DE102009055664B3

DE102009055664B3 - Fuel cell assembly comprises fuel cell, end plate and U-seal which is arranged at end plate in cross section, such that U-limb of U-seal, is provided between end plate and fuel cell

Info

Publication number: DE102009055664B3
Application number: DE102009055664A
Authority: DE
Inventors: Anton Trenkler; Wolfgang Wagner
Original assignee: MTU Onsite Energy GmbH
Current assignee: FUELCELL ENERGY SOLUTIONS GMBH, DE
Priority date: 2009-11-25
Filing date: 2009-11-25
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-11-26

Abstract

The fuel cell assembly (1) comprises a fuel cell, an end plate (4) and U-seal which is arranged at the end plate in a cross section, such that U-limb (12) of the U-seal, is provided between the end plate and the fuel cell. The U-ridge element (13) of the U-seal, runs from a face side in a direction towards another face side of the end plate.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The The present invention relates to a fuel cell assembly according to the preamble of claim 1.

Brennstoffzellenanordnungen der vorliegenden Art sind im Stand der Technik bekannt, z. B. aus der Druckschrift WO 2008/110292 A1 . Sie umfassen meist mehrere zu einem Stapel zusammengefasste Brennstoffzellen sowie ein – z. B. je Längsseite ein – Manifold bzw. einen Gasverteiler zum Zuführen und Abführen der Gasströme. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Gasverteiler ist regelmäßig eine Dichtungsvorrichtung angeordnet. Die Dichtungsvorrichtung ist z. B. in Form eines (Dichtungs-)Rahmens gebildet, welcher die Dichtungselemente enthält, z. B. Längsdichtungselemente, welche dem Längsrand des Gasverteilers folgen und Querdichtungselemente. Die Dichtungselemente bestehen typischerweise aus elektrisch nichtleitendem Material, wobei die Dichtungsvorrichtung die Gesamtlast des Zellstapels auf den Gasverteiler überträgt.Fuel cell assemblies of the present type are known in the art, for. B. from the document WO 2008/110292 A1 , They usually include several combined into a stack of fuel cells and a -. B. per longitudinal side - Manifold or a gas distributor for supplying and discharging the gas streams. Between the fuel cell stack and the gas distributor, a sealing device is arranged regularly. The sealing device is z. B. in the form of a (sealing) frame, which contains the sealing elements, for. B. longitudinal sealing elements, which follow the longitudinal edge of the gas distributor and transverse sealing elements. The sealing elements are typically made of electrically non-conductive material, with the sealing device transferring the total load of the cell stack to the gas distributor.

Während des Betriebes bewegen sich die in Längsrichtung an stirnseitigen Enden des Zellstapels angeordneten Endplatten sowie die Dichtungen relativ zueinander und z. B. relativ zum Gasverteiler. Hervorgerufen werden diese Bewegungen z. B. durch Temperaturerhöhung von Raumtemperatur auf Betriebstemperatur, i. e. ca. 650°C, durch unterschiedliche Werkstoffpaarungen oder chemische Prozesse. An den Endplatten können dabei Bewegungen in Längsrichtung der Zellstapelachse, in vertikaler Richtung, in Querrichtung der Zellstapelachse sowie Dreh- bzw. aus Einzelbewegungen kombinierte Bewegungen auftreten.During the Operation move in the longitudinal direction Endplates arranged at the front ends of the cell stack as well the seals relative to each other and z. B. relative to the gas distributor. These movements are caused z. B. by increasing the temperature of Room temperature to operating temperature, i. e. about 650 ° C, through different material pairings or chemical processes. At the end plates can doing movements in the longitudinal direction the cell stack axis, in the vertical direction, in the transverse direction of the Cell stack axis and rotary or combined from individual movements Movements occur.

Um bei einer Bewegung der Dichtungsvorrichtung bzw. der Endplatte infolge einer Bewegung des Brennstoffzellenstapels die Trennung der Gasräume (Anodengas und Kathodengas) sicherzustellen und eine Bewegung auszugleichen, wurden bisher z. B. Flachdichtungen und M-Dichtungen zusätzlich zu den Querdichtungen verwendet. Diese decken jedoch die Relativbewegung zwischen den Dichtungspartnern insbesondere stirnseitig an den Endplatten nicht ausreichend ab, so dass bei Relativbewegung in vertikaler Richtung und/oder in Längsrichtung im Bereich der Querdichtung Undichtigkeiten auftreten.Around in a movement of the sealing device or the end plate due a movement of the fuel cell stack, the separation of the gas spaces (anode gas and cathode gas) and to compensate for movement, have been z. As flat gaskets and M-seals in addition to used the transverse seals. However, these cover the relative movement between the sealing partners, in particular frontally to the end plates not sufficient, so that when relative movement in vertical Direction and / or in the longitudinal direction Leakages occur in the area of the transverse seal.

Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenanordnung vorzuschlagen, welche oben genannte Nachteile überwindet und eine Querabdichtung der beiden Gasräume (Anodengas und Kathodengas) an der Endplatte zuverlässig ermöglicht.outgoing This is the object of the present invention, a To propose fuel cell assembly, which overcomes the above-mentioned disadvantages and a transverse sealing of the two gas spaces (anode gas and cathode gas) reliable on the end plate allows.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by the Characteristics of claim 1 solved.

Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle sowie einer benachbart dazu angeordneten Endplatte, wobei eine im Querschnitt U-förmige Dichtung derart an der Endplatte angeordnet ist, dass ein erster U-Schenkel der U-Dichtung zwischen Endplatte und benachbarter Brennstoffzelle benachbart zu einer ersten Stirnseite der Endplatte fixiert ist, ein U-Stegelement der U-Dichtung sich von der ersten in Richtung zur zweiten Stirnseite der Endplatte außerhalb der Endplatte benachbart zu dieser erstreckt; und wobei die U-Dichtung an einem dem ersten U-Schenkel gegenüberliegenden Ende des U-Stegelements mittels einer Vorspannvorrichtung mit einer Vorspannkraft in Richtung von der Endplatte zum U-Stegelement dauerhaft beaufschlagt ist.proposed is inventively a fuel cell assembly with a fuel cell and one adjacent thereto End plate, wherein a cross-sectionally U-shaped seal on the End plate is arranged that a first U-leg of the U-seal adjacent to one another between the end plate and adjacent fuel cell a first end face of the end plate is fixed, a U-web element the U-seal extends from the first towards the second end the end plate outside extending the end plate adjacent thereto; and where the U-seal at an end of the U-bar element opposite the first U-leg by means of a biasing device with a biasing force in the direction is permanently acted upon by the end plate to the U-web element.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung weist die Vorspannvorrichtung ein Vorspannelement auf, welches von einem zweiten U-Schenkel gefangen ist, insbesondere in Verbindung mit der Endplatte und/oder dem U-Stegelement.at an embodiment of the invention the fuel cell assembly includes the biasing device Biasing element caught by a second U-leg is, in particular in connection with the end plate and / or the U-web element.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung ist der zweite U-Schenkel integral mit der Vorspannvorrichtung gebildet.at a further embodiment of the invention the fuel cell assembly is the second U-leg integral formed with the biasing device.

Bei noch einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung ist die Vorspannung mittels der Vorspannvorrichtung variierbar.at Yet another embodiment of the fuel cell assembly according to the invention the bias voltage is variable by means of the biasing device.

Gemäß einem Aspekt der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung erstreckt sich das U-Stegelement in Richtung von der ersten zur zweiten Stirnseite im Wesentlichen bis zur zweiten Stirnseite oder darüber hinaus.According to one Aspect of the fuel cell assembly according to the invention the U-web element extends in the direction from the first to second end side substantially to the second end side or about that out.

Gemäß noch einem Aspekt der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung weist die Brennstoffzellenanordnung eine Dichtungsvorrichtung auf, welche benachbart zu der U-Dichtung angeordnet ist, wobei das U-Stegelement zur Abdichtung mit einem Außenende der Dichtungsvorrichtung zusammenwirkt, insbesondere einem Außenende einer Querdichtung der Dichtungsvorrichtung.According to one more Aspect of the fuel cell assembly according to the invention the fuel cell assembly has a sealing device, which is arranged adjacent to the U-seal, wherein the U-web element for sealing with an outer end the sealing device cooperates, in particular an outer end a transverse seal of the sealing device.

Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß auch eine Brennstoffzellenanordnung, bei welcher die Vorspannvorrichtung ein zylindrisches Vorspannelement aufweist.proposed is according to the invention also a Fuel cell assembly, in which the biasing device a having cylindrical biasing element.

Weiterhin ist erfindungsgemäß eine Brennstoffzellenanordnung vorgesehen, wobei die Vorspannvorrichtung mittels eines in einer Haltevorrichtung fährbaren Vorspannelements gebildet ist.Furthermore, a fuel cell assembly according to the invention is provided, wherein the biasing device by means of a Haltevorrich in a Haltevorrich tungfährbaren biasing element is formed.

Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung weist die Haltevorrichtung ein Führungslager mit einer Führungsebene zur Führung des Vorspannelements auf.at an embodiment of the invention the fuel cell assembly, the holding device has a guide bearing with a management level to the leadership of the biasing element.

Bei noch einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung wirkt die U-Dichtung zur Abdichtung mit einer Dichtrampe der Dichtungsvorrichtung zusammen.at another embodiment of the invention the fuel cell assembly, the U-seal acts to seal with a sealing ramp of the sealing device together.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description of exemplary embodiments the invention, with reference to the figures of the drawings, the invention essential Details show, and from the claims. The individual characteristics can each individually for one or more in any combination in a variant be realized the invention.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:preferred embodiments The invention will be described below with reference to the accompanying drawings explained in more detail. It demonstrate:

1 exemplarisch eine Brennstoffzellenanordnung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung; 1 an exemplary fuel cell arrangement according to a possible embodiment of the invention;

2 exemplarisch eine Brennstoffzellenanordnung mit einer entspannten U-Dichtung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung; 2 an example of a fuel cell assembly with a relaxed U-seal according to a possible embodiment of the invention;

3 exemplarisch eine Brennstoffzellenanordnung gemäß 2 mit vorgespannter U-Dichtung; 3 exemplarily a fuel cell arrangement according to 2 with pre-stressed U-seal;

4 exemplarisch eine weitere Ansicht der Brennstoffzellenanordnung gemäß 3 mit verändertem Spaltquerschnitt; 4 exemplarily another view of the fuel cell assembly according to 3 with modified gap cross-section;

5 eine Detailansicht der Brennstoffzellenanordnung gemäß 3; 5 a detailed view of the fuel cell assembly according to 3 ;

6 eine weitere Ansicht der Brennstoffzellenanordnung gemäß 3; 6 a further view of the fuel cell assembly according to 3 ;

7 exemplarisch eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Vorspannvorrichtung gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung; und 7 an example of a fuel cell assembly with a biasing device according to another possible embodiment of the invention; and

8 exemplarisch die Brennstoffzellenanordnung von 7 in einer Stirnansicht. 8th exemplarily the fuel cell arrangement of 7 in a front view.

