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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und im Spezielleren Kompressionshalterungssysteme für Brennstoffzellenstapel.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen sind als eine saubere, effiziente und umweltverträgliche Stromquelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen worden. Als ein Beispiel für eine Brennstoffzelle ist die Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM) zu nennen. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die im Allgemeinen einen dünnen Festpolymer-Membranelektrolyten mit einem Katalysator und einer Elektrode auf beiden Seiten des Membranelektrolyten umfasst.
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Die MEA umfasst im Allgemeinen poröse, leitende Materialien, die auch als Gasdiffusionsmedien bekannt sind, welche die Anoden- und Kathoden-Elektrodenschichten bilden. Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoffgas wird an der Anode zugeführt, wo er in Gegenwart des Katalysators eine elektrochemische Reaktion eingeht, um Elektronen und Wasserstoff-Kationen zu erzeugen. Die Elektronen werden durch eine elektrische Schaltung von der Anode zu der Kathode geführt, die zwischen diesen angeordnet ist. Gleichzeitig gelangen die Wasserstoff-Kationen durch den Elektrolyten zu der Kathode, wo ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff oder Luft, in Gegenwart des Elektrolyten und des Katalysators eine elektrochemische Reaktion eingeht, um Sauerstoff-Anionen zu erzeugen. Die Sauerstoff-Anionen gehen mit den Wasserstoff-Kationen in Reaktion und bilden als Reaktionsprodukt Wasser.
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Die MEA ist im Allgemeinen zwischen einem Paar von elektrisch leitenden Kontaktelementen oder Trennplatten angeordnet, wodurch eine vollständige PEM-Brennstoffzelle gebildet wird. Trennplatten dienen als Stromkollektoren für die Anode und die Kathode und weisen darin ausgebildete, geeignete Kanäle und Öffnungen auf, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle (d. h. H2 & O2/Luft) über die Oberflächen der betreffenden Elektroden zu verteilen.
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In der Praxis werden PEM-Brennstoffzellen allerdings nicht einzeln betrieben. PEM-Brennstoffzellen werden vielmehr in Reihe zusammengeschaltet oder aufeinander gestapelt, um einen sogenannten Brennstoffzellenstapel zu bilden. PEM-Brennstoffzellen werden im Allgemeinen kompressionsbeaufschlagt, um einen geringen elektrischen Kontaktwiderstand an den Trennungsflächen zwischen den Trennplatten, den Gasdiffusionsmedien und der Katalysator-Elektrode aufrechtzuerhalten. Der geringe Kontaktwiderstand in einem PEM-Brennstoffzellenstapel steht in direktem Zusammenhang mit der Kompressionsbelastung. Eine typische Kompressionslast auf die Trennplatte kann sich in einem Bereich von ungefähr 50 bis ungefähr 400 psi bewegen und wird durch ein Kompressionshalterungssystem gesteuert.
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Kompressionshalterungssysteme sind typischerweise in einer Weise konzipiert, die bewirkt, dass Dehnungsbeanspruchungen, die durch Membranschwellung, zu der es infolge von Feuchtigkeits- und Temperaturveränderungen kommen kann, und durch Nachlassen der Kompressionsspannung in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt werden, ausgeglichen werden. Solche Systeme haben die Funktion, eine Überkompression und eine Beschädigung der Gasdiffusionsmedien in dem Brennstoffzellenstapel zu minimieren, und gleichzeitig die Soll-Stapelkompression und den Soll-Kontaktdruck zwischen den Trennplatten, den Gasdiffusionsmedien und den Katalysatorschichten aufrechtzuerhalten. Die Beibehaltung der Stapelkompression unterstützt den elektrischen Kontakt und erleichtert einen geringeren Kontaktwiderstand zwischen den einzelnen Brennstoffzellen innerhalb des Stapels.
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PEM-Brennstoffzellenstapel umfassen im Allgemeinen auch Seitenplatten, um die einzelnen Brennstoffzellen seitlich in Position zu halten und ganz allgemein um den Brennstoffzellenstapel zu umschließen. Solche Systeme sind im Allgemeinen starr und in fixer Position befestigt, was vielfach komplexe Dichtungen, Rohrleitungen und elektrische Verbindungen erfordert, um das Schwellen und Schrumpfen (auch als Atmen bezeichnet) des Brennstoffzellenstapels zu berücksichtigen, das bei einem Pendeln der Feuchte und der Temperatur während des Betriebs auftritt.
