WO2023083410A1 - Brennstoffzellenstapel - Google Patents

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WO2023083410A1
WO2023083410A1 PCT/DE2022/100810 DE2022100810W WO2023083410A1 WO 2023083410 A1 WO2023083410 A1 WO 2023083410A1 DE 2022100810 W DE2022100810 W DE 2022100810W WO 2023083410 A1 WO2023083410 A1 WO 2023083410A1
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WO
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fuel cell
cell stack
constant
force
spring
Prior art date
Application number
PCT/DE2022/100810
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Barnaby Law
Ann-Kathrin Henss
Johannes Geisler
Wolfram Kaiser
Alexander FIEBIG
Sonja Schörshusen
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines AG filed Critical MTU Aero Engines AG
Publication of WO2023083410A1 publication Critical patent/WO2023083410A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/248—Means for compression of the fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell stack, in particular for a propulsion unit of an aircraft.
  • a fuel cell stack also referred to as a stack
  • a channel plate with a channel structure for gas distribution or cooling for example a so-called bipolar plate
  • the power or voltage of the stack can be adapted to the application via the number of fuel cells connected in series in this way.
  • the present invention is based on the technical problem of specifying an advantageous fuel cell stack.
  • a spring element is arranged between a cover element, which is arranged following the fuel cells in the stacking direction and holds them together with a pressing force, and the fuel cells.
  • the force does not increase linearly with the path, i.e. the deflection or deformation, but remains in the working range essentially the same.
  • the pressing force transmitted to the fuel cells is at least somewhat decoupled from any bending or other inhomogeneity of the cover element, for example also from geometric inhomogeneities that can arise as a result of manufacturing fluctuations.
  • the constant-force spring element which can be part of a constant-force spring plate, for example, can thus result in an equalization of the force or pressure distribution that is applied to the stack over a large area.
  • Bending or warping of the cover element can generally also be prevented by a correspondingly thickened or locally thickened design, but this can significantly increase the weight, which can generally be disadvantageous with regard to mobility applications and in particular in the field of flight. Irrespective of this, inhomogeneities from manufacturing tolerances can still arise even with a stiffer cover element. On the other hand, especially in such applications, fuel cells with a larger area can be of interest due to the high power requirement, which can exacerbate the warping problem or make the occurrence of local inhomogeneities more likely.
  • the fuel cells are arranged one after the other; perpendicular to this, they each have, for example, their two-dimensional extension (and their surface is taken accordingly). “Consecutive” does not necessarily mean contiguous.
  • a channel plate in particular a bipolar plate, is preferably arranged between two fuel cells (see also the comments at the beginning).
  • the cover element is also preferably designed in the form of a plate, i.e. it has it a smaller extent in the stacking direction than in the surface directions perpendicular thereto.
  • the constant-force spring element can be realized in detail in different ways, for example, reference is made to Minhaz Ur Rahman et al., "Design of Constant Force Compliant Mechanisms", IJERT, Vol. 3 Issue ?, July-14.
  • the constant-force spring element can, for example, have a spring strut which, viewed in a section parallel to the stacking direction, extends between the pressing element and the fuel cells with a section that is proximal to the cover element and a section that is proximal to the fuel cells, with the two sections being offset from one another perpendicular to the stacking direction and through are connected to one another by a connecting section which extends at an angle, preferably essentially perpendicularly, to the stacking direction.
  • the proximal sections can extend essentially parallel to the stacking direction and, viewed in the section, merge into the connecting section at a respective kink point or in a continuously differentiable manner.
  • the spring element preferably has a first and a second spring leg, each correspondingly shaped, with the spring legs extending away from one another, ie diverging in the connecting sections and being at least approximately symmetrical with respect to an intermediate plane.
  • "a" and "an” in the context of the present disclosure are to be understood as indefinite articles and thus always as “at least one” or “at least one” unless expressly stated otherwise, so the spring element can also have more than two legs, for example have.
  • a respective spring strut can be perpendicular to said sectional plane, ie perpendicular to the stacking direction, in particular translationally symmetrical or prismatic.
  • a variable thickness is also possible, for example, so that the constant-force spring element can be adapted, for example, to a mechanical load profile that varies over the surface.
  • the adjustment or optimization can, for example, be such that the elasticity limit of the spring element material is not exceeded at any point on the spring element.
  • the constant-force spring element is prestressed to a working range over which the spring force only changes by a maximum of 10% in relation to a mean value, ie a maximum of +/-10%.
  • the working range can, for example, be at least 30%, 40%, 50% or 60% of S max .
  • the spring force can, for example, be essentially constant until s max is reached, for example away from at least 0.7 s max , 0.6 s max , 0.5 s max or 0.4 s max .
  • the behavior can also correspond to that of an ideal spring, i.e. the force increases linearly with the path (but non-linear behavior is also possible).
  • a contact area with which a spring strut of the constant-force spring element rests facing the fuel cells is arranged flush with a web of a channel plate.
  • “Aligned” refers to the stacking direction, in which the web and the arrangement area are arranged at least in an overlapping or congruent manner. The force is thus introduced into the stack at the point where force can actually be absorbed or transmitted in the stack. This allows, for example, an at least regionally uniform introduction or transmission of force, preferably into the webs of the channel plates, even if the contact area does not cover the entire stack over an area.
  • a web of the channel plate is part of or forms, ie delimits at least in some areas, a channel structure via which hydrogen or oxygen, for example, can be supplied to the respective fuel cell or water can also be removed therefrom. Furthermore, such a channel structure can also be used for cooling purposes, ie a cooling fluid can flow through it.