In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.In The following description and the drawings are the same Reference signs Elements of the same or comparable function.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung 1. Die Brennstoffzellenanordnung 1 weist zum Beispiel eine oder mehrere Brennstoffzellen 2 auf, wobei mehrere Brennstoffzellen 2 z. B. auf bekannte Weise zu einem Brennstoffzellenstapel 3 verbunden sind, z. B. verspannt sind. An den Stirnseiten der Brennstoffzelle 2 bzw. eines Stapels 3 ist jeweils eine Endplatte 4 angeordnet, wobei sich ein Gasverteiler (Manifold) 5 z. B. jeweils von einer Endplatte 4 zur gegenüberliegenden Endplatte 4 in Längsrichtung (X-Richtung) erstreckt, um z. B. Gasströme zu- bzw. abzuführen, d. h. z. B. Brenngas, Oxidationsgas und Abgas. 1 shows a fuel cell assembly according to the invention 1 , The fuel cell assembly 1 has, for example, one or more fuel cells 2 on, with several fuel cells 2 z. B. in a known manner to a fuel cell stack 3 are connected, z. B. are braced. At the end faces of the fuel cell 2 or a stack 3 is each an end plate 4 arranged, whereby a gas distributor (Manifold) 5 z. B. each of an end plate 4 to the opposite end plate 4 in the longitudinal direction (X direction) extends to z. B. supply or remove gas streams, ie, for example, fuel gas, oxidizing gas and exhaust gas.

An dem Gasverteiler 5 angeordnet ist eine Dichtungsvorrichtung 6, welche zwischen dem Gasverteiler 5 und dem Brennstoffzellenstapel 3 eine elektrisch nicht leitende Abdichtung ermöglicht. Die Dichtungsvorrichtung 6 weist dazu z. B. keramische Dichtelemente 7 (dielectrics) und/oder weitere Dichtelemente 8 (2) auf (z. B. Dichtfilz), welche den Brennstoffzellenstapel 3 (der im Betrieb eine Gleichspannung liefert), auf Abstand zum Gasverteiler 5 halten (welcher auf Masse liegt) und eine Abdichtung auf bekannte Weise mittels in Rahmenform angeordneten Längs- und Querdichtungselementen ermöglichen. Ein Querdichtungselement bzw. eine Querdichtung 9, welche sich z. B. über die Breite B einer Endplatte 4 in Querrichtung (Z-Richtung) erstreckt, ist z. B. ebenfalls als keramisches bzw. dielektrisches Dichtelement ausgeführt. Z. B. kann die Querdichtung 9 wie vorliegend z. B. als Dichtrampe 10 ausgeführt sein, d. h. mit einer in Längsrichtung von der Brennstoffzelle 2 weg weisenden, geneigten Rampenfläche (2).At the gas distributor 5 arranged is a sealing device 6 which is between the gas distributor 5 and the fuel cell stack 3 allows an electrically non-conductive seal. The sealing device 6 points to z. B. ceramic sealing elements 7 (dielectrics) and / or other sealing elements 8th ( 2 ) (for example, sealing felt) which contain the fuel cell stack 3 (which supplies a DC voltage during operation), at a distance to the gas distributor 5 hold (which is grounded) and allow a seal in a known manner by means arranged in frame longitudinal and transverse sealing elements. A transverse sealing element or a transverse seal 9 which z. B. over the width B of an end plate 4 extends in the transverse direction (Z direction), z. B. also designed as a ceramic or dielectric sealing element. For example, the transverse seal 9 as present z. B. as a sealing ramp 10 be executed, ie with a longitudinal direction of the fuel cell 2 pointing away, inclined ramp surface ( 2 ).

Um eine Relativbewegung von Endplatte 4 und Dichtungsvorrichtung 6 in Längsrichtung und/oder vertikaler Richtung (Y-Richtung) auszugleichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, zusätzlich zu der Dichtungsvorrichtung 6 bzw. der Querdichtung 9 eine im Querschnitt U-förmige Dichtung 11 an der Endplatte 4 anzuordnen, welche nachfolgend als U-Dichtung 11 bezeichnet ist und die Querdichtung 9 bei der Abdichtung unterstützt.To a relative movement of end plate 4 and sealing device 6 in the longitudinal direction and / or vertical direction (Y-direction), is provided according to the invention, in addition to the sealing device 6 or the transverse seal 9 a cross-sectionally U-shaped seal 11 at the end plate 4 to arrange, which subsequently as a U-seal 11 is designated and the transverse seal 9 assisted with the sealing.

Die U-Dichtung 11 weist einen ersten U-Schenkel 12 auf (z. B. 2, 3), welcher zwischen einer ersten Stirnseite 4a der Endplatte 4 und der dazu benachbarten Brennstoffzelle 2 z. B. des Brennstoffzellenstapels 3 angeordnet, insbesondere fixiert ist. Der erste U-Schenkel 12 ist z. B. in vertikaler Richtung in einer Aufnahme zur fluchtenden Anordnung an der Endplatte 4 fixiert, wobei der U-Schenkel 12 die Anordnung der benachbarten Brennstoffzelle 2 nicht beeinträchtigt. 2 zeigt dabei die U-Dichtung 11 im entspannten (nicht vorgespannten) Zustand.The U-seal 11 has a first U-leg 12 on (eg 2 . 3 ), which between a first end face 4a the end plate 4 and the adjacent fuel cell 2 z. B. the fuel cell stack 3 arranged, in particular fixed. The first U-thigh 12 is z. B. in the vertical direction in a receptacle for alignment with the end plate 4 fixed, with the U-leg 12 the arrangement of the adjacent fuel cell 2 not impaired. 2 shows the U-seal 11 in the relaxed (unbiased) condition.