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In dem U.S.-Patent
US 5 484 666 A , an Gibb et al., ist angegeben, dass herkömmliche Kompressionssysteme aus Verbindungsstangen bestehen, die sich zwischen Endplattenanordnungen und durch diese hindurch erstrecken und mit Befestigungsmuttern befestigt sind. Auf die Befestigungsstangen aufgeschraubte und zwischen den Befestigungsmuttern und den Endplatten angeordnete Federn sind bisher dazu verwendet worden, eine federnde Kompressionskraft in Stapelrichtung auf Brennstoffzellenstapel aufzubringen.
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Brennstoffzellen-Seitenplatten mit gesteuerter Nachgiebigkeit gegenüber Zugbeanspruchung werden auch in der U.S.-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer US 2006/0040166 A1, an Budinski et al. beschrieben. In dieser Druckschrift wird angegeben, dass die Kompressionskräfte auf den Brennstoffzellenstapel durch die Integration von zumindest einem Federelement in eine Seitenplatte gesteuert werden können. Ansonsten beschreibt diese Druckschrift ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In dem U.S.-Pat.
US 5 789 091 A berichten Wozniczka et al. weiterhin über einen Mechanismus zur Sicherung eines Brennstoffzellenstapels in einem zusammengesetzten und komprimierten Zustand, welcher zumindest ein Kompressionsband umfasst, das die Endplattenanordnungen und die dazwischen angeordneten Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel begrenzt.
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Es besteht nach wie vor Bedarf an einem Kompressionshalterungssystem für elektrochemische Brennstoffzellen, das nachgiebig ist, mit einer Vielzahl unterschiedlicher Stapelgrößen während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels eine im wesentlichen gleichförmige Kompression bereitstellt, eine relative Bewegung zwischen dem Halterungssystem und dem Brennstoffzellenstapel erleichtert und den volumetrischen und thermischen Wirkungsgrad optimiert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit der gegenwärtigen Offenbarung ist überraschenderweise ein Kompressionshalterungssystem entdeckt worden, das nachgiebig ist, mit einer Vielzahl unterschiedlicher Stapelgrößen während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels eine im Wesentlichen gleichförmige Kompression bereitstellt, eine relative Bewegung zwischen dem Halterungssystem und dem Brennstoffzellenstapel erleichtert und den volumetrischen und thermischen Wirkungsgrad optimiert.
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In einer Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei der Stapel zumindest eine Brennstoffzelle, eine an das erste Ende des Brennstoffzellenstapels angrenzende erste Endeinheit, eine an das zweite Ende des Brennstoffzellenstapels angrenzende zweite Endeinheit und ein Kompressionshalterungssystem umfasst. Das Kompressionshalterungssystem umfasst eine Mehrzahl einzelner planarer Streifen, von denen jeder zumindest eine Biegung bildet, wobei jeder Streifen an den Brennstoffzellenstapel angrenzend angeordnet ist und sich von der ersten Endeinheit zu der zweiten Endeinheit erstreckt.
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Ein Streifen, der ein im Allgemeinen planares Material umfasst und zumindest eine Biegung bildet, wird nun genauer beschrieben. Die durch die Streifen gebildete Biegung umfasst zumindest eine Serpentinenform. In besonderen Ausführungsformen weist die zumindest eine Serpentinenform auch zumindest eine darin ausgebildete Öffnung auf, die in manchen Beispielfällen ebenfalls eine Serpentinenform aufweist.
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In einer besonderen Ausführungsform wird ein Kompressionshalterungssystem geschaffen, das eine Mehrzahl einzelner planarer Streifen umfasst, von denen jeder aus Metall gebildet ist und eine sich wiederholende Serpentinenform aufweist. Der planare Streifen umfasst eine darin ausgebildete, serpentinenförmige Öffnung und weist eine erste Zone und eine zweite Zone auf, wobei die erste Zone einen an eine Biegung der Serpentinenform angrenzenden Bereich des Streifens umfasst, und die zweite Zone einen Bereich an einer Biegung der Serpentinenform umfasst.
