DE102009036628A1

DE102009036628A1 - Verpresster Brennstoffzellenstack

Info

Publication number: DE102009036628A1
Application number: DE102009036628A
Authority: DE
Inventors: Christian Sadeler; Marco Zobel; Stephan Heller; Matthias Weber
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-08-08
Also published as: DE102009036628B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstack, bei dem die Brennstoffzelle als vormontierte Baueinheit über verbindende Fixierelemente zwischen zwei Endplatten gehalten wird.

Description

Vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstack, bei dem die Brennstoffzelle als vormontierte Baueinheit über verbindende Fixierelemente zwischen zwei Endplatten gehalten wird.
Normalerweise werden Brennstoffzellenstacks derzeit mit einer Schraubenverbindung verpresst und montiert. Bei dieser Art der Montage müssen die Schrauben allerdings sehr genau angezogen werden, um eine homogene Verpressung über die gesamte Fläche zu gewährleisten. Durch die angebrachten Gewindestangen wird aber in den meisten Fällen die Kühlfläche minimiert, sei es bei einem Kühlkörper oder bei einer Einzelzellkühlung durch Kühlkanäle. Ein Produktbeispiel für diese Art der Montage ist die Brennstoffzellenserie Mark 1020 ACS^TM der Firma Ballard^® Fuel Cell Power. Dabei handelt es sich um einen luftgekühlten Stack, welcher durch Gewindestangen zwischen den Anpressplatten fixiert ist. Ein weiterer Nachteil bei dieser Art der Montage ist die hohe Instabilität die sich bei dem Zusammenbau des Stacks ergibt.
Die Firma Schunk hat ein anderes Konzept in dieser Leistungsklasse umgesetzt. Durch eine spezielle Vergusstechnik wird der Stack in seiner Lage fixiert und auch gleichzeitig abgedichtet. Dieser Stack ist allerdings mit einer Wasserkühlung ausgestattet. Bei dieser Art der Montage liegt das Hauptproblem in der Demontage des Stack. Dadurch ist keine einfache Reparatur an einzelnen Zellen möglich.
Aus der US 3,134,697 ist eine Brennstoffzelle bekannt, bei der die Verpressung und Montage über Gewindestangen verläuft.
Die US 5,419,980 beschreibt eine hydraulische Verpressung und Montage von Brennstoffzellenstacks unter Verwendung eines Fluids.
Die US 5,993,987 beschreibt eine mechanische Fixierung von Brennstoffzellen innerhalb eines Brennstoffzellenstacks durch Verpressen der Brennstoffzellen über Bänder.
Die CA 2 480 855 beschreibt eine Verpressungs- und Montageeinheit für einen Brennstoffzellenstapel unter Berücksichtigung unterschiedlicher geometrischer Anordnungen der Brennstoffzelle. Dabei wird der Stack von einem Gehäuse aus zwei Seitenwänden und zwei Deckplatten eingeschlossen; die Kraftübertragung und Fixierung erfolgt durch Verzahnung der Seitenwände mit der Deckplatte.
Weiterhin ist aus der US 5,686,200 die Montage und Verpressung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstack durch Clips beschrieben.
Ebenso beschreibt die US 6,057,053 die Montage und Verpressung von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstack mittels zentral liegender Gewindestangen.
An die Montage und Verpressung eines Brennstoffzellenstacks sind sehr hohe Anforderungen gestellt, da diese eine direkte Auswirkung auf das Betriebsverhalten haben. Je nach Kühlmethode ist außerdem zu gewährleisten, dass die zu kühlenden Flächen des Stacks freiliegen, um so die Kontaktfläche nicht zu verkleinern. Gerade bei luftgekühlten Stacks der kleineren Leistungsklassen sind diese Probleme zu beheben.
Problematisch bei den zuvor genannten, aus dem Stand der Technik bekannten Lösungsmöglichkeiten zur Verpressung von Brennstoffzellen innerhalb eines Brennstoffzellenstacks ist dabei stets, dass durch die starre mechanische Fixierung auftretende Spannungen im Brennstoffzellenstack, die beispielsweise durch Erwärmen der Brennstoffzelle auf Betriebstemperatur oder bei mechanischer Beanspruchung des Brennstoffzellenstacks auftreten, ein Ausgleich dieser Spannungen nur unzulänglich möglich ist. Dies kann letzten Endes zur Beschädigung des Brennstoffzellenstacks führen.
Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ei- nen Brennstoffzellenstack bereitzustellen, der eine zuverlässige Kompensation dieser auftretenden Spannungen innerhalb des Brennstoffzellenstacks ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Brennstoffzellenstacks mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei die abhängigen Patentansprüche vorteilhafte Weiterbildungen darstellen.
Erfindungsgemäß wird somit ein Brennstoffzellenstack bereitgestellt, der eine erste Endplatte und eine zweite Endplatte umfasst, die jeweils als Kühlkörper ausgebildet sind sowie mindestens eine zwischen der ersten und zweiten Endplatte angeordneten Brennstoffzelle, die mindestens eine Membran, Gasdiffusionsschicht und Elektrodenplatte bzw. Bipolarplatte als Bauelemente aufweist, wobei die mindestens eine Brennstoffzelle als vormontierte Baueinheit über die die erste und zweite Endplatte verbindende Fixierelemente zwischen den beiden Endplatten gehalten wird.
Vorzugsweise wurden dabei die Bauelemente der mindestens einen Brennstoffzelle bei der Vormontage untereinander verklebt und verpresst.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform sind die Bauelemente mit klebenden Dichtungen verbunden.
Der Brennstoffzellenstack zeichnet sich in einer weiter bevorzugten Ausführungsform dadurch aus, dass 3 bis 300 Brennstoffzellen, bevorzugt 5 bis 100, besonders bevorzugt 5 bis 50 Brennstoffzellen, die untereinander verklebt und/oder verpresst sind, zwischen den beiden Endplatten gehalten werden.
Weiter bevorzugt ist, dass die Endplatten in Richtung des Inneren des Brennstoffzellenstacks jeweils Vertiefungen aufweisen, in die die mindestens eine Brennstoffzelle formschlüssig eingreift.
Vorteilhaft ist ebenso, dass mindestens zwei Fixierelemente vorgesehen sind, die die Endplatten im Randbereich jeweils außerhalb der Vertiefungen miteinander verbinden.
Ebenso ist bevorzugt, wenn die Endplatten mit einer Deckenplatte verbunden sind, wobei die Deckenplatte zu der mindestens einen Brennstoffzelle beabstandet ist und zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und der Deckenplatte eine Vorrichtung zur Ausübung einer Kraft in Richtung der Brennstoffzelle angeordnet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Endplatten mit einer Bodenplatte verbunden. Dabei wird die mindestens eine Brennstoffzelle formschlüssig in dem durch die Endplatten und die Bodenplatten aufgespannten Hohlraum gehalten. Dabei ist eine zu der mindestens einen Brennstoffzelle beabstandete Deckenplatte vorgesehen, wobei zwischen der Deckenplatte und der mindestens einen Brennstoffzelle eine Vorrichtung zur Ausübung einer Kraft in Richtung der Brennstoffzelle angeordnet ist.
Weiter bevorzugt ist die Boden- und die Deckenplatte zwischen den beiden Endplatten im Randbereich angeordnet.
Vorteilhaft ist ebenso, wenn die Fixierelemente die Endplatten über die Boden- und Deckenplatte verbinden.
Besonders bevorzugt ist, wenn die Fixierelemente Schraubverbindungen sind.
Insbesondere ist dabei die Vorrichtung zur Ausübung der Kraft ein Federelement.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungen sowie der beigefügten Figuren näher erläutert, ohne die Erfindung auf die speziellen dargestellten Ausführungsformen zu beschränken.
Dabei zeigen
1a–1c verschiedene Darstellungen der Montage und Verpressung eines Brennstoffzellenstacks und
2a–2c verschiedene Darstellungen einer Federverbindung zwischen Montageplatte und Stack zum Ausgleichen des Setzungsverhaltens.
Das Betriebsverhalten von Brennstoffzellen ist sehr stark an die Temperaturverteilung, und somit auch an den Feuchtehaushalt, gekoppelt. Aus diesem Grund ist eine gute Kontaktierung des Kühlsystems zum Brennstoffzellenstack herzustellen. Das wird dadurch realisiert, in dem der Kühlkörper für die Montage und Verpressung des Stacks genutzt wird (1a–c).
