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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 eine Kompressionsplatte vorgesehen sind, die den Brennstoffzellenstapel an einem Stapelende begrenzen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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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. Bedingt durch unterschiedliche Betriebsbedingungen wie Betriebstemperatur und Feuchte im Brennstoffzellenstapel, ändert sich die absolute Höhe des Brennstoffzellenstapels (der Stapel atmet). Um zu jedem 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, sowie das Verkleben der einzelnen Brennstoffzellen. Die bekannten Lösungen weisen jedoch verschiedene Nachteile auf. Verklebte Brennstoffzellenstapel können beispielsweise durch Vibrationen beschädigt werden, die zum Aufbringen der externen Kraft zumeist verwendeten Federelemente, wie z. B. Teller-, Blatt- oder Spiralfedern, sind in der Montage vergleichsweise aufwändig und teuer.
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Des Weiteren sind Konzepte bekannt, bei denen Zuganker seitlich an der Außenseite des Stapels durch Durchgangsbohrungen in einer Kompressionsendplatte geführt werden. Die notwendige Kraft wird dabei jeweils mittels Federn erzeugt, die auf den Zuganker aufgesetzt sind. Im Regelfall ist das Ende des Zugankers mit einem Gewinde versehen, so dass die Federn mittels einer Mutter vorgespannt werden können.
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Im Stand der Technik sind auch Vorrichtungen bekannt, welche die Endplatten selbst als Kompressionsmittel benutzen.
JP 2005141935 A offenbart beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel, mit längs angebrachten, den Brennstoffzellenstapel verklammernden, federnden Spannvorrichtungen. Die Endplatten des Brennstoffzellenstapels sind dabei in der Art von Blattfedern ausgebildet, so dass die Endplatten zugleich Federelemente sind.
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Ein Nachteil dieser Vorrichtung ist, dass Blattfedern vergleichsweise bruchempfindlich sind und bei länger dauernder Beanspruchung ein Versagen zu befürchten ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass die als Endplatte dienende Blattfeder und die längs angebrachten Spannungsvorrichtungen unter Spannung verbunden werden müssen, was die Montage vergleichsweise aufwändig und teuer macht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Kompression eines Brennstoffzellenstapels zur Verfügung zu stellen, welche eine Bauraum sparende, kompakte Bauform aufweist und vergleichsweise einfach zu montieren und damit kostengünstig ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, in welcher Endplatte und Kompressionsendplatte durch ein Federelement, miteinander verbunden sind, wobei das Federelement in die Endplatte und/oder die Kompressionsendplatte integriert ist. Dadurch kann Bauraum gespart werden und die Montage des Brennstoffzellenstapels vereinfacht sich, weil z. B. keine separaten Federn platziert werden müssen. Dies führt dazu, dass die Montage des Brennstoffzellenstapels wesentlich vereinfacht und somit vergleichsweise kostengünstig wird.
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Die Vorrichtung zur Kompression einer Brennstoffzellenanordnung ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass in die an einem Stapelende vorhandene Endplatte und/oder die gleichfalls vorhandene Kompressionsplatte ein Federelement integriert ist, welches die einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels stabilisiert. Als Federelement werden alle Bauteile verstanden, die unter Belastung nachgeben und nach Entlastung in die ursprüngliche Gestalt zurückkehren, sich also elastisch verhalten. Das Federelement kann weitgehend beliebige Formen aufweisen und sollte aus einem vorzugsweise dehnungs- und hysteresearmen Werkstoff bestehen. Auch belastete elastomere Materialien oder druckbeaufschlagte Gas- oder Hydraulikkolben sind Federelemente. Das Federelement kann eine beliebige, insbesondere eine lineare oder progressive, Federkennlinie aufweisen. Es wird zweckmäßigerweise so gewählt, dass seine maximale Kraft etwas größer ist, als die maximal mögliche Kraft, die durch das „Atmen” des Brennstoffzellenstapels entstehen kann. Diese Kraft kann je nach Art der verwendeten Brennstoffzellen und der Größe des Stapels verschieden groß sein.
