DE102010047736A1

DE102010047736A1 - Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE102010047736A1
Application number: DE102010047736A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Wagner
Original assignee: MTU Onsite Energy GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2012-04-12

Abstract

Brennstoffzellenanordnung (1) mit einer Brennstoffzelle (2), einer dazu benachbart angeordneten Endplatte (4) sowie einer Dichtungsvorrichtung (6) mit einer Querdichtung (9) und einer Längsdichtung (11) zur Abdichtung gegenüber einem Gasverteiler (5), wobei zwischen der Dichtungsvorrichtung (6) und der Endplatte (4) ein Flachdichtungselement (12), insbesondere ein federelastisches Flachdichtungselement (12), angeordnet ist, welches an der Endplatte (4) benachbart zu einer ersten, der Brennstoffzelle (2) zugewandten Stirnseite (4a) derselben dauerhaft fixiert ist und welches sich in Richtung zur zweiten Stirnseite (4b) der Endplatte (4) erstreckt, wobei das Flachdichtungselement (12) an einem zur zweiten Stirnseite (4b) benachbarten Ende (12b) mit einer Vorspannkraft in Richtung von der Endplatte (4) zur Dichtungsvorrichtung (6) dauerhaft beaufschlagt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Brennstoffzellenanordnungen der vorliegenden Art sind im Stand der Technik bekannt, z. B. aus der Druckschrift WO 2008/110292 . Eine solche umfasst meist mehrere zu einem Stapel zusammengefasste Brennstoffzellen sowie ein – z. B. je Stapellängsseite 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, welche insbesondere gegen eine Endplatte abdichten.
Während des Betriebes bewegen sich dabei 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.
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. einfache 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.
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.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle, einer dazu benachbart angeordneten Endplatte sowie einer Dichtungsvorrichtung mit einer Querdichtung und einer Längsdichtung zur Abdichtung gegenüber einem Gasverteiler, wobei zwischen der Dichtungsvorrichtung und der Endplatte ein Flachdichtungselement, insbesondere ein federelastisches Flachdichtungselement, angeordnet ist, welches an der Endplatte benachbart zu einer ersten, der Brennstoffzelle zugewandten Stirnseite derselben dauerhaft fixiert ist und welches sich in Richtung zur zweiten Stirnseite der Endplatte erstreckt, wobei das Flachdichtungselement an einem zur zweiten Stirnseite benachbarten Ende mit einer Vorspannkraft in Richtung von der Endplatte zur Dichtungsvorrichtung dauerhaft beaufschlagt ist.
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.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 exemplarisch eine explodierte Ansicht einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
2 exemplarisch eine Brennstoffzellenanordnung mit einem vorgespannten Flachdichtungselement gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
3 exemplarisch eine Brennstoffzellenanordnung mit einer entspannten U-Dichtung gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung;
4 exemplarisch die Brennstoffzellenanordnung gemäß 3 mit vorgespannter U-Dichtung;
5 exemplarisch eine weitere Ansicht der Brennstoffzellenanordnung gemäß 3 und 4 mit verändertem Spaltquerschnitt;
6 eine Detailansicht eines Details der Brennstoffzellenanordnung gemäß 4;
7 eine weitere Ansicht der Brennstoffzellenanordnung gemäß 3 bis 5;
8 exemplarisch eine Brennstoffzellenanordnung mit einem vorgespannten Flachdichtungselement gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung;
9 exemplarisch eine Brennstoffzellenanordnung mit einer vorgespannten U-Dichtung gemäß noch einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung;
10 eine weitere Ansicht der Brennstoffzellenanordnung gemäß 9 mit verändertem Spaltquerschnitt;
11 exemplarisch eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Vorspannvorrichtung gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung; und
12 exemplarisch die Brennstoffzellenanordnung von 11 in einer Stirnansicht.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die Richtungen X, Y, Z zudem jeweils von der Ausrichtung der Brennstoffzellenanordnung abhängig.
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 (Längs- bzw. X-Richtung, z. B. 1) erstreckt, um z. B. Gasströme zu- bzw. abzuführen, d. h. z. B. Brenngas, Oxidationsgas und Abgas.
Zwischen dem Gasverteiler 5 und der Endplatte 4 sowie dem Brennstoffzellenstapel 3 (stack) angeordnet ist eine Dichtungsvorrichtung 6, welche zwischen dem Gasverteiler 5 und dem Brennstoffzellenstapel 3 sowie der Endplatte 4 eine elektrisch nicht leitende Abdichtung ermöglicht, d. h. zur Abdichtung gegenüber dem Gasverteiler 5 vorgesehen ist. Die Dichtungsvorrichtung 6 ist, insbesondere in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustands, gegen den Brennstoffzellenstapel 3 und/oder die Endplatte 4 gedrängt. Die Dichtungsvorrichtung 6 weist dazu z. B. keramische Dichtelemente 7 (dielectrics) und/oder weitere Dichtelemente 8 (z. B. 1, 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 angeordneter Längs- und Querdichtungselemente ermöglichen.
