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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompression eines mehrere Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapels, welche eine Endplatte, mindestens eine Kompressionsplatte und mindestens ein Kompressionsmittel umfasst, wobei sich der Brennstoffzellenstapel an einem Stapelende mittels der Kompressionsplatte begrenzen lässt und das Kompressionsmittel zwischen der Endplatte und der Kompressionsplatte angeordnet ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 sowie 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. Der Zellstapel gliedert sich im Wesentlichen in die Bereiche „Portbereich” am jeweiligen Rand des Zellstapels und die „aktive Fläche” in der Mitte des Zellstapels. Speziell im Bereich der aktiven Fläche 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 zählt das Aufbringen einer externen Kraft auf die Stapelenden mittels Federelementen. Hierbei sind verschiedene Designvarianten bekannt. Verbreitet werden zur Verspannung von Brennstoffzellenstapeln und zur Längenkompensation, Federpakete in Form von Teller-, Spiral oder Blattfedern eingesetzt. Die Federn sind hierbei im Allgemeinen zwischen einer Endplatte und einer separaten Kompressionsplatte angeordnet. Alternativ sind die Federn auch direkt in die Spannelemente integriert oder drücken die Federpakete direkt auf die Endplatte. Eine separate Druckplatte ist dann nicht erforderlich.
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Im Stand der Technik sind auch Vorrichtungen bekannt, bei denen mehrere Federelemente gleichzeitig verwendet werden.
DE 69503648 T2 offenbart beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel, mit Kompressionsmitteln, die als Federscheibenstapel ausgebildet sind. Es wird ebenfalls erwähnt, dass die Kompressionsmittel auch eine gewundene Feder umfassen können.
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Ein Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass die Federelemente vor allem im Bereich der „aktiven Fläche” eingesetzt werden. Die auf den Portbereich wirkenden Kräfte werden im Wesentlichen durch die Steifigkeit der Kompressionsplatte erzielt. Die Kompressionsplatte muss aus diesem Grund besonders biegesteif ausgeführt sein. Es werden daher meist Werkstoffe mit vergleichsweise hohem Elastizitätsmodul eingesetzt, in der Regel metallische Werkstoffe. Die Kompressionsplatte wird dadurch verhältnismäßig schwer und muss außerdem elektrisch isoliert werden. Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass die Kompressionsplatte, um die benötigte Steifigkeit aufzuweisen, einen verhältnismäßig großen Querschnitt aufweisen muss und dadurch viel Bauraum benötigt. Besonders nachteilig wirkt sich dies dadurch aus, dass der zur Verfügung stehende Platz zur Krafteinleitung, speziell im Portbereich, sehr begrenzt ist.
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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, eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 sowie ein Kraftfahrzeug entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 10 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 unterschiedliche Federtypen, wie z. B. Tellerfedern, Blattfedern und/oder Spiralfedern kombiniert und entsprechend des zur Verfügung stehenden Bauraums vorteilhaft zwischen Kompressions- und Endplatte angeordnet werden. Dadurch kann speziell in Bereichen, in denen bei bisherigen Konzepten nur eine eingeschränkte Anpresskraft auf die Kompressionsplatte wirkte, die Anpresskraft erhöht werden. Dies gilt vor allem im Bereich der Öffnungen zur Mediendurchführung in der Kompressionsplatte, dem Portbereich. Es ist möglich, sowohl am oberen, als auch am unteren Ende des Stapels eine Endplatte, eine Kompressionsplatte und ein dazwischenlegendes Kompressionsmittel zu verwenden.
