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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompression einer Brennstoffzellenanordnung, wobei ein mehrere Brennstoffzellen umfassender Brennstoffzellenstapel sowie mindestens eine Endplatte und mindestens ein Verspannungsmittel vorgesehen sind, wobei die Endplatte den Brennstoffzellenstapel an einem Stapelende begrenzt und das Verspannungsmittel mindestens ein linienförmiges Element wie z. B. Draht, Schnur oder Band enthält, nach dem Oberbegriff des Anspruch 1. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9.
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Vorrichtungen zur Kompression von Brennstoffzellenstapeln sind bekannt und kommen bei verschiedenen Arten von Brennstoffzellen zum Einsatz. Da die von einer Brennstoffzelle gelieferte Spannung durch die elektrochemischen Vorgänge in der Brennstoffzelle festgelegt ist, werden mehrere hintereinander geschaltete Brennstoffzellen verwendet, um ein Vielfaches dieser Spannung zur Verfügung zu stellen. Dabei hat sich die Übereinanderschichtung der einzelnen Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bewährt. Der Zellstapel gliedert sich in der Aufsicht auf die flächigen Zellen betrachtet im Wesentlichen in die Bereiche „aktive Fläche” und „Portbereich”. Speziell im Bereich der aktiven Fläche, in der Mitte des Stapels kommt es durch unterschiedliche Betriebsbedingungen wie Betriebstemperatur und Feuchte, betriebsbedingt zu einer Änderung der absoluten Höhe des Brennstoffzellenstapels (der Stapel atmet). Um trotzdem zu jeden Zeitpunkt eine ausreichende Gas- und Kühlwasserdichtigkeit zu gewährleisten, muss stets eine gewisse Stabilität des Stapels gewährleistet sein, dass heißt es muss sichergestellt werden, dass immer eine ausreichend große Kompression auf die Dichtungen im Zellstapel wirkt. Die Bereitstellung einer ausreichenden Stabilität ist von grundsätzlicher Bedeutung und insbesondere bei mobilen Anwendungen, beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich, besonders wichtig.
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Zur Erhöhung der Stabilität von Brennstoffzellenstapeln sind im Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt. Zu diesen Lösungen zählen das Aufbringen einer externen Kraft auf die Stapelenden, wobei zum Aufbringen der externen Kraft zumeist Federelemente, wie z. B. Teller-, Blatt- oder Spiralfedern, verwendet werden, welche durch ein Verspannungsmittel gespannt werden.
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Im Stand der Technik sind auch Vorrichtungen bekannt, bei denen das Verspannungsmittel als umlaufende Wicklung ausgebildet ist.
DE 10213067 A1 offenbart beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel mit einer solchen umlaufende Wicklung. Die Wicklung kann dabei aus linienförmigen Elementen wie z. B. Bändern bestehen und die Endplatten des Brennstoffzellenstapels können Bolzen aufweisen, welche die Umlenkung bzw. Führung der linienförmigen Elemente bewirken.
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Ein Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass es während des Spannens der Bänder zu Verkippungen bzw. zu ungleichmäßigen Belastungen des Stapels, und dadurch zu einer unzureichenden Kompression auf die Dichtungen im Zellstapel, kommen kann. Die Stabilität des Stapels wird beeinträchtigt; eine ausreichende Gas- und Kühlwasserdichtigkeit ist nicht mehr gewährleistet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Kompression eines Brennstoffzellenstapels zur Verfügung zu stellen, welche es ermöglicht, den Brennstoffzellenstapel gleichmäßig zu verspannen und ein Verkippen der Verspannungsmittel und/oder des Brennstoffzellenstapels zu verhindern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Kompression einer Brennstoffzellenanordnung gemäß dem nebengeordneten Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, eine Brennstoffzellenanordnung zur Verfügung zu stellen, bei welcher die Endplatten dergestalt ausgelegt sind, dass die Bereiche, über welche die Verspannungsmittel laufen, so gestaltet sind, dass bei einer Relativbewegung zwischen Verspannungsmittel und Brennstoffzellen am Umlenkmittel auftretende Reibungskräfte, z. B. durch Rollenlager, herabgesetzt sind. Dadurch werden beim Verpressen des Brennstoffzellenstapels, insbesondere beim Anlegen und Verspannen der Verspannungsmittel auftretende Zugkräfte in gleichmäßige Druckkräfte zum Verpressen des Stapels umgelenkt.
