WO2005008825A2

WO2005008825A2 - Clamping device for a stack of a plurality of electrochemical cells and method for assembling said device

Info

Publication number: WO2005008825A2
Application number: PCT/DE2004/001532
Authority: WO
Inventors: Stefan Nettesheim; Sven Jakubith
Original assignee: Stefan Nettesheim; Sven Jakubith
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2004-07-11
Publication date: 2005-01-27
Also published as: DE112004001756D2; WO2005008825A3

Abstract

The invention relates to a clamping device for a stack of a plurality of electrochemical cells, and a method for assembling the same. The aim of the invention is to provide a clamping device with a simple structure, by which means a surface pressure can be exerted on the stack in a stable and homogeneous manner in order to ensure a good electrical connection. The invention also relates to a method for mounting said device on the stack in a simple and secure manner. Said clamping device consists of pressure plates arranged on the upper and lower sides and optionally between the cells, at least one clamping element, and elements for connecting the clamping element(s) to the pressure plates in a force-transmitting manner and for producing a tractional force acting on the plates in the direction of the stack. Each pressure plate is crossed by at least one brace crossing a channel extending perpendicularly to the direction of the stack. Said brace forms the element for connecting the pressure plate to a clamping element in a force-transmitting manner, and a carrier for reinforcing the pressure plate. The assembly is carried out using an external compression device.

Description

Spannvorrichtung für einen Stapel aus einer Mehrzahl elektrochemischer Zellen und Verfahren zu deren MontageClamping device for a stack of a plurality of electrochemical cells and method for their assembly

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung für einen Stapel aus einer Mehrzahl elektrochemischer Zellen, insbesondere zum Verspannen eines Stapels aus Brennstoffzellen, eines so genannten Stack. Soweit sich die nachfolgenden Ausführungen im Wesentlichen nur auf Brennstoffzellen beziehen, soll hierin jedoch keine Beschränkung der Erfindung liegen. Vielmehr ist die Vorrichtung auch zum Verspannen von Stapeln anderer elektrochemischer Zellen einsetzbar. Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Montage der beschriebenen Spannvorrichtung.The invention relates to a clamping device for a stack of a plurality of electrochemical cells, in particular for clamping a stack of fuel cells, a so-called stack. Insofar as the following explanations essentially relate only to fuel cells, however, there should not be any restriction of the invention. Rather, the device can also be used to clamp stacks of other electrochemical cells. The invention also relates to a method for assembling the clamping device described.

Die Funktionsweise von Brennstoffzellen beruht auf einer elektrochemischen Umwandlung von Brennstoff und Oxidationsmittel, z.B. Wasserstoff und Sauerstoff, in elektrischen Strom, Wärme und Reaktionsprodukte. Eine Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), einem Elektrolyten, Leitungen für die Zuführung der Reaktionspartner und die Abführung der umgesetzten Betriebsmittel sowie elektrischen Kontakt- bzw. Verbindungsmitteln. Festpolymer-Brennstoffzellen verwenden im Allgemeinen eine dünne polymere lonenaustauschmembran als Elektrolyten. Der Werkstoff der Membran ist ionenleitfähig und weitgehend elektrisch isolierend sowie gasundurchlässig. Die Membran ist mit einem geeigneten Elektrokatalysator und einem porösen elektrisch leitfähigem Schichtmaterial beschichtet. Eine solche Anordnung wird als Membranelektrodenaufbau („MEA") bezeichnet.The functioning of fuel cells is based on an electrochemical conversion of fuel and oxidizing agent, e.g. Hydrogen and oxygen, in electrical power, heat and reaction products. A fuel cell essentially consists of two electrodes (anode and cathode), an electrolyte, lines for the supply of the reactants and the removal of the converted equipment, and electrical contact and connection means. Solid polymer fuel cells generally use a thin polymeric ion exchange membrane as the electrolyte. The membrane material is ion-conductive and largely electrically insulating and gas-impermeable. The membrane is coated with a suitable electrocatalyst and a porous, electrically conductive layer material. Such an arrangement is referred to as a membrane electrode assembly ("MEA").

In der Brennstoffzelle ist die MEA typischerweise zwischen den Elektroden, in Form zweier Separatorplatten, eingefügt, welche als Stromkollektoren wirken und die Reaktanden in geeigneter Form über den elektrochemisch aktiven Bereich der MEA verteilen. Da eine einzelne Zelle eine nur geringe Spannung aufweist, wird eine Mehrzahl von Einzelzellen miteinander elektrisch seriell verbunden. Durch eine bipolare Ausführung der Separatorplatten, kann die Serienschaltung durch deren wechselseitige Abfolge mit den MEA's realisiert werden. Zur Sicherung der Funktionsweise werden die in Reihe geschalteten Zelleneinheiten vorzugsweise unter Herstellung einer gewissen mechanischen Vorspannung zu einem Stapel, dem so genannten Stack vereint. Dabei ist es erforderlich, dass eine gleichmäßige Flächenpressung aufgebracht wird, um eine gute elektrische Verbindung der Einzelzellen sicherzustellen. Dies wird im Allgemeinen durch Einbettung des Zellenstapels zwischen planaren Platten (Endplatten bzw. gegebenenfalls auch zwischen den Zellen angeordneten Platten) erreicht, die mit Zugankern, Spannbändern und weiteren Kompressionsvorrichtungen gegeneinander verspannt sind und hierdurch als Druckplatten eine Flächenpressung auf den Stapel ausüben. Entsprechende Anordnungen bzw. Spannvorrichtungen sind beispielsweise in der US 6,190,793, der US 3,134,697 und der US 4,478,917 offenbart. Die bekannten Lösungen haben den Nachteil, dass sich die Endplatten gegenüber ihrer ursprünglich planaren Form durch die auftretenden Zugkräfte verformen. Als Folge kommt es zu erheblichen Abwei- chungen von der angestrebten homogenen Pressung über die Zellenfläche.In the fuel cell, the MEA is typically inserted between the electrodes, in the form of two separator plates, which act as current collectors and distribute the reactants in a suitable form over the electrochemically active area of the MEA. Since a single cell has only a low voltage, a plurality of individual cells are electrically connected to one another in series. Through a bipolar design of the separator plates, the series connection can be realized through their mutual sequence with the MEAs. To ensure the functioning, the cell units connected in series are preferably combined to form a stack, the so-called stack, with a certain mechanical preload. It is necessary to apply a uniform surface pressure in order to ensure a good electrical connection between the individual cells. This is generally achieved by embedding the cell stack between planar plates (end plates or possibly also plates arranged between the cells), which are braced against one another with tie rods, tensioning straps and further compression devices and thereby exert surface pressure on the stack as pressure plates. Corresponding arrangements or tensioning devices are disclosed, for example, in US Pat. No. 6,190,793, US Pat. No. 3,134,697 and US Pat. No. 4,478,917. The known solutions have the disadvantage that the end plates deform compared to their originally planar shape due to the tensile forces that occur. As a result, there are considerable deviations from the desired homogeneous pressure across the cell surface.

Zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Flächenpressung sind bereits unterschiedliche Lösungen bekannt geworden. So ist es aus der DE 27 29 640 A1 bekannt, in den End- und/oder Zwischenplatten einen Hohlraum vorzusehen und diesem zur Ausbildung eines Druckkissens ein Pressgas zuzuführen. Neben dem Nachteil eines relativ komplizierten Aufbaus einer derartigen Anordnung ist es als nachteilig anzusehen, dass zur Aufrechterhaltung des Drucks eine permanente Versorgung der Hohlräume mit dem Pressgas erfolgen muss. Durch die DE 100 03 528 A1 wird eine hiermit vergleichbare Lösung beschrieben. Allerdings wird bei dieser Lösung der Nachteil einer notwendigen ständigen Versorgung mit Pressgas dadurch umgangen, dass der Hohlraum eines Zwischen- und/oder Endelementes mit einem inkompressiblen Druckmedium oder einer Anordnung von Federn gefüllt wird. Insbesondere im Hinblick auf die vorgesehene Einordnung von Federn in die Hohlräume bleibt jedoch der Nachteil eines komplizierten Aufbaus erhalten. Andererseits besteht bei der Verwendung eines inkompressiblen Druckmediums die Möglichkeit, dass unter rauen Einsatzbedingungen für einen in dieser Weise verspannten Stack Undichtigkeiten auftreten und hierdurch der Druck nicht mehr aufrechterhalten werden kann.Various solutions have already become known to ensure a uniform surface pressure. It is known from DE 27 29 640 A1 to provide a cavity in the end and / or intermediate plates and to supply a pressurized gas to form a pressure cushion. In addition to the disadvantage of a relatively complicated structure of such an arrangement, it is to be regarded as disadvantageous that the cavities must be permanently supplied with the pressurized gas in order to maintain the pressure. DE 100 03 528 A1 describes a comparable solution. However, this solution avoids the disadvantage of a constant supply of pressurized gas by filling the cavity of an intermediate and / or end element with an incompressible pressure medium or an arrangement of springs. Particularly with regard to the intended arrangement of springs in the cavities, however, the disadvantage of a complicated structure remains. On the other hand, when using an incompressible printing medium, there is the possibility that under harsh operating conditions for a stack clamped in this way Leaks occur and as a result the pressure can no longer be maintained.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spannvorrichtung für einen Stapel aus einer Mehrzahl elektrochemischer Zellen bereitzustellen, durch welche zur Gewährleistung einer guten elektrischen Verbindung der Einzelzellen eine stabile gleichmäßige Flächenpressung auf den Stapel ausgeübt wird. Dabei soll die Spannvorrichtung einen einfachen Aufbau besitzen und leicht montierbar sein. Die Aufgabe besteht weiterhin darin ein Verfahren anzugeben, welches eine einfache und sichere Montage der Spannvorrichtung am Stapel ermöglicht.The object of the invention is to provide a tensioning device for a stack of a plurality of electrochemical cells, through which a stable, uniform surface pressure is exerted on the stack in order to ensure a good electrical connection of the individual cells. The tensioning device should have a simple structure and be easy to assemble. The object further consists in specifying a method which enables simple and safe mounting of the tensioning device on the stack.

Die Erfindung wird durch eine Spannvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Das zur Montage der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung vorgeschlagene Verfahren wird durch die Merkmale des ersten Verfahrens- anspruchs charakterisiert. Vorteilhafte Aus- bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind durch die jeweiligen Unteransprüche gegeben.The invention is achieved by a tensioning device with the features of the main claim. The method proposed for assembling the tensioning device according to the invention is characterized by the features of the first method claim. Advantageous further developments of the invention are given by the respective subclaims.