  • the channel structure also referred to as flow field Q-, can be formed by a plurality of webs that rise, for example, in the stacking direction and run parallel to one another at least in sections (these delimit the channel structure perpendicular to the stacking direction).
  • the channel plate can be a monopolar plate arranged between these and the spring element at the end of the stacked fuel cells, or else a bipolar plate which is arranged in the stack between two fuel cells.
  • the contact area of the spring strut is arranged flush with both the web of a monopolar plate and the web of a bipolar plate, which can result in good force introduction and transmission.
  • the spring strut has a linear contact area, with a straight contact area being preferred. This can, for example, simplify the alignment relative to the web(s).
  • An arrangement can be preferred such that the linear contact area of the spring strut lies parallel to a web of a channel plate, for example the web of a monopolar plate and/or the web of a bipolar plate. It can be arranged flush with a web of the respective channel plate (see above), but it can also lie between two webs of a channel plate (in the middle or offset from the middle).
  • the cover element and the spring element can generally be in several pieces, that is to say they can be put together in the stack as previously separately produced parts. According to a preferred embodiment, they are integral with one another, ie cannot be separated from one another without being destroyed.
  • the one-piece can result, for example, from a joining connection or from a transition or press fit, but the spring and cover element can also be produced integrally, for example in a casting or pressure or extrusion process.
  • a cascading element is arranged between the spring element, for example a spring plate with the spring element, and the fuel cell, which spreads out the force transmitted by the spring element.
  • the cascading element can be divided into at least two legs at a branching point in a cascading direction, which is opposite to the stacking direction, wherein it there are preferably several branching points connected in parallel and/or several branching points connected in series (in each case based on the cascading direction).
  • the former means that there are several branching points in a respective cascading stage, e.g n > 2).
  • the series connection means that there are several branching points along the cascading direction, ie a web running out of a first cascading stage/level is then branched again.
  • constant-force spring elements can also be arranged one behind the other, ie connected in series or series, between the fuel cells and the cover element.
  • Such a series connection can be combined with a cascading element or, in particular, represent an alternative to it.
  • the pressing force with which the cover element holds the stacked fuel cells together can be applied to the cover element in any form, for example by pressure or spreading from a side facing away from the fuel cells.
  • the cover element is, at least indirectly, secured against the spring element or the fuel cells with one or in particular a plurality of tension elements, for example tension rods or tension straps. strains. It is preferably pulled in the direction of a further cover element which is arranged at the opposite end of the stacked fuel cells.
  • the tie rod or the tie straps preferably extend outside of the stacked fuel cells, that is to say laterally offset (and in this case, for example, parallel to the stacking direction).
  • spring elements according to the invention are made of a superelastic metal alloy, in particular also a shape memory alloy, wherein the aforementioned alloy has a transition temperature below 70°C, preferably below 20°C, particularly preferably below -30°C and moreover a superelasticity of at least 0.5%, preferably more than 3%, particularly preferably more than 10%.
  • the present invention also relates to a spring element (19, 20) for a fuel cell stack, which is made from a superelastic metal alloy.
  • the invention also relates to a propulsion unit for an airplane or an aircraft, which has a fuel cell stack disclosed in the present case. Furthermore, it relates to the use of such a drive unit or the fuel cell stack in an airplane or an aircraft.
  • FIG. 1 shows a fuel cell stack in a schematic section with a constant-force spring element
  • FIG. 2 shows a cover element with the constant-force spring element in a detailed illustration
  • FIG. 3 shows a force-displacement diagram of the constant-force spring element
  • Figure 4a-c different construction and arrangement options with one or more constant force spring elements
  • FIG. 5a, b cascading elements for spreading the force transmitted with the constant-force spring element
  • FIG. 6 shows an alternative constant-force spring element design to FIG.
  • the 1 shows a fuel cell stack 1 with a plurality of fuel cells 2 in a schematic section.
  • the fuel cells 2 are arranged one after the other in a stacking direction 5 , a channel plate 3 , namely a bipolar plate 4 , being arranged between each of two fuel cells 2 .
  • the stacked fuel cells 2 are also bordered at the end by a channel plate 3, namely a monopolar plate 6.
  • the channel plates 3 each have a plurality of webs 3.1, which together form a respective channel structure 3.2. Gas, in the present example hydrogen and oxygen, flows through these channel structures 3.2 during operation for the combustion process.
  • the monopolar plate 6 is followed by a current collector plate 7, and this is followed by a cover element 10, which is designed here as a cover plate 11 and mechanically holds the stacked fuel cells 2 and channel plates 3 together.
  • the cover element 10 is penetrated by tension elements 12 and thus braced under tension.
  • the stack is constructed analogously, ie a monopolar plate, a current collector plate and a cover element braced with the tension elements 12 are arranged.
  • the strain can result in warping of the cover element 10, particularly in the case of geometries that are larger in the surface direction 13 or designs with reduced thickness. men.
  • a spring element 19 shown schematically here, is arranged between the cover element 10 and the stacked fuel cells 2, namely a constant-force spring element 20.
  • FIG. 2 shows the cover element 10 and the constant-force spring element 20 in a detailed view, in section.
  • the constant-force spring element 20 has a first and a second spring strut 21, 22, with the spring struts 21, 22 each being in a section 21.1, 22.1 proximal to the cover element 10, a connecting section 21.2, 22.2 and a section 21.3, 22.3 proximal to the fuel cells structure
  • these sections 21.1-21.3, 22.1-22.3 each run at an angle to one another, the respective connecting section 21.2, 22.2 is essentially perpendicular to the stacking direction 5.