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Die Brennstoffzellenanordnung ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass das Verspannungsmittel und/oder das Umlenkmittel derart ausgebildet ist, dass bei einer Relativbewegung zwischen Verspannungsmittel und Brennstoffzellen am Umlenkmittel auftretende Reibungskräfte herabgesetzt sind. Dadurch kann insbesondere vermieden werden, dass es beim Auftreten von Erschütterungen, wie sie beim Betrieb eines Kraftfahrzeugs vorkommen, zu einer ungleichmäßigen Beanspruchung der Verspannungsmittel und somit zu einer Verkippung bzw. ungleichmäßigen Belastung des Stapels kommt. Die auftretenden Zugkräfte am Verspannungsmittel werden in gleichmäßige Druckkräfte des Stapels umgelenkt.
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In einer bevorzugten ersten grundsätzlichen Ausführungsform, sind das Umlenkmittel und/oder das Verspannungsmittel aus einem Werkstoff mit einer gleitreibungsarmen Oberfläche ausgebildet oder weisen eine Beschichtung aus einer gleitreibungsarmen Oberfläche auf. Dadurch kann sowohl die Gleitreibung zwischen Umlenkmittel und Verspannungsmittel vermindert, als auch die Verschleißfestigkeit beider Bauelemente erhöht werden. Die Beschichtung ist z. B. durch oxidische, nitritische oder ähnliche Verfahren möglich, wobei insbesondere der Einsatz geeigneter Schmiermittel als auch alle Kombinationen von PVD/CVD Beschichtungen bzw. Härteverfahren vorteilhaft sind.
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Bei einer bevorzugten zweiten grundsätzlichen Ausführungsform führt das Umlenkmittel bei einer Relativbewegung zwischen Verspannungsmittel und Brennstoffzellen eine Relativbewegung zwischen Umlenkmittel und Endplatte aus. Durch diese Relativbewegung wird das Auftreten von Reibungskräften zwischen dem Verspannungsmittel und dem Umlenkmittel reduziert oder ganz verhindert und die wirkende Kraft in die gewünschte Richtung gelenkt, wodurch zusätzlich sowohl das Material des Verspannungsmittels, als auch das des Umlenkmittels geschont wird.
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Vorzugsweise ist das Umlenkmittel der zweiten grundsätzlichen Ausführungsform als Umlenkrolle ausgebildet. Durch die Umlenkrolle wird das Verspannungsmittel vorzugsweise derart geführt, dass z. B. durch einen Steg oder eine Mulde das Abrutschen des Verspannungsmittels verhindert wird. Außerdem wird die Richtung der auf das Verspannungsmittel wirkenden Kraft dahingehend geändert, dass das Verspannungsmittel eine gleichmäßige Druckkraft auf den Brennzellenstapel ausübt und diesen dadurch stabilisiert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das als Umlenkrolle ausgebildete Umlenkmittel eine die Gleitreibung zwischen Umlenkrolle und Verspannmittel steigernde Oberflächengestaltung auf. Damit zwischen Umlenkrolle und Verspannungsmittel mangels Relativbewegung möglichst keinerlei Reibungskräfte auftreten, ist es wünschenswert, dass die Umlenkrolle die auftretende Relativbewegung gänzlich übernimmt. Sollte das Verspannungsmittel beispielsweise nur über die Umlenkrolle hinwegrutschen, ohne das sich diese bewegt, würde es zur gerade nicht gewünschten Reibung zwischen Umlenkrolle und Verspannungsmittel kommen. Dies kann vermeiden werden, wenn die Umlenkrolle und/oder das Verspannungsmittel so ausgestaltet sind, dass die Gleitreibung zwischen ihnen möglichst hoch ist. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Beschichtung oder eine entsprechende Topographie erreicht werden. Dabei ist es zweckmäßig für die Beschichtung Materialien zu wählen, welche einen möglich hohen Reibungskoeffizienten haben, z. B. Silikonkautschuk und Acrylkautschuk. Ähnliches gilt hinsichtlich der Topographie von Umlenkrolle und/oder Verspannungsmittel. Da die Oberflächenbeschaffenheiten Einfluss auf den Reibungswiderstand hat, bietet es sich an, eine Oberflächenstruktur zu wählen, die für einen möglichst großen Reibungswiderstand sorgt (z. B. Wellen oder Riefen).