Die vorgeschlagene Spannvorrichtung, welche zum Verspannen eines Stapels aus einer Mehrzahl elektrochemischer Zellen, vorzugsweise Brennstoffzellen, dient, besteht, wie an sich bekannt, aus an der Ober- und Unterseite sowie gegebenenfalls zwischen den Zellen angeordneten Druckplatten und Mitteln zur Erzeugung einer in der Stapelrichtung wirkenden Zugkraft auf die Druckplatten. Durch die Zugkraft wird über die planaren bzw. planen, am Stapel anliegenden Außenflächen der Druckplatten eine Flächenpressung auf den Stapel ausgeübt. Die Zugkraft wird durch mindestens ein Spannelement und durch Elemente erzeugt, die das oder die Spannelemente kraftübertragend jeweils mit wenigstens zwei der Druckplatten verbinden. In erfindungswesentlicher Weise wird jede Druckplatte über mindestens einen im Wesentlichen quer zur Stapelrichtung verlaufenden Durchbruch von wenigstens einer Strebe durchragt, die ein Element zur kraftübertragenden Verbindung der Druckplatte mit wenigstens einem Spannelement und gleichzeitig einen die jeweilige Druckplatte versteifenden Träger ausbildet. Durch diesen Aufbau ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Druck bzw. Endplatten aus einem leichten Material auszubilden, ohne dass hierbei Abstriche im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit des über die Platten auf den Stapel ausgeübten Drucks hingenommen werden müssten. Die dennoch sehr einfach aufgebaute Spannvorrichtung ist zudem, wie aus dem später dargestellten Verfahren ersichtlicht wird, sehr leicht an dem von den Brennstoffzellen oder anderen elektrochemischen Zellen gebildeten Stapel montierbar.The proposed tensioning device, which is used to tension a stack of a plurality of electrochemical cells, preferably fuel cells, consists, as is known per se, of pressure plates arranged on the top and bottom and optionally between the cells, and means for producing a pressure plate acting in the stacking direction Traction on the pressure plates. The tensile force exerts a surface pressure on the stack via the planar or planar outer surfaces of the pressure plates which are in contact with the stack. The tensile force is generated by at least one tensioning element and by elements which connect the tensioning element or elements to at least two of the pressure plates in a force-transmitting manner. In a manner essential to the invention, each printing plate is penetrated by at least one strut via at least one opening which runs essentially transversely to the stacking direction and which forms an element for the force-transmitting connection of the printing plate to at least one tensioning element and at the same time a support stiffening the respective printing plate. This construction advantageously makes it possible to form the pressure or end plates from a light material without compromises with regard to the uniformity of the pressure exerted on the stack by the plates would have to be accepted. The tensioning device, which is nevertheless of a very simple construction, can also be very easily mounted on the stack formed by the fuel cells or other electrochemical cells, as can be seen from the method described later.

Entsprechend einer praxisrelevanten Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung weist diese zwei Spannelemente auf, die einander gegenüberliegend, an je einer äußeren Längsseite des Stapels in Stapelrichtung angeordnet sind. Diese sind, dem erfindungsgemäßen Grundprinzip folgend, mittels Streben, welche eine an der Oberseite des Stapels und eine an der Unterseite des Stapels angeordnete Druckplatte durchragen, zur Übertragung der Zugkraft mit den Druck- bzw. Endplatten verbunden. Gemäß einer möglichen und gebräuchlichen Ausbildungsform sind die Spannelemente als Spannbänder ausgeführt. Durch das Verwenden flacher Bänder ergibt sich in Verbindung mit einer geeigneten Wahl des Materials für die Druckplatten aufgrund des ansonsten einfachen, mit nur wenigen Elmenten auskommenden Aufbaus ein vergleichsweise geringes Gewicht für die Spannvorrichtung. Letztlich hängt aber die jeweils zweckmäßigste Ausbildung für die Spannelemente vom jeweiligen Einsatzfall und damit nicht zuletzt von der Größe der Brennstoffzellen und des von ihnen gebildeten Stacks ab. Im Einzelfall kann es dabei auch erforderlich sein an Stelle von Spannbändern geometrisch kompaktere Spannelemente zu verwenden. Im Falle einer Ausbildung in Form von Spannbändern hat sich gezeigt, dass eine Verwendung Federstahl in vielen als günstig anzusehen ist. Aber auch die Verwendung elektrisch isolierender Materialien, wie beispielsweise Kunststoffe, kommt, wiederum abhängig vom Einsatzzweck, in Betracht. Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung einer mit Spannbändern realisierten Variante der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung, sind die Spannbänder durch ein entsprechendes Profil als Wellenfeder gestaltet. Hierdurch ist es möglich über die jeweilige Geometrie der wellenförmigen Spannbänder und des für ihre Fertigung verwendeten Materials eine Wellenfeder mit definierter Federkonstante auszubilden und auf diese Weise die bei der Verspannung eines Zellenstapels wirksam werdende Vorspannung optimal einzustellen.According to a practice-relevant embodiment of the tensioning device according to the invention, the tensioning device has two tensioning elements, which are arranged opposite one another, each on an outer longitudinal side of the stack in the stacking direction. Following the basic principle according to the invention, these are connected to the pressure or end plates by means of struts which project through a pressure plate arranged on the top of the stack and a pressure plate arranged on the bottom of the stack. According to a possible and common form of training, the tensioning elements are designed as tensioning straps. The use of flat belts in conjunction with a suitable choice of material for the printing plates results in a comparatively low weight for the tensioning device due to the otherwise simple construction, which requires only a few elements. Ultimately, however, the most appropriate design for the tensioning elements depends on the respective application and thus not least on the size of the fuel cells and the stack they form. In individual cases, it may also be necessary to use geometrically more compact clamping elements instead of clamping bands. In the case of training in the form of tensioning straps, it has been shown that the use of spring steel can be regarded as inexpensive in many cases. However, the use of electrically insulating materials, such as plastics, is also possible, depending on the intended use. In a particularly advantageous development of a variant of the tensioning device according to the invention realized with tensioning straps, the tensioning straps are designed as a wave spring by means of a corresponding profile. This makes it possible, via the respective geometry of the wave-shaped tensioning straps and the material used for their production, to have a wave spring with a defined spring constant to train and in this way optimally adjust the pretension that becomes effective when a cell stack is braced.