Eine Querdichtung 9, welche sich z. B. über die Breite B (1) einer Endplatte 4 in Z-Richtung erstreckt, d. h. quer erstreckt, i. e. in einer Richtung senkrecht zur Richtung von Gasverteiler 5 zur Endplatte 4 (Y-Richtung) und senkrecht zur Richtung von der Brennstoffzelle 2 zur Endplatte 4 (X-Richtung), ist insbesondere als keramisches bzw. dielektrisches Dichtelement 7 ausgeführt, z. B. ausschließlich. Insbesondere kann die Querdichtung 9 erfindungsgemäß z. B. als Dichtrampe 10 ausgeführt sein, d. h. mit einer in X-Richtung von der Brennstoffzelle 2 weg weisenden, geneigten Rampenfläche (z. B. 2 und 3).
Eine Längsdichtung 11 umfasst ein keramisches Dichtelement 7 sowie vorzugsweise ein daran benachbart zum Brennstoffzellstapel 3 bzw. zur Endplatte 4 angeordnetes unterstützendes Dichtelement 11a, z. B. Dichtfilz 8. Die Längsdichtung 11 erstreckt sich in Richtung von der ersten 4 zur zweiten 4 Endplatte (X-Richtung), insbesondere jeweils bis zu einer Querdichtung 9.
Um eine Relativbewegung von Endplatte 4 und Dichtungsvorrichtung 6 in X-Richtung und/oder Y-Richtung auszugleichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, zusätzlich zu der Dichtungsvorrichtung 6 bzw. der Querdichtung 9 ein flaches Dichtungselement bzw. ein Flachdichtungselement 12, insbesondere ein federelastisch ausgebildetes Flachdichtungselement 12 an der Endplatte 4 anzuordnen, welches die Querdichtung 9 bei der Abdichtung unterstützt. Das Flachdichtungselement 12 ist erfindungsgemäß zwischen der Dichtungsvorrichtung 6 und der Endplatte 4 angeordnet, d. h. die Dichtungsvorrichtung 6, das Flachdichtungselement 12 sowie die Endplatte 4 bilden eine Sandwichanordnung (in Y-Richtung, z. B. 2).
Das Flachdichtungselement 12 ist dabei benachbart zu einer ersten, der Brennstoffzelle 2 zugewandten Stirnseite 4a der Endplatte 4 fixiert, insbesondere an der Endplatte 4 und weiterhin insbesondere via eines ersten Endes 12a, wobei es sich in Richtung zur zweiten Stirnseite 4b der Endplatte 4 erstreckt, i. e. bis zu einem zweiten Ende 12b desselben. Zur Fixierung ist das Flachdichtungselement 12 z. B. benachbart zu der der Brennstoffzelle 2 benachbarten ersten Stirnseite 4a verschraubt oder verschweißt oder auf andere geeignete Weise befestigt. Insbesondere ist das Flachdichtungselement 12 ausschließlich am ersten Ende 12 fixiert.
Das Flachdichtungselement 12 erstreckt sich mit anderen Worten im Wesentlichen in Richtung von der ersten 4a zur zweiten Stirnseite 4b der Endplatte 4 (X-Richtung) außerhalb der Endplatte 4, insbesondere benachbart zur Endplatte 4 (z. B. 2) und z. B. insbesondere benachbart zu der zur Anlage an der Dichtungsvorrichtung 6 bzw. Querdichtung 9 vorgesehenen Seite der Endplatte 4 (i. e. eine Stirnseite in Y-Richtung), wobei es z. B. eine Erstreckung in X-Richtung aufweist, die im Wesentlichen der der Endplatte 4 zwischen erster 4a und zweiter 4b Stirnseite entspricht. Vorgesehen ist auch, dass das an der Endplatte 4 angeordnete Flachdichtungselement 12 im entspannten Zustand die Endplatte 4 an der zweiten Stirnseite 4b in X-Richtung überragt, z. B. geringfügig, so dass eine Kraft parallel zur Endplatte 4 in Y-Richtung darauf auf einfache Weise zum Zwecke einer Vorspannung einwirken kann.
Um eine erfindungsgemäße Abdichtung erzielen zu können, wird das einseitig fixierte Flachdichtungselement 12 (wie eine Feder) vorgespannt (z. B. 2), insbesondere durch elastische Verformung, wobei es 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 12b des Flachdichtungselements 12 in Richtung von der Endplatte 4 hin zur Dichtungsvorrichtung 6, i. e. durch Beaufschlagung mit einer Vorspannkraft. Durch die Vorspannung ist das Flachdichtungselement 12 nunmehr bestrebt, in die entspannte Ausgangsposition bzw. Ruhelage zurückzukehren und arbeitet einer weiteren Verspannung (verstärkt) entgegen.