Der erste U-Schenkel 12 kann z. B. zwischen Endplatte 4 und Brennstoffzelle 2 geklemmt oder auf geeignete Weise z. B. kraft-, form- oder stoffschlüssig befestigt sein, insbesondere dauerhaft. Der erste U-Schenkel 12 ist mit einem U-Stegelement 13, insbesondere integral, z. B. mittels seines unteren Endes (proximales Ende), verbunden, z. B. an einem ersten Ende 13a des U-Stegelements 13 gebildet. Der erste U-Schenkel 12 ragt z. B. im Wesentlichen senkrecht von dem U-Stegelement 13 in vertikaler Richtung hervor.The first U-thigh 12 can z. B. between end plate 4 and fuel cell 2 clamped or on suitable way z. B. force, form or cohesively fastened, in particular permanently. The first U-thigh 12 is with a U-bar element 13 , in particular integrally, for. B. by its lower end (proximal end), connected, z. B. at a first end 13a of the U-posture 13 educated. The first U-thigh 12 protrudes z. B. substantially perpendicular from the U-web element 13 in the vertical direction.

Das U-Stegelement 13 erstreckt sich in Richtung von der ersten 4a zur zweiten Stirnseite 4b der Endplatte 4 (Längsrichtung) außerhalb der Endplatte 4, insbesondere benachbart zur Endplatte 4 (2) und z. B. insbesondere benachbart zu der zur Anlage an einer Dichtungsvorrichtung 6 bzw. Querdichtung 9 vorgesehenen Seite der Endplatte 4 (i. e. eine Stirnseite in vertikaler Richtung), wobei es z. B. eine Längserstreckung aufweist, die im Wesentlichen der der Endplatte 4 zwischen erster 4a und zweiter 4b Stirnseite entspricht.The U-bar element 13 extends in the direction of the first 4a to the second end face 4b the end plate 4 (Longitudinal direction) outside the end plate 4 , in particular adjacent to the end plate 4 ( 2 ) and Z. B. in particular adjacent to the system to a sealing device 6 or transverse seal 9 provided side of the end plate 4 (ie an end face in the vertical direction), wherein it z. B. has a longitudinal extent, which is substantially the end plate 4 between first 4a and second 4b Front side corresponds.

An der dem (unteren Ende des) ersten U-Schenkel(s) 12 gegenüberliegenden Seite weist das U-Stegelement 13 ein zweites Ende 13b auf. Das zweite Ende 13b weist keine eigene Lagerung bzw. Fixierung, z. B. an der Endplatte 4, auf und ist insofern ein freies Ende. Am zweiten Ende 13b ragt ein zweiter U-Schenkel 14 vom U-Stegelement 13 auf, z. B. im Wesentlichen senkrecht. Der zweite U-Schenkel 14 ist z. B. kürzer als der erste U-Schenkel 12 (in vertikaler Richtung).At the (lower end of) the first U-leg (s) 12 opposite side has the U-web element 13 a second end 13b on. The second end 13b does not have its own storage or fixation, z. B. on the end plate 4 , and thus is a free end. At the second end 13b protrudes a second U-leg 14 from the U-bar element 13 on, z. B. substantially perpendicular. The second U-thigh 14 is z. B. shorter than the first U-leg 12 (in the vertical direction).

Das an der Endplatte 4 angeordnete U-Stegelement 13 überragt im entspannten Zustand die Endplatte 4 an der zweiten Stirnseite 4b in Längsrichtung, z. B. geringfügig, so dass der zweite Schenkel 14 im entspannten Zustand z. B. benachbart zur zweiten Stirnseite 4b aufragt. Dabei ist der zweite U-Schenkel 14 im entspannten Zustand der U-Dichtung 11 zum Beispiel von der zweiten Stirnseite 4b beabstandet und überlappt diese in Längsrichtung. Es ist jedoch auch denkbar, das U-Stegelement 13 mit kürzerer Längserstreckung auszubilden, derart, dass es die Endplatte 4 in Längsrichtung zur zweiten Stirnseite 4b nicht überragt und keine Anordnung im entspannten Zustand an der Endplatte 4 zulässt.That at the end plate 4 arranged U-web element 13 surmounted in the relaxed state, the end plate 4 on the second front side 4b in the longitudinal direction, z. B. slightly, so that the second leg 14 in the relaxed state z. B. adjacent to the second end face 4b rises. Here is the second U-leg 14 in the relaxed state of the U-seal 11 for example, from the second end face 4b spaced and overlapped in the longitudinal direction. However, it is also conceivable, the U-web element 13 form with shorter longitudinal extent, such that it is the end plate 4 in the longitudinal direction to the second end face 4b not towered over and no arrangement in the relaxed state on the end plate 4 allows.

Um eine erfindungsgemäße Abdichtung erzielen zu können, wird die U-Dichtung 11 (wie eine Feder) vorgespannt (3), insbesondere durch elastische Verformung der U-Dichtung 11, welche zu diesem Zweck z. B. aus Federblech oder einem anderen geeigneten federelastischen Material gebildet ist. Die Vorspannung erfolgt z. B. mechanisch durch Krafteinwirkung am zweiten Ende 13b des U-Stegelements 13 in Richtung von der Endplatte 4 hin zu dem U-Stegelement 13, i. e. durch Beaufschlagung mit einer Vorspannkraft. Durch die Vorspannung ist die U-Dichtung 11 nunmehr bestrebt, in die entspannte Ausgangsposition bzw. Ruhelage zurückzukehren und arbeitet einer weiteren Verspannung (verstärkt) entgegen.In order to achieve a seal according to the invention, the U-seal 11 (like a spring) pretensioned ( 3 ), in particular by elastic deformation of the U-seal 11 which for this purpose z. B. is formed from spring steel or other suitable resilient material. The bias is z. B. mechanically by force at the second end 13b of the U-posture 13 in the direction of the end plate 4 towards the U-bar element 13 by applying a preload force. Due to the bias is the U-seal 11 now anxious to return to the relaxed starting position or rest position and works against another strain (reinforced) against.

