DE102011101608A1

DE102011101608A1 - Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE102011101608A1
Application number: DE102011101608A
Authority: DE
Inventors: Anton Trenkler; Uwe Burmeister; Wolfgang Wagner; Marius Hackmann; Johannes Hartl
Original assignee: MTU Onsite Energy GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2012-11-15

Abstract

Brennstoffzellenanordnung (1) mit einem sich in Längsrichtung (X) erstreckenden Brennstoffzellstapel (2), wobei unterhalb des Brennstoffzellstapels (2) ein erster Gasverteiler (6) angeordnet ist, welcher an einer Tragstruktur (10) abgestützt ist, wobei der Brennstoffzellstapel (2) mittels einer mehrgliedrigen Längsdichtung (5) gegen den ersten Gasverteiler (6) abgedichtet ist, wobei der erste Gasverteiler (6) ein Anlageprofil (13) zur Anlage gegen die Längsdichtung (5) über deren Länge und zur Abstützung an der Tragstruktur (10) aufweist, welches homogen gebildet und elastisch verformbar 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 . Sie umfassen meist mehrere zu einem Stapel zusammengefasste Brennstoffzellen sowie Gasverteiler zum Zuführen und Abführen der Gasströme. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einem Gasverteiler ist regelmäßig eine Dichtungsvorrichtung angeordnet. Die Dichtungsvorrichtung ist z. B. in Form eines (Dichtungs-)Rahmens gebildet, welcher die Dichtungselemente aufweist, z. B. Längsdichtungselemente, welche dem Längsrand des Gasverteilers folgen und Querdichtungselemente. Die Dichtungselemente bestehen typischerweise aus elektrisch nichtleitendem Material, vorzugsweise Keramik, alternativ z. B. kombiniert mit einem Dichtfilz.
Während des Betriebes bewegt sich der Zellstapel relativ zum jeweiligen Gasverteiler bzw. zur jeweiligen Dichtungsvorrichtung. Hervorgerufen werden diese Bewegungen z. B. durch Temperaturerhöhung von Raumtemperatur auf Betriebstemperatur, z. B. ca. 650°C, durch unterschiedliche Werkstoffpaarungen oder chemische Prozesse. Dies erschwert eine Abdichtung und kann zu Gasleckagen führen.
Aus der Druckschrift JP 2009 054 378 AA ist zur Abdichtung eine Brennstoffzellenanordnung bekannt, bei welcher ein Dichtungselement sowie ein Gasverteiler insbesondere mittels federbelasteter Haltebolzen an Endplatten der Brennstoffzellenanordnung fixiert sind. Diese Anordnung kann sich über eine Länge des Brennstoffzellstapels jedoch nur unzureichend verwinden, so dass die Abdichtung nicht in jedem Fall gelingt.
Um eine erhöhte Dichtwirkung zu erhalten, wird in der Druckschrift US 2006/0141325 A1 die Verwendung eines Gasverteilers zur Bildung einer Brennstoffzellenanordnung der vorliegenden Art vorgeschlagen, welcher mittels eingearbeiteter Biegefalten bzw. Verbundfalten flexibel konstruiert ist. Zur Abdichtung gegen einen Brennstoffzellstapel ist ein Längsdichtungselement, welches mit dem Gasverteiler zusammenwirkt, segmentiert gebildet. Die vorgeschlagene Anordnung ist jedoch nur bei vertikal ausgerichteten Brennstoffzellstapeln vorteilhaft nutzbar, da bei der Abstützung des Manifolds gegen eine steife Tragstruktur die mittels der flexiblen Elemente erzielte Flexibilität des Manifolds nicht zum Tragen gelangen kann. Zudem ist gerade der Gasverteiler hierbei aufwändig in der Fertigung und somit teuer.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenanordnung vorzuschlagen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet und eine verbesserte Abdichtung an einem Brennstoffzellstapel ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Brennstoffzellenanordnung mit einem sich in Längsrichtung erstreckenden, insbesondere horizontal ausgerichteten Brennstoffzellstapel. Der Brennstoffzellstapel kann eine oder mehrere Brennstoffzellen aufweisen und ist endseitig vorzugsweise mit Endplatten versehen. Insbesondere unter Verwendung der Endplatten kann der Brennstoffzellstapel hierbei längsverspannt sein. Die Brennstoffzelle(n) des Brennstoffzellstapels sind vorzugsweise Hochtemperatur-Brennstoffzellen, z. B. Molten Carbonate Fuel Cells (MCFC).
