglich angeordnet und ausgebildet, infolge einer alterungsbedingten Stapelverkürzung in Richtung der Endposition selbsttätig auszufahren. Dadurch ist das Kompressionssystem 200 im Stande, eine auftretende Stapelverkürzung und Abnahme der Kompressionskraft zu kompensieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kompressionssystem für einen Brennstoffzellenstapel, der zwei Endplatten und zwischen den Endplatten gestapelte Brennstoffzellen aufweist.
Brennstoffzellen dienen der Bereitstellung elektrischer Energie durch Nutzung der chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser. Hierfür umfassen 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. Die Elektroden enthalten zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Des Weiteren kann die Membran-Elektroden-Anordnung durch Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden ergänzt werden. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Spannungen 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-Elektroden-Anordnungen. Diese Stapelanordnung wird durch Verpressung und anschließende Fixierung montiert.
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 die 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 O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O₂ + 2 e^- → O^2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2- + 2 H⁺ → H₂O).
Es ist aufgrund der Funktionsweise der Brennstoffzellen und dem damit einhergehenden Einsatz gasförmiger Betriebsmedien ersichtlich, dass der Anforderung an die Dichtheit eines Brennstoffzellenstapels eine erhöhte Bedeutung zukommt. Dies ist bedingt durch die Faktoren Verfügbarkeit, Kosten und Emissionen.
Ferner kann die Dichtheit im Laufe des Betriebs und aufgrund von Alterungserscheinungen wie Kriechen beeinträchtigt werden.
Des weiteren ist der Kontaktwiderstand bedeutsam, da dieser durch die Stärke des Anpressdrucks der Bipolarplatten an die Membran-Elektroden-Anordnungen beeinflusst wird.
Üblicherweise werden zur teilweisen Überwindung der genannten Probleme Kompressionssysteme verwendet, die unmittelbar mit Montage des Brennstoffzellenstapels einer übermäßigen Kompressionskraft ausgesetzt werden, die ein Vielfaches der zu diesem Zeitpunkt notwendigen Kompressionskraft darstellt, um die alterungsbedingte Stapelverkürzung zu kompensieren.
Eine anfänglich übermäßige Kompression und infolgedessen zu hoher Anfangsdruck kann jedoch unter anderem zu einer sogenannten Intrusion der zur Membran-Elektroden-Einheit gehörigen Gasdiffusionsschicht (GDL) in die Kanäle des Flussfeldes der Bipolarplatte führen. Diese Intrusion, also Einwölbung von GDL-Material in die Strömungskanäle, verursacht eine Verringerung der freien Stömungsquerschnitte der Kanäle. Dies ist nachteilig, da damit ein unerwünschter Druckanstieg in den Strömungskanälen und eine Leistungsminderung der Brennstoffzelle einhergeht. Durch den Druckverlust und die inhomogene Verteilung der zugeführten Gase wird der Betrieb der Brennstoffzelle beeinträchtigt. Zusätzlich kann es durch die überhöhte Kompression zu Spannungen in den Schichten des Brennstoffzellenstapels kommen, die schlimmstenfalls in Materialermüdungen und Bruch gipfeln können. Andererseits erhöht ein zu geringer Anpressdruck den Kontaktwiderstand und führt zu Leckagen der Gase, was mit der Zeit zusätzlich durch Kriechen beschleunigt wird.
DE 699 29 731 T2 beschreibt eine Brennstoffzelle bestehend aus einem Magazin von Elementarzellen. Dieses Magazin wird an seinen beiden Endseiten von Endplatten eingefasst. Eine Zusatzplatte auf einer Seite des Magazins bildet den Abschluss. Umgeben wird diese Anordnung von einem Rückhaltemittel, an dem die Zusatzplatte fixiert wird. Weiterhin weist die Zusatzplatte eine Gewindeöffnung auf, die eine Schraube aufnimmt. Dabei kontaktiert die Schaube bei Verschraubung mit der Zusatzplatte die angrenzende Endplatte. Durch Beaufschlagen der Schraube mit einem Drehmoment wird die Zusatzplatte von der angrenzenden Endplatte wegbewegt. Es resultiert eine von dem Rückhaltemittel auf die andere Endplatte ausgeübte Druckkraft.
US 2008/0131753 A1 beschreibt eine federbelastete Brennstoffzellen-Baugruppe mit einem spritzgegossenen Rahmen und Stiften zur Positionierung. Die Baugruppe umfasst eine Flachfeder oder eine Reihe Flachfedern, die zwischen Membranelektrodenanordnung und einem der Stromabnehmer platziert werden.
JP 11007975 A beschreibt einen Brennstoffzellenstapel, der eine untere und eine obere Endplatte aufweist, zwischen denen mehrere Bälge angeordnet sind, die ihrerseits seitwärts befindliche Federn aufweisen. Die Bälge werden über Durchgangsbohrungen in der unteren Endplatte mit Inertgas befüllt. Mittels einer Druckmessplatte, die sich oberhalb der Federn befindet, wird der auf diese von den Federn ausgeübte Druck festgestellt. Die Schubkraft der befüllbaren Befestigungsbälge wird auf Grundlage ihrer Innendrücke berechnet. Es wird eine Summe der beiden berechneten Werte der Schubkraft und eine Differenz zwischen der Schubkraft und einem Referenzwert erhalten. Der Innendruck der Befestigungsbälge wird derart gesteuert, dass die Differenz zwischen den beiden Schubkräften nivelliert wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Kompressionssystem für einen Brennstoffzellenstapel, das die genannten Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise überwindet.
