DE102004018619A1

DE102004018619A1 - Brennstoffzellenstapel mit Spannsystem

Info

Publication number: DE102004018619A1
Application number: DE102004018619A
Authority: DE
Inventors: Frank Heser; Peter Marx
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-04-16
Filing date: 2004-04-16
Publication date: 2005-11-03

Abstract

Brennstoffzellenstapel (10), aufweisend eine Stapelanordnung (18) mit mindestens einer Bipolarplatte (22) und zwei an gegenüberliegenden Enden der Stapelanordnung (18) angeordneten Endplatten (14), wobei die Bipolarplatte (22) mindestens eine erste Öffnung (32) besitzt, die mit mindestens einer zweiten Öffnung (34) in jeder der Endplatten (14) so fluchtet, dass sich innerhalb des Brennstoffzellenstapels (10) mindestens ein durchgehender Kanal bildet, ferner aufweisend mindestens eine Zugstange (28), die innerhalb des Kanals angeordnet ist und mit jeder der Endplatten (14) zugeordneten Spannelementen (36) wirkverbunden ist, wobei die erste Öffnung (32) in einem passiven Bereich der Bipolarplatte (22) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit Spannsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Brennstoffzellenstapel mit Spannsystem sind bekannt, beispielsweise aus der DE 297 03 477 U1 . Ein Brennstoffzellenstapel weist üblicherweise eine Anordnung von Bipolarplatten auf, wobei auf jeder Bipolarplatte mindestens eine Struktur ausgebildet ist, die die für den Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlichen Betriebsstoffe führt. Zwischen den Bipolarplatten sind bekannterweise Gasdiffusionslagen (GDL) und die Elektrode-Membran-Einheiten (MEA) zugeordnet. Eine Anordnung mit den genannten Elementen sei der einfachheithalber im Folgenden als Stapelanordnung bezeichnet. Da die Betriebsstoffe mit erhöhtem Druck in das Brennstoffzellensystem eingebracht werden, bewirkt dieser Druck eine Kraft, die die Elemente der Stapelanordnung auseinander drückt. Um dies zu vermeiden, sind Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik mit einem Spannsystem ausgestattet, mit dem eine Kraft aufgebracht werden kann, die die Elemente der Stapelanordnung gegeneinander drückt. Das Spannsystem weist zwei an gegenüberliegenden Enden der Stapelanordnung angeordnete Endplatten beziehungsweise Spannplatten auf, die mit außerhalb der Stapelanordnung angeordneten Zugstangen verbunden sind. Dabei durchdringen die Zugstangen üblicherweise die Endplatten und weisen auf der der Stapelanordnung abgewandten Seite der Endplatte Spannelemente auf. Bei diesen Spannelementen kann es sich beispielsweise um Muttern handeln, die auf mit einem Gewinde versehenen Zugstangen aufgeschraubt sind. Eine Betätigung der Spannelemente führt dazu, dass sich die Endplatten aufeinander zu bewegen und die zwischen den Endplatten befindlichen Elemente der Stapelanordnung fest gegeneinander drücken. Die Verspannung des Brennstoffzellenstapels mittels der über die Fläche der Bipolarplatten hinausstehenden Endplatten resultiert jedoch in einem großen Platzbedarf und einem hohen Gewicht. Des Weiteren ergibt sich eine ungünstige Verteilung des auf die Stapelanordnung wirkenden Drucks.

Aus der EP 1 034 575 B1 ist es bekannt, die Zugstangen innerhalb der Betriebsstoffkanäle des Brennstoffzellenstapels zu führen. Dabei ergibt sich eine verbesserte Verteilung des Drucks, der vom Spannsystem aufgebracht wird, jedoch muss nun an den Endplatten eine aufwendige Abdichtung in Kombination mit mehreren Betriebsstoffanschlüssen (Medienanschlüssen) realisiert werden. Dadurch ergibt sich in nachteilhafterweise eine deutliche Erhöhung der Produktionskosten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher einen Brennstoffzellenstapel aufzuzeigen, der ein effektives Spannsystem besitzt und dabei gleichzeitig kostengünstig herzustellen ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Öffnung innerhalb der Bipolarplatte (erste Öffnung), in einem passiven Bereich der Bipolarplatte angeordnet ist. Als passiver Bereich soll dabei verstanden werden, dass es sich dabei um einen Bereich handelt, der nicht unmittelbar für die Funktion des Brennstoffzellensystems benötigt wird. Damit soll eine Abgrenzung zum aktiven Bereich der Bipolarplatte hergestellt werden, der unter anderem die Betriebsstoffkanäle (Gaszu-/abfuhrkanäle) und das Flussfeld der Bipolarplatte umfasst. Dadurch, dass ein passiver Bereich ausgebildet und mit einer ersten Öffnung versehen wird, wird eine deutlich vereinfachte Möglichkeit geschaffen, unter Einbeziehung von Öffnungen in den Endplatten (zweite Öffnung) Kanäle zur Führung von Zugstangen zu bilden und auf komplizierte und aufwendige Abdichtungsmechanismen der Medienkanäle, insbesondere im Bereich deren Einspeisepunkte an den Endplatten, verzichten zu können. Es ergibt sich dadurch ein vereinfachter Aufbau, der preiswerter herzustellen ist und eine verringerte Ausfallswahrscheinlichkeit aufweist.