Auch für die konkrete Ausbildung der die Platten durchragenden und diese mit den Spannelementen kraftübertragend verbindenden Streben sind, abhängig vom Einsatzfall, unterschiedliche Möglichkeiten gegeben. Vorzugsweise sind die Streben als metallische Zylinderstifte ausgebildet, wobei selbstverständlich durch die Wahl der Materialien für die Druckplatten, die Zylinderstifte und die Spannelemente sichergestellt werden muss, dass zwischen zwei auf gegenüberliegenden Seiten des Stapel bzw. zwischen einer als Grund- oder Deckplatte und einer zwischen den Zellen angeordneten Druckplatte kein elektrischer Kurzschluss entsteht. Insoweit kommt auch eine Ausbildung der Zylinderstifte aus einem elektrisch isolierenden Material in Betracht, wobei es sich, im Hinblick auf die aufzunehmenden Kräfte, vorzugsweise um einen faserverstärkten Kunststoff handeln könnte. Eine ebenfalls sehr vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist gegeben, wenn die Durchbrüche in den Druckplatten und die Längsachsen der sie durchragenden Streben einen gekrümmten Verlauf aufweisen, wobei sie gegenüber der planaren, am Stapel anliegenden Außenfläche der jeweiligen Druckplatte gekrümmt sind. Durch diese Maßnahme kann ebenfalls die durch die Druckplatte auf den Stapel wirkende Vorspannung beeinflusst werden. Dabei wird die vor der Monatage zunächst spannungsfreie Druckplatte als Teil einer am Stapel montierten Spannvorrichtung zu einem elastisch vorgespannten Element. Bei einer praxisgerechten Ausführungsform der Erfindung weist jede, der zumindest an der Oberseite und an der Unterseite des Stapels angeordneten Druckplatten zwei Durchbrüche mit einem kreisförmigen Querschnitt auf. Jeder Durchbruch ist von jeweils einem Zylinderstift durchragt. Die axialen Enden der Zylinderstifte sind zur Verspannung eines Stapels mit Spannelementen, vorzugsweise Spannbändern, in Eingriff gebracht, die in einer Doppel-T-Form ausgebildet sind und in den Querbalken der Doppel-T-Form entsprechende, über die Zylinderstifte zu schiebende Bohrungen aufweisen. Vorzugsweise sind dabei die in den Spannelementen angeordneten Bohrungen zur Vereinfachung der Montage mit einer Lochleibung versehen. Die Druckplatten können zur Erreichung eines geringen Gewichts eines mit der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung verspannten Stacks aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff oder einer Leichtmetalllegierung bestehen. Im letztgenannten Fall sind die Druckplatten bei Verwendung metallischer Spann- elemente und/oder Streben gegen diese elektrisch zu isolieren, wobei die Durchbrüche zur Isolierung gegen die metallischen Streben eine Innenhülse aus einem entsprechenden isolierenden Material aufweisen.There are also different possibilities for the specific design of the struts projecting through the plates and connecting them to the tensioning elements in a force-transmitting manner, depending on the application. The struts are preferably designed as metallic cylindrical pins, whereby of course the choice of materials for the pressure plates, the cylindrical pins and the clamping elements must ensure that between two on opposite sides of the stack or between one as a base or cover plate and one between the Cells arranged pressure plate no electrical short circuit arises. In this respect, it is also possible to design the cylindrical pins from an electrically insulating material, which, in view of the forces to be absorbed, could preferably be a fiber-reinforced plastic. Another very advantageous further development of the invention is given if the openings in the pressure plates and the longitudinal axes of the struts projecting through them have a curved course, wherein they are curved relative to the planar outer surface of the respective pressure plate lying against the stack. This measure can also influence the prestress acting on the stack through the pressure plate. The pressure plate, which is initially tension-free before the assembly, becomes an elastically pre-tensioned element as part of a tensioning device mounted on the stack. In a practical embodiment of the invention, each of the pressure plates arranged at least on the top and on the bottom of the stack has two openings with a circular cross section. Each breakthrough is penetrated by a cylinder pin. The axial ends of the cylindrical pins are brought into engagement for clamping a stack with clamping elements, preferably clamping bands, which are designed in a double-T shape and have corresponding bores to be pushed over the cylindrical pins in the double bar of the double-T shape. The bores arranged in the clamping elements are preferably provided with a soffit to simplify assembly. The pressure plates can be made of an electrically insulating plastic or a light metal alloy to achieve a low weight of a stack clamped with the tensioning device according to the invention. In the latter case, the pressure plates are to be electrically insulated when using metallic tensioning elements and / or struts against them, the openings for insulation against the metallic struts having an inner sleeve made of a corresponding insulating material.

Die Montage der Spannvorrichtung erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, dass der Stapel mit den an seiner Ober- und Unterseite und gegebenenfalls zwischen den elektrochemischen Zellen angeordneten Druckplatten mittels einer externen Pressvorrichtung verpresst und gehalten wird. Bei gespannter Pressvorrichtung können nun die Spannelemente, respektive Spannbänder mit den vor oder nach dem Einbringen des Stapels in die externe Pressvorrichtung in die Durchbrüche der Druckplatten eingeführten Streben in Eingriff gebracht werden. Danach wird die externe Pressvorrichtung entspannt, wobei der Stapel auf die durch die Beschaffenheit der Spannelemente bestimmte Solllänge gebracht und entsprechend vorgespannt wird. Vorzugsweise wird das Aufschieben der Spannelemente auf die die Druckplatten durchragenden Streben durch die bereits erwähnten Lochleibungen der in die Spannelemente eingebrachten Bohrungen unterstützt.The tensioning device is installed according to the invention in that the stack is pressed and held with the pressure plates arranged on its top and bottom and optionally between the electrochemical cells by means of an external pressing device. When the pressing device is tensioned, the tensioning elements or tensioning straps can now be brought into engagement with the struts inserted into the openings of the pressure plates before or after the stack is introduced into the external pressing device. The external pressing device is then relaxed, the stack being brought to the desired length determined by the nature of the clamping elements and preloaded accordingly. The pushing of the tensioning elements onto the struts projecting through the pressure plates is preferably supported by the perforations already mentioned in the bores made in the tensioning elements.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen nochmals näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail below with the aid of exemplary embodiments. In the accompanying drawings:

