DE102017215560A1

DE102017215560A1 - Spannvorrichtung, Brennstoffzellenstapel und Verfahren zum Herstellen der Spannvorrichtung

Info

Publication number: DE102017215560A1
Application number: DE102017215560.4A
Authority: DE
Inventors: Chad Bowcott; Ian Stewart
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2019-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung (22) zum Zusammenpressen von Einzelzellen (11) eines Brennstoffzellenstapels (100). Die Spannvorrichtung umfasst- einen länglichen Zugkörper (24) zum Übertragen von Zugkräften (F) beim Zusammenpressen der Einzelzellen (11) und- wenigstens ein mit dem Zugkörper (24) verbundenes Befestigungsmittel (26), ausgebildet zum Befestigen wenigstens eines an den Brennstoffzellenstapel (100) angrenzenden Bauteils (29).Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel (100) mit einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung (22) und ein Verfahren zum Herstellen der Spannvorrichtung (22).

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum Zusammenpressen von Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels, wobei die Spannvorrichtung einen länglichen Zugkörper zum Übertragen von Zugkräften beim Zusammenpressen der Einzelzellen umfasst. Ferner betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit der Spannvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen der Spannvorrichtung.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung, die ein Gefüge aus einer ionenleitenden, meist protonenleitenden, Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode, umfassend eine Anode und Kathode, ist. Der Begriff „Membran-Elektroden-Anordnung„ wird oftmals als „MEA“ für englisch „membrane electrode assembly“ abgekürzt. Die Elektroden umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen, abgekürzt GDL, beidseitig der Membran-Elektroden-Anordnung an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Der Stapel kann als ein Brennstoffzellenstapel bezeichnet werden. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen. Die Bipolarplatten können als Flussfeld oder Separatorplatten bezeichnet werden.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu Protonen H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H₂ → 2 H⁺ + 2 e^-). Der Brennstoff kann somit als Anodenbetriebsmedium bezeichnet werden. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zum Beispiel Luft, als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O₂ + 2 e^- → O^2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O^2- + 2 H⁺ → H₂O).
Der Brennstoffzellenstapel weist an seinen gegenüberliegenden Stapelenden typischerweise Endplatten auf, welche mittels Spannvorrichtungen miteinander verbunden sind. Mittels der Spannvorrichtungen werden Zugkräfte übertragen, welche die Endplatten zueinander ziehen und die dazwischen angeordneten Einzelzellen verpressen, also gegeneinanderpressen.
Ein Problem innerhalb eines Brennstoffzellensystems liegt darin, Bauteile in direkter Nähe des Brennstoffzellenstapels zu fixieren, insbesondere Kabel entlang des Brennstoffzellenstapels zu führen. Bisher wurden Kabel deshalb auf längerem, weniger effizienten Wege um den Brennstoffzellenstapel herumgeführt. Länger Kabel verursachen aber einen höheren Leistungsverlust, erhöhte Leitertemperatur und höhere Kosten.
Ferner ist bekannt Stromschienen über Zellreihen des Brennstoffzellenstapels zu verlegen, wobei das verwendete, relativ dicke Kupfer unnachgiebig ist und somit eine Expansion oder Kontraktion des Brennstoffzellenstapels beeinflusst.
DE 10 2016 108 921 A1 offenbart eine Fahrzeugkabelstranghalteanordnung um elektrische Kabel an einem Kabelmontagepunkt zu sichern, der in einer komplementären Fahrzeugstruktur definiert ist. Die Fahrzeugkabelstranghalteanordnung kann einen Befestigungselementkopf, ein erstes Spannband, ein zweites Spannband und einen Befestigungsclip beinhalten.
US 2009/0272576 A1 offenbart ein Kabelbefestigungssystem für Hochleistungskabel eines Hybridfahrzeugs.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, welche eine Befestigung eines Bauteils am Brennstoffzellenstapel ermöglicht. Ferner soll ein Verfahren zur kostengünstigen Herstellung der Vorrichtung vorgeschlagen werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Spannvorrichtung zum Zusammenpressen von Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels und ein Verfahren zum Herstellen der Spannvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Die Spannvorrichtung zum Zusammenpressen von Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels umfasst

- einen länglichen Zugkörper zum Übertragen von Zugkräften beim Zusammenpressen der Einzelzellen und
- wenigstens ein mit dem Zugkörper verbundenes Befestigungsmittel, ausgebildet zum Befestigen wenigstens eines an den Brennstoffzellenstapel angrenzenden Bauteils.