Die Aufgaben werden ganz oder zumindest teilweise durch ein Kompressionssystem für einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Insbesondere sollte das Kompressionssystem eine angemessene Anfangskompression des Brennstoffzellenstapel zu Beginn seiner Betriebszeit gewährleisten und auch bei einer alterungsbedingten Stapelverkürzung aufrechterhalten.
Das erfindungsgemäße Kompressionssystem für einen Brennstoffzellenstapel, der eine erste und eine zweite Endplatte und zwischen den Endplatten gestapelte Brennstoffzellen aufweist, umfasst eine Kompressionsplatte, die außerhalb des Brennstoffzellenstapels auf der ersten Endplatte des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist; Rückhaltemittel, die eine Verbindung zwischen der Kompressionsplatte und der zweiten Endplatte herstellen; mindestens ein erstes Federelement, das zwischen der Kompressionsplatte und der ersten Endplatte angeordnet ist, wobei das erste Federelement vorgespannt angebracht ist und die Federkraft des ersten Federelements in Stapelrichtung wirkt. Ferner umfasst das Kompressionssystem mindestens ein Abstandselement, das zwischen der Kompressionsplatte und der ersten Endplatte angeordnet ist und eine Anschlagfläche für die Kompressionsplatte aufweist, welche einen Mindestabstand zwischen Kompressionsplatte und erster Endplatte begrenzt, wobei das Abstandselement bezüglich der ersten Endplatte zwischen einer zurückgezogenen Ausgangsposition und einer ausgefahrenen Endposition in Stapelrichtung beweglich angeordnet ist und ausgebildet ist, infolge einer alterungsbedingten Stapelverkürzung in Richtung der Endposition selbsttätig auszufahren.
Der Alterungsprozess eines Brennstoffzellenstapels wird durch verschiedene Mechanismen geprägt. Unter anderem führt der typische Start-und-Stopp-Betrieb einer Brennstoffzelle, wie er beispielsweise bei einem Auto im Stadtverkehr auftritt, zu einem unterschiedlichen Bedarf an Strom. Daher variiert auch die bei der Stromerzeugung anfallende Menge des Nebenprodukts Wasser. Infolge der Feuchtigkeitsschwankung kommt es zum abwechselnden Quellen und Schrumpfen und dementsprechend zu Formänderungen der Membran. Zusätzlich liegt fortwährend ein Anpressdruck vor, der den Verbund einzelner Brennstoffzellen zusammenhalten und deren Dichtheit gewährleisten soll. Schließlich resultieren diese Effekte und andere im sogenannten „Kriechen“. Als Folge zieht sich der Stapel aus Brennstoffzellen zusammen und der Verbund „lockert“ sich. Es können Undichtigkeiten resultieren, aufgrund derer Gasmoleküle (Wasserstoff oder Sauerstoff) die ursprünglich gasdichten Dichtungen der Membran-Elektroden-Anordnung passieren und Leckagen auftreten. Dadurch kann Wasserstoff austreten oder auch zur Kathode gelangen. Dies führt zu einer verminderten Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels, erhöhten Betriebskosten durch Verlust von Brennstoff und einer verkürzten Lebensdauer der Brennstoffzellen.
Durch das Kriechen und den dadurch bedingten Abfall des Anpressdrucks kann es außerdem zu einem größeren Kontaktwiderstand und zu einem erhöhten ionischen Widerstand in den einzelnen Schichten kommen.
Eine weitere Herausforderung geht mit dem Betrieb und dem Befüllen des Inneren des Brennstoffzellenstapels mit Gasen sowie durch Hochdruckrobustheitstests einher, wodurch sich ein Innendruck entwickelt, der dem Anpressdruck durch die Kompressionskraft entgegenwirkt. Es entsteht also ein Bestreben, die einzelnen Brennstoffzellen bzw. deren Bestandteile auseinanderzudrücken. Hierdurch könnte es ebenfalls zu Gasleckagen kommen, insbesondere, wenn diesem Mechanismus ein Kriechen vorhergegangen ist, wodurch die anfängliche Kompressionskraft bereits verringert wurde.
Das erfindungsgemäße Kompressionssystem wirkt diesen Mechanismen entgegen, indem es während der gesamten Lebensdauer den Anpressdruck innerhalb eines (Arbeits-)Bereichs hält, sodass einerseits Leckagen und ein zu großer Kontaktwiderstand weitestgehend vermieden werden und anderseits Anforderungen an eine Begrenzung des Druckabfalls und der mechanischen Stabilität erfüllt werden.
