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Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die zwischen zwei Endplatten aufgenommen sind, wobei bei einem Paar sich gegenüberliegender Seiten der Brennstoffzellen auf jeder der Seiten und von jeder der Endplatten ein Zugelement zu einem Rhombus geführt ist, der durch vier mittels Gelenken miteinander verbundenen Schenkeln gebildet ist. Die Zugelemente sind mit einem ersten Paar einander gegenüberliegenden Gelenke verbunden, wobei zwischen einem zweiten Paar einander gegenüberliegender Gelenke ein federndes Element angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.
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Brennstoffzellen dienen zur Bereitstellung elektrischer Energie durch eine elektrochemische Reaktion, wobei zur Erhöhung der nutzbaren Leistung mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst werden können. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran, die zur Förderung der elektrochemischen Reaktion mit einem Katalysator beschichtet ist. Des Weiteren sind in einem Brennstoffzellenstapel jeder Brennstoffzelle beidseits der Membran Bipolarplatten bereitgestellt zur Zuleitung der Reaktanten und gegebenenfalls eines Kühlmittels. Es werden Gasdiffusionsschichten eingesetzt, um die in den Bipolarplatten herangeführten Reaktanten möglichst gleichmäßig über die gesamte Fläche der mit dem Katalysator beschichteten Membran zu verteilen.
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Diese Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird im Allgemeinen mithilfe von Zugelementen mit einer Kraft im Bereich mehrerer Tonnen verpresst, um einen ausreichenden Kontaktdruck an der katalysatorbeschichteten Membran zur Reduktion ohmscher Verluste zu erzielen und mittels der hohen Verpressung Undichtigkeiten eingesetzter Dichtungen zu vermeiden.
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Zu beachten ist dabei allerdings, dass während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels Kräfte auftreten, die zu einer Steigerung oder Reduktion der Verpresskraft führen können. Die Steigerung der Verpresskraft wird verursacht durch eine Wärmeausdehnung der verwendeten Komponenten, durch den für die Zuführung und Verteilung der Reaktanten verwendeten Druck und durch ein Aufquellen der verwendeten Membran bei deren Hydratisierung.
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Eine Reduktion der Verpresskraft kann erfolgen durch eine negative Wärmeausdehnung bei sinkenden oder niedrigen Temperaturen oder durch das Setzungsverhalten der Gasdiffusionsschichten, das mit zunehmender Nutzungsdauer und damit Lebensalter des Brennstoffzellenstapels zunimmt.
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Die
DE 10 2016 205 282 B3 zeigt einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die zwischen zwei Endplatten angeordnet sind, an denen jeweils außenseitig Federelemente und Piezoelemente angeordnet sind, die eine Spannplatte abstützen, an der Hebel verschwenkbar gelagert sind, die sich mit ihren freien Enden an der Endplatte abstützen. Die
DE 10 2006 028 498 A1 offenbart bei einem Brennstoffzellenstapel eine Spanneinrichtung mit einem Zugelement, das ein federndes Längendehnungsausgleichelement umfasst. In der
JP 2013 020740 A ist ein Brennstoffzellenstapel offenbart, bei dem Zugbänder für die Verpressung genutzt werden, wobei mechanisch oder pneumatisch wirkende Federn oder elektrische Aktuatoren für eine aktive Verpressung genutzt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brennstoffzellenstapel so auszubilden, dass über einen großen Bereich seiner Lebensdauer eine geeignete Verpresskraft gegeben ist. Aufgabe ist es weiterhin, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruches 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der eingangs genannte Brennstoffzellenstapel zeichnet sich dadurch aus, dass bei geringem Bauraum, ohne zwischen den Endplatten und den Brennstoffzellen angeordnete Federn oder Spannplatten, eine gewünschte Verpressung erreicht wird, die durch das federnde Element sich an Veränderungen des Brennstoffzellenstapels, die bei dessen Betrieb während seiner Lebensdauer auftreten, angepasst wird. Dazu ist die gewählte Form mit dem durch vier Schenkeln gebildeten Rhombus besonders geeignet, da Längenänderungen, die sowohl durch Druck- als auch durch Zugkräfte induziert werden, einfach durch die Stellung der Schenkel ausgeglichen werden können. Der Brennstoffzellenstapel kann damit „atmen“, ohne dass die Verpressung dadurch beeinträchtigt wird. Das federnde Element stellt dabei die Höhe der gewünschten Verpressung sicher.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die beiden Zugelemente mit dem zugeordneten Rhombus mehrfach auf jeder der sich gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzellen vorgesehen sind. Dadurch wird der besondere Vorteil erzielt, dass die flache, plane Gestalt der Endplatten über die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels bewahrt bleiben kann, da ortsabhängig eine Anpassung der gewünschten Verpressung erfolgt.
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Insbesondere besteht auch die Möglichkeit, dass an dem komplementären Paar sich gegenüberliegender Seiten auf jeder der Seiten die Zugelemente mit dem Rhombus zwischen den Endplatten angeordnet sind. Es werden also in Umfangsrichtung an allen vier Seiten des quaderförmigen Brennstoffzellenstapels die Zugelemente mit dem federbeaufschlagten Rhombus angeordnet, also auch in den Bereichen, die für die Zuleitung und/oder Ableitung der Medien und damit für die Anordnung der Medienanschlüsse genutzt werden.
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Um eine linear ausgerichtete Kraftübertragung zwischen den Endplatten zu erzielen, bei der kein seitlicher Versatz zwischen den Zugelementen gegeben ist, sind die Zugelemente mit den den Endplatten zuweisenden Gelenken verbunden. Dabei sind die Zugelemente durch inelastische Streben gebildet, um gezielt die Anpassung an Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels dem federbeaufschlagten Rhombus zuzuweisen.