Vorteilhafterweise ist die Zugstange innerhalb des Kanals zumindest abschnittsweise in mindestens einem isolierenden Rohrelement geführt. Dabei kann sowohl eine elektrische Isolation gewünscht sein, damit eine Zugstange aus einem leitenden Material keinen Kurzschluss innerhalb des Brennstoffzellenstapels verursacht, aber auch eine thermische Isolation kann gewählt werden, wenn sich eine Erwärmung des Brennstoffzellenstapels nur gedämpft auf die Zugstange auswirken soll. Vorzugsweise ist das Rohrelement in Teflon ausgeführt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen den Bipolarplatten mindestens ein die aktiven Bereiche, insbesondere gegenüber den passiven Bereichen mit der ersten Öffnung, abdichtendes Dichtelement angeordnet. Damit kann sichergestellt werden, dass aus einem aktiven Bereich kein Betriebsstoff/Medium in den passiven Bereich, also in einen Kanal, übertritt.

Es ist vorteilhaft, wenn die Anordnung von erster und zweiter Öffnung und damit auch der Zugstange so gewählt ist, dass eine von der Zugstange über die Spannelemente auf die Endplatten übertragene Anpresskraft sich im Wesentlichen gleichförmig über die Flä che der Bipolarplatte erstreckt. Somit lässt sich ein gleichmäßiges Anpressen zwischen den Endplatten und der Stapelanordnung beziehungsweise zwischen zwei benachbarten Elementen der Stapelanordnung erzielen, sodass keine Bereiche mit einem zu hohen Anpressdruck beziehungsweise mit einem zu niedrigen Anpressdruck entstehen.