Das erfindungsgemäße Kompressionssystem ist ausgebildet, nach Montage des Brennstoffzellenstapels einen gewünschten Druck auf den Stapel auszuüben und so dessen Dichtheit sicherzustellen. Das erste Federelement ist ausgebildet, durch seine Vorspannung Energie zu speichern. Weiterhin dient das erste Federelement dazu, eine weitestgehend nahezu konstante Kraft bei Wegänderungen, die durch allgemeine Bewegung, Setzen und Verschleiß, wie dem Kriechen verursacht werden, aufrechtzuerhalten.
Das Abstandselement ist ausgebildet, während der gesamten Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels die Auswirkungen des durch den Betrieb oder Hochdruckrobustheitstests resultierenden Innendruck weitestgehend zu kompensieren. Die Anschlagfläche erlaubt es, eine Verringerung des Abstands zwischen der Kompressionsplatte und der ersten Endplatte zu verhindern. Infolge einer alterungsbedingten Stapelverkürzung kann es zu einer Vergrößerung des Abstands zwischen der Kompressionsplatte und der ersten Endplatte kommen. Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Abstandselement, sich selbsttätig in Richtung der Endposition auszufahren, ist sichergestellt, dass die Anschlagfläche stets nachgeführt wird und bündig an der Kompressionsplatte anliegt. Somit kann auch nach einer alterungsbedingten Stapelverkürzung und abnehmenden Kompressionskraft, die von dem ersten Federelement ausgeübt wird, keine außerhalb des Brennstoffzellenstapels gerichtete Bewegung einzelner Brennstoffzellen oder deren Bestandteile stattfinden, da stets Kontakt zwischen Anschlagfläche und Kompressionsplatte herrscht und eine damit einhergehende Widerstandskraft entgegen dieser Bewegungsneigung wirkt.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abstandelement eine Federkonstante aufweist, die um ein Vielfaches größer ist als die Federkonstante des ersten Federelements. Die Kennlinie einer Feder beschreibt den Zusammenhang der Federkraft und ihrer absoluten Auslenkung durch Koppelung an eine spezifische Federkonstante, die deren Zusammenhang abbildet. Vereinfacht formuliert lässt sich so darstellen bzw. ableiten, wie sich Auslenkungen auf die Federkraft auswirken und umgekehrt. Das Abstandselement kann näherungsweise als ein Zugstab betrachtet werden, dessen fiktive Federkonstante sich mit Hilfe seiner Länge L₀, seiner Querschnittsfläche A und einer Zug- oder Druckkraft F in Längsrichtung des Abstandselements mit Hilfe der Formel D_A=A*E/L₀ berechnen lässt, wobei in Anlehnung an das Hookesche Gesetz F=D*ΔL gelten soll. Durch die Kombination der selbsttätigenden Stellweise in Richtung der Endposition und der vergleichsweise hohen Federkonstante des Abstandselements, wirkt das Abstandselement dem Kriechen der Zellreihen des Brennstoffzellenstapels entgegen, indem es sich zum einen zu einem gewissen Grad ausdehnt und zum anderen selbsttätig aus der ersten Endplatte in Richtung seiner Endposition ausfährt. Beide Effekte stellen sicher, dass während der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels, stets die Anschlagfläche des Abstandselements an der Kompressionsplatte bündig anliegt. Das hinsichtlich elastischer Verformungen und relativ zum ersten Federelement als „hart“ zu kategorisierende Abstandselement kompensiert so die mit dem Betrieb oder einem Hochdruckrobustheitstest verbundenen wirkenden Kräfte und verhindert ein Entstehen von Undichtigkeiten während der gesamten Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist das Abstandselement einen ersten zylinderförmigen Abschnitt mit einem Außengewinde und die erste Endplatte eine Öffnung mit einem Innengewinde auf, wobei das Innengewinde der ersten Endplatte und das Außengewinde des ersten zylinderförmigen Abschnitts ein Paar bilden, das ausgebildet ist, selbsthemmend zu wirken. Hierdurch wird eine effiziente und verlässliche Möglichkeit bereitgestellt, das Ausfahren des Abstandselements infolge einer alterungsbedingten Stapelverkürzung zu gewährleisten. Durch die Selbsthemmung wird sichergestellt, dass nach einem selbsttätigen vorangegangen Ausfahren das Abstandselement gehindert wird, in eine vorherige Position zurückzufahren, wodurch der Kontakt zwischen Anschlagfläche und Kompressionsplatte aufgehoben werden würde. Das Ausfahren des Abstandselements findet somit vorzugsweise unidirektional oder irreversibel statt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Abstandselement einen zweiten zylinderförmigen Abschnitt aufweist, dessen Durchmesser kleiner als der des ersten zylinderförmigen Abschnitts ist, wobei die Kompressionsplatte eine Öffnung umfasst, durch die der zweite Abschnitt ragt. Durch diesen Aufbau wird auf geeignete Art und Weise eine Anschlagfläche implementiert, die die Öffnung vollumfänglich umläuft. Die die Öffnung der Kompressionsplatte ringförmig umlaufende Anschlagfläche ist ausgebildet, die wirkenden Kräfte gleichmäßig auf die Kompressionsplatte zu übertragen, sodass an der Kontaktfläche von Anschlagfläche und Kompressionsplatte keine Inhomogenitäten und ungleichmäßig verteilte Spannungen auftreten.