Fig. 1 : Eine grundsätzliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung Fig. 2: Teile der Spannvorrichtung gemäß Fig. 1Fig. 1: A basic embodiment of the tensioning device according to the invention Fig. 2: Parts of the tensioning device according to Fig. 1st

Fig. 3: Die Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellenstacks mit einer Spannvorrichtung gemäß Fig. 1 Fig. 4: Die schematische Darstellung einer Druckplatte bzw. Endplatte mit einem Durchbruch Fig. 5: Die schematische Darstellung einer möglichen Ausbildung eines SpannelementesFig. 3: The exploded view of a fuel cell stack with a tensioning device according to Fig. 1 Fig. 4: The schematic representation of a pressure plate or end plate with an opening Fig. 5: The schematic representation of a possible design of a clamping element

In der Fig. 1 ist eine mögliche Ausbildung der erfindungsgemäßen Spannvor- richtung beispielhaft dargestellt. In der Darstellung ist die Spannvorrichtung ohne den von ihr verspannten Stapel 1 elektrochemischer Zellen 2 gezeigt. Die Spannvorrichtung besteht gemäß dem Beispiel aus zwei Druck- bzw. Endplatten 3, 3', welche oberhalb und unterhalb eines Stapels 1 gemäß Fig. 3 von beispielsweise Brennstoffzellen 2 angeordnet werden, mehreren die Druckplatten 3, 3' durch- ragenden Zylinderstiften 5, 5', 5", 5'" und, im Beispiel, zwei Spannbändern 4, 4'. Zur Montage wird ein mit der Spannvorrichtung zu verspannender Stapel 1 bei der Fertigung zunächst mittels einer externen Pressvorrichtung zusammengedrückt. Dann werden die Zylinderstifte 5, 5', 5", 5'" in die dafür in den Druckplatten 3, 3' vorgesehenen Durchbrüche 6, 6', 6", 6'" in den Druckplatten 3, 3' eingeführt. Die in der Form eines Doppel-T ausgebildeten Spannbänder 4, 4' werden mit ihren Bohrungen 8 auf die die Druckplatten 3, 3' durchragenden Zylinderstifte 5, 5', 5", 5'" aufgeschoben. Schließlich wird die externe Pressvorrichtung entfernt und somit der Stapel 1 durch die von den Spannbändern 4, 4' über die Zylinderstifte 5, 5', 5", 5'" auf die Druckplatten 3, 3' ausgeübte Zugkraft in der vorgesehenen Solllage verspannt. Die in die Durchbrüche 6, 6', 6", 6'" eingeführten Streben, respektive Zylinderstifte 5, 5', 5", 5'" wirken dabei quasi als Zuganker für die Spannbänder 4, 4'. In besonders vorteilhafter Weise können die Druckplatten 3, 3' aus einem leichten Material, beispielsweise einem Kunststoff, gefertigt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass sie sich in der Gebrauchs- läge der Spannvorrichtung verziehen. Insoweit wirken die die Druckplatten 3, 3' durchragenden Zylinderstifte 5, 5', 5", 5'" nicht nur als Zuganker, sondern gleichzeitig auch als Versteifung für die jeweilige Druckplatte.3, 3'. Durch diese Versteifung werden die Druckplatten 3, 3' gegen ein Verbiegen stabilisiert, so dass eine besonders gleichmäßige Flächenpressung auf den Stapel 1 erreicht wird. Form und Anzahl der Streben 5, 5', 5", 5'" hängen beispielsweise von der Art des Materials der Druckplatten 4, 4', von der Querschnittsfläche des Stapels 1 oder aber von der Form der Spannelemente 3, 3' ab. In dem dargestellten Beispiel, mit Spannbändern 4, 4' in Doppel-T-Form, welche an ihren axialen Enden bzw. den Querträgern des , Doppel-T jeweils zwei Bohrungen 8 aufweisen, wird jede Druckplatte 3, 3' von zwei Zylinderstiften 5, 5', 5", 5'" durchragt. Zur Vereinfachung der Montage weisen die Bohrungen 8 der Spann- bänder 4, 4' vorzugsweise eine, in der Fig. nicht erkennbare Lochleibung auf. In der Fig. 2 ist nochmals ein Teil der Spannvorrichtung nach Fig. 1 dargestellt. Die Figur zeigt eine Druckplatte 3 mit den Durchbrüchen 6, 6' sowie zwei in diese Durchbrüche bei der Montage einzuführende Zylinderstifte 5, 5'. Zur möglichen Form dieser Zylinderstifte 5, 5', 5", 5'" und dem möglichen Verlauf der Durch- brüche 6, 6', 6", 6'" in den Druckplatten 3, 3' sei an dieser Stelle auf die Erläuterungen zur Fig. 4 verwiesen.A possible embodiment of the tensioning device according to the invention is shown by way of example in FIG. 1. The illustration shows the clamping device without the stack 1 of electrochemical cells 2 clamped by it. According to the example, the tensioning device consists of two pressure or end plates 3, 3 ', which are arranged above and below a stack 1 according to FIG. 3 of, for example, fuel cells 2, a plurality of cylinder pins 5, 5 projecting through the pressure plates 3, 3'', 5 ", 5'" and, in the example, two straps 4, 4 '. For assembly, a stack 1 to be clamped with the clamping device is first compressed during manufacture by means of an external pressing device. Then the cylindrical pins 5, 5 ', 5 ", 5'" are inserted into the openings 6, 6 ', 6 ", 6'" provided for this purpose in the pressure plates 3, 3 'in the pressure plates 3, 3'. The bores 8 of the tensioning straps 4, 4 'designed in the form of a double T are pushed onto the cylinder pins 5, 5', 5 ", 5 '" which protrude through the pressure plates 3, 3'. Finally, the external pressing device is removed and thus the stack 1 is tensioned in the intended position by the tensile force exerted by the tensioning belts 4, 4 'via the cylindrical pins 5, 5', 5 ", 5 '" on the pressure plates 3, 3'. The struts or cylindrical pins 5, 5 ', 5 ", 5'" introduced into the openings 6, 6 ', 6 ", 6'" act as quasi tie rods for the tensioning straps 4, 4 '. In a particularly advantageous manner, the pressure plates 3, 3 'can be made of a light material, for example a plastic, without the risk that they will warp in the position of use of the tensioning device. In this respect, the cylinder pins 5, 5 ', 5 ", 5'" projecting through the pressure plates 3, 3 'not only act as tie rods, but also as stiffeners for the respective pressure plates 3, 3'. This stiffening stabilizes the pressure plates 3, 3 ′ against bending, so that a particularly uniform surface pressure on the stack 1 is achieved. The shape and number of struts 5, 5 ', 5 ", 5'" depend, for example, on the type of material of the pressure plates 4, 4 ', on the cross-sectional area of the stack 1 or on the shape of the clamping elements 3, 3'. In the illustrated Example, with tensioning straps 4, 4 'in double-T shape, which have two bores 8 at their axial ends or the cross members of the, double-T, each pressure plate 3, 3' is supported by two cylindrical pins 5, 5 ', 5 ", 5 '" protrudes. To simplify assembly, the bores 8 of the tensioning straps 4, 4 'preferably have a perforated reveal, which cannot be seen in the figure. A part of the tensioning device according to FIG. 1 is shown again in FIG. 2. The figure shows a pressure plate 3 with the openings 6, 6 'and two cylindrical pins 5, 5' to be inserted into these openings during assembly. Regarding the possible shape of these cylindrical pins 5, 5 ', 5 ", 5'" and the possible course of the openings 6, 6 ', 6 ", 6'" in the pressure plates 3, 3 ', reference is made here to the explanations for Fig. 4 referenced.