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Die mittlere Breite der ersten Zone beträgt weniger als die Hälfte einer mittleren Breite der zweiten Zone.
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ZEICHNUNGEN
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Die oben erwähnten, sowie auch weitere Vorteile der vorliegenden Offenbarung ergeben sich für den Fachmann auf einfache Weise aus der folgenden, detaillierten Beschreibung, insbesondere im Lichte der darin beschriebenen Zeichnungen.
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1 veranschaulicht eine schematische Explosionsansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels (nur zwei Zellen gezeigt);
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2 ist eine Perspektivansicht eines Brennstoffzellensystems mit einem Kompressionshalterungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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3 ist eine Perspektivansicht eines einzelnen planaren Streifens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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4 zeigt eine fragmentarische Vorderansicht des in 3 veranschaulichten planaren Streifens; und
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5 ist ein Spannungs-Konturendiagramm eines Analysemodells aus finiten Elementen, das die Verteilung der Spannung auf dem in 3 und 4 veranschaulichten planaren Streifen zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es versteht sich außerdem, dass über die Zeichnungen hinweg einander entsprechende Bezugszahlen auf gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale verweisen.
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In 1 ist ein aus zwei Zellen bestehender PEM-Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4, 6 abgebildet, die voneinander durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement 8, im Folgenden Bipolarplatte oder Trennplatte 8 genannt, getrennt sind. Die MEAs 4, 6 und die Trennplatte 8 sind zusammen zwischen Endplatten 10 und 12 und Endkontaktelementen 14 und 16 gestapelt. Die Endkontaktelemente 14 und 16, sowie beide Arbeitsflächen der Bipolarplatte 8 enthalten jeweils eine Mehrzahl von Strömungspfadrillen oder -kanälen 18, 20, 22 und 24, um Brennstoff und Oxidationsmittelgase (z. B. H2 und O2) zu den MEAs 4 und 6 zu verteilen. Nichtleitende Dichtungen 26, 28, 30 und 32 schaffen Abdichtungen und elektrische Isolierung zwischen den einzelnen Komponenten des Brennstoffzellenstapels.
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Die MEAs 4, 6 können als Elektroden 34, 36 38, 40 gasdurchlässige, leitende Materialien, zum Beispiel Kohlenstoff-/Graphit-Diffusionspapier umfassen. Die Elektroden 34, 36, 38, 40 pressen gegen die MEAs 4, 6. Die Endkontaktelemente 14, 16 pressen jeweils gegen die Kohlenstoff-/Graphitpapiere 34, 40, während die Trennplatte 8 gegen das Kohlenstoff-/Graphitpapier 36 an der Anodenseite der MEA 4 presst, die so ausgelegt ist, dass sie einen wasserstoffhaltigen Reaktanden aufnimmt, und gegen das Kohlenstoff-/Graphitpapier 38 an der Kathodenseite der MEA 6 presst, die so ausgelegt ist, dass sie einen sauerstoffhaltigen Reaktanden aufnimmt. Sauerstoff wird von einem Speichertank 46 aus durch eine geeignete Zuführleitung 42 der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 2 zugeführt, während Wasserstoff von einem Speichertank 48 aus durch geeignete Zuführleitungen 44 der Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführt wird. Alternativ dazu kann der Kathodenseite als Sauerstoffquelle Umgebungsluft zugeführt werden, und kann der Anodenseite Wasserstoff von einem Methanol- oder Benzin-Reformer und dergleichen zugeführt werden. Außerdem sind für die Anodenseiten und die Kathodenseiten der MEAs 4, 6 gleichermaßen Ableitungs-Rohrleitungen (in 1 nicht gezeigt) vorgesehen. Zusätzliche Leitungen 50, 52 und 54 sind zur Zuführung von flüssigem Kühlmittel zu der Trennplatte 8 und zu den Endplatten 14 und 16 vorgesehen. Es sind auch geeignete Rohrleitungen (nicht gezeigt) zur Ableitung von Kühlmittel von der Trennplatte 8 und den Endplatten 14 und 16 vorgesehen.