Zur dauerhaften Vorspannung ist erfindungsgemäß eine Vorspannvorrichtung 15 vorgesehen. Die Vorspannvorrichtung 15 wird z. B. am zweiten freien Ende 13b des U-Stegelements 13 angeordnet, derart, dass mittels der Vorspannvorrichtung 15 dauerhaft eine Kraft am zweiten Ende 13b des U-Stegelements 13 in Richtung zur Querdichtung 9, i. e. vertikal, auf die U-Dichtung 11 ausgeübt wird. Anders ausgedrückt spreizt die Vorspannvorrichtung 15 das U-Stegelement 13 am zweiten Ende 13b von der Endplatte 4 (gegenüber dem entspannten Zustand der U-Dichtung 11) ab, so dass das zweite Ende 13b der U-Dichtung 11 von der Endplatte 4 in vertikaler Richtung beabstandet ist. Ein maximaler Abstand zwischen Endplatte 4 und U-Stegelement 13 stellt sich infolge der Abspreizung bzw. Vorspannung z. B. am zur zweiten Stirnseite 4b benachbarten Längsende der Endplatte 4 ein.For permanent bias according to the invention is a biasing device 15 intended. The pretensioner 15 is z. B. at the second free end 13b of the U-posture 13 arranged such that by means of the biasing device 15 permanently a force at the second end 13b of the U-posture 13 towards the transverse seal 9 , ie vertically, on the U-seal 11 is exercised. In other words, the pretensioner spreads 15 the U-bar element 13 at the second end 13b from the end plate 4 (opposite to the relaxed state of the U-seal 11 ) off, leaving the second end 13b the U-seal 11 from the end plate 4 is spaced in the vertical direction. A maximum distance between end plate 4 and U-bar element 13 arises as a result of the spread or bias z. B. on the second end face 4b adjacent longitudinal end of the end plate 4 one.

Die Vorspannvorrichtung 15 kann z. B. integral mit dem zweiten Schenkel 14 gebildet sein, z. B. den zweiten U-Schenkel 14 bilden. Denkbar ist dabei, dass sich der zweite Schenkel 14 mit seinem dem U-Stegelement 13 gegenüber liegenden Ende (distales Ende) in vertikaler Richtung an der Endplatte 4 abstützt. Vorgesehen ist dabei insbesondere auch, die Vorspannvorrichtung 15 wie vorliegend als eigenständige Vorrichtung auszubilden, welche an der U-Dichtung 11 anordenbar ist, und welche zur Ausbildung einer Vorspannung z. B. mit der Endplatte 4 zusammenwirkt.The pretensioner 15 can z. B. integral with the second leg 14 be formed, for. B. the second U-leg 14 form. It is conceivable that the second leg 14 with its the U-bar element 13 opposite end (distal end) in the vertical direction on the end plate 4 supported. In particular, the pretensioning device is also provided 15 as in the present case as an independent device, which on the U-seal 11 can be arranged, and which for forming a bias z. B. with the end plate 4 interacts.

Als Vorspannvorrichtung 15 wird z. B. ein rohrförmiges bzw. hohlzylindrisches Vorspannelement 15a verwendet, welches z. B. am zweiten Ende 13b in vertikaler Richtung zwischen Endplatte 4 und U-Stegelement 13 angeordnet ist, z. B. mittels des zweiten U-Schenkels 14, der Endplatte 4 sowie dem U-Stegelement 13 gefangen bzw. fixiert ist, z. B. durch Klemmung positionstreu fixiert ist. Denkbar sind jedoch auch andere Querschnitte zur Herstellung und Aufrechterhaltung eines vertikalen Abstands zwischen Endplatte 4 und dem zweiten Ende 13b.As pretensioner 15 is z. B. a tubular or hollow cylindrical biasing element 15a used, which z. B. at the second end 13b in vertical direction between end plate 4 and U-bar element 13 is arranged, for. B. by means of the second U-leg 14 , the end plate 4 as well as the U-bar element 13 is caught or fixed, z. B. is fixed by straightening positionally stable. However, other cross-sections are also conceivable for producing and maintaining a vertical distance between the end plate 4 and the second end 13b ,

Infolge der Vorspannung erfährt die U-Dichtung 11 eine Biegung, z. B. entlang ihres U-Stegelements 13. Die U-Dichtung 11 wird z. B. nach Anlage (zusammen mit der Endplatte 4) an der Dichtungsvorrichtung 6 vorgespannt, z. B. durch Einbringen des Vorspannelements 15a mittels Werkzeugeingriffs, welchen z. B. ein wie oben erläuterter Überstand des zweiten Endes 13b relativ zur Endplatte 4 an der zweiten Stirnseite 4b in Längsrichtung erleichtert.As a result of the bias experienced by the U-seal 11 a bend, z. B. along its U-bar element 13 , The U-seal 11 is z. B. after investment (together with the end plate 4 ) on the sealing device 6 biased, z. B. by introducing the biasing element 15a by means of tool engagement, which z. Example, as explained above supernatant of the second end 13b relative to the end plate 4 on the second front side 4b facilitated in the longitudinal direction.