Mit Vorteil weist der Brennstoffzellenstapel vier Zugstangen auf, die in jeweils einem von vier voneinander beabstandeten Kanälen geführt sind. Mittels vier Zugstangen lässt sich in besonders vorteilhafter Weise die Gleichförmigkeit der Anpresskraft bewirken. Die Position der Zugstangen kann dabei zum Beispiel experimentell oder insbesondere unter Verwendung eines numerischen Berechnungsverfahrens (zum Beispiel Methode der finiten Elemente) ermittelt werden. Als Folge dieser Optimierung lässt sich unter anderem Material an der Endplatte einsparen, da ein optimierter Kraftverlauf die mechanische Belastung der Endplatte verringert. Zudem kann auch die genaue Gestaltung der Endplatte optimiert werden. Es ergibt sich nunmehr auch die Möglichkeit, das Material der Endplatte, die üblicherweise aus Stahl gefertigt sein muss, durch leichtere Materialien, wie Aluminium oder Kunststoff, zu ersetzen.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen
1 einen Teil eines Brennstoffzellenstapels, und
2 eine Bipolarplatte.
Die 1 zeigt einen Teil eines Brennstoffzellenstapels 10, aufweisend eine Medienanschlussvorrichtung 12, eine Endplatte 14, eine Stromableiterplatte 16 und – lediglich exemplarisch dargestellt – eine Stapelanordnung 18. Die Medienanschlussvorrichtung 12 weist Medienanschlüsse 20 (Medienein- beziehungsweise -auslässe) auf, mit denen dem Brennstoffzellenstapel 10 die Betriebsstoffe zugeführt beziehungsweise die Reaktionsprodukte abgeführt werden. Die Medienanschlüsse 20 sind an der Endplatte 14 angeordnet, wobei die Endplatte 14 Öffnungen aufweist, die der Anordnung der Medienanschlüsse 20 entsprechen. Entsprechende Öffnungen weist auch die an die Endplatte 14 angrenzende Stromableiterplatte 16 auf. Die Stapelanordnung 18 weist neben der Bipolarplatte 22 auch eine Dichtung 24 sowie die nur angedeuteten Gasdiffusionslagen und die Elektrode-Membran-Einheit 26 auf. Da die Funktionsweise einer Brennstoffzelle bekannt ist, soll auf das Zusammenspiel der genannten Bauteile nicht näher eingegangen werden.
Die 1 zeigt ferner Zugstangen 28 auf, die jeweils in einem Rohrelement 30 aus Teflon geführt sind und die Bipolarplatte 22 durch eine erste Öffnung 32 und die Endplatte 14 durch eine zweite Öffnung 34 durchdringen. Am Ende der Zugstangen 28 ist jeweils ein Spannelement 36 – hier nur einmal dargestellt – so angeordnet, dass ein Aktivieren des Spannelements 36 im Zusammenspiel mit dem – nicht dargestellten – Spannelement 36 am anderen Ende der Zugstange 28 ein Druck auf die Endplatten 14 und damit auf den gesamten Brennstoffzellenstapel 10 ausgeübt wird. In diesem Ausführungsbeispiel wurde an jedem Ende einer Zugstange 28 ein Gewinde ausgebildet, in das das als Mutter ausgebildete Spannelement 36 eingreift.
Die 2 zeigt eine Bipolarplatte 22 in der Draufsicht. Deutlich zu erkennen sind die Öffnungen für die Gaszu-/abfuhrkanäle 38, die ersten Öffnungen 32 sowie ein Flussfeld 40. Auf der Bipolarplatte 22 sind verschiedene Ausnehmungen 42 ausgebildet, die der Aufnahme und Positionierung eines Dichtelements 24 dienen. Dabei werden die passiven Bereiche mit den ersten Öffnungen 32 mittels des Dichtelements 24 vollständig von den aktiven Bereichen getrennt. Die Zugstangen 28 befinden sich damit in abgeschlossenen Kanälen und sind gegen alle Betriebsmedien separiert, sodass an den Endplatten 14 keine aufwendige Abdichtung in Kombination mit den Medienanschlüssen 20 realisiert werden muss. Es ist dabei zu beachten, dass die ersten Öffnungen 32 so gewählt sind, dass die Zugstangen 28 sehr nahe am Flussfeld 40 liegen und gleichmäßig verteilt sind. Dadurch wird eine effiziente, gleichmäßige Kraftverteilung erreicht.

10: Brennstoffzellenstapel
12: Medienanschlussvorrichtung
14: Endplatten
16: Stromableiterplatte
18: Stapelanordnung
20: Medienanschluss
22: Bipolarplatte
24: Dichtelement
26: Elektrode-Membran-Einheit
28: Zugstange
30: Rohrelement
32: erste Öffnung
34: zweite Öffnung
36: Spannelemente
38: Gaszu-/abfuhrkanäle
40: Flussfeld
42: Ausnehmungen

Claims

Brennstoffzellenstapel (10) aufweisend eine Stapelanordnung (18) mit mindestens einer Bipolarplatte (22) und zwei an gegenüberliegenden Enden der Stapelanordnung (18) angeordneten Endplatten (14), wobei die Bipolarplatte (22) mindestens eine erste Öffnung (32) besitzt, die mit mindestens einer zweiten Öffnung (34) in jeder der Endplatten (14) so fluchtet, dass sich innerhalb des Brennstoffzellenstapels (10) mindestens ein durchgehender Kanal bildet, ferner aufweisend mindestens eine Zugstange (28), die innerhalb des Kanals angeordnet ist und mit jeder der Endplatten (14) zugeordneten Spannelementen (36) wirkverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (32) in einem passiven Bereich der Bipolarplatte (22) angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugstange (28) innerhalb des Kanals zumindest abschnittsweise in mindestens einem isolierenden Rohrelement (30) geführt ist.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Bipolarplatten (22) mindestens ein die aktiven Bereiche, insbesondere gegenüber den passiven Bereichen mit der ersten Öffnung (32), abdichtendes Dichtelement (24) angeordnet sind.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung von erster und zweiter Öffnung (32, 34) und damit auch der Zugstange (28) so gewählt ist, dass eine von der Zugstange (28) über die Spannelemente (36) auf die Endplatten (14) übertragene Anpresskraft sich im Wesentlichen gleichförmig über die Fläche der Bipolarplatte (22) erstreckt.
Brennstoffzellenstapel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (10) vier Zugstangen (28) aufweist, die in jeweils einem von vier voneinander beabstandeten Kanälen geführt sind.