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Es ist festzustellen, dass bestimmte, hier offenbarte Ausführungsformen zwar Brennstoffzellensysteme mit PEM-Brennstoffzellen beschreiben, die offenbarungsgemäße Erfindung jedoch auch auf Brennstoffzellensysteme angewendet werden kann, die andersartige Brennstoffzellen, wie beispielsweise Metallhydrid-Brennstoffzellen, Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Festoxidbrennstoffzellen, elektrogalvanische Brennstoffzellen und Alkali-Brennstoffzellen verwenden.
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In 2, auf welche nun Bezug genommen wird, ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 200 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 200 weist einen Brennstoffzellenstapel 202 auf, der zwischen einer ersten Endeinheit 204 und einer zweiten Endeinheit 206 angeordnet ist. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst ein Kompressionshalterungssystem 208 mit zumindest einem planaren Streifen 210. Der eine oder die mehreren Streifen 210 sind im Allgemeinen planar und weisen zumindest eine Biegung 301 auf.
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Der planare Streifen 210 kann an den erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel 202 angrenzend angeordnet sein und erstreckt sich im Allgemeinen von der ersten Endeinheit 204 zu der zweiten Endeinheit 206. Es versteht sich, dass der zumindest eine planare Streifen sich von der ersten und/oder der zweiten Endeinheit 204, 206 zu anderen Stellen des Brennstoffzellensystems 202 erstrecken kann.
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Der zumindest eine planare Streifen 210 ist durch Befestigungsmittel 212 an entgegengesetzten Enden des planaren Streifens 210 mit der ersten Endeinheit 204 und der zweiten Endeinheit 206 verbunden. Es können dazu je nach Wunsch verschiedene Befestigungsmittel 212 verwendet werden. Als Beispiele ohne einschränkenden Charakter für geeignete Befestigungsmittel 212 sind Winkel, Klemmen, Klammern, Klebmittel Befestigungsbolzen mit Mutter, Schweißungen, Schrauben, sowie Kombinationen aus diesen und dergleichen zu nennen.
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Der planare Streifen 210 der vorliegenden Erfindung ist im Allgemeinen angrenzend an den Brennstoffzellenstapel 202 angeordnet. In besonderen Ausführungsformen bilden einer oder mehrere der planaren Streifen 210 angrenzend an den Brennstoffzellenstapel 202 eine teilweise oder vollständige Seitenplatte 214. Die planaren Streifen 210, die eine solche Seitenplatte 214 bilden, verhindern ein Wandern der MEAs 4, 6 in den einzelnen Brennstoffzellen 201 des Brennstoffzellenstapels 202 bzw. wirken diesem entgegen, während der Brennstoffzellenstapel 202 im Verlauf des Betriebs anschwillt und schrumpft. Für den Fachmann versteht es sich weiterhin, dass die planaren Streifen 210, da sie an den Brennstoffzellenstapel 202 angrenzen, in vorteilhafter Weise eine Grenzfläche bilden können, die sich mit dem Anschwellen und Schrumpfen des Brennstoffzellenstapels 202 mitbewegt. Das bedeutet, dass die planaren Streifen 210 eine gleitende Grenzfläche mit dem Brennstoffzellenstapel 202 bilden können.
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In einer bestimmten Ausführungsform steht der zumindest eine an den offenbarungsgemäßen Brennstoffzellenstapel 202 angrenzend angeordnete planare Streifen 210 unter Zugspannung. Es versteht sich, dass der planare Streifen 210, da er unter Zugspannung steht, eine Kompressionskraft auf den Brennstoffzellenstapel 202 ausübt. Die Kompressionskraft treibt die einzelnen Brennstoffzellen 201 gegeneinander und erleichtert den elektrischen Kontakt zwischen diesen. Es versteht sich weiterhin, dass die Aufbringung einer Kompressionsluft auf den Stapel 202 allgemein den elektrischen Kontaktwiderstand zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 201 verringert und den allgemeinen elektrischen Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 202 erhöht.