Zur dauerhaften Vorspannung ist erfindungsgemäß eine Vorspannvorrichtung 13 vorgesehen. Die Vorspannvorrichtung 13 wird z. B. am zweiten (freien) Ende 12b des Flachdichtungselements 12 angeordnet, derart, dass mittels der Vorspannvorrichtung 13 dauerhaft eine Kraft am zweiten Ende 12b in Richtung zur Querdichtung 9, i. e. in Y-Richtung, auf das Flachdichtungselement 12 ausgeübt wird. Anders ausgedrückt spreizt die Vorspannvorrichtung 13 das Flachdichtungselement 12 am zweiten Ende 12b von der Endplatte 4 (gegenüber dem entspannten Zustand des Flachdichtungselements) ab, so dass das zweite Ende 12b von der Endplatte 4 in Y-Richtung beabstandet ist. Ein maximaler Abstand zwischen Endplatte 4 und Flachdichtungselement 12 stellt sich infolge der Abspreizung bzw. Vorspannung z. B. am zur zweiten Stirnseite 4b benachbarten Längsende der Endplatte 4 ein.
Als Vorspannvorrichtung 13 wird z. B. ein (rund-)stab- oder rohrförmiges, insbesondere hohlzylindrisches Vorspannelement 13a verwendet, welches z. B. am zweiten Ende 12b in Y-Richtung zwischen der Endplatte 4 und dem Flachdichtungselement 12 angeordnet ist, z. B. gefangen bzw. fixiert ist, z. B. dauerhaft an dem Flachdichtungselement 12 angeordnet oder fixiert ist. Denkbar sind jedoch auch andere Querschnitte und Maßnahmen zur Herstellung und Aufrechterhaltung eines Abstands zwischen Endplatte 4 und dem zweiten Ende 13b in Y-Richtung, z. B. kann das zweite Ende 12b mit einer Gewichtskraft beaufschlagt werden.
Vorgesehen ist dabei erfindungsgemäß insbesondere auch, die Vorspannvorrichtung 13 als eigenständige Vorrichtung auszubilden, welche an dem Flachdichtungselement 12 anordenbar ist, und welche zur Ausbildung einer Vorspannung z. B. mit der Endplatte 4 zusammenwirkt.
Infolge der Vorspannung erfährt das Flachdichtungselement 12 eine Biegung. Das Flachdichtungselement 12 wird z. B. nach Anlage (zusammen mit der Endplatte 4) an der Dichtungsvorrichtung 6 vorgespannt, z. B. durch Anordnen oder Einbringen des Vorspannelements 13a mittels Werkzeugeingriffs, welchen z. B. ein wie oben erläuterter Überstand des zweiten Endes 12b relativ zur Endplatte 4 an der zweiten Stirnseite 4b in X-Richtung erleichtert.
Zur Abdichtung bzw. Ausbildung einer Dichtlinie 14 wirkt das vorgespannte bzw. mit einer Vorspannkraft beaufschlagte Flachdichtungselement 12 insbesondere mit einer zur Abdichtung vorgesehenen Anlagefläche bzw. einer aktiven Dichtfläche 15 der Querdichtung 9, insbesondere in Form eines Teils bzw. Abschnitts der der Endplatte 4 gegenüberliegenden Oberfläche 9a der Querdichtung 9 zusammen. Hierbei wird das vorgespannte Flachdichtungselement 12 erfindungsgemäß gegen die aktive Dichtfläche 15 der Querdichtung 9 (z. B. der Dichtrampe 10) zur Anlage gedrängt.
Infolge des Drucks der aktiven Dichtfläche 15 gegen das vorgespannte Flachdichtungselement 12, 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 16, z. B. 5 und 10, zwischen der Endplatte 4 und der Querdichtung 9 bzw. der Dichtungsvorrichtung 6 verschlossen werden (in X-Richtung und Y-Richtung), so dass entlang der somit durch die aktive Dichtfläche 15 und das Flachdichtungselement 12 gebildeten Dichtlinie 14 zuverlässig eine Abdichtung erzielbar ist.
Bei einer Bewegung der Querdichtung 9 in X-Richtung und/oder Y-Richtung relativ zu dem Flachdichtungselement 12 gleicht das Flachdichtungselement 12 die Bewegung durch Anpassung bzw. korrespondierende Änderung seiner Durchbiegung aus, so dass eine Andruckkraft auf die aktive Dichtfläche 15 entlang der Dichtlinie 14 ausgeübt wird, i. e. solange, bis das Flachdichtungselement 12 die originär mittels der Vorspannvorrichtung 13 erzielte Vorspannstellung wieder einnehmen kann.
