DE102006030605A1

DE102006030605A1 - Anordnung mit einem Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Verspannen eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102006030605A1
Application number: DE102006030605A
Authority: DE
Inventors: Jörn BUDDE
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Enerday GmbH
Priority date: 2006-07-03
Filing date: 2006-07-03
Publication date: 2008-01-10
Also published as: WO2008003286A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verspannen eines Brennstoffzellenstapels (10), bei dem der Brennstoffzellenstapel zumindest teilweise mit thermisch isolierendem Material (12) eingefasst wird, wodurch eine thermisch isolierte Brennstoffzellenanordnung bereitgestellt wird, und die thermisch isolierte Brennstoffzellenanordnung mittels mindestens einer elastischen Manschette (14) zumindest teilweise eingefasst wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung mit einem Brennstoffzellenstapel.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verspannen eines Brennstoffzellenstapels.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung mit einem Brennstoffzellenstapel, der zumindest teilweise von einem thermisch isolierenden Material umgeben ist und auf den mittels einer Verspannvorrichtung Kräfte aufgebracht werden.
Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind bekannt und kommen beispielsweise im Zusammenhang mit SOFC-Brennstoffzellen ("Solid Oxid Fuel Cell") zum Einsatz. Da die von einer Brennstoffzelle gelieferte Spannung durch die elektrochemischen Vorgänge in der Brennstoffzelle festgelegt ist, werden mehrere hintereinander geschaltete Brennstoffzellen verwendet, um ein Vielfaches dieser Spannung zur Verfügung zu stellen, wobei sich die Übereinanderschichtung der einzelnen aus Anode, Elektrolyt und Kathode bestehenden Brennstoffzellen bewährt hat.
Bei diesem Übereinanderschichten der Brennstoffzellen begegnet man Problemen, die insbesondere mit der mechanischen Stabilität des Brennstoffzellenstapels in Verbindung stehen. Die Bereitstellung einer ausreichenden Stabilität ist von grundsätzlicher Bedeutung und insbesondere bei mobilen Anwendungen, beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich, besonders wichtig.
Zahlreiche Lösungen zur Erhöhung der Stabilität von Brennstoffzellenstapeln sind bekannt. Hierzu zählt das Verkleben der einzelnen Stapelschichten, zum Beispiel durch Glaspaste, sowie das Aufbringen einer externen Kraft auf die Stapelenden, das heißt insbesondere auf die Endplatten, der Brennstoffzellenstapel. Ebenfalls ist es bekannt, lösbare kompressible Dichtungen zwischen den einzelnen Lagen zu verwenden und zusätzlich eine Kraft von außen auf die Stapelenden aufzubringen.
Diese und andere Lösungen zur Stabilitätserhöhung von Brennstoffzellen sind dazu geeignet, Teilprobleme der grundsätzlichen Stabilitätsproblematik zu lösen, sie sind jedoch nicht in der Lage, eine zufriedenstellende mechanische Belastbarkeit der Brennstoffzellenanordnungen bereitzustellen. Beispielsweise können verklebte Brennstoffzel lenstapel durch Vibrationen beschädigt werden, was dazu führen kann, dass sie bei Temperaturen oberhalb von 800 °C auseinanderfallen. Diese Temperaturen werden beim Betrieb von SOFC-Brennstoffzellen ohne weiteres erreicht. Kompressible Dichtungen, die durch eine externe starre Verspannung komprimiert werden, dichten häufig nur unzureichend ab.
Ein Beispiel für eine zuverlässige Verspannung, die auch im mobilen Einsatz Beschädigungen des Brennstoffzellenstapels vermeidet, ist in der DE 103 34 130 A1 offenbart. Allerdings ist dort unter Verwendung von Endplatten und Zugankern beschriebene Lösung mit relativ hohem apparativem Aufwand verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verspannen eines Brennstoffzellenstapels sowie eine Anordnung mit einem Brennstoffzellenstapel unter geringem aparativen Aufwand zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verspannen eines Brennstoffzellenstapels, bei dem der Brennstoffzellenstapel zumindest teilweise mit thermisch isolierendem Material eingefasst wird, wodurch eine thermisch isolierte Brennstoffzellenanordnung bereitgestellt wird, und die thermisch isolierte Brennstoffzellenanordnung mittels mindestens ei ner elastischen Manschette zumindest teilweise eingefasst wird. Eine derartige Verspannung eines Brennstoffzellenstapels macht aufwändige Vorrichtungen mit Zugankern etc. überflüssig. Vielmehr reicht eine elastische Manschette aus, die über die Isolierung des Brennstoffzellenstapels gezogen wird, um die thermisch isolierte Brennstoffzellenanordnung zusammenzuhalten und die erforderlichen Flächenkräfte zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels aufzubringen.