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Die planaren Streifen 210 können unter Zugspannung gesetzt werden, indem zunächst die planaren Streifen 210 an der ersten Endeinheit 204 angebracht werden. Die planaren Streifen 210 werden dann provisorisch an einem entgegengesetzten Ende der Streifen 210 an eine unbewegliche Befestigungsvorrichtung, beispielsweise eine Boden-Befestigungsvorrichtung, angebracht und es wird eine Kompressionsbelastung auf den Brennstoffzellenstapel 202 aufgewendet. Die auf den Brennstoffzellenstapel 202 aufgewendete Kompressionsbelastung komprimiert den Brennstoffzellenstapel 202 und setzt gleichzeitig die planaren Streifen 210 unter Zugspannung. Die planaren Streifen 210 werden dann an der zweiten Endeinheit 206 fixiert, bevor sie von der unbeweglichen Befestigungsvorrichtung gelöst werden, und üben somit eine Kompressionskraft auf den Brennstoffzellenstapel 202 aus.
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Alternativ dazu können die planaren Streifen 210 unter Zugspannung gesetzt werden, indem der Brennstoffzellenstapel 202 provisorisch komprimiert wird bzw. indem der Stapel 202 bis zu einer Kompression belastet wird, die höher ist als die Sollkompression für die fertig zusammengestellte Einheit, wobei der zumindest eine planare Streifen 210 mit dem Befestigungsmittel 212 gleichermaßen an der ersten Endeinheit 204 und der zweiten Endeinheit 206 an dem Brennstoffzellenstapel 202 angebracht wird, und anschließend die Kompressionsbelastung entfernt wird und somit ermöglicht wird, dass der komprimierte Stapel 202 sich geringfügig dekomprimiert, wodurch die planaren Streifen 210 unter Zugspannung gesetzt werden. Das Kompressionshalterungssystem 208 mit den unter Zugspannung gesetzten planaren Streifen 210 erhält dadurch eine Kompressionskraft auf den Brennstoffzellenstapel 202 aufrecht.
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In einer anschaulichen Ausführungsform umfasst das Kompressionshalterungssystem 208 mehr als einen planaren Streifen 210. In einem besonders anschaulichen Beispiel ist zumindest ein Abschnitt 216 der planaren Streifen 210 ineinander verschachtelt. In der in 2 gezeigten Ausführungsform weist der Brennstoffzellenstapel 202 ein Kompressionshalterungssystem 208 mit sechzehn (16) einzelnen planaren Streifen 210 auf, und zwar in ineinander verschachtelten Abschnitten 216 von jeweils vier (4).
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Wie hier definiert, sind die planaren Streifen 210 verschachtelt, wenn sie im Wesentlichen aneinanderliegend und angrenzend an den Brennstoffzellenstapel 202 platziert sind. In den gezeigten Ausführungsformen überlappen sich die planaren Streifen 210 in den verschachtelten Abschnitten 216 nicht. Es versteht sich jedoch, dass die verschachtelten Abschnitte 216 einander überlappen können, falls dies gewünscht wird. Das Verschachteln der einzelnen planaren Streifen 210 ermöglicht in vorteilhafter Weise eine aufgabenspezifische Auswahl aus einer Vielzahl von Federkonstanten, was bedeutet, dass der Fachmann auf einfache Weise in der Lage ist, die Federkonstanten herkömmlicher Kompressionshalterungssysteme anzupassen. Das Verschachteln der planaren Streifen 210 kann bei Verwendung eines Kompressionshalterungsmaterials mit geringerem Volumen und/oder geringerer Masse auch eine ähnliche oder geringere Federkonstante zur Folge haben, insbesondere im Vergleich mit herkömmlichen Seitenplatten oder Federblechen.