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Dabei ist das federnde Element ausgewählt aus einer Gruppe, die eine mechanische, gewundene Feder, eine mechanische, auf einer Drehmaschine bearbeitete Feder, und eine Gasdruckfeder umfasst. Die mechanische gewundene Feder ist besonders kostengünstig, während die spanabhebend, auf einer Drehmaschine bearbeitete Feder flexibler in der Gestaltung und flexibler bezüglich ihrer Befestigungsmöglichkeiten ist. Auch kann sie mit weniger Einzelteilen, insbesondere einteilig gefertigt werden.
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Bevorzugt ist weiterhin, wenn dem federnden Element ein Aktuator zugeordnet ist, der durch einen elektrischen Aktuator oder einen piezoelektrischen Aktuator gebildet sein kann. Durch diesen Aktuator besteht die Möglichkeit, die zur Verpressung erforderliche Kraft manuell oder automatisiert, gegebenenfalls durch Auswertung von die Verpresskraft erfassenden Sensoren, einzustellen.
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Ein Kraftfahrzeug mit einer einen derartigen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung verfügt über eine vergrößerte Verlässlichkeit und Effektivität über die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines zwischen zwei Endplatten verspannten Brennstoffzellenstapels,
- 2 eine vergrößerte Darstellung des Details II aus 1, und
- 3 eine Gegenüberstellung einer konventionellen gewundenen Feder (oben) mit einer spanabhebend hergestellten Feder (unten).
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In der 1 ist schematisch ein Brennstoffzellenstapel 1 gezeigt, der aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen 2 besteht, die zwischen zwei Endplatten 3 angeordnet sind.
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Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
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Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Bei dem in der 1 schematisch gezeigten Brennstoffzellenstapel 1 ist bei einem Paar aus sich gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzellen 2 auf jeder der Seiten und von jeder der Endplatten 3 ein Zugelement 4 zu einem Rhombus 5 geführt. Neben den auf der Vorderseite 6 gezeigten Zugelementen 4 mit einem Rhombus 5 sind also, nicht sichtbar, auf der gegenüberliegen Rückseite 7 gleichfalls Zugelemente 4 mit einem Rhombus 5 angeordnet. Der Rhombus 5 ist durch vier mittels Gelenken 8 miteinander verbundenen Schenkeln 9 gebildet, wobei die Zugelemente 4 mit einem ersten Paar 10 einander gegenüberliegenden Gelenke 8 verbunden sind, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Zugelemente 4 mit den den Endplatten 3 zuweisenden Gelenken 8 gelenkig verbunden sind. Die Zugelemente 4 sind durch inelastische Streben gebildet.
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Zwischen einem zweiten Paar 11 einander gegenüberliegender Gelenke 8 ist ein federndes Element 12 angeordnet, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine horizontal liegende Ausrichtung besitzt. Das federnde Element 12 ist ausgewählt aus einer Gruppe, die eine mechanisch gewundene Feder 13, eine mechanische, auf einer Drehmaschine bearbeitete Feder 14, eine Gasdruckfeder 15 umfasst.
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Zu sehen ist weiterhin aus 1, dass die beiden Zugelemente 4 mit dem zugeordneten Rhombus 5 mehrfach auf jeder der sich gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzellen 2 vorgesehen sind, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dies dreifach realisiert ist. Es ist darauf hinzuweisen, dass dementsprechend auch auf der Rückseite 7 eine dreifache Anordnung der Zugelemente 4 mit dem zugeordneten Rhombus 5 vorliegt. Eine abweichende Anzahl ist möglich und wird insbesondere durch die Erstreckung des Brennstoffzellenstapels 1 beeinflusst. Die Anzahl soll insbesondere sicherstellen, dass die Endplatten 3 ihre flache, plane Konfiguration bewahren.
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Die 1 zeigt auch, dass an dem komplementären Paar 16 sich gegenüberliegender Seiten der Brennstoffzellen 2 auf jeder der Seiten die Zugelemente 4 mit dem Rhombus 5 zwischen den Endplatten 3 angeordnet sind. Also auch an den Schmalseiten, die für die Anschlüsse der Medienführungen genutzt werden, können entsprechende Zugelemente 4 platziert werden. Gezeigt ist hier ein einziges Paar Zugelemente 4, wobei aber auch eine abweichende Anzahl möglich ist, wiederum beeinflusst durch die Erstreckung des Brennstoffzellenstapels 1 in dieser Richtung.
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Wenn dem federnden Element 12 ein Aktuator zugeordnet ist, der durch einen elektrischen Aktuator oder einen piezoelektrischen Aktuator gebildet sein kann, dann besteht weiterhin die Möglichkeit, dass manuell oder automatisch die Verpressung beeinflusst und eingestellt werden kann.
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Die Vorteile eines derartigen Brennstoffzellenstapels 1 mit verbesserter Verlässlichkeit über seine Lebensdauer zeigen sich insbesondere bei dessen Verwendung in einer für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug vorgesehenen Brennstoffzellenvorrichtung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenstapel
- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Endplatte
- 4
- Zugelement
- 5
- Rhombus
- 6
- Vorderseite
- 7
- Rückseite
- 8
- Gelenk
- 9
- Schenkel
- 10
- erstes Paar
- 11
- zweites Paar
- 12
- federndes Element
- 13
- mechanisch gewundene Feder
- 14
- auf Drehmaschine bearbeitete Feder
- 15
- Gasdruckfeder
- 16
- komplementäres Paar
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016205282 B3 [0006]
- DE 102006028498 A1 [0006]
- JP 2013020740 A [0006]