Unter Umständen kann nützlich sein, dass nach dem Bereitstellen einer thermisch isolierten Brennstoffzellenanordnung mindestens ein Kraftvermittler vorgesehen wird, der aufgrund seiner Gestalt die von der nachfolgend vorzusehenden Manschette auf die thermisch isolierte Brennstoffzellenanordnung aufzubringenden Kräfte modifiziert. Ein solcher Kraftvermittler kann in seiner äußeren Oberfläche an die natürliche Form der Manschette angepasst sein, das heißt er kann der thermisch isolierten Brennstoffzellenanordnung eine zumindest im Bereich der Endplatten zylindrische Außenkontur vermitteln. Eine im entspannten Zustand im Wesentlichen zylindrische Manschette kann sich somit gut an die Außenkontur der thermisch isolierten Brennstoffzellenanordnung anlegen, wobei die auf den eigentlichen Brennstoffzellenstapel wirkenden Kräfte aufgrund einer ebenen Anlage der Kraftvermittler senkrecht auf den Brennstoffzellenstapel wirken.
Die Erfindung baut auf der gattungsgemäßen Anordnung dadurch auf, dass die Verspannvorrichtung eine elastische Manschette ist, die das thermisch isolierende Material zumindest teilweise umgibt. Die beschriebenen Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden somit auch durch die erfindungsgemäße Anordnung realisiert.
Die Anordnung kann so ausgebildet sein, dass mindestens ein Kraftvermittler zwischen dem thermisch isolierenden Material und der Manschette vorgesehen ist, der aufgrund seiner Gestalt die von der Manschette auf die thermisch isolierte Brennstoffzellenanordnung aufgebrachten Kräfte modifiziert.
Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass das thermisch isolierende Material aufgrund seiner Gestalt die von der Manschette auf die thermisch isolierte Brennstoffzellenanordnung aufgebrachten Kräfte modifiziert. Anstelle der Kraftvermittler zwischen der Isolierung und der Manschette kann auch vorgesehen sein, dass die Isolierung selbst in ihrer äußeren Oberfläche modifiziert ist, um die entsprechenden senkrechten Kräfte auf den Brennstoffzellenstapel bei guter Anlage der Manschette zu realisieren.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Anordnung derart weitergebildet, dass die Manschette aus einem einheitlichen Material besteht. Dabei handelt es sich um eine besonders kostengünstige Lösung, da die Manschette einfach aufgebaut ist.
Es kann aber auch von Vorteil sein, dass die Manschette Manschettenabschnitte aufweist, die aus verschiedenen Materialien bestehen. Beispielsweise können die axialen Endbereiche der im entspannten Zustand im Wesentlichen zylindrischen Manschette aus anderen Materialien bestehen, so dass sich diese gut an die Seitenflächen des Brennstoffzellen stapels beziehungsweise der dort vorhandenen Isolierung anlegen, während die dazwischen liegenden Bereiche der Manschette durch die Materialwahl im Hinblick auf eine optimale Kraftübertragung auf den Brennstoffzellenstapel ausgelegt werden können.
Es kann bevorzugt sein, dass die Manschette zumindest teilweise aus Naturkautschuk besteht.
Ebenfalls ist es möglich, dass die Manschette zumindest teilweise aus Silikonkautschuk besteht. Naturkautschuk ist für Temperaturen bis etwa 90 °C ausgelegt, während Silikonkautschuk Temperaturen im Bereich von 220 °C standhält. Je nach Auslegung des Brennstoffzellenstapels und der thermischen Isolierung können somit die einen oder die anderen Materialien bevorzugt sein.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
1 in Teil a einen Brennstoffzellenstapel, in Teil b eine thermische Isolierung und in Teil c eine Manschette, jeweils in geschnittener Darstellung;
2 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung;
3 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung; und
4 eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungsfiguren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt in Teil a einen Brennstoffzellenstapel, in Teil b eine thermische Isolierung und in Teil c eine Manschette, jeweils in geschnittener Darstellung. Der Brennstoffzellenstapel 10 weist mehrere übereinander liegende plattenförmig ausgebildete Brennstoffzellen 20 auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Brennstoffzellenstapel 10 quader- beziehungsweise würfelförmig. Die vorliegende Erfindung lässt sich jedoch auch auf sämtliche andere geometrische Gestalten anwenden, so lange sie ein Stapeln von Brennstoffzellen 20 erlauben. Ein thermisch isolierendes Material 12 besteht aus mehreren thermisch isolierenden Elementen 22, beispielsweise porösen Platten. Die in 1b angegebene Aufteilung der Platten 22 ist willkürlich. Neben den dargestellten oberen und seitlichen Elementen 22 können auch in der Schnittansicht nicht explizit erkennbare vordere und hintere Platten vorgesehen sein. Neben porösen Platten ist auch anderes thermisch isolierendes Material einsetzbar, beispielsweise faseriges Material beziehungsweise Schüttungen einzelner Elemente, beispielsweise poröser Kugeln. Die in 1c im Radialschnitt dargestellte Manschette 14 hat eine im Wesentlichen axialsymmetrische Gestalt.