Aus der Fig. 3 wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung nochmals gut erkennbar. Die Figur zeigt einen Brennstoffzellenstack 1 mit der zugehörigen Spannvorrichtung in einer Explosionsdarstellung. Zu erkennen ist der von den Brennstoffzellen 2 und ihren Elementen, nämlich jeweils einer von den Separatorplatten umgebenden Membran, gebildete Stapel ! Auf den Stapel 1 werden bei der Montage unter- und oberseitig die Druck- bzw. Endplatten 3, 3' aufgesetzt. Der Stapel 1 wird dann in der schon beschriebenen Weise mittels der Streben 5, 5', 5", 5'" und der Spannbänder 4, 4' verspannt, wobei die Spannbänder 4, 4' gemäß dem Beispiel an den schmalen Längsseiten des Stapels 1 zur Anlage gelangen. Abhängig von der Größe der Brennstoffzellen 2 und des sich bei ihrer seriellen Verschaltung ergebenden Stapels 1 können die Spannstreben ganz unterschiedliche Formen aufweisen. Abgesehen davon, dass sie massiv oder wie im Beispiel als Bänder ausgebildet seien können, sind beispielsweise I-, T- oder Doppel-T-Elemente denkbar.The operation of the tensioning device according to the invention can again be clearly seen from FIG. 3. The figure shows a fuel cell stack 1 with the associated clamping device in an exploded view. The stack formed by the fuel cells 2 and their elements, namely a membrane surrounded by the separator plates, can be seen! The pressure or end plates 3, 3 'are placed on the top and bottom of the stack 1 during assembly. The stack 1 is then clamped in the manner already described by means of the struts 5, 5 ', 5 ", 5'" and the tensioning straps 4, 4 ', the tensioning straps 4, 4' according to the example on the narrow longitudinal sides of the stack 1 get to the facility. Depending on the size of the fuel cells 2 and the stack 1 resulting from their serial connection, the tensioning struts can have very different shapes. Apart from the fact that they can be solid or, as in the example, can be designed as strips, I, T or double T elements are conceivable, for example.

Die Fig. 4 zeigt eine Druck- bzw. Endplatte 3 in einer schematischen Darstellung. Die Druckplatte weist in der Längsrichtung einen Durchbruch 6 auf. In dem dargestellten Beispiel weist der in seinem Querschnitt kreisförmige Durchbruch 6 eine Wölbung gegenüber der Längsachse der Endplatte 3 auf. Zur Ver- deutlichung ist die Wölbung in der schematischen Darstellung etwas übertrieben dargestellt. Dem Fachmann wird allerdings klar, dass durch die Einführung eines Zylinderstiftes 5 in einen derart gewölbten Durchbruch 6 und das anschließende Verspannen dieser Druckplatte 3 mittels der Spannelemente 4, 4' eine Vorspannung des Stapels 1 mit einer gezielt beeinflussbaren Druckverteilung bewirkt werden kann.4 shows a pressure or end plate 3 in a schematic representation. The pressure plate has an opening 6 in the longitudinal direction. In the example shown, the opening 6 which is circular in cross section has a curvature with respect to the longitudinal axis of the end plate 3. For clarity, the curvature is shown somewhat exaggerated in the schematic representation. However, it will be clear to the person skilled in the art that the introduction of a cylindrical pin 5 into an opening 6 arched in this way and the subsequent opening Tensioning this pressure plate 3 by means of the tensioning elements 4, 4 'can prestress the stack 1 with a pressure distribution that can be influenced in a targeted manner.

Gemäß einer durch die Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist es außerdem möglich, die auf den Stapel 1 ausgeübte Anpresskraft, außer durch die Wahl des Materials für die Spannbänder 4, 4', durch deren Formgebung zu beeinflussen. Entsprechend dem in der Figur schematisch gezeigten Beispiel ist dies in vorteilhafter Weise durch eine gewellte Ausformung der Spannbänder 4, 4' möglich. Über die konkrete Geometrie dieser Wellenform kann dabei eine geeignete Federkostante eingestellt werden, welche eine Kraftwirkung in Richtung der angetragenen Pfeile verursacht.According to an embodiment shown in FIG. 5, it is also possible to influence the contact pressure exerted on the stack 1, except by the choice of the material for the straps 4, 4 ', by the shape thereof. According to the example shown schematically in the figure, this is advantageously possible by a corrugated shape of the tensioning straps 4, 4 '. A suitable spring constant can be set via the concrete geometry of this waveform, which causes a force effect in the direction of the arrows.