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Durch die Kombination verschiedener Typen von Federelementen soll die Krafteinleitung der Verspannungselemente in den Brennstoffzellenstapel möglichst gleichmäßig erfolgen, damit dieser sich unter den verschiedenen Betriebsbedingungen nicht verbiegt und dadurch z. B. undicht wird oder sich die elektrische Kontaktierung der Bauteile untereinander verschlechtert. Die Federelemente können dabei weitgehend beliebige Formen aufweisen, z. B. ist die Verwendung von Tellerfedern, Blattfedern und/oder Spiralfedern möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Federelemente auf einen möglichst großen Oberflächenanteil der Kompressionsplatte wirken. Damit auch in den Bereichen, in denen bei bisherigen Konzepten nur eine eingeschränkte Anpresskraft auf die Kompressionsplatte wirkte, die Anpresskraft erhöht wird, sollten dazu die jeweiligen Federraten der seriell verschalteten Einzelfedern auf ein vergleichbares Niveau eingestellt werden.
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Vorzugsweise sind die Federelemente derart ausgewählt und angeordnet, dass über die Fläche der Kompressionsplatte betrachtet, Kompressionsbereiche mit unterschiedlichem Druckniveau ausgebildet sind. Der Zellstapel gliedert sich im Wesentlichen in die Bereiche „Portbereich”, in welchem sich die Öffnungen zur Mediendurchführung befinden, und „aktive Fläche” im Innenbereich der Brennstoffzellenplatten. Speziell im Bereich der aktiven Fläche kommt es betriebsbedingt zu einem „Stackatmen”, d. h. der Zellstapel wächst in diesem Bereich, bezogen auf die Anfangshöhe, überproportional. Dies kann zu einer Verbiegung der Kompressionsplatte führen, wodurch die durch die Kompressionsendplatte übertragene Anpresskraft lokal, speziell im Bereich der Dichtungen, zu gering und infolge dessen der Übergangswiderstand in der Zelle mangels Anpresskraft zu hoch wird. Um dies zu verhindern ist es notwendig, unterschiedliche Gegenkräfte in die verschiedenen Bereiche der Kompressionsplatte zu leiten. Dadurch wird in den verschiedenen Bereichen ein unterschiedliches Druckniveau ausgebildet, was das unterschiedliche „Wachsen” des Brennstoffzellenstapels kompensiert.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung sind die Federelemente derart ausgewählt und angeordnet, dass das Druckniveau auf mindestens einen Randbereich der Kompressionsplatte höher oder niedriger als das Druckniveau auf einen Innenbereich der Kompressionsplatte ist. Bauartbedingt befindet sich der Portbereich einer Brennstoffzelle in deren Randbereich. Da der Brennstoffzellenstapel in seiner Mitte, der aktiven Fläche, seine Höhe überproportional ändert, ist ein Verbiegen der Ränder zu befürchten. Um dies zu vermeiden muss im Randbereich und in der Mitte jeweils ein unterschiedliches Druckniveau erreicht werden.
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Vorzugsweise sind die Federelemente aus einer Gruppe umfassend Schraubenfedern, Torsionsfedern, Biegefedern, Luftfedern, Gasdruckfedern, Elastomerfedern, Evolutfedern oder Ringfedern ausgewählt. All diese Federtypen unterscheiden sich in ihrer Federkonstante, ihrem Wirkungsgrad, ihrem Dämpfungsfaktor und ihrem Dämpfungswert. Je nachdem welche Art und Größe der jeweils vorliegende Brennstoffzellenstapel aufweist, können diese Federtypen kombiniert werden, um ein möglichst optimales Ergebnis zu erreichen.
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Vorzugsweise besteht die Kompressionsplatte aus Kunststoff. Dadurch ist keine zusätzliche elektrische Isolierlage zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Kompressionsplatte erforderlich. Prinzipiell ist jeder Kunststoff geeignet, welcher das erforderliche Elastizitätsmodul und somit die erforderliche Steifigkeit aufweist.
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In einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung sind die Endplatte und/oder die Kompressionsplatte derart mit unterschiedlichen Höhenniveaus ausgebildet, dass die Federelemente auf den unterschiedlichen Höhenniveaus anliegen. Die unterschiedlichen Federtypen benötigen unterschiedliche Bauräume hinsichtlich ihrer Grundfläche und Bauhöhe. Um dies auszugleichen, stützen sich die verschiedenen Federelemente jeweils auf einem unterschiedlichen Höhenniveau auf der Endplatte ab oder treffen auf unterschiedliche Höhenniveaus auf der Kompressionsplatte.