  • the first and second spring struts are present at least partially symmetrical to a vertical mirror plane, not shown arranged.
  • the spring struts 21, 22 can, as shown here, be designed to be self-supporting at one end, but a base plate can also be formed there.
  • FIG. 3 illustrates the behavior of the constant-force spring element 20 in a force-displacement diagram 30.
  • the displacement s is plotted on the x-axis
  • the force F is plotted on the y-axis.
  • Spring element 20 in the present example still like an ideal spring, so the force increases linearly with the path.
  • the force F remains essentially constant in the event of further deformation. Beyond the working range, the element behaves in principle analogously to the preload range, with further increasing force. In relation to the fuel cell stack 1, this means in the working area of the spring element that the introduction of force into the stack remains unchanged, even if the cover element 10 bends, for example, or there are deviations as a result of manufacturing tolerances.
  • Figures 4a-c show different arrangement options, also based on the position of the webs 3.1 of the channel plate 3.
  • the spring legs 21, 22 of the constant Force-spring elements 20 each have a contact area 41, 42, in this case on an intermediate plate 45, via which the force is transmitted to channel plate 3.
  • the contact areas 41, 42 are each linear, namely extend in the present case perpendicularly to the plane of the drawing and thus parallel to the webs 3.1 of the channel plate 3.
  • Figure 4b By using several constant-force spring elements 20 connected in parallel (Figure 4b), the introduction of force can be distributed over the surface direction 13 become.
  • Positioning of the contact areas 41, 42 in alignment with the webs 3.1 in the stacking direction 5 can also be advantageous, see FIG. 4c.
  • the introduction of force from the constant-force spring element 20 thus takes place at precisely those points at which transmission within the stack is also possible.
  • cascading elements 50 which can be arranged between the latter and the stack, in particular the monopolar plate 6, to spread the force transmitted by the constant-force spring element 20, see also FIG.
  • the cascading element 50 is shown in dashed lines as an optional feature; it can, for example, be used as an alternative to the parallel connection according to FIG. 4b or in combination with it, for example with a particularly large plate.
  • a cascading element 50 with two legs per associated individual spring element can be particularly preferred.
  • the cascading elements 50 each have a plurality of branching points 51-53, both in relation to a cascading direction 55 and within a respective cascading level (applies to the branching points 52 and 53).
  • a respective branch 60 divides into at least two branches 60.1, 60.2, which for the sake of clarity is only referenced with reference symbols for exactly one branching point 52.
  • the branching point is designed in accordance with a joint or a joint bearing, optionally also without moving parts.
  • the two cascading elements 50 then differ in that in the variant according to FIG. 5b there is complete decoupling away from the branching points 51-53, whereas there are still cross-connections 65 in FIG. 5a.
  • Both Cascading elements 50 can be produced, at least in certain areas, for example as extrusion profiles.
  • FIG. 6 shows a constant-force spring element 20 as an alternative to FIG. In contrast to FIG. 2, however, these do not merge smoothly, that is to say continuously differentiable, but rather merge into one another at break points 70 .
  • Such a constant force spring element 20 is taught by Lan et al. described in the article "A Compliant Constant-Force Mechanism for Adaptive Robot End-Effect Operations" (IEEE International Conference on Robotics and Automation,

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (1), mit in einer Stapelrichtung (5) aufeinanderfolgend angeordneten Brennstoffzellen (2), einem Abdeckelement (10), welches in der Stapelrichtung (5) auf die Brennstoffzellen (2) folgt und diese zusammenhält, und einem Federelement (19), das in der Stapelrichtung (5) zwischen den Brennstoffzellen (2) und dem Abdeckelement (10) angeordnet ist, wobei das Federelement (19) ein Konstantkraft-Federelement (20) ist.

Description

BRENNSTOFFZELLENSTAPEL
BESCHREIBUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, insbesondere für eine Antriebseinheit eines Flugzeugs.
Stand der Technik
Bei einem Brennstoffzellenstapel, auch als Stack bezeichnet, sind mehrere Brennstoffzellen in einer Stapelrichtung hintereinander angeordnet. Zwischen zwei Brennstoffzellen kann dabei jeweils eine Kanalplatte mit einer Kanalstruktur zur Gasverteilung bzw. auch Kühlung angeordnet sein, etwa eine sog. Bipolarplatte. Über die Anzahl der auf diese Weise in Reihe geschalteten Brennstoffzellen lässt sich die Leistung bzw. Spannung des Stapels auf die Anwendung anpassen.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, einen vorteilhaften Brennstoffzellenstapel anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäß mit dem Brennstoffzellenstapel gemäß Anspruch 1 gelöst. Bei diesem ist zwischen einem Abdeckelement, das in der Stapelrichtung auf die Brennstoffzellen folgend angeordnet ist und diese mit einer Andrückkraft zusammenhält, und den Brennstoffzellen ein Federelement angeordnet. Dieses überträgt die Andrückkraft von dem Abdeckelement auf die Brennstoffzellen und ist vorliegend als Konstantkraft-Federelement ausgelegt, weist also eine zumindest näherungsweise konstante Kraft-Weg-Charakteristik auf, jedenfalls in einem Arbeitsbereich (siehe unten im Detail).