Die Brennstoffzellenanordnung weist unterhalb des Brennstoffzellstapels einen ersten (vorzugsweise Al-Manifold) Gasverteiler auf, mittels welchem der Brennstoffzellstapel an einer Tragstruktur abgestützt ist. Die Tragstruktur ist hierbei vorzugsweise eine steife bzw. formstabile Struktur, z. B. eine rahmenförmige Struktur.
Der Brennstoffzellstapel ist mittels einer Längsdichtung (und einer Querdichtung) gegen den ersten Gasverteiler abgedichtet. Um den Bewegungen des Brennstoffzellstapels während eines Betriebs der Brennstoffzellenanordnung unter Beibehaltung der Dichtwirkung folgen zu können, ist die Längsdichtung vorteilhaft segmentiert bzw. mehrgliedrig gebildet. Zur Bildung der mehrgliedrigen Längsdichtung können kurze Dichtungselemente, welche zum Zwecke einer Potentialtrennung vorzugsweise mittels einer Keramik gebildet sind, stirnseitig zueinander benachbart angeordnet und z. B. in Längsrichtung verspannt randseitig gegen den Brennstoffzellstapel gedrängt werden.
Um insbesondere die Trage- als auch die Dichtfunktion mittels des ersten Gasverteilers wirkungsvoll umsetzen bzw. entkoppeln zu können, i. e. eine vertikale Zellstapelverformung zu kompensieren und gleichzeitig eine Abstützung an einer Tragstruktur zu ermöglichen, weist der erste Gasverteiler im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Anlageprofil zur Anlage gegen die Längsdichtung über deren Länge und zur Abstützung an der Tragstruktur auf, welches homogen gebildet und elastisch verformbar ist (als Anlageprofil ist vorliegend – im üblichen Sinne des Begriffs Profil – ein langgestrecktes Bauelement bezeichnet, welches hierbei der Abstützung im Sinne einer Anlage dient; das Anlageprofil kann vorliegend eigenständig oder integral mit dem Gasverteiler gebildet sein). Durch ein derartiges, auf einfache Weise herstellbares Anlageprofil, kann die zur Abdichtung benötigte Flexibilität ohne aufwändig herzustellende Flexibilisierungselemente erzielt werden.
Vorteilhaft ist das Anlageprofil des ersten Gasverteilers hierbei gegen Verrutschen bzw. unzulässige Verlagerung in Querrichtung gesichert an der Tragstruktur abgestützt. Dies kann auf einfache Weise durch eine geeignete Profilgebung bzw. einen geeigneten Querschnitt des Anlageprofils realisiert werden, in welchen ein Stützprofil der Tragstruktur eintauchen kann. Ein solcher Querschnitt für das Anlageprofil ist vorzugsweise ein Hutprofil (entsprechend einem U-Querschnitt), in welchen das Stützprofil der Tragstruktur, welches vorzugsweise als T-Profil, alternativ z. B. als Vierkantprofil oder anderweitig geeignet gebildet ist, über wenigstens einen Teil der Länge des Anlageprofils des ersten Gasverteilers eintaucht.
Hierbei ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere vorgesehen, den Brennstoffzellstapel mittels des Anlageprofils des ersten Gasverteilers lose aufliegend an der Tragstruktur abzustützen, i. e. das Anlageprofil liegt lose auf der Tragstruktur auf. Dies ermöglicht, dass sich das Anlageprofil zumindest über einen Teil seiner Länge von der Tragstruktur – z. B. aufgrund einer elastischen Verformung – entfernen und Bewegungen der Längsdichtung bzw. des Brennstoffzellstapels folgen kann. Das Anlageprofil ist insofern vorzugsweise in vertikaler Richtung verlagerbar an der Tragstruktur abgestützt. Eine derartige Funktionalität kann ebenfalls durch den Hutprofil-Querschnitt des Anlageprofils erzielt werden.