Das U-Stegelement 13, welches den ersten 12 und den zweiten 14 U-Schenkel verbindet und eine Erstreckung in Querrichtung aufweist, die insbesondere mit der Breite B der Endplatte 4 korrespondiert, ist zu einer Anordnung an der Dichtungsvorrichtung 6 derart vorgesehen, dass ein Zusammenwirken mit der Dichtungsvorrichtung 6, insbesondere der Querdichtung 9, zum Zwecke der Abdichtung erfolgen kann.The U-bar element 13 which is the first 12 and the second 14 U-leg connects and has an extension in the transverse direction, in particular with the width B of the end plate 4 corresponds to an arrangement on the sealing device 6 provided such that a cooperation with the sealing device 6 , in particular the transverse seal 9 , for the purpose of sealing can be done.

Zur Ausbildung einer Dichtlinie 17a wirkt die U-Dichtung 11 mit einem Außenende 17 der Querdichtung 9 bzw. der Dichtungsvorrichtung 6, welches in Richtung von der Brennstoffzelle 2 zur zweiten Stirnseite 4b sowie in Richtung von der Querdichtung 9 zur Endplatte 4 ein Außenende bildet, zusammen, wobei entlang der Dichtlinie bei einer Relativbewegung von Dichtungsvorrichtung 6 und Endplatte 4 in Längsrichtung und/oder vertikaler Richtung eine zuverlässige Abdichtung über die Breite B der Endplatte 4 möglich ist.To form a sealing line 17a acts the U-seal 11 with an outside end 17 the transverse seal 9 or the sealing device 6 pointing in the direction of the fuel cell 2 to the second end face 4b as well as in the direction of the transverse seal 9 to the end plate 4 forms an outer end, together, wherein along the sealing line during a relative movement of the sealing device 6 and end plate 4 in the longitudinal direction and / or vertical direction, a reliable seal over the width B of the end plate 4 is possible.

Die Endplatte 4 mit daran angeordneter U-Dichtung 11 wird z. B. an der Dichtungsvorrichtung 6 so angeordnet, dass sich das Außenende 17 der Querdichtung 9 in Längsrichtung vorzugsweise zwischen erstem Ende 13a und zweitem Ende 13b des U-Stegelements 13 befindet, derart, dass das Außenende 17 bzw. die Dichtlinie 17a auch bei maximal zu erwartender Relativbewegung der Endplatte 4 zur Querdichtung 9 innerhalb der Längsabmessung der Endplatte 4, insbesondere der Längsabmessung des gegenüberliegend angeordneten U-Stegelements 13, verbleibt. Bei der vorgesehenen Anordnung verlaufen das U-Stegelement 13 und das Außenende 17 (z. B. im Ruhezustand der Brennstoffzellenanordnung 1) im Wesentlichen parallel zueinander in Querrichtung.The end plate 4 with arranged on it U-seal 11 is z. B. on the sealing device 6 arranged so that the outer end 17 the transverse seal 9 in the longitudinal direction preferably between the first end 13a and second end 13b of the U-posture 13 located, such that the outer end 17 or the sealing line 17a even with maximum expected relative movement of the end plate 4 to the transverse seal 9 within the longitudinal dimension of the end plate 4 , in particular the longitudinal dimension of the oppositely arranged U-bar element 13 , remains. In the intended arrangement, the U-web element run 13 and the outer end 17 (eg at rest of the fuel cell assembly 1 ) substantially parallel to each other in the transverse direction.

Ferner wird bei der vorgesehenen Anordnung der Endplatte 4 zusammen mit der vorgespannten U-Dichtung 11 an der Querdichtung 9 bzw. Dichtungsvorrichtung 6 das vorgespannte U-Stegelement 13 gegen das z. B. in Form einer Dichtkante oder eines Dichtradius gebildete Außenende 17 der Querdichtung 9 (z. B. der Dichtrampe 10) zur Anlage gedrängt. Das Außenende 17 ist dabei so ausgebildet, dass eine Abdichtung in Verbindung mit dem U-Stegelement 13 möglich ist, d. h. das U-Stegelement 13 z. B. über die gesamte Breite B der Endplatte 4 ununterbrochen kontaktierend zur Anlage gelangen kann, folglich im gesamten abzudichtenden Bereich ein Druck auf das U-Stegelement 13 ausgeübt werden kann. Das Außenende 17 kann dabei z. B. als Kante oder als Halbrund oder mit anderem zur Ausbildung einer Dichtlinie 15a geeigneten Querschnitt gebildet sein.Furthermore, in the intended arrangement of the end plate 4 together with the pre-stressed U-seal 11 at the transverse seal 9 or sealing device 6 the prestressed U-bar element 13 against the z. B. in the form of a sealing edge or a sealing radius formed outer end 17 the transverse seal 9 (eg the sealing ramp 10 ) urged to the plant. The outer end 17 is designed so that a seal in connection with the U-web element 13 is possible, ie the U-web element 13 z. B. over the entire width B of the end plate 4 continuous contact with the system can reach, thus in the entire sealed area pressure on the U-web element 13 can be exercised. The outer end 17 can be z. B. as an edge or as a semicircle or with other to form a sealing line 15a be formed suitable cross-section.

Vorzugsweise kann ein abgerundetes oder ein stumpfwinkliges Außenende 17 zur Anlage an der U-Dichtung 11 vorgesehen bzw. an der Querdichtung 9 gebildet sein, welches eine im Vergleich zu einer Kante breitere Anlagefläche bei Anschmiegen der U-Dichtung 11 zur Verfügung stellt. In Richtung zur zweiten Stirnseite 4b ist bei der erläuterten Anordnung in Längsrichtung benachbart zu dem Außenende 17 ein freier Raum vorgesehen, in welchen das abgespreizte zweite Ende 13b der vorgespannten U-Dichtung 11 eintauchen kann, wobei der freie Raum z. B. durch die Dichtrampe 10 bildbar ist.Preferably, a rounded or an obtuse outer end 17 for fitting to the U-seal 11 provided or on the transverse seal 9 be formed, which in comparison to an edge wider contact surface for nestling of the U-seal 11 provides. Towards the second front 4b is in the illustrated arrangement in the longitudinal direction adjacent to the outer end 17 a free space is provided, in which the splayed second end 13b the pre-stressed U-seal 11 can dive, with the free space z. B. by the sealing ramp 10 is picturable.