Liste der verwendeten BezugszeichenList of the reference symbols used

1 Stapel1 stack

2 (Brennstoff-) Zellen2 (fuel) cells

3, 3' Druck- bzw. Endplatte3, 3 'pressure or end plate

4, 4' Spannelement, Spannband Strebe, Zylinderstift4, 4 'tensioning element, tensioning strut, cylinder pin

6, 6 , 6 , 6 Durchbruch6, 6, 6, 6 breakthrough

7, 7' planare bzw. plane Außenfläche7, 7 'planar or planar outer surface

8 Bohrung 8 hole

Claims

Patentansprüche claims

1. Spannvorrichtung für einen Stapel (1 ) aus einer Mehrzahl elektroche- mischer Zellen (2), vorzugsweise Brennstoffzellen, bestehend aus an der Ober- und Unterseite sowie gegebenenfalls zwischen den Zellen (2) angeordneten Druckplatten (3, 3') und Mitteln (4, 4', 5, 5', 5", 5'") zur Erzeugung einer in der Stapelrichtung wirkenden Zugkraft auf die Druckplatten (3, 3'), wobei durch diese Zugkraft über planare, am Stapel anliegende Außenflächen (7, 7') der Druckplatten (3, 3') eine Flächenpressung auf den Stapel (1) ausgeübt wird und es sich bei den Mitteln (4, 4', 5, 5', 5", 5'") zur Erzeugung der Zugkraft um mindestens ein Spannelement (4, 4') und Elemente (5, 5', 5", 5'") zur kraftübertragenden Verbindung des Spannelements (4, 4') mit wenigstens zwei der Druck- platten (3, 3') handelt, dadurch gekennzeichnet, dass jede Druckplatte (3, 3') über mindestens einen im Wesentlichen quer zur Stapelrichtung verlaufenden Durchbruch (6, 6', 6", 6'") von wenigstens einer Strebe durchragt wird, welche ein Element (5, 5', 5", 5'") zur kraftübertragenden Verbindung der Druckplatte (3, 3') mit wenigstens einem Spannelement (4, 4') und gleichzeitig einen die jeweilige Druckplatte (3, 3') versteifenden Träger ausbildet.1. Clamping device for a stack (1) of a plurality of electrochemical cells (2), preferably fuel cells, consisting of pressure plates (3, 3 ') arranged on the top and bottom and optionally between the cells (2) and means ( 4, 4 ', 5, 5', 5 ", 5 '") for producing a tensile force acting in the stacking direction on the pressure plates (3, 3'), this tensile force being applied to planar outer surfaces (7, 7 ') of the pressure plates (3, 3') a surface pressure is exerted on the stack (1) and the means (4, 4 ', 5, 5', 5 ", 5 '") for generating the tensile force by at least a clamping element (4, 4 ') and elements (5, 5', 5 ", 5 '") for the force-transmitting connection of the clamping element (4, 4') to at least two of the pressure plates (3, 3 '), thereby characterized in that each pressure plate (3, 3 ') projects through at least one strut via at least one opening (6, 6', 6 ", 6 '") which runs essentially transversely to the stacking direction which is an element (5, 5 ', 5 ", 5'") for the force-transmitting connection of the pressure plate (3, 3 ') to at least one tensioning element (4, 4') and at the same time a respective pressure plate (3, 3 ' ) forms stiffening beams.

2. Spannvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass diese zwei Spannelemente (4, 4') aufweist, die einander gegenüberliegend, an je einer äußeren Längsseite des Stapels (1 ) in Stapel richtung angeordnet und mittels der Streben (5, 5', 5", 5'") jeweils mit einer an der Oberseite des Stapels (1 ) und einer an der Unterseite des Stapels (1 ) angeordneten Druckplatte (3, 3') kraftübertragend verbunden sind.2. Clamping device according to claim 1, characterized in that it has two clamping elements (4, 4 ') which are arranged opposite one another, on an outer longitudinal side of the stack (1) in the stacking direction and by means of the struts (5, 5', 5 ", 5 '") are each connected in a force-transmitting manner to a pressure plate (3, 3') arranged on the top of the stack (1) and on the underside of the stack (1).

3. Spannvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannelemente (4, 4') als Spannbänder ausgebildet sind. 3. Clamping device according to claim 1 or 2, characterized in that the clamping elements (4, 4 ') are designed as clamping straps.

4. Spannvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbänder (4, 4') aus Federstahl bestehen.4. Clamping device according to claim 3, characterized in that the straps (4, 4 ') consist of spring steel.

5. Spannvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbänder (4, 4') aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen.5. Clamping device according to claim 3, characterized in that the straps (4, 4 ') consist of an electrically insulating material.

6. Spannvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbänder (4, 4') ein wellenförmiges Profil aufweisen, so dass sie eine Wellenfeder ausbilden, durch deren Material und Geometrie eine Federkonstante und somit die auf den Stapel (1 ) wirkende Vorspannung festlegbar ist.6. Clamping device according to claim 4 or 5, characterized in that the tensioning straps (4, 4 ') have a wavy profile, so that they form a wave spring, through the material and geometry of which a spring constant and thus acting on the stack (1) Preload can be determined.

7. Spannvorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Streben (5, 5', 5", 5"') als metallische Zylinderstifte ausgebildet sind.7. Clamping device according to claim 1 or 3, characterized in that the struts (5, 5 ', 5 ", 5"') are designed as metallic cylindrical pins.

8. Spannvorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Streben (5, 5', 5", 5'") als Zylinderstifte aus einem elektrisch isolierendem Material, vorzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff, ausgebildet sind.8. Clamping device according to claim 1 or 3, characterized in that the struts (5, 5 ', 5 ", 5'") are designed as cylindrical pins made of an electrically insulating material, preferably of a fiber-reinforced plastic.

9. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 , 3, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchbrüche (6, 6', 6", 6'") in den Druckplatten (3, 3') und die Längsachsen der sie durchragenden Streben (5, 5', 5", 5'") einen gegenüber den planaren, am Stapel (1 ) anliegenden Außenflächen der Druckplatten (3, 3') gekrümmten Verlauf aufweisen.9. Clamping device according to one of claims 1, 3, 7 or 8, characterized in that the openings (6, 6 ', 6 ", 6'") in the pressure plates (3, 3 ') and the longitudinal axes of the struts projecting through them (5, 5 ', 5 ", 5'") have a curve which is curved in relation to the planar outer surfaces of the pressure plates (3, 3 ') abutting the stack (1).

10. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass jede Druckplatte (3, 3') zwei Durchbrüche (6, 6') bzw. (6", 6'") aufweist, die von jeweils einem Zylinderstift (5, 5', 5", 5'") durchragt werden und dass die Spannelemente (4, 4') in einer Doppel-T-Form ausgebildet und zur Verspannung des Stapels (1 ) über in den Querbalken dieser Doppel-T-Form vorgesehene Bohrungen (8) mit den Enden der die Druckplatten (3, 3") durchragenden Zylinderstifte (5, 5', 5", 5'") in Eingriff gebracht sind.10. Clamping device according to one of claims 7, 8 or 9, characterized in that each pressure plate (3, 3 ') has two openings (6, 6') or (6 ", 6 '"), each of a cylinder pin (5, 5 ', 5 ", 5'") and that the tensioning elements (4, 4 ') are designed in a double-T shape and for bracing the stack (1) over in the crossbeam bores (8) provided in this double-T shape are brought into engagement with the ends of the cylinder pins (5, 5 ', 5 ", 5'") which project through the pressure plates (3, 3 ").

11. Spannvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrungen (8), über welche die Spannelemente (4, 4') mit den Zylinderstiften (5, 5', 5", 5'") zur Verspannung des Stapels (1 ) in Eingriff gebracht werden, eine Lochleibung aufweisen.11. Clamping device according to claim 10, characterized in that the bores (8), through which the clamping elements (4, 4 ') with the cylindrical pins (5, 5', 5 ", 5 '") for clamping the stack (1) be engaged, have a soffit.

12. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatten (3, 3') aus einem elektrisch isolierendem Kunststoff bestehen.12. Clamping device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the pressure plates (3, 3 ') consist of an electrically insulating plastic.

13. Spannvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Druckplatten (3, 3') aus einer Leichtmetalllegierung bestehen, wobei sie gegen gegebenenfalls metallische Spannbänder (4, 4') an den Seitenflächen elektrisch isoliert sind und ihre die Streben (5, 5', 5", 5'") aufnehmenden Durchbrüche (6, 6', 6", 6'"), im Falle einer Ausbildung der Streben aus einem elektrisch leitenden Material, durch eine Innenhülse gegen die Streben (5, 5', 5", 5'") elektrisch isoliert sind.13. Clamping device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the pressure plates (3, 3 ') consist of a light metal alloy, wherein they are electrically insulated from metallic straps (4, 4') on the side faces and their struts (5, 5 ', 5 ", 5'") receiving openings (6, 6 ', 6 ", 6'"), in the case of the struts being formed from an electrically conductive material, through an inner sleeve against the struts (5, 5 ', 5 ", 5'") are electrically insulated.

14. Verfahren zur Montage der Spannvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (1 ) mit den an seiner Ober- und Unterseite und gegebenenfalls zwischen den elektrochemischen Zellen (2) angeordneten Druckplatten (3, 3') mittels einer externen Pressvorrichtung verpresst und gehalten wird, die Spannelemente (4, 4') mit den vor oder nach dem Einbringen den Stapels (1) in die externe Pressvorrichtung in die Durchbrüche (6, 6', 6", 6'") der Druckplatten (3, 3') eingeführten Streben (5, 5', 5", 5'") in Eingriff gebracht werden und danach die externe Pressvorrichtung entspannt wird, wobei der Stapel (1) auf die durch die Beschaffenheit der Spannelemente (4, 4') bestimmte Solllänge gebracht und entsprechend vorgespannt wird.14. The method for assembling the tensioning device according to claim 1, characterized in that the stack (1) with the pressure plates (3, 3 ') arranged on its top and bottom and optionally between the electrochemical cells (2) by means of an external pressing device and is held, the clamping elements (4, 4 ') with the before or after the introduction of the stack (1) into the external pressing device in the openings (6, 6', 6 ", 6 '") of the pressure plates (3, 3rd ') introduced struts (5, 5', 5 ", 5 '") are engaged and then the external pressing device is relaxed, the stack (1) being supported by the The quality of the clamping elements (4, 4 ') is brought to a certain desired length and is preloaded accordingly.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die als Spannbänder ausgebildeten Spannelemente (4, 4') vor dem Entspannen der externen Pressvorrichtung über, zur Vereinfachung der Montage mit Lochleibungen versehene Bohrungen (8) auf die zylinderförmigen, die Druckplatten (3, 3') durchragenden Streben (5, 5', 5", 5'") aufgeschoben werden. 15. The method according to claim 14, characterized in that the tensioning elements (4, 4 ') in the form of tensioning straps are placed on the cylindrical pressure plates (3, 3) before the external pressing device is released, to simplify assembly with holes (8). 3 ') protruding struts (5, 5', 5 ", 5 '") are pushed on.