Durch die Erfindung können Bauteile, welche zu einem den Brennstoffzellenstapel umfassenden Brennstoffzellensystem gehören, an dem Zugkörper befestigt werden. Beispielsweise kann das wenigstens eine Befestigungsmittel dazu ausgebildet sein, eine Isolierung nahe des Brennstoffzellenstapels, zum Beispiel in Form von Platten oder Folien, zu befestigen. Die Isolierung kann eine thermische und/oder elektrische Isolierung sein. Somit können bekannte, bereits bisher in Brennstoffzellen verwendete Zugkörper um geeignete Befestigungsmittel erweitert werden.
Vorzugsweise umfasst die Spannvorrichtung mehrere Befestigungsmittel, welche insbesondere in konstanten Abständen zueinander entlang des Zugkörpers angeordnet sind - beispielsweise alle paar Zentimeter. Die Abstände sind insbesondere periodische Abstände. Somit kann eine gleichmäßige Befestigung des Bauteils am Zugkörper erfolgen.
Die Einzelzellen sind mittels der Spannvorrichtung typischerweise derart zusammenpressbar, indem die Einzelzellen zwischen zwei Endplatten des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind, wobei der wenigstens eine Zugkörper, typischerweise mehrere Zugkörper, die beiden Endplatten zueinander zieht, um die dazwischenliegenden Einzelzellen zusammenzupressen. Die Endplatten könnten formell auch als Teil der Spannvorrichtung angesehen werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Bauteil wenigstens ein Kabel umfasst oder ist, und das Befestigungsmittel eine Kabelführung mit einem Führungskörper zum wenigstens teilweisen Umschließen des wenigstens einen Kabels umfasst. Mittels der Kabelführung können als Kabel ausgebildete Bauteile am Zugkörper befestigt werden. Das wenigstens eine Kabel kann beispielsweise als Hochspannungs- oder Hochleistungskabel ausgebildet sein. Ferner kann das wenigstens eine Kabel ein Datenkabel oder ein Kabel einer Zellspannungsüberwachung sein. Der Begriff „Zellspannungsüberwachung“ wird oftmals als „CVM“ für englisch „cell voltage monitoring“ abgekürzt. Die Kabelführung ist bevorzugt ein Kabelbefestiger, insbesondere eine Schelle, sodass der Führungskörper insbesondere ein Band, vorzugweise ein gekrümmtes Band ist. Die Kabelführung und insbesondere die Schelle können beispielsweise einen runden, ovalen, oder rechteckigen Querschnitt aufweisen, wobei der rechteckige Querschnitt insbesondere abgerundete Ecken aufweist.
Vorzugsweise weist die Kabelführung eine Schraube oder eine Schnappverbindung zum Schließen des Führungskörpers auf, wodurch der Führungskörper geschlossen und eine definierte Kraft auf ein Kabel ausgeübt werden kann. Bei der Verwendung von Schnappverbindungen können diese integral mit dem Führungskörper ausgebildet sein, sodass keine weiteren Mittel zum Schließen des Führungskörpers benötigt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Führungskörper derart zum länglichen Zugkörper angeordnet ist, dass ein von der Kabelführungen geführtes Kabel, insbesondere in der Kabelführungen, parallel zu einer Längsausdehnung des länglichen Zugkörpers geführt und/oder befestigt wird. Somit ist das Kabel mittels der Kabelführung parallel zu, also entlang, einer Längserstreckung des Zugkörpers führ- und/oder befestigbar. Insbesondere überbrückt der Führungskörper den Zugkörper. Dies erfolgt vorzugsweise über die gesamte Breite des Zugkörpers. Dadurch ist das Kabel zwischen dem Führungskörper auf der einen Seite und dem Zugkörper auf der anderen Seite fixierbar.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Führungskörper derart zum länglichen Zugkörper angeordnet ist, dass ein von der Kabelführung geführtes Kabel, insbesondere in der Kabelführung, quer, insbesondere rechtwinkelig, zu einer Längsausdehnung des länglichen Zugkörpers geführt und/oder befestigt wird. Somit ist das Kabel mittels der Kabelführung quer zu einer Längserstreckung des Zugkörpers, also den Zugkörper kreuzend, führ- und/oder befestigbar. Insbesondere ist der Führungskörper außerhalb des Zugkörpers angeordnet, derart, dass er sich parallel zu dem länglichen Zugkörper erstreckt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Spannvorrichtung wenigstens zwei Kabelführungen umfasst, welche auf gegenüberliegenden Seiten des Zugkörpers angeordnet sind. Somit können Kabel auf beiden Seiten des Zugkörpers mittels der Kabelführungen geführt werden. Vorzugsweise kann ein und dasselbe Kabel von den wenigstens zwei Kabelführungen quer zur Längsausdehnung des länglichen Zugkörpers und parallel zu einer Außenfläche des Brennstoffzellenstapels geführt werden. Dadurch wird eine Relativbewegung zwischen dem Kabel und dem Zugkörper verhindert, wodurch einem Abrieb des Kabels entgegengewirkt wird.