Die aktive Dichtfläche 15 wird insbesondere durch ein Außenende 15a der Querdichtung 9 bzw. der Dichtungsvorrichtung 6 gebildet (z. B. 2 und 7), welches in Richtung von der Brennstoffzelle 2 zur zweiten Stirnseite 4b sowie in Richtung von der Querdichtung 9 zur Endplatte 4 ein Außenende bildet (z. B. 2 und 7). Bei einer Relativbewegung von Dichtungsvorrichtung 6 und Endplatte 4 in X-Richtung und/oder Y-Richtung ist somit eine zuverlässige Abdichtung über die Breite B der Endplatte 4 möglich.
Die Endplatte 4 mit daran angeordnetem Flachdichtungselement 12 wird z. B. an der Dichtungsvorrichtung 6 so angeordnet, dass sich die aktive Dichtfläche 15 der Querdichtung 9 in X-Richtung vorzugsweise zwischen erstem Ende 12a und zweitem Ende 12b des Flachdichtungselements 12 befindet, derart, dass die aktive Dichtfläche 15 bzw. die Dichtlinie 14 auch bei maximal zu erwartender Relativbewegung der Endplatte 4 zur Querdichtung 9 innerhalb der Abmessung der Endplatte 4 in X-Richtung, insbesondere der Abmessung des gegenüberliegend angeordneten Flachdichtungselements 12 in X-Richtung, verbleibt. Bei der vorgesehenen Anordnung verlaufen das Flachdichtungselement 12 und die aktive Dichtfläche 15 (z. B. im Ruhezustand der Brennstoffzellenanordnung 1) im Wesentlichen parallel zueinander in Z-Richtung.
Die aktive Dichtfläche 15 ist dabei derart ausgebildet, dass eine Abdichtung in Verbindung mit dem Flachdichtungselement 12 möglich ist, d. h. das Flachdichtungselement 12 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 Flachdichtungselement 12 ausgeübt werden kann. Die aktive Dichtfläche 15 erstreckt sich insofern insbesondere quer (Z-Richtung), z. B. im Wesentlichen quer, und weist weiterhin vorzugsweise eine Quererstreckung auf, welche mit der Quererstreckung des Flachdichtungselements 12 korrespondiert. Das Flachdichtungselement 12 erstreckt sich erfindungsgemäß z. B. über die gesamte Quererstreckung der Endplatte 4 (in Z-Richtung), so dass über die gesamte Breite der Endplatte 4 eine Dichtlinie bildbar ist. Die aktive Dichtfläche 15 kann dabei mittels einer Kante, einem Halbrund oder mit anderem zur Ausbildung einer Dichtlinie 14 geeigneten Querschnitt gebildet sein.
Vorzugsweise ist die aktive Dichtfläche 15 mittels eines abgerundeten oder eines stumpfwinkligen Oberflächenteils der Oberfläche 9a der Querdichtung 9 gebildet, welcher eine im Vergleich zu einer Kante breitere Anlagefläche bzw. aktive Dichtfläche 15 bei Anschmiegen des Flachdichtungselements 12 zur Verfügung stellt. In Richtung zur zweiten Stirnseite 4b ist in X-Richtung benachbart zu der aktiven Dichtfläche 15, z. B. gebildet durch das Außenende 15a, insbesondere ein Freiraum vorgesehen, in welchen das abgespreizte zweite Ende 12b des vorgespannten Flachdichtungselements 12 eintauchen kann, wobei der Freiraum z. B. mittels der Dichtrampe 10 bildbar ist.
Mittels des erfindungsgemäßen, vorgespannten Flachdichtungselements 12 lassen sich somit unterschiedliche Spaltquerschnitte eines Spalts 16 abdichten. Um Spaltquerschnitte mit einer großen Erstreckung in Y-Richtung abzudichten, ist erfindungsgemäß z. B. vorgesehen, eine große Vorspannkraft auf das Flachdichtungselement 12 auszuüben, z. B. durch Wahl eines Vorspannelements 13a großen Durchmessers, welches eine große Auslenkung des Flachdichtungselements 12 am z. B. zweiten Ende 12b ermöglicht. Einhergeht damit ggf. eine höhere Beanspruchung des Flachdichtungselements 12. Um verschiedene zu erwartende Erstreckungen des Spaltquerschnitts des Spalts 16 in X-Richtung abdecken zu können, können z. B. unterschiedliche Längen des Flachdichtungselements 12 notwendig sein, wobei vorzugsweise eine Länge gewählt wird, die z. B. im Wesentlichen der der Erstreckung der Endplatte 4 in X-Richtung entspricht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung 1, welche eine weiter verbesserte Dichtwirkung ermöglicht, überlappt das Flachdichtungselement 12 die Dichtungsvorrichtung 6 der Brennstoffzellenanordnung 1 in Richtung von der Endplatte 4 zur Dichtungsvorrichtung 6 (Y-Richtung) ebenfalls auf oben beschriebene Weise, wobei die Querdichtung 9 der Dichtungsvorrichtung 6 wiederum eine aktive Dichtfläche 15 zur Anlage an dem Flachdichtungselement 12 ausbildet. Im Überlappungsbereich sind die Querdichtung 9 und die Längsdichtung 10 wiederum zueinander benachbart, z. B. 3, stoßen insbesondere aneinander.