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein zweites Federelement auf der dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite der Kompressionsplatte angeordnet ist und mit einem ersten Ende mit der Kompressionsplatte und mit einem anderen Ende mit dem Abstandselement verbunden ist. Dabei steht das zweite Federelement bei der zurückgezogenen Ausgangsposition des Abstandselements unter Vorspannung. Das zweite Federelement ist somit ausgebildet, durch seine Vorspannung Energie zu speichern und zur Umsetzung des selbsttätigen Ausfahrens des Abstandselements zu dienen. Durch die Vorspannung speichert dieses zweite Federelement Energie, die jederzeit in kinetische Energie in Form der Positionsänderung des Abstandselements umgewandelt werden kann. Setzt ein Kriechen des Brennstoffzellenstapels und dadurch eine Stapelverkürzung ein, erfolgt je nach Ausmaß der Stapelverkürzung eine entsprechende Entspannung des zweiten Federelements, die durch eine infinitesimal kurze Aufhebung des Kontakts bzw. einer abnehmenden Reibkraft zwischen Anschlagfläche des Abstandselements und Kompressionsplatte bewirkt wird. Es findet also gleichzeitig mit dem teilweisen Entspannen des zweiten Federelements das Ausfahren des Abstandselements statt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das zweite Federelement eine Spiralfeder und/oder eine Schenkelfeder. Diese sind ausgebildet, als Rückstellelement zu wirken und liefern ein linear ansteigendes Drehmoment. Spiralfeder und/oder eine Schenkelfeder werden vorgespannt eingesetzt und nutzen die dadurch gespeicherte Energie zum Ausfahren des Abstandselements, beispielsweise durch eine Schraubbewegung. Weiterhin stellen sie durch ihre flache Bauweise eine platzsparende Ausführung dar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das Abstandselement einen Schlitz bzw. Spalt, der ausgebildet ist, die Verbindung mit dem ersten Ende des zweiten Federelements zu bilden. Die Anschlagfläche für die Kompressionsplatte begrenzt stets einen Mindestabstand zwischen Kompressionsplatte und erster Endplatte durch das Ausfahren des Abstandselements in Richtung seiner ausgefahrenen Endposition bezüglich der ersten Endplatte. Das hat zur Folge, dass die relative Position zwischen dem Abstandselement und der Kompressionsplatte sich nicht verändert. Somit kann das zweite Federelement an der zwischen Spalt bzw. Schlitz und erstem Ende des zweiten Federelements gebildeten formschlüssigen Verbindung die Kraft übertragen, da auch die Position der Verbindung nicht verändert wird. Dadurch wird die im zweiten Federelement gespeicherte Federkraft auf das Abstandselement übertragen und dessen Ausfahren realisiert. Der Spalt bzw. Schlitz stellt somit eine geeignete Möglichkeit zur Herstellung dieser Verbindung dar, die darüber hinaus konstruktiv einfach umzusetzen ist.
In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Federelement Federn mit einer degressiven Federkennlinie auf. Der Brennstoffzellenstapel und das erste Federelement werden unter anfänglicher Kompression endmontiert. Dementsprechend befindet sich das erste Federelement mit Beginn der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels in ausgelenkter und vorgespannter Position. Die Federkennlinie des ersten Federelements flacht in diesem Bereich aufgrund ihrer degressiven Eigenschaft ab und sie wird weicher. Als Resultat steht einer relativ großen Auslenkungsänderung infolge einer möglichen Stapelverkürzung eine minimierte Druckkraftänderung entgegen. Somit wird eine ausreichende Kompression sichergestellt und mögliche negative Folgen vermieden.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das erste Federelement eine Tellerfeder. Tellerfedern weisen eine degressive Charakteristik der Federkennlinie auf. Somit haben sie den Vorteil, dass die Steigung der Kennlinie, die der Federkonstante entspricht, mit stärkerer Auslenkung abnimmt. Das bedeutet für den hiesigen Anwendungsfall, dass in dem Arbeitsbereich, der durch die vorgespannte Montage durch anfängliche Kompression des Brennstoffzellenstapels, eine starke Auslenkung mit einer geringeren Kraftänderung einhergeht. Es handelt sich also um eine „weiche“ Feder. Dementsprechend wirkt sich eine Stapelverkürzung auf die anliegende Kompressionskraft nur in geringer Art und Weise aus, sodass der Anpressdruck des Stapels und seiner Bestandteile nur in geringe Maße beeinflusst wird und dessen Folgen weitestgehend vermieden werden können. Zudem bieten Tellerfedern den Vorteil, auch bei kleinem Einbauraum wirkungsvoll einsetzbar zu sein, da sie große Kräfte aufnehmen können. Es ist ebenfalls das Ziel, einen Brennstoffzellenstapel platzsparend und kompakt zu gestalten, was durch den Einsatz der Tellerfedern begünstigt wird.
Des Weiteren erfolgt die Kraftübertragung auf die Kompressionsplatte konzentrisch und somit gleichmäßig und materialschonend.