Im Unterschied zu einer idealen Feder nimmt die Kraft mit dem Weg, also der Auslenkung bzw. Verformung nicht linear zu, sondern sie bleibt im Arbeitsbereich im Wesentlichen gleich. Damit wird die auf die Brennstoffzellen übertragene Andrückkraft von einer etwaigen Verbiegung oder anderweitigen Inhomogenität des Abdeckelements zumindest etwas entkoppelt, bspw. auch von geometrischen Inhomogenitäten, die sich infolge von Fertigungsschwankungen ergeben können. Das Konstantkraft-Federelement, das bspw. Teil einer Konstantkraft-Federplatte sein kann, kann also eine Vergleichmäßigung der Kraft-/ bzw. Druckverteilung ergeben, die flächig in den Stapel eingetragen wird.
Einem Verbiegen bzw. Verwölben des Abdeckelements lässt sich im Allgemeinen zwar auch durch eine entsprechend verdickte bzw. lokal verdickteAusführung vorbeugen, dies kann jedoch das Gewicht deutlich erhöhen, was generell mit Blick auf Mobilitätsanwendungen und insbesondere im Flugbereich nachteilig sein kann. Ungeachtet dessen können sich auch bei einem steiferen Abdeckelement noch immer Inhomogenitäten aus Fertigungstoleranzen ergeben. Andererseits können speziell in solchen Anwendungen Brennstoffzellen mit größerer Fläche aufgrund des hohen Leistungsbedarfs von Interesse sein, was die Verwölbungsproblematik verschärfen bzw. auch das Auftreten lokaler Inhomogenitäten wahrscheinlicher machen kann.
Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei bei der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Vorrichtungs- und Verfahrens- bzw. Verwendungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird bspw. ein bestimmter Brennstoffzellenstapel beschrieben, ist dies zugleich als Offenbarung einer Antriebseinheit mit einem solchen Stapel bzw. dessen Anwendung in einem Flugzeug zu lesen.
In der „Stapelrichtung“ sind die Brennstoffzellen aufeinanderfolgend angeordnet, senkrecht dazu haben sie bspw. jeweils ihre flächige Erstreckung (und wird dementsprechend ihre Fläche genommen). Dabei meint „aufeinanderfolgend“ nicht zwingend aneinandergrenzend. Bevorzugt ist zwischen zwei Brennstoffzellen jeweils eine Kanalplatte, insbesondere Bipolarplatte angeordnet (vgl. auch die Anmerkungen eingangs). Bevorzugt ist auch das Abdeckelement plattenförmig ausgebildet, hat es also in der Stapelrichtung eine kleinere Erstreckung als in den dazu senkrechten Flächenrichtungen.
Das Konstantkraft-Federelement lässt sich im Einzelnen auf unterschiedliche Weise realisieren, exemplarisch wird auf Minhaz Ur Rahman et al., „Design of Constant Force Compliant Mechanisms“, IJERT, Vol. 3 Issue ?, July- 14, verwiesen. Das Konstantkraft-Federelement kann bspw. ein Federbein aufweisen, das sich in einem zur Stapelrichtung parallelen Schnitt betrachtet zwischen dem Andrückelement und den Brennstoffzellen mit einem dem Abdeckelement proximalen und einem den Brennstoffzellen proximalen Abschnitt erstreckt, wobei die beiden Abschnitte senkrecht zur Stapelrichtung zueinander versetzt und durch einen sich gewinkelt, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, zur Stapelrichtung erstreckenden Verbindungsabschnitt miteinander verbunden sind.
Die proximalen Abschnitte können sich im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung erstrecken und, in dem Schnitt betrachtet, in einem jeweiligen Knickpunkt oder stetig differenzierbar in den Verbindungsabschnitt übergehen. Bevorzugt weist das Federelement ein erstes und ein zweites, jeweils entsprechend geformtes Federbein auf, wobei sich die Federbeine voneinander wegerstrecken, in den Verbindungsabschnitten also auseinanderlaufen und bezüglich einer Zwischenebene zumindest näherungsweise symmetrisch sind. Generell sind „ein“ und „eine“ im Rahmen der vorliegenden Offenbarung ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe als unbestimmte Artikel und damit immer auch als „mindestens ein“ bzw. „mindestens eine“ zu verstehen, kann das Federelement also bspw. auch mehr als zwei Beine haben.
Unabhängig von der Anzahl der Federbeine kann ein jeweiliges Federbein senkrecht zu besagter Schnittebene, also senkrecht zur Stapelrichtung, insbesondere translationssymmetrisch bzw. prismatisch sein. Es ist aber bspw. auch eine variable Dicke möglich, sodass das Konstantkraft-Federelement bspw. an über die Fläche variierendes mechanisches Belastungsprofil angepasst sein kann. Die Anpassung bzw. Optimierung kann bspw. dahin gehen, dass die Elastizitätsgrenze des Federelement- Werkstoffs an jeder Stelle des Federelements nicht überschritten wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Konstantkraft -Federelement auf einen Arbeitsbereich vorgespannt, über den hinweg sich die Federkraft bezogen auf einen Mittelwert nur noch um dem Betrag nach höchstens 10 % ändert, also maximal um +/- 10 %. Bevorzugt ändert sie sich lediglich noch um dem Betrag nach höchstens 5 % (+/- 5 %). Bezogen auf eine maximale Auslenkung bzw. Deformation smax kann der Arbeitsbereich bspw. über mindestens 30 %, 40 %, 50 % bzw. 60 % von Smax reichen. Die Federkraft kann bspw. bis zum Erreichen von smax im Wesentlichen konstant sein, bspw. von mindestens 0,7 smax, 0,6 smax, 0,5 smaxbzw. 0,4 smax weg. In dem vorgelagerten Vorspannungsbereich, und jenseits des Arbeitsbereichs, kann das Verhalten stellenweise auch dem einer idealen Feder entsprechen, also die Kraft linear mit dem Weg zunehmen (es ist aber auch ein nicht-lineares Verhalten möglich).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Anlagebereich, mit dem ein Federbein des Konstantkraft-Federelements den Brennstoffzellen zugewandt anliegt, fluchtend mit einem Steg einer Kanalplatte angeordnet. „Fluchtend“ bezieht sich auf die Stapelrichtung, in dieser sind der Steg und der Anordnungsbereich zumindest überlappend oder auch deckungsgleich angeordnet. Damit erfolgt die Krafteinleitung in den Stapel dort, wo dann in dem Stapel auch tatsächlich eine Kraftaufnahme bzw. -Weiterleitung erfolgen kann. Damit lässt sich bspw. eine zumindest bereichsweise gleichmäßige Krafteinleitung bzw. -Übertragung, bevorzugt in die Stege der Kanalplatten, realisieren, auch wenn der Anlagebereich nicht flächig den gesamten Stapel abdeckt.