Bevorzugt weist die Spannvorrichtung einen Verbindungsbereich auf, welcher den Zugkörper mit dem Führungskörper verbindet. Somit kann die Kabelführung beabstandet vom Zugkörper angeordnet werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kabelführung eine Einlage zum Verhindern von Abrieb des wenigstens einen Kabels aufweist. Die Einlage ist typischerweise zwischen dem wenigstens einen Kabel und dem Führungskörper angeordnet. Somit wird ein Abrieb des Kabels durch den Führungskörper verhindert. Ferner bevorzugt weist die Einlage Aussparungen auf, welche an einen Durchmesser der zu befestigenden Kabel angepasst sind. Vorzugsweise weist die Einlage Aussparungen mit unterschiedlichen Durchmessern auf, wodurch Kabel unterschiedlicher Durchmesser mittels ein und derselben Kabelführung befestigt werden können. So können beispielsweise zwei relativ dicke Kabel, insbesondere zum Abführen von elektrischer Energie aus dem Brennstoffzellenstapel, und ein relativ dünnes Kabel, insbesondere zum Übertragen von Messsignalen, mittels ein und derselben Kabelführung geführt werden. Insbesondere ist die Einlage eine Gummi-Einlage, wodurch eine ausreichende Elastizität der Einlage und Haftung der Kabel an der Einlage sichergestellt werden. Ferner bevorzugt füllt die Einlage einen Freiraum zwischen dem Führungskörper und dem wenigstens einen Kabel aus, wodurch das wenigstens eine Kabel formschlüssig fixiert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Querschnittsfläche des Zugkörpers in einem Bereich des wenigstens einen Befestigungsmittels zumindest einer Querschnittsfläche des Zugkörpers außerhalb des Bereichs entspricht. Dies bedeutet, dass die Querschnittsfläche des Zugkörpers im Bereich des wenigstens einen Befestigungsmittels gleich oder größer als eine Querschnittsfläche des Zugkörpers außerhalb des Bereichs ist. Die Querschnittsfläche außerhalb des Bereichs grenzt insbesondere direkt an den Bereich des wenigstens einen Befestigungsmittels an. Die Querschnittsflächen, welche oft als „Querschnitt“ bezeichnet werden, können ferner als „tragende Querschnittsflächen“ oder „tragender Querschnitt“ bezeichnet werden. Der Bereich des Befestigungsmittels bezeichnet einen Abschnitt des Zugkörpers in welchem das Befestigungsmittel angeordnet ist. Bevorzugt ist somit vorgesehen, dass eine Querschnittsfläche des Zugkörpers im Bereich des wenigstens einen Befestigungsmittels nicht verkleinert ist. Somit wird eine lokale Schwächung des Zugkörpers durch das Vorhandensein des Befestigungsmittels verhindert.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Zugkörper wenigstens eine Aussparung aufweist, durch welche der Führungskörper der Kabelführung geführt oder führbar ist. Die Aussparung ist insbesondere in der Mitte des Zugkörpers angeordnet und vorzugsweise ein Loch. Somit kann eine Standard-Kabelführung oder ein Standard-Kabelbefestiger mit dem Zugkörper kombiniert werden. Ferner bevorzugt ist der Zugkörper im Bereich der Aussparung derart ausgeführt, dass der Querschnitt des Zugkörpers konstant ist. Beispielsweise kann der Zugkörper im Bereich der Aussparung breiter und/oder dicker ausgeführt sein. Somit ist der Querschnitt des Zugkörpers in einer vorgesehenen Zugrichtung vor, nach und im Bereich der Aussparung gleich groß.