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Durch die Integration in die Endplatte und/oder die Kompressionsplatte kann der Einbau zusätzlicher Federn entfallen. Die Befestigung des Federelements mit der Platte kann durch jede Verbindung, z. B. durch Verschrauben, Vernieten, Verlöten, Verkleben oder Verschweißen erfolgen. In vorteilhafter, weil Bauraum sparender und kostengünstiger Ausführung sind das Federelement, die Endplatte und die Kompressionsplatte als bauliche Einheit ausgeführt.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung ist das Federelement derart ausgestaltet, dass auch in einem komprimierten Zustand des Federelements ein Hohlraum zwischen Endplatte und Kompressionsplatte vorhanden ist. Dieser aufgespannte Hohlraum kann für die Unterbringung weiterer Komponenten wie z. B. Rohr- und Kabelleitungen genutzt werden. Darüber hinaus ist auch die Integration von Brennstoffzellensystemkomponenten, wie z. B. eines so genannten Start-up-Heaters, in diesem Hohlraum möglich. Damit die dann im Hohlraum befindlichen Komponenten nicht beschädigt werden, ist die Federkraft so zu wählen, dass auch beim Wirken der maximal möglichen Kraft, die durch das „Atmen” des Brennstoffzellenstapels entstehen kann, eine Kompression des Federelements nur soweit erfolgt, dass ein ausreichender Hohlraum bestehen bleibt.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung ist das Federelement als Biegefeder ausgebildet. Anders als Torsions-, Zug- oder Gasfedern, beanspruchen Biegefedern relativ wenig Bauraum und sind dadurch insbesondere geeignet, den Hohlraum aufzuspannen. Außerdem lassen sich Biegefedern sehr gut in die Endplatte bzw. die Kompressionsplatte integrieren, da sie, anders als beispielsweise Torsionsfedern, relativ wenig Bauraum benötigen.
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Vorzugsweise ist das Federelement als eine zwischen Endplatte und Kompressionsplatte angeordnete Biegeeinrichtung ausgebildet, die mindestens einen Biegeschenkel aufweist. Der Biegeschenkel stützt sich an der Endplatte und/oder an der Kompressionsplatte ab und weist eine lineare Form auf. Er geht von der ihn stützenden Platte in einem Winkel ab, welcher es sowohl ermöglicht, dass der Biegeschenkel eine Federwirkung entfaltet, als auch einen ausreichenden Hohlraum lässt.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung ist das Federelement eine Parallelogrammfeder. Parallelogrammfedern eignen sich sehr gut für die in Brennstoffzellenstapeln auftretenden niedrigen Lastbereiche, da sie hierfür brauchbare Verformungswege liefern. Außerdem spannt eine Parallelogrammfeder immer einen Hohlraum auf.
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Vorzugsweise ist der Auflagenbereich der federnden Bereiche mit einem Gleitlager und/oder einer reiboptimierten Beschichtung ausgestattet. Dadurch kann die Verschleißfestigkeit erhöht werden. Das Gleitlager kann sowohl als so genanntes rotatives Gleitlager, als auch als Lineargleitlager ausgebildet sein. Auch hinsichtlich des verwendeten Materials sind verschiedenste Varianten möglich, z. B. Bronze, Weißmetalle, Aluminiumlegierungen, Kunststoffe oder Keramik. Es kann zweckmäßig sein, ein Lager auszuwählen, dass ohne weitere Schmierung auskommt, damit der Brennstoffzellenstapel in dieser Hinsicht wartungsfrei ist. Hinsichtlich der reiboptimierten Beschichtung sind insbesondere oxidische, nitritische oder ähnliche Beschichtungsverfahren möglich, wobei alle Kombinationen der PVD/CVD Beschichtungen bzw. Härteverfahren, sowie TiN, TiAlN, Cr/C, TiCN, Hartchrom, etc. vorteilhaft sind.