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In 3 und 4, auf die nun Bezug genommen wird, ist zumindest ein Abschnitt eines einzelnen, offenbarungsgemäßen, planaren Streifens 210 gezeigt. Die einzelnen Streifen 210 können nachgiebig sein. Der hier verwendete Begriff ’nachgiebig’ bedeutet, dass, wenn der planare Streifen 210 als Teil eines Kompressionshalterungssystems 208 angewendet wird, der planare Streifen 210 eine gleichförmige Kompressionskraft auf den Brennstoffzellenstapel 202 aufrechterhält, während der Stapel 202 sich im Verlauf des Betriebs ausdehnt und zusammenzieht. Obwohl sie nachgiebig sind bzw. eine geringe Steifigkeit aufweisen, haben die einzelnen Streifen 210 unter einer Kompressionsbelastung von vielen Tonnen eine geringe Federkonstante. Als Beispiel ohne einschränkenden Charakter ist nunmehr festgestellt worden, dass bei einem Kompressionshalterungssystem 208, welches eine mittlere Kompressionsbelastung von ungefähr 3 Tonnen bis ungefähr 8 Tonnen aufbringt, die von dem System 208 aufgebrachte Kompressionskraft während des typischen, betriebsbedingten Atmens des Brennstoffzellenstapels 202 um nur ungefähr eine Viertel (±0,25) Tonne schwankt. Günstige Ergebnisse wurden bei Verwendung einer Kompressionsbelastung von ungefähr 5,5 Tonnen erzielt. Bei ungefähr 5,5 Tonnen sind Schwankungen der Kompression von ungefähr 0,15 Tonnen festgestellt worden.
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Da sie planar sind, weisen die planaren Streifen 210 typischerweise ein Oberfläche auf, die im Wesentlichen flach ist. Im Allgemeinen haben die planaren Streifen 210 eine größere Länge in einer ersten Abmessung, eine geringere Länge in einer zweiten Abmessung, und sind im Vergleich dazu in einer dritten Abmessung relativ dünn. In der gezeigten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße planare Streifen 210 eine im Wesentlichen flache Oberfläche auf und hat eine mittlere Dicke von ungefähr 1 mm bis ungefähr 10 mm, eine mittlere Länge von ungefähr 200 mm bis ungefähr 1100 mm und eine mittlere Breite von ungefähr 10 mm bis ungefähr 60 mm, obwohl je nach Wunsch auch Streifen 210 mit anderen Abmessungen verwendet werden können. In einer Ausführungsform beträgt die mittlere Dicke des planaren Streifens 210 ungefähr 4 mm, die mittlere Länge ungefähr 463 mm und die mittlere Breite ungefähr 24 mm. Es versteht sich, dass die Größe und die Art des Brennstoffzellenstapels 202, sowie die Soll-Kompressionsbelastung die allgemeinen Abmessungen der erfindungsgemäßen planaren Streifen 210 zwingend vorschreiben und dass auch andere Abmessungen verwendet werden können. Es ist weiterhin festzustellen, dass die planaren Streifen 210 im Allgemeinen eine wesentlich größere Länge als Breite aufweisen und sich dadurch von planaren Federblechen unterscheiden.
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Der erfindungsgemäße planare Streifen 210 umfasst einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt 300, 302 zur Befestigung an der oberen und der unteren Endeinheit 204, 206. Zwischen dem oberen Abschnitt und dem unteren Abschnitt 300, 302 sind eine oder mehrere Biegungen 301 ausgebildet. Als hier definierte, geeignete Biegungen 301 sind unter anderem diskrete oder sich wiederholende Winkel, beispielsweise spitze, rechte und stumpfe Winkel, Bögen, Wölbungen, Kurven, Kanten, Krümmungen, Windungen, Verdrehungen und verschiedene Kombinationen daraus zu nennen. Es können durch den planaren Streifen 210 auch andere Biegungen 301 gebildet werden. Es versteht sich weiterhin, dass die von dem planaren Streifen 210 gebildeten Biegungen 301 entlang der Länge der diskreten Biegungen und/oder zwischen einzelnen Biegungen 301 in der Breite variieren können.
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In einer offenbarungsgemäßen Ausführungsform umfassen die Biegungen 301 zumindest eine Serpentinenform oder S-Form 304. In veranschaulichender Weise können die Biegungen 301 eine zwischen dem oberen und dem unteren Endabschnitt 300, 302 ausgebildete, sich wiederholende Serpentinenform 306 umfassen.