Um eine kostengünstige und verwindungsfreudige Gasverteilerkonstruktion des ersten Gasverteilers zu ermöglichen, ist vorgesehen, den ersten Gasverteiler integral mit dem Anlageprofil, insbesondere sämtlich aus einem elastischen Material zu fertigen, wobei vorzugsweise ein Material mit einem geringen Flächenträgheitsmoment verwendet wird, insbesondere z. B. ein Dünnblech. Ein einfaches Verfahren zur Herstellung des ersten Gasverteilers ist z. B. ein Press- oder Biegeverfahren, welches auf ein bogen- bzw. blattförmiges Ausgangsmaterial angewendet werden kann, und in dessen Zuge sowohl das Anlageprofil als auch die weiteren Bestandteile des ersten Gasverteilers, z. B. ein in Querrichtung gegenüberliegendes, gleichartiges Anlageprofil oder ein Wannenboden bildbar sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Brennstoffzellenanordnung ist oberhalb des Brennstoffzellstapels ein zweiter Gasverteiler angeordnet, welcher ebenfalls mittels einer mehrgliedrigen, weiteren Längsdichtung gegen den Brennstoffzellstapel abgedichtet ist. Mittels des ersten und zweiten Gasverteilers werden Gasströme zu- bzw. abgeführt, insbesondere Brenngas und Abgas.
Der zweite Gasverteiler stützt sich – via der weiteren Längsdichtung – mittelbar am Brennstoffzellstapel ab.
Hierbei weist auch der zweite Gasverteiler ein Anlageprofil zur Anlage gegen die weitere Längsdichtung über deren Länge auf, welches gemäß dem ersten Anlageprofil über wenigstens eine zur Anlage an der Längsdichtung vorgesehene Länge homogen gebildet und elastisch verformbar ist. Der Begriff homogen bezeichnet hierbei sowohl eine einheitliche Formgebung als auch ein einheitliches Material des Anlageprofils über die zur Anlage an der Längsdichtung vorgesehene Länge, wobei insbesondere jeweils homogene Materialelastizität über die zur Anlage vorgesehene Länge angestrebt ist. Zur Bildung eines homogenen Anlageprofils ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, die Anlageprofile zumindest über ihre zur Anlage an je einer Längsdichtung vorgesehene Länge mit gleich bleibendem Querschnitt und insbesondere frei von Flexibilisierungselementen auszubilden.
Das Anlageprofil des zweiten Gasverteilers, i. e. das zweite Anlageprofil, ist vorzugsweise als Vierkant-Hohlprofil gebildet, kann alternativ jedoch auch einen anderen Querschnitt aufweisen. Wie das erste Anlageprofil, i. e. das des ersten Gasverteilers, kann das Anlageprofil des zweiten Gasverteilers mittels eines elastischen Materials, insbesondere mit einem geringen Flächenträgheitsmoment gefertigt sein, z. B. einem Dünnblech, so dass die notwendige Elastizität für eine einwandfreie Abdichtung bei Betrieb der Brennstoffzellenanordnung gewährleistet ist.
Vorgesehen ist, den zweiten Gasverteiler mehrteilig zu bilden, wobei der zweite Gasverteiler ein insbesondere steifes Gehäuse aufweisen kann. Das Gehäuse ist vorzugsweise mittels eines Federbalgs des zweiten Gasverteilers an dem Anlageprofil des zweiten Gasverteilers abgestützt. Somit sind eine gute Abdichtung und ein einfacher Aufbau des zweiten Gasverteilers bei hoher Stabilität der Anordnung erzielbar. Mittels des Anlageprofils des zweiten Gasverteilers ist vorzugsweise ein Rahmen des zweiten Gasverteilers mit einer Rahmenöffnung gebildet.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind ein wie vorstehend beschriebenes Anlageprofil des ersten Gasverteilers und ein wie vorstehend beschriebenes Anlageprofil des zweiten Gasverteilers miteinander federelastisch vertikal verspannt gegen je eine Längsdichtung gedrängt. Hierbei liegen sich das erste und das zweite Anlageprofil am Brennstoffzellstapel in vertikaler Richtung gegenüber, weisen jedoch in Querrichtung keinen beabsichtigten Versatz auf.
Bei dieser Anordnung sind das erste und das zweite Anlageprofil gehalten, sich gemeinsam elastisch zu verformen, i. e. in gleicher Weise, sobald der Brennstoffzellstapel sich in vertikaler Richtung verwindet, so dass eine gleichbleibend gute Abdichtung am Brennstoffzellstapel erzielbar ist.