Durch die Verpressung wird eine bessere Kontaktierung zwischen Membran, Gasdiffusionsschicht (GDL) und Bipolarplatte erreicht, durch die der ohmsche Wider- stand einer Zelle gesenkt wird. Der Druck, welcher auf den Stack 1 aufgebracht wird, zieht eine Stau- chung der GDL nach sich. Um die Montage zu erleichtern werden die Zellen mit klebenden Dichtungen einzeln oder als Zellpaket vormontiert. Anschließend wird der Stack 1 in einer Halterung 2 (Anpressplatten) aufgeschichtet und verpresst. In diesem Zustand werden seitlich die Kühlkörper 3 angebracht, welche den Stack in dieser Position halten. Fixiert wird die Verbindung aus Stack und Kühlkörper über eine Schraubenverbindung 4, welche aber nicht mehr zur Verpressung des Stacks dient. Die Fertigung der einzelnen Komponenten ist mit Toleranzen verbunden, was dazu führen kann, dass das Höhenmaß für den verpressten Stack abweichen kann. Für eine Serienproduktion ist es sinnvoll, die Nut in dem Kühlkörper immer mit dem gleichen Maß auszuführen. Dies führt zu geringen Fertigungstoleranzen und verhindert eine zu starke Verpressung des Stacks. In 1b sind zusätzlich noch Montageplatten 5 vorhanden.
Aufbauend auf dem Konzept aus 1 wird die Verpressung und Montage über die Kühlkörper 3 erweitert (2a–c). In dieser Erweiterung ist es möglich, höhere Fertigungstoleranzen (z. B. in der Stackhöhe) mit demselben Kühlkörper auszugleichen. Die Zellen werden wie in dem Konzept aus 1 zusammen gebaut und anschließend übereinander gestapelt (hierbei wird der Stack wie in 1 bis zu den abschließenden Anpressplatten 2 aufgebaut). Ist dieser Schritt erfolgt, wird der Stack zwischen die Kühlkörper 3 und der oder den zusätzlichen Montageplatten 5 gelegt (es ist auch eine weitere Platte am anderen Ende möglich). Zwischen den Montageplatten 5 und Anpressplatten 2 werden Federelemente 6 platziert. Durch diese Federelemente 6 wird der benötigte Anpressdruck auf, den Stack übertragen. Durch die Vorspannung der Fe- dern 6 wird auch über die Betriebszeit eine Setzung des Stacks ausgeglichen. Dadurch wird gewährleistet, dass die Kontaktierung innerhalb des Stack aufrechterhalten wird und der ohmsche Widerstand somit nicht ansteigt. Zum Abschluss der Montage werden die Kühlkörper in der Montageplatte 5 durch eine Verzahnung 7 fixiert.
Um die Temperaturverteilung weitestgehend homogenisieren zu können, werden vorzugsweise spezielle Materialien eingesetzt. Die Bipolarplatten werden z. B. aus Grafitfolien gefertigt, welche anisotrope Wärmeleiteigenschaften besitzen. Dadurch wird die Wärmeleitung in Richtung der Kühlkörper gefördert und gleichzeitig die Wärmeleitung in Richtung der Stackend- bzw. Anpressplatten minimiert. Fertigungskosten werden vorrangig durch die Komplexität der Bauteile und durch die Toleranzen bestimmt. Soll aber trotz des höheren Toleranzfeldes eine gute Kontaktierung zwischen Stack 1 und Kühlkörper 3 hergestellt werden, wird eine hochwärmeleitende, elektrisch isolierende Silikonfolie 8 zwischen den Stack 1 und den Kühlkörpern 3 aufgebracht. Dadurch wird die komplette Kontaktfläche zwischen Kühlkörpern 3 und Stack 1 für die Wärmeleitung genutzt.
Neben der Wärmeleitung zu den Kühlkörpern 3 ist auch zu gewährleisten, dass der Stack 1 bei Temperaturen unter 0°C aufgeheizt werden kann. Das kann durch Heizpads realisiert werden, die sich im Rippenfuß befinden. Dadurch kann der Stack 1 vor Inbetriebnahme aufgewärmt werden. Auch der Einsatz von Phasenwech- selmaterialien im Rippenfuß kann zur Wärmespeicherung dienen. Somit wird die Auskühlung des Stacks 1 im Ruhebetrieb verlangsamt.
Durch die Einzelzell- bzw. Zellpaketvormontage und die Verbindung des Stack 1 mit dem Kühlkörper 3 wird ein einfacher seriennaher Zusammenbau gewährleistet. Ebenfalls ist aber durch die Einzellzellausführung eine einfache Demontage bzw. ein einfacher Austausch von evtl. defekten Zellen sichergestellt.
Durch die Kontaktierung über die Silikonfolie 8 und die Verwendung von Materialien mit anisotropen Wärmeleiteigenschaften wird eine bessere Temperaturverteilung innerhalb des Stacks 1 angestrebt. Mit der Verwendung der Silikonfolie 8 und beweglichen Anpressplatten 2 kann auch ein größeres Toleranzfeld, welches durch die Fertigung eingebracht wird, ausgeglichen werden, was zu einer Kostenreduzierung der einzelnen Komponenten führt.
Auch ein Betrieb unter Tieftemperaturbedingungen ist durch die Integration von Phasenwechselmaterialien bzw. Heizelementen berücksichtigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 3134697 [0004]
- US 5419980 [0005]
- US 5993987 [0006]
- CA 2480855 [0007]
- US 5686200 [0008]
- US 6057053 [0009]