Bei der bevorzugten Ausführungsform überragt die aktive Dichtfläche 15, welche z. B. als Teil der zum Flachdichtungselement 12 benachbarten Oberfläche 9a der Querdichtung 9, z. B. als Außenende 15a derselben, gebildet ist, die Längsdichtung 11 der Dichtungsvorrichtung 6 im Bereich der Überlappung durch das Flachdichtungselement 12 in Richtung zur Endplatte 4. Derart kann die aktive Dichtfläche 15 bei Drängen der Endplatte 4 gegen die Dichtungsvorrichtung 6 vermehrt gegen das Flachdichtungselement 12 wirken. Dazu weist die aktive Dichtfläche 15 insbesondere eine Form auf, welche sich einer Linienform annähert oder eine solche ausbildet.
Zur Bildung der aktiven Dichtfläche 15, welche insbesondere mittels einer sich quer erstreckenden Dichtkante gebildet ist, weist die Querdichtung 9 insbesondere einen giebelförmigen Abschnitt bzw. Bereich 17 auf, insbesondere dem Flachdichtungselement 12 in Y-Richtung gegenüberliegend (wobei sich das derart gebildete Profil quer erstreckt), welcher durch aufeinander zu laufende Rampenflächen 17a, b gebildet ist, 2 und 3. Alternativ ist die aktive Dichtfläche 15 z. B. durch eine gekrümmte Oberfläche 9a der Querdichtung 9 gebildet, wobei die gekrümmte Oberfläche 9a in Richtung zum Flachdichtungselement 12 nach außen gewölbt ist (nicht gezeigt). Auch andere Querschnitte der Querdichtung 9 sind zur Bildung einer die Längsdichtung in Y-Richtung überragenden aktiven Dichtfläche 15 denkbar.
Erfindungsgemäß weist die Endplatte 4 bei der bevorzugten Ausführungsform benachbart zum Flachdichtungselement 12, i. e. in Y-Richtung dem Flachdichtungselement 12 gegenüberliegend, einen materialreduzierten Bereich 18 auf (z. B. 8 und 9), in welchen das Flachdichtungselement 12 bei Drängen gegen die aktive Dichtfläche 15 eintauchbar ist. Der materialreduzierte Bereich 18 ist dazu vorgesehen, ein Ausweichen des durch die aktive Dichtfläche 15 zusätzlich zur beaufschlagten Vorspannkraft (am zweiten Ende 12b) belasteten Flachdichtungselements 12 in Richtung zur Endplatte 4 zu ermöglichen, so dass der wirksame Federweg einer damit gebildeten Dichtung erhöht werden kann. Durch den materialreduzierten Bereich 18 kann das Flachdichtungselement 12 z. B. bereits bei Anordnung bzw. Auflage der Endplatte 4 an der Querdichtung 9 bzw. Längsdichtung 11 bzw. am Gasverteiler 5 vorgespannt werden, wobei anschließend z. B. die Vorspannkraft am zweiten Ende 12b beaufschlagt wird, i. e. das Flachdichtungselement 12 bzw. eine damit gebildete Dichtung abschließend gespannt wird.
Der materialreduzierte Bereich 18 ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass ein Eintauchen des Flachdichtungselements 12, über dessen gesamte Quererstreckung (in Z-Richtung) ermöglicht ist. Somit ist der wirksame Federweg über die gesamte Quererstreckung gleichermaßen vergrößert, i. e. die Dichteigenschaften weiter verbessert.
Bei der in den 2 und 3 gezeigten beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich der materialreduzierte Bereich 18 zwischen der ersten 4a und der zweiten 4b Stirnseite der Endplatte 4 kanalförmig, insbesondere kanalförmig quer (Z-Richtung), wobei die Erstreckung in Richtung von der ersten 4a zur zweiten 4b Stirnseite vorzugsweise den Bewegungsbedarf der Endplatte 4 bei Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 1 berücksichtigt, insbesondere möglichst groß ist.