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Die von einem planaren Streifen 210 gebildete Serpentinenform 304 kann durch eine oder mehrere Zonen gekennzeichnet sein. Die einzelnen Zonen können zwischen einzelnen Zonen und/oder über einzelne Zonen hinweg in der Breite variieren. Als Beispiel ohne einschränkenden Charakter kann die Serpentinenform zumindest zwei Zonen, beispielsweise eine erste Zone 400 und eine zweite Zone 402, aufweisen. Die erste Zone 400 umfasst einen Bereich der Serpentinenform, der sich gleichermaßen vor und nach einer Biegung 301 befindet. Die zweite Zone 402 umfasst einen Bereich, der sich ungefähr an der Stelle einer Biegung 301 befindet. In besonderen Ausführungsformen ist die mittlere Breite der ersten Zone 400 geringer als die mittlere Breite der zweiten Zone 402. Als Beispiel ohne einschränkenden Charakter kann die mittlere Breite der ersten Zone 400 weniger als ungefähr die Hälfte (ungefähr das 0,5-fache) der mittleren Breite der zweiten Zone 402 ausmachen. In einem weiteren Beispiel ohne einschränkenden Charakter macht die mittlere Breite der ersten Zone 400 weniger als ungefähr ein Viertel (ungefähr das 0,25-fache) der mittleren Breite der zweiten Zone aus.
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Der planare Streifen 210 kann aus einer Vielzahl von elastischen oder federnden Materialien, die nachgiebig sind, gebildet sein, wie in der Folge beschrieben ist. Als Beispiele ohne einschränkenden Charakter kann der erfindungsgemäße, nachgiebige Streifen Metall, Metalllegierungen, Polymere (z. B. Elastomere und Kunststoffe), elastische Textilien und Kombinationen daraus umfassen. In besonderen Ausführungsformen ist der planare Streifen 210 aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium, Messing, Kupfer, Stahl, Zinn, Nickel, Titan oder deren Legierungen gebildet. Es versteht sich, dass Materialien, welche über die Betriebslebensdauer eines Brennstoffzellensystems hinweg auch bei wiederholter Einwirkung von herkömmlichen Brennstoffzellen-Betriebstemperaturen ihre Elastizität beibehalten, für die Zwecke dieser Erfindung geeignete Materialien darstellen.
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In veranschaulichender Weise kann der planare Streifen 210 eine oder mehrere darin ausgebildete Öffnungen 404 aufweisen. Das Vorhandensein der in dem Streifen 210 ausgebildeten Öffnung 404 erhöht allgemein die Nachgiebigkeit des Streifens 210 und erlaubt eine größere Durchbiegung unter Last als dies ohne die Öffnung 404 möglich wäre. Die Form der zumindest einen Öffnung 404 in dem Streifen 210 ist so gewählt, dass die Spannung in dem unter einer Zugverformung oder Zugbelastung stehenden Streifen 210 im Wesentlichen gleichmäßig gespeichert wird.
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Die zumindest eine Öffnung 404 kann in dem planaren Streifen 210 so ausgebildet sein, dass sie im Wesentlichen der Form des Streifens 210 entspricht. In einer speziellen Ausführungsform passt sich die zumindest eine Öffnung 404 einer von dem planaren Streifen 210 gebildeten Serpentinenform oder S-Form 406 an. Die Breite der Öffnung 404 entlang der Länge des Streifens 210 kann konstant oder variabel verlaufen. In einem in 4 veranschaulichten, besonderen Beispiel ist die Öffnung 404 in der ersten Zone 400 breit, an dem Übergang von der ersten Zone 400 zu der zweiten Zone 402 eng und in der zweiten Zone 402 wieder breit. In einem anderen Beispiel ohne einschränkenden Charakter können zwei parallel zueinander ausgebildete Öffnungen 404 in dem planaren Streifen 210 vorhanden sein. Je nach Wunsch können auch mehrere Öffnungen 404 verwendet werden. Es versteht sich, dass die Größe, Form und Anzahl der Öffnungen derart gewählt ist, dass die Spannung über den Streifen 210 hinweg gleichförmig gespeichert wird.