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Vorzugsweise sind die Übergangsbereiche des Federelements so gestaltet, dass sie sich im Kontaktbereich selbst zentrieren bzw. verzahnen. Dazu sind die jeweiligen Übergangsbereiche mit korrespondierenden Verzahnungen und/oder Führungen versehen, welche zusammenwirken um die beiden Übergangsbereiche zu verzahnen bzw. zu zentrieren. Verzahnung bedeutet in diesem Zusammenhang, dass ein Verbindungspartner die Bewegung des anderen dadurch verhindert, dass eine ungewünschte Bewegungsrichtung jeweils durch ineinander greifende Materialabschnitte der Verbindungspartner blockiert wird.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung sind die Endplatte und/oder die Kompressionsplatte so gestaltet, dass die Platten oder Teilbereiche der Platten gezielt elastisch verformbar sind, wobei die Platten oder die Teilbereiche vorzugsweise in der Art einer Feder wirksam sind bzw. federnd ausgebildet sind. Im Bereich der Anbindung der Spannbänder oder der Auflagefläche auf den Zellstapel kann beispielsweise eine erhöhte Biegesteifigkeit erforderlich sein. Dies lässt sich bei Platten einstellen, indem sie durch verschiedene Gestaltungsmerkmale lokal versteift werden. Entsprechende Varianten sind z. B. das lokale bzw. flächige Einprägen von Sicken, die lokale Erhöhung der Materialstärke sowie eine lokale Materialdoppelung.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung sind Endplatte und Kompressionsplatte als Blechformteil ausgeführt. Dies ermöglicht eine fertigungstechnisch einfache Herstellung der Platten, wobei die Elastizität der einzelnen Bereiche der Platten z. B. durch Einprägungen eingestellt werden kann und die integrale Ausbildung von Federelementen beispielsweise in Form von Biegefedern einfach möglich ist.
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Schließlich betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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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 Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels 10.
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2 eine Endplatte 12 und einer Kompressionsplatte 14, welche jeweils mit Parallelogrammfedern 15 ausgestattet sind.
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3 eine Detailansicht der Auflagefläche bei einer Parallelogrammfeder 15 mit einem Gleitlager 31.
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1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels 10. Eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 11 bilden zusammen einen Brennstoffzellenstapel, der an seinen Stapelenden von einer unteren Endplatte 13 und einer oberen Kompressionsplatte 14 sowie einer oberhalb der Kompressionsplatte 14 angeordneten oberen Endplatte 12 begrenzt wird. Zwischen der oberen Endplatte 12 und der oberen Kompressionsplatte 14 sind Federelemente 15 angeordnet. Diese Federelemente 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.
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2 zeigt die Darstellung einer oberen Endplatte 12 und einer oberen Kompressionsplatte 14, wobei die Federelemente 15, in Form von Parallelogrammfedern 15, sowohl in die obere Endplatte 12, als auch in die obere Kompressionsplatte 14 integriert sind. Die Befestigung der Parallelogrammfedern 15 mit der jeweiligen Platte 12, 13, 15 kann durch jede Verbindung, z. B. durch Verschrauben, Vernieten, Verlöten, Verkleben, Verschweißen oder durch einstückige Ausbildung erfolgen. Es ist zu erkennen, dass die Federelemente 15 jeweils zwei Biegeschenkel aufweisen, wobei anzumerken ist, dass das Verhältnis der elastischen Bereiche im Vergleich zu den biegesteifen Bereichen nicht optimal dargestellt ist. Die Breite und/oder die Materialstärke der Parallelogrammfedern 15 müsste deutlich reduziert werden, um eine effektive Vorrichtung zu gewährleisten. Deutlich zu erkennen ist außerdem der von den Parallelogrammfedern 15 aufgespannte Hohlraum, welcher für die Unterbringung weiterer Komponenten, wie z. B. Rohr- und Kabelleitungen, bzw. die Integration von Brennstoffzellensystemkomponenten genutzt werden kann. Lediglich der besseren Übersicht halber, sind seitliche Spannbänder 21 mit den entsprechenden Befestigungen 22 dargestellt, mittels denen die obere Endplatte 12 mit der nicht gezeigten unteren Endplatte 13 mechanisch gekoppelt ist.
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3 zeigt die Detailansicht der Auflagefläche bei einer Parallelogrammfeder 15 mit einem Gleitlager 31, wobei dieser Bereich vorzugsweise mit einer reiboptimierten Beschichtung ausgestattet ist, wodurch die Verschleißfestigkeit erhöht werden kann. Ebenfalls mögliche korrespondierenden Verzahnungen und/oder Führungen wurden nicht dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzellenstapel
- 11
- Brennstoffzellen
- 12
- obere Endplatte
- 13
- untere Endplatte
- 14
- Kompressionsplatte
- 15
- Federelemente
- 21
- Spannbänder
- 22
- Befestigungen
- 31
- Gleitlager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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