Der materialreduzierte Bereich 18 ist insbesondere als Aussparung bzw. Freimachung und weiterhin insbesondere in X-Richtung benachbart zur ersten Stirnseite 4a in der Endplatte 4 gebildet, i. e. in einem in Y-Richtung benachbart zum Flachdichtungselement 12 angeordneten Endbereich 4c der Endplatte 4. Der materialreduzierte Bereich 18 erstreckt sich dabei vorzugsweise nicht bis zur ersten Stirnseite 4a, zumindest nicht über deren gesamte Erstreckung in Z-Richtung. Die derart ausgebildete Endplatte 4 bildet somit benachbart zur ersten Stirnseite 4a einen Vorsprung 4d, welcher sich in Y-Richtung erstreckt und sich vorzugsweise in Z-Richtung fortsetzt, insbesondere über die gesamte Erstreckung der Endplatte 4 in Z-Richtung. Der derart gebildete Vorsprung 4d, welcher z. B. Leistenform aufweist, bildet eine Anlagefläche 4e in Y-Richtung, welche als (Hebel-)Stütze für das Flachdichtungselement 12 bzw. eine damit gebildete Dichtung anderen Querschnitts wirken kann.
Der materialreduzierte Bereich 18 kann sich ggf. von der zweiten Stirnseite 4b der Endplatte 4 in Richtung zur ersten Stirnseite 4a erstrecken oder zwischen erster 4a und zweiter Stirnseite 4b, wobei diese z. B. nicht materialreduziert sind. Der materialreduzierte Bereich 19 weist z. B. im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, kann jedoch auch halbrundförmigen oder einen anderen Querschnitt aufweisen.
Durch eine derartige Anordnung kann der wirksame Federweg des Flachdichtungselements 12 bereits in der anfänglichen Betriebsphase, z. B. 9, der Brennstoffzellenanordnung 1, in welcher ein größerer Federweg benötigt wird, erhöht werden, wobei auch nach langer Laufzeit bzw. zum Einsatzende eine Federweg-Reserve zur Verfügung steht, z. B. 10. Somit lässt sich der Einsatzbereich des eingangs beschriebenen Flachdichtungselements 12 mit geringem Mehraufwand erheblich verbessern.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mittels des Flachdichtungselements 12 eine Dichtung 19 gebildet, welche insbesondere U-förmigen Querschnitt aufweist, i. e. eine U-Dichtung 19, z. B. 1, 3, 4, 5, 7, 9, 10, 11, 12. Das Flachdichtungselement 12 bildet hierbei ein Stegelement 19a der U-Dichtung 19. Die U-Dichtung 19 weist ferner einen ersten U-Schenkel 19b und einen zweiten U-Schenkel 19c auf, welche zusammen mit dem U-Stegelement 19a bzw. dem Flachdichtungselement 12 den U-förmigen Querschnitt ausbilden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den ersten U-Schenkel 19b insbesondere zwischen der ersten Stirnseite 4a der Endplatte 4 und der dazu benachbarten Brennstoffzelle 2 z. B. des Brennstoffzellenstapels 3 anzuordnen, insbesondere zu fixieren. Mittels des fixierten ersten U-Schenkels 19b kann das Flachdichtungselement 12 somit ebenfalls fixiert werden, z. B. ausschließlich oder zusätzlich, z. B. mittelbar, i. e. am ersten Ende 12a. Der erste U-Schenkel 19b ist z. B. in Y-Richtung in einer Aufnahme zur fluchtenden Anordnung an der Endplatte 4 fixiert, wobei der U-Schenkel 19b die Anordnung der benachbarten Brennstoffzelle 2 nicht beeinträchtigt. 2 zeigt dabei die U-Dichtung 19 im entspannten (nicht vorgespannten) Zustand.
Der erste U-Schenkel 19b kann zur Fixierung 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 19b ist mit dem U-Stegelement 19a in Form des Flachdichtungselements 12, insbesondere integral, z. B. mittels seines unteren Endes (proximales Ende), verbunden, z. B. an dem ersten Ende 12a desselben gebildet. Der erste U-Schenkel 19b ragt z. B. im Wesentlichen senkrecht von dem Flachdichtungselement 12 in Y-Richtung hervor.
An der dem (unteren Ende des) ersten U-Schenkel(s) 12b gegenüberliegenden Seite weist das Flachdichtungselement 12 sein zweites Ende 12b auf. Das zweite Ende 12b weist wie oben beschrieben keine eigene Lagerung bzw. Fixierung, z. B. an der Endplatte 4, auf und ist insofern ein freies Ende. Am zweiten Ende 12b ragt der zweite U-Schenkel 19c vom U-Stegelement 19a bzw. Flachdichtungselement 12 auf, z. B. im Wesentlichen senkrecht. Der zweite U-Schenkel 19c ist z. B. kürzer als der erste U-Schenkel 19b (in Y-Richtung).
Die Vorspannvorrichtung 13 kann hierbei z. B. integral mit dem zweiten Schenkel 19c gebildet sein, z. B. den zweiten U-Schenkel 19c bilden. Denkbar ist dabei, dass sich der zweite Schenkel 19c mit seinem dem Flachdichtungselement 12 gegenüber liegenden Ende (distales Ende) in Y-Richtung an der Endplatte 4 abstützt.