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Vorzugsweise ist das als Umlenkrolle ausgebildete Umlenkmittel mittels eines Lagers, insbesondere eines Wälz- oder Gleitlagers, rotierbar gelagert. Durch die Verwendung eines Lagers wird der Reibungswiderstand der Umlenkrolle auf ihrer Achse vermindert, was dazu führt, dass die über das Verspannmittel am Umlenkmittel auftretende Kraft möglichst vollständig umgelenkt wird. Welcher Lagertyp zweckmäßiger Weise verwendet wird, hängt unter anderem von der Art des für die Umlenkrolle, die Achse und das Verspannungsmittel verwendeten Materials ab. Je höher der jeweilige Reibungskoeffizient ist, desto weniger fällt der Reibungswiderstand der Umlenkrolle auf ihrer Achse ins Gewicht.
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Vorzugsweise ist an beiden Stapelenden des Brennstoffzellenstapels an jeweils gegenüberliegenden Kanten jeweils mindestens ein Umlenkmittel angeordnet. Durch diese symmetrische Anordnung wird gewährleistet, dass die auf das Verspannungsmittel wirkenden Druckkräfte gleichmäßig auf den Brennstoffzellenstapel übertragen werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Verspannungsmittel mindestens einmal um den gesamten Stapel herum geführt wurde.
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Bei allen vorangehend beschriebenen Varianten ist das Verspannungsmittel vorzugsweise band- oder schnurförmig ausgebildet, wobei das Verspannungsmittel aus verschiedenen Materialien wie z. B. Baumwolle, Metall, Kunststoffen oder Verbundmaterialien bestehen kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verspannungsmittel aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, bzw. mit einem elektrisch isolierenden Material beschichtet ist. Dadurch können Kurzschlüsse im Brennstoffzellenstapel vermieden werden. Zweckmäßiger Weise sollte das verwendete Material eine möglichst geringe plastische Verformbarkeit aufweisen, insbesondere über einen längeren Zeitraum. Auch eine geringe Materialermüdung ist vorteilhaft. Je nach Art des Brennstoffzellenstapels ist ein Material mit einer geeigneten Dehnung und einer geeigneten Reißfestigkeit vorteilhaft.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung, sowie ein Verfahren zur Kompression einer solchen Brennstoffzellenanordnung.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht eines Brennstoffzellenstapels 10 mit Umlenkrollen 17 und Spannbändern 16.
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2 eine bildliche Darstellung einer Umlenkrolle 17 und eines Spannbandes 16.
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3 eine schematische Schnittansicht einer Umlenkrolle 17 mit Führungen 31, sowie ein Spannband 16.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels 10. Eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 11 bildet zusammen einen Brennstoffzellenstapel, der an seinen Stapelenden von einer unteren Endplatte 13 und einer oberen Kompressionsplatte 14 sowie einer oberen Endplatte 12 begrenzt wird. Zwischen der oberen Endplatte 12 und der oberen Kompressionsplatte 14 sind Kompressionsmittel 15 angeordnet. Diese Kompressionsmittel 15, welche sich an der oberen Endplatte 12 abstützen, bringen die externe Kraft auf das Stapelende auf, welche die notwendige Kompression auf die Dichtungen im Zellstapel 11 erzeugt. An der oberen Endplatte 12 und der unteren Endplatte 13 sind Umlenkmittel in Form von Umlenkrollen 17 dargestellt, über welche Verspannungsmittel 16 in Form von Spannbändern 16 laufen.
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2 zeigt die bildliche Darstellung einer Umlenkrolle 17 und eines Spannbandes 16, wobei zu erkennen ist, wie das Spannband 16 durch die Umlenkrolle 17 gelenkt wird. Die Umlenkrolle in dieser Darstellung weist keine Führung für das Verspannungsmittel 16 auf. Denkbar wäre es allerdings, eine solche Führung z. B. durch eine Mulde bzw. Stege zu gewährleisten.
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3 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Umlenkrolle 17 mit Führungen 31, sowie ein Spannband 16. Durch die erkennbaren Führungen 31 wird verhindert, dass das Verspannungsmittel abrutscht.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzellenstapel
- 11
- Brennstoffzellen
- 12
- obere Endplatte
- 13
- untere Endplatte
- 14
- Kompressionsplatte
- 15
- Federelemente
- 16
- Verspannungsmittel
- 17
- Umlenkmittel
- 31
- Führung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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