Claims

Brennstoffzellenstack umfassend eine erste Endplatte und eine zweite Endplatte, die jeweils als Kühlkörper ausgebildet sind und mindestens eine zwischen der ersten und zweiten Endplatte angeordneten Brennstoffzelle, die mindestens eine Membran, Gasdiffusionsschicht und Elektrodenplatte bzw. Bipolarplatte als Bauelemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Brennstoffzelle als vormontierte Baueinheit über die die erste und zweite Endplatte verbindende Fixierelemente, zwischen den beiden Endplatten gehalten wird.
Brennstoffzellenstack nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente der mindestens einen Brennstoffzelle bei der Vormontage untereinander verklebt und/oder verpresst worden sind.
Brennstoffzellenstack nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente mit klebenden Dichtungen verbunden sind.
Brennstoffzellenstack nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 3 bis 300 Brennstoffzellen, bevorzugt 5 bis 100, besonders bevorzugt 5 bis 50 Brennstoffzellen, die untereinander verklebt und verpresst sind, zwischen den beiden Endplatten gehalten werden.
Brennstoffzellenstack nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten in Richtung des Inneren des Brennstoffzellenstacks jeweils Vertiefungen aufweisen, in die die mindestens eine Brennstoffzelle formschlüssig eingreift.
Brennstoffzellenstack nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Fixierelemente vorgesehen sind, die die Endplatten im Randbereich jeweils außerhalb der Vertiefungen miteinander verbinden.
Brennstoffzellenstack nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten mit einer Deckenplatte verbunden sind, wobei die Deckenplatte zu der mindestens einen Brennstoffzelle beabstandet ist und zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und der Deckenplatte eine Vorrichtung zur Ausübung einer Kraft in Richtung der Brennstoffzelle angeordnet ist.
Brennstoffzellenstack nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten mit einer Bodenplatte verbunden sind und die mindestens eine Brennstoffzelle formschlüssig in dem durch die Endplatten und die Bodenplatten aufgespannten Hohlraum gehalten wird und dass ferner eine zu der mindestens einen Brennstoffzelle beabstandete Deckenplatte vorgesehen ist und dass zwischen der Deckenplatte und der mindestens einen Brennstoffzelle eine Vorrichtung zur Ausübung einer Kraft in Richtung der Brennstoffzelle angeordnet ist.
Brennstoffzellenstack nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Boden- und die Deckenplatte zwischen den beiden Endplatten im Randbereich angeordnet ist.
Brennstoffzellenstack nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierelemente die Endplatten über die Boden- und Deckenplatte verbinden.
Brennstoffzellenstack nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierelemente Schraubverbindungen sind.
Brennstoffzellenstack nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ausübung der Kraft ein Federelement ist.
Brennstoffzellenstack nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwischen der Brennstoffzelle und den Endplatten ein wärmeleitfähiges Material angeordnet ist, insbesondere eine Silikonfolie.