Ein Steg der Kanalplatte ist Teil einer bzw. bildet, also begrenzt zumindest bereichsweise eine Kanalstruktur, über welche der jeweiligen Brennstoffzelle bspw. Wasserstoff oder Sauerstoff zugeführt bzw. auch Wasser davon abgeführt werden kann. Ferner kann eine solche Kanalstruktur auch zu Kühlzwecken genutzt werden, also von einem Kühlfluid durchströmt werden. Im Einzelnen kann die auch als Flowfield\)Q- zeichnete Kanalstruktur von mehreren sich bspw. jeweils in der Stapelrichtung erhebenden und zumindest abschnittsweise parallel zueinander verlaufenden Stegen gebildet werden (diese begrenzen senkrecht zur Stapelrichtung die Kanalstruktur). Bei der Kanalplatte kann es sich um eine endseitig der gestapelten Brennstoffzellen, zwischen diesen und dem Federelement angeordnete Monopolarp latte handeln, oder aber auch um eine Bipolarplatte, die in dem Stapel zwischen zwei Brennstoffzellen angeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anlagebereich des Federbeins sowohl mit dem Steg einer Monopolarplatte als auch mit dem Steg einer Bipolarplatte fluchtend angeordnet, was eine gute Kraftein- und auch -Weiterleitung ergeben kann.
In bevorzugter Ausgestaltung hat das Federbein eine linienförmige Anlage, bevorzugt ist ein geradliniger Anlagebereich. Dies kann bspw. die Ausrichtung relativ zu dem bzw. den Stegen vereinfachen. Bevorzugt kann eine Anordnung dahingehend sein, dass der linienförmige Anlagebereich des Federbeins parallel zu einem Steg einer Kanalplatte liegt, etwa dem Steg einer Monopolarplatte und/oder dem Steg einer Bipolarplatte. Dabei kann er fluchtend mit einem Steg der jeweiligen Kanalplatte angeordnet sein (siehe vorne), er kann aber auch zwischen zwei Stegen einer Kanalplatte liegen (mittig oder auch zur Mitte versetzt).
Das Abdeck- und das Federelement können im Allgemeinen mehrstückig zueinander sein, also als zuvor gesondert hergestellte Teile in dem Stapel zusammengesetzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind sie einstückig miteinander, also nicht zerstörungsfrei voneinander trennbar. Die Einstückigkeit kann sich bspw. aus einem Fügeverbinden oder aus einer Übergangs- oder Presspassung ergeben, das Feder- und Abdeckelement können aber bspw. auch integral hergestellt werden, etwa in einem Guss- oder Druck- bzw. auch Extrusionsverfahren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Federelement, bspw. einer Federplatte mit dem Federelement, und den Brennstoffzellen ein Kaskadie- rungselement angeordnet, das die vom Federelement übertragene Kraft aufspreizt. Dies kann wiederum hinsichtlich einer gleichmäßig verteilten Krafteinleitung von Vorteil sein, vgl. auch die vorstehenden Anmerkungen. Das Kaskadierungselement kann sich in einer Kaskadierungsrichtung, die entgegengesetzt zur Stapelrichtung liegt, an einem Verzweigungspunkt in mindestens zwei Schenkel aufteilen, wobei es bevorzugt mehrere parallel geschaltete Verzweigungspunkte und/oder mehrere in Reihe geschaltete Verzweigungspunkte gibt (jeweils bezogen auf die Kaskadierungs- richtung). Ersteres meint, dass in einer jeweiligen Stufe der Kaskadierung, bspw. in einer zur Kaskadierungsrichtung senkrechten Ebene, mehrere Verzweigungspunkte liegen, das Kaskadierungselement also bereits mit n Stegen in die Kaskadierungs- stufe/-ebene hineinläuft und entsprechend mit mindestens 2 n Stegen herausläuft (wobei n > 2 ist). Die Reihenschaltung meint, dass entlang der Kaskadierungsrichtung mehrere Verzweigungspunkte liegen, also ein aus einer ersten Kaskadierungs- stufe/- ebene herauslaufender Steg anschließend nochmals verzweigt wird.
Speziell in Verbindung mit dem Kaskadierungselement ist im Allgemeinen auch denkbar, dass nur genau ein Federelement (mit einem ersten und zweiten Federbein, siehe vorne) vorgesehen ist, welches die Kraft auf das Kaskadierungselement überträgt, welches diese dann aufspreizt. In bevorzugter Ausgestaltung sind jedoch mehrere Konstantkraft-Federelemente in einer Parallelschaltung zwischen dem Abdeckelement und den gestapelten Brennstoffzellen angeordnet. Diese können bspw. in einer ersten Flächenrichtung nebeneinander angeordnet sein und sich jeweils in einer dazu senkrechten zweiten Flächenrichtung translationssymmetrisch erstrecken, siehe vorne.