Das Kompressionssystem umfasst bevorzugt ferner das erste Federelement in Form von Paaren von Tellerfedern, wobei die Tellerfedern eines zusammengehörigen Paares wechselsinnig übereinander angeordnet sind. Durch das wechselsinnige Aufeinanderschichten der Teller (Reihenschaltung) entsteht eine noch weichere Feder. Das ist vorteilhaft, wenn es darum geht, eine weichere Feder aus Standardelementen zu erzeugen, was eine kostengünstigere Lösung ermöglicht als ein Einsatz individualisierter Federelemente. Des Weiteren wird durch einen derartigen Tellerfeder-Verbund eine stärker abgeflachte Federkennlinie mit einer ausgeprägten degressiven Charakteristik erhalten.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 einen Brennstoffzellenstapel mit erfindungsgemäßen Kompressionssystem in Seitenansicht;
2a ein Kompressionssystem in der Ausgangsposition in einer ersten Ausführung der Erfindung;
2b ein Kompressionssystem in der Ausgangsposition in einer zweiten Ausführung der Erfindung;
3 ein Kompressionssystem der Erfindung in einer fiktiven Zwischenposition;
4 ein Kompressionssystem der Erfindung in einer tatsächlichen Endposition;
5 eine schematische Ansicht des Abstandselements gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
6a eine schematische Ansicht des zweiten Federelements gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung; und
6b eine perspektive schematische Ansicht des zweiten Federelements aus 6a.

1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellenstapels 100 gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der insgesamt mit 100 bezeichnete Brennstoffzellenstapel wird durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter Einzelzellen gebildet, deren elektrische Spannungen sich addieren. Jede der Einzelzellen weist jeweils eine eingangs erwähnte Membran-Elektroden-Anordnung 10 auf, die ein Gefüge aus einer in 1 nicht gezeigten Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode 11 und Kathode 12) ist. Die MEA 10 kann des Weiteren durch Gasdiffusionslagen (GDL), die beidseitig an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sind, ergänzt werden, was in 1 jedoch nicht darstellt ist. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen befinden sich Bipolarplatten 20, welche eine Versorgung der MEA 10 mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. An beiden Endseiten des Brennstoffzellenstapels 100 ist jeweils eine Endplatte angeordnet, nämlich eine erste Endplatte 80 und eine zweite Endplatte 70, sodass sich die Stapelanordnung der Einzelzellen zwischen beiden Endplatten 70, 80 befindet.
Zur Kompression des Brennstoffzellenstapels 100 weist das System ferner ein insgesamt mit 200 bezeichnetes Kompressionssystem auf.
Das Kompressionssystem 200 umfasst eine Kompressionsplatte 90, die ist außerhalb des Brennstoffzellenstapels 100 auf der ersten Endplatte 80 angeordnet ist. Zwischen Kompressionsplatte 90 und erster Endplatte 80 befindet sich mindestens ein erstes Federelement 50, das gemäß der dargestellten Ausführung ein Tellerfeder ist. Außerdem ist zwischen Kompressionsplatte 90 und erster Endplatte 80 ein Abstandselement 40 angeordnet, das eine Anschlagfläche 45 aufweist, die an der Kompressionsplatte 90 anliegt. Durch das Abstandselement wird ein definierter Abstand zwischen Kompressionsplatte 90 und erster Endplatte 80 begrenzt. Wie später noch näher ausgeführt wird, ist das Abstandselement 40 in Bezug auf die erste Endplatte 80 zwischen einer zurückgezogenen Ausgangsposition und einer ausgefahrenen Endposition in Stapelrichtung beweglich angeordnet.
Diese Stapelanordnung wird durch Verpressung und anschließende Fixierung montiert. Dazu dienen Rückhaltemittel 30, die in 1 in Form von Rückhaltebändern oder Spannbänder ausgeführt sind. Sie stellen jeweils eine Verbindung zwischen der Kompressionsplatte 90 und der zweiten Endplatte 70 her.
Durch die Kompression des Brennstoffzellenstapels entsteht ein Anpressdruck auf die einzelnen Brennstoffzellen und deren Bestandteile. Dadurch nimmt die Tellerfeder 50 eine vorgespannte Position ein und ihrer Federkraft wirkt in Stapelrichtung und übt Druck auf diesen aus, wodurch die Dichtheit zwischen den Platten gewährleistet wird. Es ist unwesentlich auf welcher Seite des Brennstoffzellenstapels 100, ob Anoden- oder Kathodenseite, sich das Kompressionssystem 200, umfassend die Kompressionsplatte 90, die Tellerfeder(n) 50 und das Abstandselement 40 befinden. Ferner befindet sich ein zweites Federelement 60 auf der dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite der Kompressionsplatte 90. Dieses ist mit seinem ersten Ende mit der Kompressionsplatte 90 und seinem anderen Ende mit dem Abstandselement 40 verbunden und vorzugsweise als Spiralfeder 60 ausgeführt. Auch das zweite Federelement 60 wird später näher erläutert.