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der längliche Zugkörper und wenigstens ein Teil des Befestigungsmittels, insbesondere der Führungskörper der Kabelführung, zusammen, also gemeinsam, einstückig ausgebildet sind. Somit sind der Zugkörper und der wenigstens eine Teil des Befestigungsmittels, insbesondere der Führungskörper, integral miteinander verbunden. Dadurch wird ermöglicht, dass der Zugkörper und der wenigstens eine Teil des Befestigungsmittels, insbesondere der Führungskörper, gemeinsam kostengünstig aus einem einzigen Stück, beispielsweise aus ein und demselben Blech, gefertigt sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der längliche Zugkörper eine Länge, eine Breite und eine Dicke aufweist, wobei die Länge wenigstens zweimal der Breite und die Breite wenigstens zweimal der Dicke entspricht. Bevorzugt entspricht die Breite wenigstens viermal der Dicke und insbesondere die Länge wenigstens viermal der Breite, besonders bevorzugt entspricht die Länge wenigstens zehnmal der Breite. Insbesondere ist der längliche Zugkörper ein Band, also bandförmig ausgebildet. Somit können die Einzelzellen besonders kosteneffizient zusammengepresst werden. Prinzipiell könnte der Zugkörper aber auch eine Stange oder ein Rohr sein.
Ferner bevorzugt ist vorgesehen, dass der Zugkörper in der Breite direkt oder indirekt, also zum Beispiel mit einem dazwischen angeordneten Verbindungsbereich, in den Führungskörper übergeht. Dies stellt eine einfache Möglichkeit dar, um den Führungskörper einstückig herzustellen.
Das Befestigungsmittel kann ferner bevorzugt als Stift ausgeführt sein, an welchem Halteklammern befestigt werden können. Die Halteklammern können insbesondere zum Halten von Stromschienen genutzt werden. Die Stromschienen sind bevorzugt starre Stromschienen.
Ferner wird ein Brennstoffzellenstapel mit mehreren Einzelzellen und wenigstens einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung zur Verfügung gestellt. Die Einzelzellen sind mittels der Spannvorrichtung zusammengepresst. Der Zugkörper der wenigstens einen Spannvorrichtung verläuft dabei typischerweise in einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels. Durch die erfindungsgemäße Spannvorrichtung können mittels der Befestigungsmittel nahe dem Brennstoffzellenstapel angeordnete Bauteile an dem Zugkörper befestigt werden. So können insbesondere Kabel wesentlich kürzer ausgeführt werden, da die Kabel, also Leiter, jetzt direkt entlang des Brennstoffzellenstapels geführt werden können. Beispielsweise können von einem freistehenden Ende des Brennstoffzellenstapels kommende Hochspannungskabel beim Verlegen mittels der Kabelführungen gestützt und geführt werden, sodass auch flexible Leiter verwendet werden können. Flexible Leiter sind insbesondere beim Verlegen entlang der Stapelrichtung vorteilhaft, da von Ihnen Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels während des Betriebs aufgenommen werden können. Der Brennstoffzellenstapel wird insbesondere durch die Spannvorrichtungen, die damit verbundenen Endplatten, die Einzelzellen und alle weiteren, zwischen den Endplatten angeordneten Bauteile gebildet. Weitere Bauteile zählen insbesondere nicht zum Brennstoffzellenstapel.
Ferner wird ein Brennstoffzellensystem umfassen den Brennstoffzellenstapel und das wenigstens eine Bauteil, welches mittels des Befestigungsmittels befestigt ist und insbesondere an den Brennstoffzellenstapel angrenzt, zur Verfügung gestellt. Dadurch ergibt sich ein kompaktes Brennstoffzellensystem, welches durch den Einsatz weniger Teile realisiert werden kann.
Zudem wird ein Kraftfahrzeug umfassend das Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, welches ebenfalls die genannten Vorteile aufweist. Das Brennstoffzellensystem dient als Energiequelle für einen elektrischen Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs.
Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen einer Spannvorrichtung zur Verfügung gestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

- Heraustrennen eines Spannvorrichtungs-Rohlings mit einem länglichen Zugkörper-Rohling und wenigstens einem Befestigungsmittel-Rohling aus einem Blech, sodass der Zugkörper-Rohling und der wenigstens eine Befestigungsmittel-Rohling zusammen einstückig ausgebildet sind und
- Biegen des wenigstens einen Befestigungsmittel-Rohlings, sodass wenigstens ein Teil des Befestigungsmittels geformt wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Spannvorrichtung auf besonders einfache und somit kostengünstige Art aus einem Blech hergestellt werden. Das Blech ist insbesondere ein Metallblech. Der Zugkörper-Rohling entspricht bevorzugt ohne weiterer Nachbearbeitung dem Zugkörper. Der wenigstens eine Teil des Befestigungsmittels ist insbesondere der Führungskörper der Kabelführung.
Vorzugsweise erfolgt das Heraustrennen durch Stanzen, Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden, wodurch die für die jeweils geforderten Stückzahlen effizientesten Verfahren zum Heraustrennen bereitgestellt sind.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
2 eine Spannvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung;
3 einen Spannvorrichtungsrohling gemäß der bevorzugten Ausgestaltung;
4 eine Spannvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung;
5 einen Spannvorrichtungsrohling gemäß der weiteren bevorzugten Ausgestaltung.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen insgesamt mit 100 bezeichneten Brennstoffzellenstapel gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Der Brennstoffzellenstapel 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch den Brennstoffzellenstapel 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Der Brennstoffzellenstapel 100 umfasst eine Vielzahl von abwechselnd, an deren Flachseiten aneinandergereihten (gestapelten) Membran-Elektroden-Anordnungen 10 und Polarplatten 12. Insgesamt bilden also mehrere gestapelte Einzelzellen 11 den Brennstoffzellenstapel 100, wobei sowohl eine der Einzelzellen 11, als auch der Brennstoffzellenstapel 100 allgemein als Brennstoffzelle bezeichnet werden können.
Die Polarplatten 12 können als Bipolarplatten ausgebildet sein, sofern sie zwischen Membran-Elektroden-Anordnungen 10 angeordnet sind. Die zwei Polarplatten 12, welche zwischen Membran-Elektroden-Anordnungen 10 und Endplatten 18 des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet sind, werden Monopolarplatten genannt. Zwischen den Polarplatten 12 und den jeweiligen Membran-Elektroden-Anordnungen 10 sind nicht dargestellte Anoden- und Kathodenräume angeordnet, welche von umlaufenden Dichtungen 20 begrenzt werden. Unter anderem, um die Dichtfunktion der Dichtungen 20 herzustellen, wird der Brennstoffzellenstapel 100 in der Stapelrichtung S mittels erfindungsgemäßen Spannvorrichtungen 22 zusammengepresst (verpresst). Dazu leiten längliche Zugkörper 24 der Spannvorrichtungen 22 Zugkräfte zwischen den beiden Endplatten 18 weiter, sodass die Endplatten mittels der Zugkörper 24 zueinandergezogen werden. Dazu erstrecken sich die Zugkörper 24 in einer Stapelrichtung S des Brennstoffzellenstapels 100. Der längliche Zugkörper 24 und wenigstens ein Teil der Befestigungsmittel 26 sind einstückig ausgebildet.
Wenigstens eine der Spannvorrichtungen 22 umfasst zusätzlich zu dem länglichen Zugkörper 24 wenigstens ein mit dem Zugkörper 24 verbundenes Befestigungsmittel 26. Das Befestigungsmittel 26 ist dazu ausgebildet wenigstens ein an den Brennstoffzellenstapel 100 angrenzendes Bauteil 29 zu befestigen. Das angrenzende Bauteil 29 kann beispielsweise eine Isolierung des Stapels oder, wie dargestellt ein Kabel 31 sein. Das Kabel 31 kann sich von einem Stromsammler 21 kommend hin zu einem gegenüberliegenden Ende des Brennstoffzellenstapels 100 erstrecken und zur Abführung einer elektrischen Leistung des Brennstoffzellenstapels 100 dienen.
2 zeigt eine Spannvorrichtung 22 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung, wobei das Befestigungsmittel 26 eine Kabelführung 28 mit einem Führungskörper 30 zum wenigstens teilweisen Umschließen wenigstens eines Kabels 31 umfasst. Der längliche Zugkörper 24 und der Führungskörper 30 sind einstückig ausgebildet, wobei der Zugkörper 24 die Form eines Bands und der Führungskörper 30 die Form einer Schelle aufweist.