Infolge des Drucks des Außenendes 17 gegen das vorgespannte U-Stegelement 13, welches nunmehr eine weitere Verspannung erfährt und dessen Bestreben, einer solchen weiteren Verspannung entgegen zu wirken, kann eine abzudichtende, sich infolge z. B. einer Bewegung des Brennstoffzellenstapels 3 bildende Spaltöffnung 18 zwischen der Endplatte 4 und der Querdichtung 9 bzw. der Dichtungsvorrichtung 6 verschlossen werden (in Längsrichtung und vertikaler Richtung), so dass entlang der durch das Außenende 17 gebildeten Dichtlinie zuverlässig eine Abdichtung erzielbar ist. Bei einer Bewegung des Außenendes 17 in Längsrichtung und/oder vertikal relativ zu dem U-Stegelement 13 gleicht das U-Stegelement 13 bzw. die U-Dichtung 11 die Bewegung durch Anpassung bzw. korrespondierende Änderung seiner/ihrer Durchbiegung aus, so dass eine Andruckkraft auf das Außenende 17 entlang der Dichtlinie 17a ausgeübt wird, i. e. solange, bis die U-Dichtung 11 die originär mittels der Vorspannvorrichtung 15 erzielte Vorspannstellung wieder einnehmen kann.As a result of the pressure of the outer end 17 against the prestressed U-web element 13 , which now undergoes a further tension and its endeavor to counteract such a further tension, can be sealed, due z. B. a movement of the fuel cell stack 3 forming gap opening 18 between the end plate 4 and the transverse seal 9 or the sealing device 6 be closed (longitudinally and vertically), so that along through the outer end 17 formed sealing line reliably a seal can be achieved. With a movement of the outer end 17 in the longitudinal direction and / or vertically relative to the U-web element 13 resembles the U-bar element 13 or the U-seal 11 the movement by adaptation or corresponding change of his / her deflection, so that a pressure force on the outer end 17 along the sealing line 17a is exercised, ie, until the U-seal 11 the original by means of the pretensioner 15 achieved bias position can take again.

Mittels der erfindungsgemäßen, vorgespannten U-Dichtung 11 lassen sich unterschiedliche Spaltquerschnitte eines Spalts 18 abdichten. Um Spaltquerschnitte mit einer großen Erstreckung in vertikaler Richtung abzudichten, ist es z. B. vorgesehen, eine große Vorspannkraft auf das U-Stegelement 13 auszuüben, z. B. durch Wahl eines Vorspannelements großen Durchmessers, welches eine große Auslenkung der U-Dichtung 11 am z. B. zweiten Ende 13b ermöglicht. Einher geht damit ggf. eine höhere Beanspruchung der U-Dichtung 11. Um verschiedene zu erwartende Erstreckungen des Spaltquerschnitts des Spalts 18 in Längsrichtung abdecken zu können, können z. B. unterschiedliche Längen des U-Stegelements 13 notwendig sein, wobei vorzugsweise eine Länge gewählt wird, die z. B. im Wesentlichen der der Längserstreckung der Endplatte 4 entspricht.By means of the invention, pre-stressed U-seal 11 can be different gap cross-sections of a gap 18 caulk. To seal gap cross-sections with a large extension in the vertical direction, it is z. B. provided, a large biasing force on the U-web element 13 exercise, for. B. by selecting a biasing element of large diameter, which is a large deflection of the U-seal 11 at the z. B. second end 13b allows. If necessary, a higher stress of the U-seal may occur 11 , To different expected extents of the gap gap of the gap 18 To cover in the longitudinal direction, z. B. different lengths of the U-bar element 13 be necessary, preferably a length is selected, the z. B. substantially the length of the end plate 4 equivalent.

Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, die Vorspannvorrichtung 15 mehrteilig auszubilden, z. B. derart, dass eine eigenständige Haltevorrichtung 19 das Vorspannelement 15a, z. B. beidseitig der Endplatte 4 führt bzw. gegen die U-Dichtung drängt, z. B. mittels je eines Führungslagers 20 der Haltevorrichtung 19. Dazu ist die Haltevorrichtung 19 an der Brennstoffzellenanordnung 1 derart befestigt, dass eine Relativbewegung von Endplatte 4, U-Dichtung 11 und Vorspannelement 15a zur Haltevorrichtung 19 möglich ist, z. B. an einem Gasverteiler 5. Dazu weist die Haltevorrichtung 19 z. B. Halter 21 auf, die jeweils in Z-Richtung benachbart zu der Endplatte 4 am Gasverteiler 5 fixiert werden können. Zur Fixierung sind z. B. Bohrungen 22 in Form von z. B. Langlöchern vorgesehen, mittels derer die Halter 21 jeweils zum Zusammenwirken mit dem Vorspannelement 15a in Längsrichtung und vertikal geeignet eingestellt und mit dem Gasverteiler 5 verschraubt oder anderweitig befestigt werden können.According to the invention is also provided, the biasing device 15 form multiple parts, z. B. such that an independent holding device 19 the biasing element 15a , z. B. on both sides of the end plate 4 leads or pushes against the U-seal, z. B. by means of a respective guide bearing 20 the holding device 19 , This is the holding device 19 at the A fuel cell assembly 1 fixed so that a relative movement of end plate 4 , U-seal 11 and biasing element 15a to the holding device 19 is possible, for. B. on a gas distributor 5 , For this purpose, the holding device 19 z. B. holder 21 in each case in the Z-direction adjacent to the end plate 4 at the gas distributor 5 can be fixed. For fixing z. B. holes 22 in the form of z. B. slotted holes, by means of which the holder 21 each for cooperation with the biasing element 15a adjusted longitudinally and vertically suitable and with the gas distributor 5 screwed or otherwise secured.