Als Vorspannvorrichtung 13 wird z. B. wiederum ein (rund-)stab- oder rohrförmiges, insbesondere hohlzylindrisches Vorspannelement 13a verwendet, welches z. B. am zweiten Ende 12b in Y-Richtung zwischen Endplatte 4 und Flachdichtungselement 12 angeordnet ist, z. B. mittels des zweiten U-Schenkels 19c, der Endplatte 4 sowie dem Flachdichtungselement 12 gefangen bzw. fixiert ist, z. B. durch Klemmung positionstreu fixiert ist. Denkbar sind jedoch wiederum auch andere Querschnitte und Maßnahmen zur Herstellung und Aufrechterhaltung eines Abstands zwischen Endplatte 4 und dem zweiten Ende 12b in Y-Richtung.
Bei den in z. B. 3, 4, 9, 10, 11 gezeigten Ausführungsformen überragt das an der Endplatte 4 angeordnete Flachdichtungselement 12 im entspannten Zustand die Endplatte 4 an der zweiten Stirnseite 4b in X-Richtung, z. B. geringfügig, so dass der zweite Schenkel 19c im entspannten Zustand z. B. benachbart zur zweiten Stirnseite 4b aufragt. Dabei ist der zweite U-Schenkel 19c 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 Flachdichtungselement 12 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.
Erfindungsgemäß wird die U-Dichtung 19 wie oben für das Flachdichtungselement 12 beschrieben, mit ihrem U-Stegelement 19a bzw. dem Flachdichtungselement 12 zur Abdichtung gegen die aktive Dichtfläche 15 gedrängt.
Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, eine Vorspannvorrichtung 13 mehrteilig auszubilden, z. B. derart, dass eine eigenständige Haltevorrichtung 20 das Vorspannelement 13a, z. B. beidseitig der Endplatte 4 führt bzw. gegen das Flachdichtungselement 12 drängt, z. B. auch mittelbar, z. B. mittels je eines Führungslagers 21 der Haltevorrichtung 20. Dazu ist die Haltevorrichtung 20 an der Brennstoffzellenanordnung 1 derart befestigt, dass eine Relativbewegung von Endplatte 4, Flachdichtungselement 12 und Vorspannelement 13a zur Haltevorrichtung 20 möglich ist, z. B. an einem Gasverteiler 5. Dazu weist die Haltevorrichtung 20 z. B. Halter 22 auf, die jeweils in Z-Richtung benachbart zu der Endplatte 4 am Gasverteiler 5 fixiert werden können. Zur Fixierung sind z. B. Bohrungen 23 in Form von z. B. Langlöchern vorgesehen, mittels derer die Halter 22 jeweils zum Zusammenwirken mit dem Vorspannelement 13a in X-Richtung und Y-Richtung geeignet eingestellt und mit dem Gasverteiler 5 verschraubt oder anderweitig befestigt werden können.
Das Vorspannelement 13a überragt in diesem Fall z. B. die Endplatte 4 in Z-Richtung und kann aufgrund des Überstands seiner Enden 24 mit je einem Ende 24 in je einem Führungslager 21 der Haltevorrichtung 20 bzw. eines Halters 22 gefangen werden, so dass mittels der Haltevorrichtung 20 und der darin gefangenen Enden 24 eine Vorspannkraft auf das Flachdichtungselement 12 ausgeübt werden kann. Das Vorspannelement 13a ist dabei z. B. im Wesentlichen plattenförmig gebildet und z. B. benachbart zur zweiten Stirnseite 4b angeordnet.
Ein Führungslager 21, welches zur Potentialtrennung zum Beispiel aus einem elektrisch schlecht leitenden Material, z. B. Keramik, besteht, ist zum Bespiel jeweils in einem Halter 22 der Haltevorrichtung 20 angeordnet, und weist zum Beispiel jeweils eine Führungsebene 25 zur beweglichen, z. B. gleitbaren Führung der in der Haltevorrichtung 20 gefangenen Enden 24 des Vorspannelements 13a auf, wobei mittels der Steigung der Führungsebene 25 der Wert und der Verlauf der Vorspannung während der Lebensdauer vorgegeben werden. Es ist folglich vorgesehen, die Führungsebene 25 mit einstellbarer Steigung auszubilden.