Alternativ oder zusätzlich können zwischen den Brennstoffzellen und dem Abdeckelement in bevorzugter Ausgestaltung auch mehrere Konstantkraft-Federelemente hintereinander angeordnet, also in Serie bzw. Reihe geschaltet sein. Eine solche Reihenschaltung kann mit einem Kaskadierungselement kombiniert sein oder insbesondere eine Alternative dazu darstellen.
Prinzipiell lässt sich die Andrückkraft, mit der das Abdeckelement die gestapelten Brennstoffzellen zusammenhält, in beliebiger Form auf das Abdeckelement aufbringen, bspw. auch durch Druck bzw. Verspreizen von einer den Brennstoffzellen abgewandten Seite. In bevorzugter Ausgestaltung wird das Abdeckelement jedoch, zumindest mittelbar, mit einem oder insbesondere mehreren Zugelementen, bspw. Zugankern oder Zugbändern, gegen das Federelement bzw. die Brennstoffzellen ver- spannt. Bevorzugt wird es dabei in Richtung eines weiteren Abdeckelements gezogen, das am entgegengesetzten Ende der gestapelten Brennstoffzellen angeordnet ist. Der Zuganker oder die Zugbänder erstrecken sich dabei bevorzugt außerhalb der gestapelten Brennstoffzellen, also seitlich versetzt (und dabei bspw. parallel zur Stapelrichtung).
In einer besonders bevorzugten Ausführung sind erfindungsgemäße Federelemente aus einer superelastischen Metalllegierung, insbesondere auch einer Formgedächtnislegierung, ausgeführt, wobei die vorgenannte Legierung eine Umwandlungstemperatur unter 70°C, bevorzugt unter 20 °C, besonders bevorzugt unter -30°C aufweist und überdies eine Superelastizität von mindestens 0.5%, bevorzugt mehr als 3%, besonders bevorzugt mehr als 10%, aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Federelement (19, 20) für einen Brennstoffzellenstapel welches aus einer superelastischen Metalllegierung ausgeführt ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Antriebseinheit für ein Flugzeug oder ein Luftfahrzeug, welche einen vorliegend offenbarten Brennstoffzellenstapel aufweist. Ferner richtet sie sich auf die Verwendung einer solchen Antriebseinheit bzw. des Brennstoffzellenstapels in einem Flugzeug oder einem Luftfahrzeug.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt
Figur 1 einen Brennstoffzellenstapel in einem schematischen Schnitt mit einem Konstantkraft-F e derelement;
Figur 2 ein Abdeckelement mit dem Konstantkraft-Federelement in einer Detaildarstellung; Figur 3 ein Kraft-Weg-Diagramm des Konstantkraft-Federelements;
Figur 4a-c verschiedene Aufbau- und Anordnungsmöglichkeiten mit einem oder mehreren Konstantkraft-Federelementen;
Figur 5a, b Kaskadierungselemente zur Aufspreizung der mit dem Konstantkraft- Federelement übertragenen Kraft;
Figur 6 ein zu Figur 2 alternatives Konstantkraft-Federelementdesign.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 1 mit mehreren Brennstoffzellen 2 in einem schematischen Schnitt. Die Brennstoffzellen 2 sind in einer Stapelrichtung 5 aufeinanderfolgend angeordnet, wobei zwischen zwei Brennstoffzellen 2 jeweils eine Kanalplatte 3, nämlich eine Bipolarplatte 4 angeordnet ist. Ferner werden die gestapelten Brennstoffzellen 2 auch endseitig von einer Kanalplatte 3 eingefasst, nämlich einer Monopolarplatte 6. Die Kanalplatten 3 weisen jeweils mehrere Stege 3.1 auf, die miteinander eine jeweilige Kanalstruktur 3.2 bilden. Diese Kanalstrukturen 3.2 werden im Betrieb für den Verbrennungsprozess von Gas durchströmt, im vorliegenden Beispiel Wasserstoff und Sauerstoff.
Auf die Monopolarplatte 6 folgt eine Stromabnehmerplatte 7, und auf diese folgt ein Abdeckelement 10, das vorliegend als Abdeckplatte 11 ausgeführt ist und die gestapelten Brennstoffzellen 2 und Kanalplatten 3 mechanisch zusammenhält. Dazu wird das Abdeckelement 10 von Zugelementen 12 durchsetzt und so unter Zug verspannt. Am entgegengesetzten Ende (hier nicht dargestellt) ist der Stapel analog aufgebaut, sind also eine Monopolarplatte, eine Stromabnehmerplatte und ein mit den Zugelementen 12 verspanntes Abdeckelement angeordnet.
Wie mit der strichlierten Linie am Abdeckelement 10 schematisch gezeigt, kann die Verspannung eine Verwölbung des Abdeckelements 10 zur Folge haben, insbesondere bei in Flächenrichtung 13 größeren Geometrien bzw. dickenreduzierten Baufor- men. Um eine Andrückkraft 15 dennoch, bezogen auf die aktive Zellfläche, gleichmäßig auf die gestapelten Brennstoffzellen 2 zu Übertagen, ist zwischen dem Abdeckelement 10 und den gestapelten Brennstoffzellen 2 ein hier schematisch dargestelltes Federelement 19 angeordnet, nämlich ein Konstantkraft -Federelement 20.