Das Vorspannelement 15a überragt in diesem Fall z. B. die Endplatte 4 in Querrichtung und kann aufgrund des Überstands seiner Enden 23 mit je einem Ende 23 in je einem Führungslager 20 der Haltevorrichtung 19 bzw. eines Halters 21 gefangen werden, so dass mittels der Haltevorrichtung 19 und der darin gefangenen Enden 23 eine Vorspannkraft auf die U-Dichtung 11 ausgeübt werden kann. Das Vorspannelement 15a ist dabei z. B. im Wesentlichen plattenförmig gebildet und z. B. benachbart zur zweiten Stirnseite 4b angeordnet.The biasing element 15a surmounted in this case z. B. the end plate 4 in the transverse direction and may due to the projection of its ends 23 with one end each 23 each in a guide bearing 20 the holding device 19 or a holder 21 be caught, so that by means of the holding device 19 and the ends caught in it 23 a preload force on the U-seal 11 can be exercised. The biasing element 15a is z. B. formed substantially plate-shaped and z. B. adjacent to the second end face 4b arranged.

Ein Führungslager 20, welches zur Potentialtrennung zum Beispiel aus einem elektrisch schlecht leitenden Material, z. B. Keramik, besteht, ist zum Beispiel jeweils in einem Halter 21 der Haltevorrichtung 19 angeordnet, und weist zum Beispiel jeweils eine Führungsebene 24 zur beweglichen, z. B. gleitbaren Führung der in der Haltevorrichtung 19 gefangenen Enden 22 des Vorspannelements 15a auf, wobei mittels der Steigung der Führungsebene 24 der Wert und der Verlauf der Vorspannung während der Lebensdauer vorgegeben werden. Es ist folglich vorgesehen, die Führungsebene 24 mit einstellbarer Steigung auszubilden.A guide camp 20 , which for potential separation, for example, from a poorly electrically conductive material, for. As ceramic, is, for example, each in a holder 21 the holding device 19 arranged, and has, for example, each a management level 24 to the movable, z. B. slidable guide in the holding device 19 caught ends 22 of the biasing element 15a on, by means of the slope of the management level 24 the value and the course of the bias voltage during the life can be specified. It is therefore envisaged the management level 24 with adjustable pitch form.

Bei einer Bewegung der Endplatte 4 in Längsrichtung und/oder vertikaler Richtung wird das Vorspannelement 15a aufgrund der feststehenden Anordnung des Gasverteilers 5 und des daran befestigten Halters 21 gezwungen, sich relativ dazu entlang der Führungsebene 23 zu bewegen, wobei die Vorspannung vorgegeben wird.With a movement of the end plate 4 in the longitudinal and / or vertical direction is the biasing element 15a due to the fixed arrangement of the gas distributor 5 and the holder attached to it 21 forced to move relative to it along the management level 23 to move, wherein the bias voltage is set.

Claims

Fuel cell assembly ( 1 ) with a fuel cell ( 2 ) and an end plate ( 4 ), characterized in that a cross-sectionally U-shaped seal (U-seal) ( 11 ) on the end plate ( 4 ) is arranged such that a first U-leg ( 12 ) of the U-seal ( 11 ) between end plate ( 4 ) and adjacent fuel cell ( 2 ) adjacent to a first end face ( 4a ) of the end plate ( 4 ), a U-bar element ( 13 ) of the U-seal ( 11 ) from the first ( 4a ) towards the second end face ( 4b ) of the end plate ( 4 ) outside the end plate ( 4 ) extends adjacent thereto, wherein the U-seal ( 11 ) on a first U-leg ( 12 ) opposite end ( 13b ) of the U-rule ( 13 ) by means of a pretensioning device ( 15 ) with a biasing force in the direction of the end plate ( 4 ) to the U-web element ( 13 ) is permanently applied.

Fuel cell assembly ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the pretensioning device ( 15 ) a biasing element ( 15a ), which of a second U-leg ( 14 ), especially in connection with the end plate ( 4 ) and / or the U-web element ( 13 ).

Fuel cell assembly ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the second U-leg ( 14 ) integral with the pretensioning device ( 15 ) is formed.

Fuel cell assembly ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the prestressing by means of the pretensioning device ( 15 ) is variable.

Fuel cell assembly ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the U-web element ( 13 ) in the direction of the first ( 4a ) to the second end face ( 4b ) substantially to the second end face ( 4b ) or beyond.

Fuel cell assembly ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell arrangement ( 1 ) a sealing device ( 6 ), which adjacent to the U-seal ( 11 ) is arranged, wherein the U-web element ( 13 ) in a seal with an outer end ( 17 ) of the sealing device ( 6 ), in particular an outside end ( 17 ) a transverse seal ( 9 ) of the sealing device ( 6 ).

Fuel cell assembly ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the pretensioning device ( 15 ) a cylindrical biasing element ( 15a ) having.

Fuel cell assembly ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the pretensioning device ( 15 ) by means of a in a holding device ( 19 ) passable biasing element ( 15 ) is formed.

Fuel cell assembly ( 1 ) according to claim 8, characterized in that the holding device ( 19 ) a guide bearing ( 20 ) with a management level ( 24 ) for guiding the pretensioning element ( 15 ) having.

Fuel cell assembly ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the U-seal ( 11 ) for sealing with a sealing ramp ( 10 ) of the sealing device ( 6 ) cooperates.