2 zeigt eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist von der thermischen Isolierung 12 umgeben, so dass eine thermisch isolierte Brennstoffzellenanordnung zur Verfügung steht. Diese wird von der Manschette 14 straff eingefasst. Die Manschette 14 kann so einerseits das thermisch isolierende Material 12 zusammenhalten, sofern dieses nicht ohnehin schon durch Kleben oder ähnliche Techniken zusammenhält, und weiterhin eine Kraft senkrecht zu den von den Brennstoffzellelementen 20 definierten Ebenen aufbringen. Folglich liefert die Manschette 14 die erforderliche Verspannung des Brennstoffzellenstapels 10. Falls das thermisch isolierende Material 12 nicht plattenförmig bereitgestellt wird, sondern beispielsweise als Schüttung vorliegt, kann es sinnvoll sein, dieses zunächst mittels einer Folie oder einer sonstigen Einrichtung sicher um den Brennstoffzellenstapel 10 zu platzieren und erst nachträglich die Manschette 14 aufzuziehen.
3 zeigt eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung. Um die Kraftübertragung auf den Brennstoffzellenstapel 10 zu verbessern, sind Kraftvermittler 16, 18 vorgesehen. Diese geben dem Körper, um den die Manschette 14 gelegt ist, eine abschnittsweise zylindrische Außengestalt, wodurch eine Anpassung an die Form der Manschette 14 vorliegt. Während die auf die Kraftvermittler 16, 18 aufgebrachten Kräfte unterschiedliche Richtungen aufweisen, was durch die Pfeile in
3 angedeutet ist, wirken auf die thermische Isolierung 12 und somit auch auf den Brennstoffzellenstapel 10 zu den Ebenen der Brennstoffzellen 20 senkrechte Kräfte, was ebenfalls durch Pfeile gekennzeichnet ist.
4 zeigt eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung. In diesem Fall ist das thermisch isolierende Material 12 derart ausgebildet, dass es neben der thermischen Isolierung eine nützliche Kraftvermittlung übernimmt, vergleichbar zur Wirkung der Kraftvermittler 16, 18 gemäß 3.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

10: Brennstoffzellenstapel
12: thermische Isolierung
14: Manschette
16: Kraftvermittler
18: Kraftvermittler
20: Brennstoffzelle
22: isolierende Elemente

Claims

Verfahren zum Verspannen eines Brennstoffzellenstapels (10), bei dem – der Brennstoffzellenstapel zumindest teilweise mit thermisch isolierendem Material (12) eingefasst wird, wodurch eine thermisch isolierte Brennstoffzellenanordnung bereitgestellt wird, und – die thermisch isolierte Brennstoffzellenanordnung mittels mindestens einer elastischen Manschette (14) zumindest teilweise eingefasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Bereitstellen einer thermisch isolierten Brennstoffzellenanordnung mindestens ein Kraftvermittler (16, 18) vorgesehen wird, der aufgrund seiner Gestalt die von der nachfolgend vorzusehenden Manschette (14) auf die thermisch isolierte Brennstoffzellenanordnung aufzubringenden Kräfte modifiziert.
Anordnung mit einem Brennstoffzellenstapel (10), der zumindest teilweise von einem thermisch isolierenden Mate rial (12) umgeben ist und auf den mittels einer Verspannvorrichtung (14) Kräfte aufgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Verspannvorrichtung eine elastische Manschette (14) ist, die das thermisch isolierende Material (12) zumindest teilweise umgibt.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kraftvermittler (16, 18) zwischen dem thermisch isolierenden Material und der Manschette vorgesehen ist, der aufgrund seiner Gestalt die von der Manschette auf die thermisch isolierte Brennstoffzellenanordnung aufgebrachten Kräfte modifiziert.
Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch isolierende Material (12) aufgrund seiner Gestalt die von der Manschette auf die thermisch isolierte Brennstoffzellenanordnung aufgebrachten Kräfte modifiziert.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette (14) aus einem einheitlichen Material besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette (14) Manschettenabschnitte aufweist, die aus verschiedenen Materialien bestehen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette (14) zumindest teilweise aus Naturkautschuk besteht.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Manschette (14) zumindest teilweise aus Silikonkautschuk besteht.