Hierbei werden vorzugsweise Querstreben an dem Boden des ersten Gasverteilers angeordnet, insbesondere daran dauerhaft fixiert, welche zur Verspannung über den Gasverteiler hinaus ragen, wobei die Querstreben in Aussparungen der Tragstruktur gefangen sind, insbesondere lose darin aufgenommen sind. Durch Fangen der Querstreben in den Aussparungen, welche die Tragstruktur vorzugsweise in Querrichtung durchdringen, kann der Gasverteiler auf einfache Weise gegen eine unzulässige Längsverlagerung und eine nicht beabsichtigte übermäßige vertikale Verlagerung gesichert werden. Hierzu werden die Aussparungen vorzugsweise derart dimensioniert, dass den jeweiligen Querstreben ein zulässiger Bewegungsspielraum zugestanden ist, innerhalb dessen diese sich zusammen mit dem Gasverteiler bewegen können. Die Querstreben können z. B. an dem Boden des Gasverteilers angeschweißt werden.
Am zweiten Gasverteiler sind zur Verspannung mit dem ersten Anlageprofil Auskragelemente angeordnet, z. B. als Flanschelemente, welche sich in Querrichtung über den zweiten Gasverteiler hinaus erstrecken. Insbesondere korrespondieren die Positionen der Auskragelemente in Längsrichtung betrachtet mit jenen der Querstreben, so dass ein Auskragelement jeweils mit einer Querstrebe über vorzugsweise eine Zugstange verbindbar bzw. verspannbar ist. Die Verspannung über die Länge der ersten und zweiten Anlageprofile erfolgt vorzugsweise in regelmäßigen Abständen, insbesondere mittels federbelasteter Zugstangen, welche an jeweils einer Auskragung und einer Querstrebe diese verbindend angeordnet sind, so dass sich eine gleichmäßige Flächenpressung der Längsdichtungen einstellt. Zur Federbelastung ist insbesondere eine Schraubendruckfeder vorgesehen, welche einerseits an einer Auskragung und anderseits an der Zugstange abgestützt sein kann. Vorzugsweise sind die Auskragelemente am zweiten Anlageprofil an dieses angeschweißt.
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.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Darstellung einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
2 und 3 exemplarisch jeweils eine Schnittansicht der Brennstoffzellenanordnung von 1;
4 exemplarisch eine Verspannanordnung der Brennstoffzellenanordnung gemäß 1;
5 und 6 jeweils Schnittansichten, welche Details eines unteren Endes der Brennstoffzellenanordnung gemäß 1 veranschaulichen;
7 und 8 jeweils Schnittansichten, welche ein Abheben des Anlageprofils von der Tragstruktur am unteren Ende der Brennstoffzellenanordnung gemäß 1 veranschaulichen;
9 eine durchscheinende Teilansicht der Brennstoffzellenanordnung gemäß 1 zur Verdeutlichung der Aussparungen der Tragstruktur; und
10 und 11 jeweils Schnittansichten, welche Details eines oberen Endes der Brennstoffzellenanordnung gemäß 1 veranschaulichen.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
Die Figuren, z. B. 1, zeigen eine Brennstoffzellenanordnung 1, wobei die Brennstoffzellenanordnung 1 einen Brennstoffzellstapel 2 mit mehreren Brennstoffzellen 3 aufweist, welcher sich in Längsrichtung X, insbesondere horizontal, erstreckt und endseitig beiderseits mit je einer Endplatte 4 versehen ist. Am unteren Ende des Brennstoffzellstapels 2 ist eine erste Längsdichtung 5 angeordnet, welche dem Längsrand des Brennstoffzellstapels 2 folgt und über dessen Länge gegenüber einem ersten, unteren Gasverteiler 6 abdichtet, am oberen Ende des Brennstoffzellstapels 2 eine zweite Längsdichtung 7, welche der ersten Längsdichtung 5 in vertikaler Richtung Y gegenüberliegt, i. e. überlappend. Die zweite Längsdichtung 7 folgt ebenfalls dem Längsrand des Brennstoffzellstapels 2 und erstreckt sich über dessen Länge, wobei die zweite Längsdichtung 7 gegenüber einem zweiten, oberen Gasverteiler 8 abdichtet.
Eine Längsdichtung 5, 7 ist jeweils mittels einer Vielzahl keramischer Dichtelemente 9 gebildet, welche stirnseitig aneinander angeordnet sind und sich jeweils über einen Teil der Länge der Längsdichtung 5 bzw. 7 erstrecken, insofern ist eine Längsdichtung 5, 7 jeweils segmentiert bzw. gegliedert, so dass ein Anschmiegen am Brennstoffzellstapel 2 bei Verwindung desselben stets ermöglicht ist.