Fig. 2 zeigt das Abdeckelement 10 und das Konstantkraft-Federelement 20 in einer Detaildarstellung, im Schnitt. Das Konstantkraft-Federelement 20 weist ein erstes und ein zweites Federbein 21, 22 auf, wobei sich die Federbeine 21, 22 jeweils in einem dem Abdeckelement 10 proximalen Abschnitt 21.1, 22.1, einen Verbindungsabschnitt 21.2, 22.2 und einen den Brennstoffzellen proximalen Abschnitt 21.3, 22.3 gliedern. Je Federbein 21, 22 verlaufen diese Abschnitte 21.1-21.3, 22.1-22.3 jeweils gewinkelt zueinander, der jeweilige Verbindungsabschnitt 21.2, 22.2 liegt jeweils im Wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung 5. Die ersten und zweiten Federbeine sind vorliegend zumindest bereichsweise symmetrisch zu einer nicht dargestellten senkrechten Spiegelebene angeordnet. Die Federbeine 21, 22 können, wie vorliegend dargestellt, an einem Ende freitragend ausgeführt sein, dort kann aber auch eine Bodenplatte angeformt sein.
Fig- 3 illustriert das Verhalten des Konstantkraft-Federelements 20 in einem Kraft- Weg-Diagramm 30. Auf der x-Achse ist dabei der Weg s aufgetragen, auf der y- Achse die Kraft F. In einem Vorspannungsbereich 31 verhält sich das Konstantkraft- Federelement 20 im vorliegenden Beispiel noch wie eine ideale Feder, nimmt die Kraft also mit dem Weg linear zu. In einem Arbeitsbereich 32 bleibt die Kraft F bei einer weiteren Verformung jedoch im Wesentlichen konstant. Jenseits des Arbeitsbereichs verhält sich das Element im Prinzip analog zum Vorspannungsbereich, mit weiter zunehmender Kraft. Bezogen auf den Brennstoffzellenstapel 1 bedeutet dies im Arbeitsbereich des Federelements, dass die Krafteinleitung in den Stapel unverändert bleibt, auch wenn sich das Abdeckelement 10 bspw. verbiegt oder es Abweichungen infolge von Fertigungstoleranzen gibt.
Die Figuren 4a-c zeigen verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten, auch bezogen auf die Position der Stege 3.1 der Kanalplatte 3. Die Federbeine 21, 22 des Konstant- kraft-Federelements 20 haben jeweils einen Anlagebereich 41, 42, vorliegend an einer Zwischenplate 45, über welche die Kraft auf die Kanalplate 3 übertragen wird. Die Anlagebereiche 41, 42 sind jeweils linienförmig, erstrecken sich nämlich vorliegend senkrecht zur Zeichenebene und damit parallel zu den Stegen 3.1 der Kanalplate 3. Indem mehrere Konstantkraft-Federelemente 20 in Parallelschaltung verwendet werden (Figur 4b), kann die Krafteinleitung über die Flächenrichtung 13 verteilt werden. Vorteilhaft kann auch eine mit den Stegen 3.1 in der Stapelrichtung 5 fluchtende Positionierung der Anlagebereiche 41, 42 sein, vgl. Figur 4c. Die Krafteinleitung vom Konstantkraft-Federelement 20 ausgehend erfolgt damit an genau den Stellen, an denen auch eine Weiterleitung innerhalb des Stapels möglich ist.
Die Figuren 5a, b illustrieren zwei Kaskadierungselemente 50, die zur Aufspreizung der von dem Konstantkraft-Federelement 20 übertragenen Kraft zwischen diesem und dem Stapel, insbesondere der Monopolarplate 6 angeordnet sein können, vgl. auch Figur 1 zur Illustration. Dort ist das Kaskadierungselement 50 als optionales Merkmal strichliert dargestellt, es kann bspw. eine Alternative zur Parallelschaltung gemäß Figur 4b oder auch in Kombination damit Anwendung finden, etwa bei einer besonders großen Plate. Ein Kaskadierungselement 50 mit zwei Schenkeln pro zugeordnetem Einzel-Federelement kann besonders bevorzugt sein.
Die Kaskadierungselemente 50 weisen jeweils mehrere Verzweigungspunkte 51-53 auf, und zwar sowohl bezogen auf eine Kaskadierungsrichtung 55 als auch innerhalb einer jeweiligen Kaskadierungsebene (gilt für die Verzweigungspunkte 52 und 53). An einem jeweiligen Verzweigungspunkt 51-53 teilt sich ein jeweiliger Schenkel 60 in mindestens zwei Schenkel 60.1, 60.2 auf, was der Übersichtlichkeit halber nur für genau einen Verzweigungspunkt 52 mit Bezugszeichen referenziert ist. In einer bevorzugten Ausführung ist der Verzweigungspunkt entsprechend eines Gelenks bzw. eines Gelenklagers, ggf. auch ohne bewegte Teile, ausgeführt. Die beiden Kaskadierungselemente 50 unterscheiden sich dann dahingehend, dass bei der Variante gemäß Figur 5b von den Verzweigungspunkten 51-53 weg jeweils eine vollständige Entkopplung besteht, wohingegen es in Figur 5a noch Querverbindungen 65 gibt. Beide Kaskadierungselemente 50 lassen sich, zumindest bereichsweise, bspw. als Extrusi- onsprofile herstellen.