Zu Beginn der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 100 ist durch Vorspannung Energie in der Spiralfeder 60 gespeichert. Für Tellerfeder 50, Abstandselement 40 und Spiralfeder 60 gilt, dass diese in beliebiger Vielzahl auftreten können, wobei Abstandselement und Spiralfeder aufgrund ihrer Funktion paarweise auftreten. Tellerfedern sind vorzugsweise in Form von gleichmäßig verteilten Tellerfederpaketen vorgesehen. Dies ermöglicht einen Belastungsausgleich und eine räumliche Verteilung der wirkenden Kräften und vermeidet hohe lokale Kräfte. Analoges gilt für das Abstandselement 40 in Kombination mit der Spiralfeder 60. Eine mögliche Form der Anordnung, die einen möglichst platzsparenden Aufbau gewährleistet, besteht darin, die zentrale, zumeist kreisrunde Öffnung, die Tellerfedern aufweisen, zur Platzierung und Aufnahme der Abstandselemente zu nutzen, sodass beide Elemente als Verbund auftreten und die Tellerfeder 50 das Abstandselement 40 umgibt. Alternativ wäre eine alternierende reihenweise Anordnung aus Tellerfedern und Abstandselementen eine geeignete Lösung. Auch der Einsatz mehrerer nebeneinander verlaufenden Reihen ist ein zielführende Lösung, wobei die nebeneinander verlaufenden Reihen dann derartig ausgeführt sein sollten, dass nicht nur entlang einer Reihe sondern auch entlang verschiedener benachbarter Reihen Tellerfedern und Abstandselemente abwechselnd platziert werden. Dadurch wird ein gleichmäßig verteiltes Lastprofil infolge der Druckkräfte sichergestellt und eine materialschonende Bauweise.
2a zeigt eine Detaildarstellung des erfindungsgemäßen Kompressionssystems 200 aus 1 in einer ersten Ausführung. Der Fokus liegt dabei auf der Anordnung von Tellerfeder 50 und Abstandselement 40 und deren Integration zwischen Kompressionsplatte 90 und erster Endplatte 80, weswegen 2 diesen Bereich ausschnittsweise zeigt. Die Tellerfedern 50 sind vorgespannt und ihre Federkraft wirkt in Stapelrichtung unmittelbar auf die erste Endplatte 80. Das Abstandselement umfasst zwei zylinderförmige Abschnitte 41 und 42. Diese weisen unterschiedliche Durchmesser ihrer Zylindergrundflächen auf, wobei der der ersten Endplatte 80 zugewandte erste Abschnitt 42 einen größeren Durchmesser besitzt als der der Kompressionsplatte 90 zugewandte zweite Abschnitt 41. Ein Außengewinde 43 (s. 5) auf dem der ersten Endplatte 80 zugewandten ersten Abschnitt 42 bildet mit einem nicht dargestellten Innengewinde, das sich in einer passenden kreisrunden Öffnung 81 innerhalb der ersten Endplatte 80 befindet, ein Paar, sodass durch eine Schraubbewegung infolge eines Drehmoments ein axiales Verschieben entlang der Richtung der Mittelpunktsachse der Öffnung 81 ermöglicht wird.
Die Kompressionsplatte 90 weist eine ebenfalls kreisrunde Öffnung 91 auf, die ausgebildet ist, den der Kompressionsplatte 90 zugewandten zweiten Abschnitt 41 des Abstandselements 40 aufzunehmen, sodass eine Bewegung des Abstandselements in axialer Richtung der Mittelpunktsachse der Öffnung 91 ermöglicht wird. Weiterhin bilden die zwei verschieden großen Zylinderabschnitte des Abstandelements 40 eine Anschlagfläche 45 in Form einer Stufe aus. Diese liegt bündig an der dem Brennstoffzellenstapel 100 zugwandten Oberfläche der Kompressionsplatte 90 und begrenzt somit die axiale Verlagerung des Abstandselements 40.
Im Montagezustand zu Beginn der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 100 schließt der zweite Abschnitt 41 des Abstandelements 40 bündig mit der dem Brennstoffzellenstapel 100 zugwandten Oberfläche der ersten Endplatte 80 ab. Das Abstandselement ist folglich zu Beginn der Lebensdauer bezüglich der ersten Endplatte 80 in einer zurückgezogenen Ausgangsposition angeordnet.
5 zeigt eine Detaildarstellung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung des Abstandselements 40. Der zweite zylinderförmige Abschnitt 41 des Abstandselements 40 umfasst einen Schlitz bzw. Spalt 44, der ausgebildet ist, die Verbindung mit der Spiralfeder 60 zu bilden. Dadurch wirkt die Federkraft der Spiralfeder in Form einer Umfangskraft bezüglich des zweiten zylinderförmigen Abschnitts 41 und dessen kreisförmiger Grundfläche. Durch die Verbindung des ersten und zweiten zylinderförmigen Abschnitts 42 und 41 erfährt auch der erste zylinderförmige Abschnitt 42 dieselbe Kraft. Der Kraftvektor der Kraft, die die Spiralfeder 60 ausübt, besitzt seinen Angriffspunkt an der formschlüssigen Verbindung zwischen Spalt 44 und innerhalb der Spiralfeder 60 liegendem Ring und liegt somit tangential an dem zweiten zylinderförmigen Abschnitt 41. Diese Umfangskraft bewirkt daher ein Drehmoment, dessen Bezugspunkt sich auf der Zylinderachse des zweiten zylinderförmigen Abschnitts 41 befindet. Die Bewegung und Entspannung der Spiralfeder 60 kann umgesetzt werden durch bzw. bewirkt eine rotatorische Bewegung des Abstandselements 40. Das in Drehung versetzte Abstandselement 40 wird dadurch aus der ersten Endplatte 80, mit der es über ein passendes Außengewinde 43 an seinem Abschnitt 42 und einem ergänzenden Innengewinde in Öffnung 81 der ersten Endplatte 80, das nicht dargestellt ist, verbunden ist, geschraubt und fährt translatorisch in Richtung seiner Endposition.