Der Brennstoffzellstapel 2 ruht gemeinsam mit dem ersten 6 und zweiten Gasverteiler 8 (einschließlich den zur Abdichtung vorgesehenen Elementen bzw. der Dichtungsanordnung) auf einer Tragstruktur 10, welche als steifer Tragrahmen gebildet und dazu vorgesehen ist, sich an einem Untergrund abstützen. Ein Längsrahmenelement 11 der Tragstruktur ist als T-Profil gebildet, ein Querrahmenelement 12, z. B. 2, als L-Profil, welches an das T-Profil angeschweißt ist, z. B. 5 und 6.
Hierbei stützt sich der untere, erste Gasverteiler 6 an der Tragstruktur 10 ab, die untere Längsdichtung wiederum an dem unteren Gasverteiler 6. Die Tragstruktur 10 erstreckt sich in Längsrichtung X über die gesamte Länge des Brennstoffzellstapels 2 einschließlich der Endplatten, so dass eine gleichmäßige Lastverteilung ermöglicht ist, in Querrichtung über die Breite des Brennstoffzellstapels. Auch der erste 6 und zweite 8 Gasverteiler erstrecken sich über die Breite des Brennstoffzellstapels 2.
Der erste 6 und zweite 8 Gasverteiler weisen jeweils ein Anlageprofil 13 bzw. 14 auf, welche je in Querrichtung Z randseitig am jeweiligen Gasverteiler 6 bzw. 8 angeordnet sind und sich in Längsrichtung X erstrecken. Die Anlageprofile 13, 14 sind jeweils zur Anlage an einer Längsdichtung 5 bzw. 7 vorgesehen und erstrecken sich zumindest jeweils über deren Länge, insbesondere darüber hinaus.
Je ein Anlageprofil 13 des ersten Gasverteilers 6 liegt je einem Anlageprofil 14 des anderen Gasverteilers 8 in vertikaler Richtung Y, insbesondere überlappend, gegenüber. Insbesondere weist jeder Gasverteiler 6, 8 zwei Anlageprofile 13 bzw. 14 auf, welche einander in Querrichtung Z gegenüberliegen, insbesondere überlappend, und jeweils einem Anlageelement 14 bzw. 13 des jeweils anderen Gasverteilers 8, 6 in vertikaler Richtung Y gegenüberliege (nicht dargestellt).
Ein Anlageprofil 13 des ersten Gasverteilers 6 weist hierbei über die zur Anlage an der Längsdichtung 5 vorgesehene Länge gleich bleibenden Querschnitt auf, welcher einem Hutprofil-Querschnitt entspricht. Ein Querschnitt durch den ersten Gasverteiler 6 entspricht insofern einem doppelten Hutprofil, als das in Querrichtung Z gegenüberliegende Anlageprofil 13 hierbei ebenfalls einen Hutprofil-Querschnitt aufweist.
In das erste, untere Anlageprofil 13 bzw. den Hutprofil-Querschnitt ist die Tragstruktur 10 mit deren Längsrahmenelement 11 eingetaucht, insbesondere über die gesamte Länge des Anlageprofils 13, wodurch das Anlageprofil 13 gegen unbeabsichtigte Querverschiebung in Z-Richtung gesichert ist, insbesondere insoweit, als der Hutprofil-Querschnitt hinsichtlich seiner Quererstreckung mit der Quererstreckung des T-Profils des Längsrahmenelements 11 korrespondiert, d. h. das Anlageprofil 13 wirkt mit dem Längsrahmenelement 11 der Tragstruktur 10 gegen unbeabsichtigte Querverlagerung des ersten Gasverteilers 6 zusammen.
Hierbei ist das erste Anlageprofil 13, welches integral mit dem Gasverteiler 6 gebildet ist, elastisch verformbar einheitlich aus einem Dünnblech mit geringem Flächenträgheitsmoment, insbesondere ohne Flexibilisierungselemente, mit gleich bleibendem Querschnitt gefertigt und insofern homogen, insbesondere über die zur Anlage vorgesehene Länge. Der erste Gasverteiler 6 ist hierbei sämtlich homogen gebildet und elastisch verformbar mitsamt des Anlageprofils 13 gebildet. Ein solcher Gasverteiler 6 ist günstig aus einem Dünnblech fertigbar, z. B. durch Press- und/oder Biegeverfahren mittels eines Flachmaterials.