Bei einer Bewegung der Endplatte 4 in X-Richtung und/oder Y-Richtung wird das Vorspannelement 13a aufgrund der feststehenden Anordnung des Gasverteilers 5 und des daran befestigten Halters 22 gezwungen, sich relativ dazu entlang der Führungsebene 25 zu bewegen, wobei die Vorspannung vorgegeben wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/110292 [0002]

Claims

Brennstoffzellenanordnung (1) mit einer Brennstoffzelle (2), einer dazu benachbart angeordneten Endplatte (4) sowie einer Dichtungsvorrichtung (6) mit einer Querdichtung (9) und einer Längsdichtung (11) zur Abdichtung gegenüber einem Gasverteiler (5), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Dichtungsvorrichtung (6) und der Endplatte (4) ein Flachdichtungselement (12), insbesondere ein federelastisches Flachdichtungselement (12), angeordnet ist, welches an der Endplatte (4) benachbart zu einer ersten, der Brennstoffzelle (2) zugewandten Stirnseite (4a) derselben dauerhaft fixiert ist und welches sich in Richtung zur zweiten Stirnseite (4b) der Endplatte (4) erstreckt, wobei das Flachdichtungselement (12) an einem zur zweiten Stirnseite (4b) benachbarten Ende (12b) mit einer Vorspannkraft in Richtung von der Endplatte (4) zur Dichtungsvorrichtung (6) dauerhaft beaufschlagt ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beaufschlagung mit einer Vorspannkraft eine Vorspannvorrichtung (13) vorgesehen ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung mittels der Vorspannvorrichtung (13) variierbar ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannvorrichtung (13) ein zylindrisches Vorspannelement (13a) aufweist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachdichtungselement (12) bei einer Abdichtung mit einer aktiven Dichtfläche (15) der Querdichtung (6) zusammenwirkt, insbesondere mit einem Außenende (15a) der Querdichtung (9) und weiterhin insbesondere mit einer Dichtrampe (10).
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querdichtung (9) der Dichtungsvorrichtung (6) eine aktive Dichtfläche (15) zur Anlage an dem Flachdichtungselement (13) ausbildet, welche die Längsdichtung (11) der Dichtungsvorrichtung (6) im Bereich einer Überlappung durch das Flachdichtungselement (12) in Richtung zur Endplatte (4) überragt, wobei die Endplatte (4) benachbart zum Flachdichtungselement (12) einen materialreduzierten Bereich (18) aufweist, in welchen das Flachdichtungselement (12) bei Drängen gegen die aktive Dichtfläche (15) eintauchbar ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querdichtung (9) zur Ausbildung der aktiven Dichtfläche (15) aufeinander zu laufende Rampenflächen (17a, 17b) oder eine gekrümmte Oberfläche (9a) aufweist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die aktive Dichtfläche (15) im Wesentlichen quer erstreckt, insbesondere mittels einer Dichtkante gebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachdichtungselement (12) über seine gesamte Querersteckung an der aktiven Dichtfläche (15) anliegt.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Flachdichtungselement (12) über die gesamte Quererstreckung der Endplatte (4) erstreckt.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der materialreduzierte Bereich (18) ein Eintauchen des Flachdichtungselements (12) über dessen gesamte Quererstreckung ermöglicht.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der materialreduzierte Bereich (18) als Aussparung bzw. Freimachung gebildet ist, welche insbesondere in Richtung von der ersten (4a) zur zweiten (4b) Stirnseite der Endplatte (4) benachbart zur ersten Stirnseite (4a) in der Endplatte (4) gebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der materialreduzierte Bereich (18) zwischen den Stirnseiten (4a, 4b) der Endplatte (4) sich kanalförmig erstreckend, insbesondere quererstreckend, gebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Dichtfläche (15) mittels eines starren, insbesondere keramischen Materials gebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung (12) bei Eintauchen in den materialreduzierten Bereich (18) entgegen der Richtung der zur zweiten Stirnseite (4b) der Endplatte (4) benachbart beaufschlagten Vorspannkraft belastet wird.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachdichtungselement (12) ein U-Stegelement (19a) einer U-förmigen Dichtung (U-Dichtung) (19) bildet, wobei ein erster U-Schenkel (19b) der U-Dichtung (19) zwischen Endplatte (4) und benachbarter Brennstoffzelle (2) benachbart zu einer ersten Stirnseite (4a) der Endplatte (4) fixiert ist, das U-Stegelement (19a) der U-Dichtung (19) sich von der ersten (4a) in Richtung zur zweiten Stirnseite (4b) der Endplatte (4) außerhalb der Endplatte (4) benachbart zu dieser erstreckt, wobei die U-Dichtung (19) an einem dem ersten U-Schenkel (19b) gegenüberliegenden Ende (12b) des U-Stegelements (19a) mit einer Vorspannkraft in Richtung von der Endplatte (4) zum U-Stegelement (19a) dauerhaft beaufschlagt ist, insbesondere mittels einer Vorspannvorrichtung (13).
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorspannelement (13a) von dem zweiten U-Schenkel (14) gefangen ist, insbesondere in Verbindung mit der Endplatte (4) und/oder dem U-Stegelement (19a).