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Wie in 5 gezeigt, lässt sich nun überraschenderweise feststellen, dass ein planarer Streifen 210 mit einer erfindungsgemäßen, sich wiederholenden Serpentinenform 306 eine im Wesentlichen gleichförmige Lastverteilung zeigt. Das bedeutet, dass die Streifen 210 mit der beschriebenen Form die Spannung in effizienter und im Wesentlichen gleichförmiger Weise entlang der Länge des Streifens verteilen. Es ist weiterhin überraschend festgestellt worden, dass eine sich wiederholende, serpentinenförmige Öffnung auch zu einer Verteilung der Dehnungsenergie über den gesamten planaren Streifen 210 hinweg beiträgt.
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Eine solche gleichförmige Spannungsverteilung ist in dem Spannungs-Konturendiagramm aus 5 veranschaulicht. Das Diagramm stellt ein Analysemodell aus finiten Elementen dar, das die Verteilung der Spannung auf dem planaren Streifen 210 mit einer Länge von ungefähr 440 mm bei einer aufgebrachten Dehnung von ungefähr 2% (bzw. einer Längung von ungefähr 8 mm) zeigt. Wie aus der Figur ersichtlich, befinden sich Bereiche mit höheren Spannungswerten 500 (Von Mises) gleichförmig entlang den exponierten Oberflächen der Biegungen 301 und den exponierten Oberflächen der Öffnungen 404. Bereiche mit geringeren Spannungswerten 502 befinden sich entlang den Innenabschnitten der Biegungen 301. Als Beispiele ohne einschränkenden Charakter können die Bereiche mit höheren Spannungswerten 500 unter den zuvor erwähnten Dehnungsbedingungen sich von ungefähr 400 MPa bis ungefähr 750 MPa bewegen. Die Bereiche mit geringeren Spannungswerten 502 können unter ähnlichen Bedingungen von ungefähr 0 MPa bis ungefähr 400 MPa reichen.
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Die offenbarungsgemäßen planaren Streifen 210 können, als Beispiel ohne einschränkenden Charakter, durch Stanzen gefertigt werden. Es versteht sich, dass auch andere Verfahren zur Fertigung der planaren Streifen 210 verwendet werden können. In einer Ausführungsform kann ein kontinuierlich gefertigtes, planares Blech in eine gewünschte, für einen speziellen Brennstoffzellenstapel 202 geeignete Länge geschnitten werden. Die Streifen 210 und die Öffnungen 404 können dann für einen speziellen Brennstoffzellenstapel 202 aus dem kontinuierlich gefertigten, planaren Blech ausgeschnitten bzw. ausgestanzt werden. Die planaren Streifen 210 können auch beschichtet werden, um den Brennstoffzellenstapel 202 elektrisch zu isolieren und/oder um den planaren Streifen 210 eine Korrosionsbeständigkeit zu verleihen. Als geeignete Beschichtungen sind unter anderem beispielsweise Elastomerbeschichtungen wie etwa Gummi- oder Kunststoffmaterialien zu nennen.
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Der Fachmann wird erkennen, dass das hier beschriebene Kompressionshalterungssystem 208 eine geringere thermisch wirksame Masse schafft und ein geringeres Volumen erfordert als herkömmliche Systeme, die beispielsweise Schraubenfedern mit Endplatten verwenden. Das erfindungsgemäße Kompressionshalterungssystem 208 lässt sich auf einfache Weise an Brennstoffzellenstapel verschiedener Größe und Art anpassen und schafft dieselben oder geringere Federkonstanten als herkömmliche Federbaueinheiten.
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Darüber hinaus ist festzustellen, dass die offenbarungsgemäßen planaren Streifen eine Seitenplatte (nicht gezeigt) bilden können, die eine gleitende Grenzfläche mit dem Brennstoffzellenstapel aufweist, d. h. die Streifen bewegen sich beim Atmen des Brennstoffzellenstapels 202 gemeinsam mit diesem auf und ab und elektrische Verbindungen und Rohrleitungsverbindungen können auf einfachere Weise geschaffen werden als bei herkömmlichen Systemen mit starren Seitenplatten. Aus diesem weiteren Grund führt die Verwendung von planaren Streifen als Seitenplatte auch zu einem verringerten Gesamtgewicht des Brennstoffzellensystems.