Der zweite, obere Gasverteiler 8 ist mehrteilig gebildet. Der zweite Gasverteiler 8 weist einen Rahmen 15, zur Abstützung an der Längsdichtung 7 sowie einer Querdichtung auf, welcher mittels des zweiten Anlageprofils 14 gebildet ist, insbesondere elastisch. An dem zweiten Anlageprofil 14 bzw. dem Rahmen 15 ist wiederum am Rahmen 15 umlaufend ein elastischer Federbalg 16 des zweiten Gasverteilers 8 abgestützt, welcher weitere Bewegungsausgleichsmöglichkeiten bereitstellt. Der Federbalg 16 ist aus Federblech gebildet, alternativ z. B. aus einem elastisch verformbaren Kunststoff. Angemerkt sei, dass der zweite Gasverteiler 8 mittels des Anlageprofils 14 alternativ einteilig gebildet sein kann.
An dem Federbalg 16 ist wiederum ein Gehäuse 17 des zweiten Gasverteilers 8 abgestützt, welches aus einem steifen Material gebildet und somit robust ausgeführt ist. Mittels des Federbalgs 16 ist das Gehäuse 17 gegenüber dem Anlageprofil 14 bzw. dem Rahmen 15 zu einem Bewegungsausgleich in der Lage, wobei der Federbalg 16 zudem eine Abdichtung gegenüber dem Gehäuse 17 als auch dem Anlageprofil 14 bzw. Rahmen 15 sicherstellt.
Das zweite Anlageprofil 14 weist einen Vierkant-Hohlprofil-Querschnitt auf, kann alternativ jedoch auch einen anderen Querschnitt aufweisen. Wie das erste Anlageprofil 13 ist auch das zweite Anlageprofil 14 elastisch verformbar einheitlich aus einem Dünnblech mit geringem Flächenträgheitsmoment, insbesondere ohne Flexibilisierungselemente, mit gleich bleibendem Querschnitt gefertigt und somit homogen gebildet, insbesondere über die zur Anlage an der zweiten Längsdichtung 7 vorgesehene Länge.
Einander in vertikaler Richtung gegenüberliegende erste 13 und zweite 14 Anlageprofile sind miteinander verspannt, z. B. 2 und 3, insbesondere federelastisch, so dass bei Verwindung des Brennstoffzellstapels 2 eine gleich bleibend gute Dichtwirkung durch gemeinsame Verformung der Anlageprofile 13, 14 erzielbar ist. Durch die Verspannung werden die Anlageprofile 13 bzw. 14 quasi den Bewegungen des Brennstoffzellstapels 1 nachgeführt.
Zur Verspannung sind Querstreben 18 an dem ersten Gasverteiler 6 fixiert, welche den ersten Gasverteiler 6 zudem bodenseitig abstützen, i. e. über dessen Erstreckung in Querrichtung. Die Querstreben 18 sind in regelmäßigen Abständen in Bezug auf die Längsrichtung am Boden des ersten Gasverteilers 6 angeschweißt, alternativ könnten die Abstände auch variieren.
Jede Querstrebe 18 ist an der Tragstrukur 10 gegen unbeabsichtigte Längsverlagerung und gegen unbeabsichtigte vertikale Verlagerung gesichert angeordnet, wozu die Tragstruktur 10 geeignete Durchtrittsöffnungen bzw. Aussparungen 19 für die Querstreben 18, welche sich in Querrichtung Z durch den Längsrahmen 11 erstrecken, aufweist, z. B. 6 und 9. Je ein Paar einander in Querrichtung Z gegenüberliegender Aussparungen 19 nimmt hierbei eine Querstrebe 18 auf. Die Durchtrittsöffnungen 19 in den jeweiligen Längsrahmenelementen 11 der Tragstruktur 10 sind hinsichtlich ihres Öffnungsquerschnitts derart dimensioniert, dass sich die Querstreben 18 darin gemeinsam mit dem daran befestigten ersten Gasverteiler 6 relativ zu der Tragstruktur 10 in zulässiger Weise, d. h. ohne Einschränkung einer Abdichtung, bewegen können.
Die Querstreben 18 weisen an einem über den Gasverteiler 6 in Querrichtung Z hinausragenden Ende 18a jeweils eine Bohrung zur Einbringung einer Zugstange 20 auf.
Zur Verspannung sind weiterhin Auskragungen 21 am zweiten, oberen Gasverteiler 8 gebildet, welche ebenfalls in Querrichtung Z über denselben hinausragen. Die Auskragungen 21 sind je an einem zweiten Anlageprofil 14 befestigt, insbesondere angeschweißt. Hinsichtlich ihrer Position in Längsrichtung X korrespondieren die Auskragungen 21 mit den Positionen der überstehenden Enden der Querstreben 18. Die Auskragungen 21 sind flanschförmig gebildet und weisen ebenfalls je eine Durchtrittsöffnung zur Einbringung der Zugstange 20 auf.