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Vorzugsweise sind Federelemente entlang ihrer Federkraftrichtung übereinander angeordnet. Dabei ist sowohl die räumliche Überlagerung von Federelementen gleichen Typs (speziell Tellerfedern) als auch die räumliche Überlagerung von Federelementen verschiedener Federtypen möglich. Beispielsweise können Tellerfedern auch unterhalb von Blattfedern angeordnet werden. Die Überlagerung von Federelementen verschiedener Federtypen hat den Vorteil, dass sich auf diese Weise die verschiedenen Eigenschaften der einzelnen Federtypen sinnvoll ergänzen können.
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Vorzugsweise sind die Federkennwerte einzelner Federelemente unterschiedlich eingestellt. Beispielsweise können die einzelnen Federkennwerte so eingestellt werden, dass im Portbereich Federelemente mit einer im Vergleich zur aktiven Fläche abweichenden Federkennlinie eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist es, abhängig von den Federeigenschaften des Brennstoffzellenstapels, im Portbereich steifere Federelemente zu verwenden.
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Eine Brennstoffzellenanordnung umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl gestapelter Brennstoffzellen und eine Vorrichtung zur Kompression der gestapelten Brennstoffzellen.
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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 erste schematische Aufsicht auf eine Kompressionsplatte 14 mit verschiedenen Federtypen 22, 23.
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3 eine zweite schematische Aufsicht auf eine Kompressionsplatte 14 mit verschiedenen Federtypen 22, 23.
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4 eine dritte schematische Aufsicht auf eine Kompressionsplatte 14 mit verschiedenen Federtypen 22, 23.
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5 eine schematische Aufsicht auf eine Kompressionsplatte 14 mit verschiedenen Federtypen 22, 23 in Kombination.
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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. Das Kompressionsmittel 15 kann durch verschiedene Typen von Federelementen, z. B. Tellerfedern 22, Blattfedern 23 und/oder Spiralfedern 22 gebildet werden.
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2 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Kompressionsplatte 14 mit verschiedenen Federtypen 22, 23. Im aktiven Bereich 24 sind zwei Teller- oder Spiralfedern 22 in Kombination mit längs angeordneten Blattfedern 23 eingesetzt. Zusätzliche, ebenfalls längs angeordnete Blattfedern 23 mit geringem Grundflächenbedarf sind in unmittelbarer Portnähe, im Portbereich 25 eingesetzt.
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3 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Kompressionsplatte 14 mit verschiedenen Federtypen 22, 23 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im aktiven Bereich 24 sind zwei Teller- oder Spiralfedern 22 eingesetzt. Im Portbereich 25 wurden quer angeordnete Blattfedern 23 eingesetzt.
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4 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Kompressionsplatte 14 mit verschiedenen Federtypen 22, 23 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Im aktiven Bereich 24 sind hier verschiedene Teller- oder Spiralfedern 22 eingesetzt. Außerdem wurden wiederum längs angeordnete Blattfedern 23 eingesetzt. In unmittelbarer Nähe zu Ports 21 wurden Teller- oder Spiralfedern 22 mit geringem Grundflächenbedarf angeordnet.
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5 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Kompressionsplatte 14 mit verschiedenen Federtypen 22, 23 gemäß einer abermals weiteren Ausführungsform. Im aktiven Bereich 24 sind hier erneut zwei Teller- oder Spiralfedern 22 eingesetzt. Daneben wurden sowohl längs, als auch quer angeordnete Blattfedern 23 eingesetzt, unterhalb denen wiederum Teller- oder Spiralfedern 22 angeordnet wurden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzellenstapel
- 11
- Brennstoffzellen
- 12
- obere Endplatte
- 13
- untere Endplatte
- 14
- Kompressionsplatte
- 15
- Federelemente
- 21
- Ports
- 22
- Teller- bzw. Spiralfeder
- 23
- Blattfeder
- 24
- aktive Fläche
- 25
- Portbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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