6a stellt schematisch eine Spiralfeder 60 als eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführung des zweiten Federelements gemäß einer Draufsicht dar. 6b zeigt die entsprechende Spiralfeder 60 in einer perspektivischen Ansicht. Sie weist an ihren beiden Ende in Form eines Rings. Der innerhalb der Spiralfeder 60 liegende Ring dient gemäß dieser Ausführung zur Verbindung mit dem Abstandselement 40, insbesondere mit dem in 5 gezeigten Schlitz bzw. Spalt 44. Der außenliegende Ring dient der Befestigung an der Kompressionsplatte 90. Beispielsweise kann dieser durch einen Pin fixiert werden. Es sind jedoch eine Vielzahl an Varianten zur Herstellung der Verbindung zwischen Spiralfeder 60 und Abstandselement 40 möglich. So ist eine Ausführung möglich, wobei das innenliegende Ende der Spiralfeder 60 ein passendes Gegenstück zu dem in 5 gezeigten Schlitz bzw. Spalt 44, der als Aufnahmelager ausgebildet ist, bildet, und die Verbindung zum Schlitz bzw. Spalt 44 herstellt.
Tritt während der Lebensdauer nun aufgrund der Kompression und/oder alterungsbedingter eingangs beschriebener Prozesse ein Kriechen des Stapels einzelner Brennstoffzellen auf, verkürzt sich der Brennstoffzellenstapel 100. In Folge dessen bewegt sich die erste Endplatte 80 entgegengesetzt der Kompressionsplatte 90, sodass sich der Abstand zwischen beiden Platten vergrößert. Diese Situation zeigt 3. Es ist anzumerken, dass die in 3 dargestellte Situation zur Veranschaulichung der Vorgänge und dem Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Kompressionssystems dient. Das Kompressionssystem 200 hat insbesondere die Aufgabe den Zustand aus 3 zu verhindern. Durch die Abstandsvergrößerung werden die Tellerfedern 50 in Richtung ihrer Ruhelage ausgelenkt. Es handelt sich zwar um weiche Federn, die ausgebildet sind, auf Dehnungsänderungen mit nur leichter Kraftänderung zu reagieren, dennoch nimmt die auf den Brennstoffzellenstapel 100 wirkende Kompressionskraft leicht ab. In der (fiktiven) Situation aus 3 liegt die Anschlagfläche 45 des Abstandselements, das sich durch verschraubte Fixierung mit der ersten Endplatte 80 mit der ersten Endplatte 80 bewegt, nicht mehr an der Fläche der Kompressionsplatte 90 an. Tatsächlich kommt es nicht zu einem Abreißen des Kontakts, vielmehr führt die alterungsbedingte Stapelverkürzung des Brennstoffzellenstapels zu einer verminderten Anpresskraft zwischen Anschlagfläche 45 des Abstandselements 40 und der Kompressionsplatte 90 und damit zu einer Verminderung der Reibung zwischen diesen. Infolgedessen kann die Spiralfeder 60 sich teilweise entspannen und die in ihr gespeicherte Energie durch Rotationsbewegung und Übertragung des resultierenden Drehmoments auf den mit ihr verbundenen zweiten Abschnitt 41 des Abstandselements 40 übertragen und in Drehung versetzen. Die Spiralfeder 60 ist folglich ausgebildet, das Abstandselement 40 anzutreiben und aus der ersten Endplatte 80 zu schrauben, sobald die nachlassende Reibkraft zwischen Anschlagfläche 45 und Kompressionsplatte 90 dies zulässt. Demzufolge bleibt die Anschlagfläche 45 des Abstandselements 40 mit der Fläche der Kompressionsplatte 90 in Kontakt.
Diese tatsächlich auftretende Situation zeigt 4. Das Abstandselement 40 ist mithilfe der Spiralfeder 60 aus seiner zurückgezogenen Ausgangsposition selbsttätig ausgefahren und füllt weiterhin nahtlos den nunmehr vergrößerten Abstand zwischen Kompressionsplatte 90 und erster Endplatte 80 aus. Die Anschlagfläche 45 liegt weiterhin bündig an der Kompressionsplatte 90. Das selbsttägig ausfahrende Abstandselement 40 ermöglichst es somit, den Tellerfedern 50, sich auszudehnen, aber nicht im Nachgang zurückzuziehen.