Figur 6 zeigt ein zu Figur 2 alternatives Konstantkraft-Federelement 20. Dieses weist ebenfalls zwei Federbeine 21, 22 auf, die sich jeweils in mehrere Abschnitte gliedern (hier nicht im Einzelnen referenziert). In Unterschied zu Figur 2 gehen diese jedoch nicht glatt, also stetig differenzierbar, sondern in Knickpunkten 70 ineinander über. Ein solches Konstantkraft-Federelement 20 wird von Lan et al. in dem Artikel „A Compliant Constant-Force Mechanism for Adaptive Robot End-Effector Operations“ beschrieben (IEEE International Conference on Robotics and Automation,
BEZUGSZEICHENLISTE
Brennstoffzellenstapel 1
Brennstoffzellen 2
Kanalplatten 3
Stege 3.1
Kanalstruktur 3.2
Bipolarplatte 4
Stapelrichtung 5
Monopolarplatte 6
Stromabnehmerplatte 7
Abdeckelement 10
Abdeckplatte 11
Zugelement 12
Flächenrichtung 13
Andrückkraft 15
Federelement 19
Konstantkraft-Federelement 20
Federbein (erstes, zweites) 21, 22
Proximale Abschnitte (zum Abdeckelement) 21.1, 22.1
Verbindungsabschnitte 21.2, 22.2
Proximale Abschnitte (zu den Brennstoffzellen) 21.3, 22.3
Kraft-Weg-Diagramm 30
Arbeitsbereich 32
Anlagebereiche 41, 42
Zwischenplatte 45
Kaskadierungselement 50
Verzweigungspunkt 51-53
Kaskadierungsrichtung 55
Schenkel 60
Mindestens zwei Schenkel 60.1, 60.2
Querverbindungen 65 Knickpunkte 70

Claims

ANSPRÜCHE
1. Brennstoffzellenstapel (1), mit in einer Stapelrichtung (5) aufeinanderfolgend angeordneten Brennstoffzellen (2), einem Abdeckelement (10), welches in der Stapelrichtung (5) auf die Brennstoffzellen (2) folgt und diese zusammenhält, und einem Federelement (19), das in der Stapelrichtung (5) zwischen den Brennstoffzellen (2) und dem Abdeckelement (10) angeordnet ist, wobei das Federelement (19) ein Konstantkraft-Federelement (20) ist.
2. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1, bei dem das Konstantkraft -Federelement (20) zwischen den Brennstoffzellen (2) und dem Abdeckelement (10) auf einen Arbeitsbereich (32) vorgespannt ist, innerhalb dessen sich seine Federkraft um dem Betrag nach höchstens 10 % ändert.
3. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Konstantkraft-Federelement (20) mindestens ein Federbein (21, 22) hat, das mit einem den Brennstoffzellen (2) proximalen Ende zum Andrücken in einem Anlagebereich (41, 42) anliegt.
4. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 3, bei welchem der Anlagebereich (41, 42) des mindestens einen Federbeins (21, 22) in der Stapelrichtung (5) fluchtend mit einem Steg (3.1) einer Kanalplatte (3) angeordnet ist, welcher Steg (3.1) eine Kanalstruktur (3.2) der Kanalplatte (3) bildet.
5. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 4, bei welchem die Kanalplatte (3) eine zwischen den Brennstoffzellen (2) und dem Federelement (19) angeordnete Monopolarplatte (6) ist, wobei der Brennstoffzellenstapel (1) femer eine Bipolarplatte (4) mit einem eine Kanalstruktur (3.2) bildenden Steg (3.1) aufweist und der Anlagebereich (41, 42) des mindestens einen Federbeins (21, 22) auch mit dem Steg (3.1) der Bipolarplatte (4) in der Stapelrichtung (5) fluchtend angeordnet ist. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei welchem der Anlagebereich (41, 42) des mindestens einen Federbeins (21, 22) linienförmig ist. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 6, bei welchem der linienförmige Anlagebereich (41, 42) parallel zu einem Steg (3.1) einer Kanalplatte (3) verläuft, welcher Steg (3.1) eine Kanalstruktur (3.2) der Kanalplatte (3) bildet. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem zwischen dem Konstantkraft-Federelement (20) und den Brennstoffzellen (2) ein Kaskadierungselement (50) vorgesehen ist, welches eine von dem Konstantkraft-Federelement (20) übertragene Kraft aufspreizt. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 8, bei welchem sich das Kaskadierungselement (50) in einer der Stapelrichtung (5) entgegengesetzten Kaska- dierungsrichtung (55), also von dem Konstantkraft-Federelement (20) in Richtung der Brennstoffzellen (2), an einem Verzweigungspunkt (51-53) in mindestens zwei Schenkel (60. 1, 60.2) aufteilt. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 9, bei welchem das Kaskadierungselement (50) mehrere in der Kaskadierungsrichtung (55) aufeinanderfolgende Verzweigungspunkte (51-53) aufweist. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem zwischen den Brennstoffzellen (2) und dem Abdeckelement (10) mehrere Konstantkraft-Federelemente (20) in Parallelschaltung angeordnet sind. - 16 -
12. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem zwischen den Brennstoffzellen (2) und dem Abdeckelement (10) mehrere Konstantkraft-Federelemente (20) in Serienschaltung, als in der Stapelrichtung (5) aufeinanderfolgend angeordnet sind.
13. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Abdeckelement (10) mit einem seitlich der Brennstoffzellen (2) angeordneten Zugelement (12) gegen das Konstantkraft-Federelement (20) verspannt ist.
14. Federelement (19, 20) für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement aus einer superelastischen Metalllegierung ausgeführt ist. 15. Verwendung eines Brennstoffzellenstapels (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit einem Federelement (19, 20) nach Anspruch 14 in einem Flugzeug oder Luftfahrzeug.
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