Eine in die Bohrung der Querstrebe 18 und eine korrespondierende Öffnung der in vertikaler Richtung Y gegenüberliegenden, insbesondere überlappenden Auskragung 21 eingebrachte Zugstange 20 zur Verspannung erstreckt sich jeweils von einer Querstrebe 18 zu einer Auskragung 21. Die Zugstange 20 weist an der Unterseite der Querstrebe und an der Oberseite der Auskragung jeweils ein Befestigungselement 22, 23 auf, insbesondere eine Schraubenmutter, so dass die Zugstange 20 an der Auskragung 21 und der Querstrebe 18 gefangen ist. Zwischen dem oberen Befestigungselement 23 und der Auskragung 21 ist hierbei eine Schraubendruckfeder 24 von der Zugstange 20 durchdrungen angeordnet, welche bei dieser Anordnung das zweite Anlageprofil 14 mittels der Zugstange 20 in Richtung zum ersten Anlageprofil 13 drängt. Mittels einer derartigen Verspannung, welche in gleichmäßigen Abständen über die Länge des Brennstoffzellstapels 2 erfolgt, wird unter Verwendung der elastischen Anlageprofile 13, 14 über die Länge des Brennstoffzellstapels 2 eine gleichmäßig gute Abdichtung erzielt.
Angemerkt sei, dass die Brennstoffzellenanordnung 1 wie in den Figs. dargestellt, Führungsleisten 25 an einem oder mehreren Anlageprofilen 13, 14 aufweisen kann, welche in Querrichtung Z beidseitig an einem Anlageprofil 13 bzw. 14 sich gemeinsam mit diesem längs erstreckend angeordnet sind. Je ein Paar der in Querrichtung Z nebeneinander angeordneten Führungsleisten 25 ermöglicht auf einfache Weise, dass eine dazwischen gefangene Längsdichtung 5 bzw. 7 sich in Querrichtung Z nicht über Gebühr verlagern kann. Die Führungsleisten 25 sind vorzugsweise aus Dünnblech hergestellt, ebenfalls elastisch verformbar und z. B. an einem Anlageprofil 13 bzw. 14 angeschweißt.
Bei der Brennstoffzellenanordnung 1 liegt das erste Anlageprofil 13 und somit der erste Gasverteiler 6 lose auf der Tragstruktur 10 auf. Ein unbeabsichtigtes Verrutschen bzw. eine Verlagerung in Längsrichtung X wird durch die Querstreben 18 und die Öffnungen 19 vermieden. Ein Verrutschen bzw. eine Verlagerung des ersten Gasverteilers 6 in Querrichtung Z ist weiterhin durch das erste Anlageprofil 13 und das darin eingetauchte Längsrahmenelement 11 vermieden, wobei gleichzeitig ein Abheben des ersten Gasverteilers 6 in vertikaler Richtung vorteilhaft ermöglicht ist, 7 und 8. 7 zeigt hierbei das erste Anlageprofil am Längsrahmenelement 11 anliegend, 8 das erste Anlageprofil vom Längsrahmenelement 11 abgehoben.