In Folge des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 100 und der Befüllung mit Betriebsgasen tritt innerhalb des Stapels Innendruck auf, der eine nach Außen gerichtete Kraft hervorruft. Diese hervorgerufene Kraft wirkt entgegen der Kompressionskraft. Eine hierdurch bedingte Änderung der Kompression des Brennstoffzellenstapels 100 wird nun jedoch verhindert, da die weiterhin aufrechterhaltene Kontaktfläche zwischen dem Abstandselement 40 und der Kompressionsplatte 90 einen hinreichend großen Gegenwiderstand liefert. Folglich wird ein Auseinanderbewegen der Brennstoffzellen und verschiedenen Plattenelemente durch die resultierende Widerstandskraft an der Kontaktfläche unterbunden. Eine Anordnung nur aus Tellerfedern würde hierbei an sein Grenzen stoßen, insbesondere durch das vorangegangen Kriechen und die Abschwächung der Federkraft.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellenstapel
10: Membran-Elektroden-Anordnung
11: Anode
12: Kathode
20: Bipolarplatte
30: Rückhaltebänder
40: Abstandselement
41: zweiter Abschnitt
42: erster Abschnitt
43: Außengewinde
44: Spalt/Schlitz
45: Anschlagfläche
50: Tellerfeder
60: Spiralfeder
70: zweite Endplatte
80: erste Endplatte
81: Öffnung
90: Kompressionsplatte
91: Öffnung
200: Kompressionssystem

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69929731 T2 [0009]
US 2008/0131753 A1 [0010]
JP 11007975 A [0011]

Claims

Kompressionssystem (200) für einen Brennstoffzellenstapel (100), der eine erste und eine zweite Endplatte (80, 70) und zwischen den Endplatten gestapelte Brennstoffzellen aufweist, umfassend - eine Kompressionsplatte (90), die außerhalb des Brennstoffzellenstapels (100) auf der ersten Endplatte (80) des Brennstoffzellenstapels (100) angeordnet ist, - Rückhaltemittel (30), die eine Verbindung zwischen der Kompressionsplatte (90) und der zweiten Endplatte (70) herstellen, - mindestens ein erstes Federelement (50), das zwischen der Kompressionsplatte (90) und der ersten Endplatte (80) angeordnet ist, wobei das erste Federelement (50) vorgespannt angebracht ist und die Federkraft des ersten Federelements (50) in Richtung der ersten Endplatte (80) wirkt, - mindestens ein Abstandselement (40), das zwischen der Kompressionsplatte (90) und der ersten Endplatte (80) angeordnet ist und eine Anschlagfläche (45) für die Kompressionsplatte (90) aufweist, welche einen Mindestabstand zwischen Kompressionsplatte (90) und erster Endplatte (80) begrenzt, wobei das Abstandselement (40) bezüglich der ersten Endplatte (80) zwischen einer zurückgezogenen Ausgangsposition und einer ausgefahrenen Endposition in Stapelrichtung beweglich angeordnet ist und ausgebildet ist, infolge einer alterungsbedingten Stapelverkürzung in Richtung der Endposition selbsttätig auszufahren.
Kompressionssystem (200) nach Anspruch 1, wobei das Abstandelement (40) eine Federkonstante aufweist, die um ein Vielfaches größer ist als die des ersten Federelements (50).
Kompressionssystem (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abstandselement (40) einen ersten zylinderförmigen Abschnitt (42) mit einem Außengewinde (43) aufweist und die erste Endplatte (80) eine Öffnung (81) mit einem Innengewinde aufweist, wobei das Innengewinde der Öffnung (81) der ersten Endplatte (80) und das Außengewinde (43) des ersten zylinderförmigen Abschnitts (42) ein Paar bilden, das ausgebildet ist, selbsthemmend zu wirken.
Kompressionssystem (200) nach Anspruch 3, wobei das Abstandselement (40) einen zweiten zylinderförmigen Abschnitt (41) aufweist, der einen kleineren Durchmesser aufweist als der erste zylinderförmige Abschnitt (42), und wobei die Kompressionsplatte (90) eine Öffnung (91) aufweist, durch die der zweite Abschnitt (41) ragt.
Kompressionssystem (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein zweites Federelement (60), das auf der dem Brennstoffzellenstapel (100) abgewandten Seite der Kompressionsplatte (90) angeordnet ist und mit einem ersten Ende mit der Kompressionsplatte (90) und mit dem anderen Ende mit dem Abstandselement (40) verbunden ist, wobei das zweite Federelement (60) bei der zurückgezogenen Ausgangsposition des Abstandselements (40) unter Vorspannung steht.
Kompressionssystem (200) nach Anspruch 5, wobei das zweite Federelement (60) eine Spiralfeder und/oder eine Schenkelfeder ist.
Kompressionssystem (200) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandselement (40) einen Schlitz bzw. Spalt (44) umfasst, der ausgebildet ist, die Verbindung mit dem ersten Ende des zweiten Federelements (60) zu bilden.
Kompressionssystem (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Federelement (50) Federelemente mit einer degressiven Federkennlinie umfasst.
Kompressionssystem (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Federelement (50) eine Tellerfeder ist.
Kompressionssystem (200) nach Anspruch 9, wobei das erste Federelement (50) Paare von Tellerfedern umfasst, wobei die Tellerfedern eines Paars wechselsinnig übereinander angeordnet sind.