Insgesamt kann mit der vorgeschlagenen Brennstoffzellenanordnung 1 eine äußerst verwindungstolerante Abdichtung am Brennstoffzellstapel 2 erzielt werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenanordnung
2: Brennstoffzellstapel
3: Brennstoffzelle
4: Endplatte
5: erste Längsdichtung
6: erster Gasverteiler
7: zweite Längsdichtung
8: zweiter Gasverteiler
9: Dichtungselement
10: Tragstruktur
11: Längsrahmenelement
12: Querrahmenelement
13: erstes Anlageprofil
14: zweites Anlageprofil
15: Rahmen 8
16: Federbalg 8
17: Gehäuse 8
18: Querstrebe
19: Durchtrittsöffnung 11
20: Zugstange
21: Auskragung
22, 23: Befestigungselement
24: Schraubendruckfeder
25: Führungsleiste
X, Y, Z: Richtungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/110292 [0002]
JP 2009054378 AA [0004]
US 2006/0141325 A1 [0005]

Claims

Brennstoffzellenanordnung (1) mit einem sich in Längsrichtung (X) erstreckenden Brennstoffzellstapel (2), wobei unterhalb des Brennstoffzellstapels (2) ein erster Gasverteiler (6) angeordnet ist, welcher an einer Tragstruktur (10) abgestützt ist, wobei der Brennstoffzellstapel (2) mittels einer mehrgliedrigen Längsdichtung (5) gegen den ersten Gasverteiler (6) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gasverteiler (6) ein Anlageprofil (13) zur Anlage gegen die Längsdichtung (5) über deren Länge und zur Abstützung an der Tragstruktur (10) aufweist, welches homogen gebildet und elastisch verformbar ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlageprofil (13) des ersten Gasverteilers (6) gegen Verrutschen in Querrichtung (Z) gesichert an der Tragstruktur (10) abgestützt ist, insbesondere derart, dass ein Stützprofil (11) der Tragstruktur (10) in das Anlageprofil (13) über wenigstens einen Teil der Länge desselben eintaucht.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gasverteiler (6), insbesondere der Brennstoffzellstapel (2), mittels des Anlageprofils (13) des ersten Gasverteilers (6) lose aufliegend an der Tragstruktur (10) abgestützt ist, wobei das Anlageprofil (13) insbesondere in vertikaler Richtung (Y) verlagerbar abgestützt ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gasverteiler (6) integral mit dem ersten Anlageprofil (13) gebildet ist, insbesondere homogen gebildet und elastisch verformbar ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des Brennstoffzellstapels (2) ein zweiter Gasverteiler (8) angeordnet ist, welcher mittels einer mehrgliedrigen, weiteren Längsdichtung (7) gegen den Brennstoffzellstapel (2) abgedichtet ist, wobei der zweite Gasverteiler (8) ein Anlageprofil (14) zur Anlage gegen die weitere Längsdichtung (7) über deren Länge aufweist, welches über wenigstens eine zur Anlage an der weiteren Längsdichtung (7) vorgesehene Länge homogen gebildet und elastisch verformbar ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlageprofil (13, 14) des ersten (6) und/oder des zweiten (8) Gasverteilers zumindest über seine zur Anlage an je einer Längsdichtung (5, 7) vorgesehene Länge homogene Materialelastizität aufweist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlageprofile (13, 14) zumindest über ihre zur Anlage an je einer Längsdichtung (5, 7) vorgesehene Länge mit gleich bleibendem Querschnitt gebildet sind, insbesondere frei von Flexibilisierungselementen.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlageprofile (13, 14) aus einem elastischen Material gefertigt sind, insbesondere einem Material mit geringem Flächenträgheitsmoment, weiterhin insbesondere einem Dünnblech.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anlageprofil (13) des ersten (6) und ein Anlageprofil (14) des zweiten (8) Gasverteilers miteinander federelastisch vertikal verspannt gegen einander in vertikaler Richtung (Y) gegenüberliegende Längsdichtungen (5, 7) gedrängt ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Querstreben (18) an dem ersten Gasverteiler (6) fixiert sind, insbesondere diesen bodenseitig abstützend, welche zur Verspannung über den Gasverteiler (6) hinaus ragen, wobei die Querstreben in Aussparungen (19) der Tragstruktur (10) aufgenommen sind, insbesondere lose darin gefangen und den Gasverteiler (6) gegen Längsverlagerung und/oder unzulässige vertikale Verlagerung sichernd.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in Querrichtung (Z) über den zweiten Gasverteiler (8) hinaus erstreckende Auskragelemente (21) am zweiten Anlageprofil (14) zur Verspannung mit dem ersten Anlageprofil (13) angeordnet sind.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verspannung über die Länge der ersten (13) und zweiten (14) Anlageprofile in regelmäßigen Abständen erfolgt, insbesondere mittels federbelasteter Zugstangen (20), welche an jeweils einer Auskragung (21) und einer Querstrebe (18) angeordnet sind.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Gasverteiler (8) mittels eines sich über die Länge des Anlageprofils (14) des zweiten Gasverteilers (8) erstreckenden Federbalgs (16) gebildet ist, wobei insbesondere ein Gehäuseelement (17) des zweiten Gasverteilers (8) an dem Federbalg (17) abgestützt ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlageprofil (14) des ersten Gasverteilers (6) als Hutprofil gebildet ist und/oder das Anlageprofil (14) des zweiten Gasverteilers (8) als Vierkant-Hohlprofil gebildet ist.
Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt des mittels eines Anlageprofils (13) gebildeten ersten Gasverteilers (6), insbesondere über wenigstens einen Teil der Länge desselben, dem Querschnitt eines doppelten Hutprofils entspricht.