Der Führungskörper 30 ist derart zum länglichen Zugkörper 24 angeordnet, dass ein von der Kabelführung 28 geführtes Kabel 31 quer, im gezeigten Fall rechtwinkelig, zu einer Längsausdehnung L (insbesondere in der Stapelrichtung S) des länglichen Zugkörpers 24 geführt wird. Die gezeigte Spannvorrichtung 22 umfasst wenigstens zwei Kabelführungen 28, welche auf gegenüberliegenden Seiten des Zugkörpers 24 angeordnet sind. Somit können Kabel 31 quer zum Brennstoffzellenstapel 100 geführt werden, ohne, dass sie durch Vibrationen im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 an Kanten des Zugkörpers 24 reiben.
Die Spannvorrichtung 22 kann zudem einen Verbindungsbereich 34 aufweisen, welcher den Zugkörper 24 mit dem Führungskörper 30 verbindet. Somit kann die Kabelführung 28 beabstandet vom Zugkörper 24 angeordnet werden (siehe auch 3).
Ebenfalls in 1 ist eine Zugkraft F_Z ersichtlich, welche mittels des länglichen Zugkörpers 24 zwischen den Endplatten 18 übertragen wird.
Der längliche Zugkörper ist als ein Band ausgebildet, welches eine Längsausdehnung L, eine Breite B rechtwinkelig zur Länge L (und im verbauten Zustand typischerweise parallel zu einer Außenfläche des Brennstoffzellenstapels 100), sowie eine Dicke D aufweist. Von der gesamten Länge ist nur die Längsausdehnung L, also die Richtung der Länge dargestellt, da nur ein Teilausschnitt der gesamten Länge des länglichen Zugkörpers 24 dargestellt ist. Die Länge L des länglichen Zugkörpers entspricht typischerweise mindestens dem (Normal-) Abstand zwischen den beiden Endplatten 18.
Der Führungskörper 30 ist als eine Schelle ausgebildet, welche mit Hilfe von Mitteln 32 zum Schließen des Führungskörpers verschlossen wird. Durch die Mittel 32 ist eine Druckkraft F_D auf die Kabel 31 aufbringbar, welche die Kabel 31 klemmt und somit fixiert. Die Mittel 32 können eine Schraube und eine Mutter oder Schnappverbindungen umfassen.
Die Spannvorrichtung 22 kann besonders effizient mittels eines Verfahren hergestellt werden, bei welchem zunächst aus einem Blech 40 ein Spannvorrichtungs-Rohlings 42 mit einem länglichen Zugkörper-Rohling 44 und wenigstens einem Befestigungsmittel-Rohling 46 herausgetrennt werden. Dadurch sind der Zugkörper-Rohling 44 und der wenigstens eine Führungskörper-Rohling 46 zusammen einstückig ausgebildet. Die in den 3 (und 5) dargestellten Spannvorrichtungs-Rohlinge 42 sind nach dem Heraustrennen zunächst noch flach.
Im Anschluss folgt ein Biegen des Befestigungsmittel-Rohlings 46 um zur endgültigen Form wenigstens eines Teils des Befestigungsmittels 26, insbesondere des Führungskörpers 30, zu gelangen.
Biegelinien 48 mit Biegewinkeln sind in 3 eingezeichnet, wobei die Vorzeichen der Biegung so gewählt werden, sodass die in 2 gezeigte Form realisiert wird.
4 und 5 zeigen eine Spannvorrichtung 22 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung, wobei der Führungskörper 30 derart zum länglichen Zugkörper 24 angeordnet ist, dass von der Kabelführung 28 geführte Kabel 31 parallel zu einer Längsausdehnung des länglichen Zugkörpers 24 geführt werden.
Diese Spannvorrichtung 22 kann mittels des obenstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt werden, wobei sich ein Spannvorrichtungs-Rohling 42 gemäß 5 ergibt. In 5 sind wiederum die Biegelinien 48 zur Herstellung des Führungskörpers 30 eingezeichnet, wobei die Vorzeichen für die Biegung aus 4 abgeleitet werden können.
Ferner kann eine Einlage, beispielsweise aus Gummi, vorgesehen sein, welche verhindert, dass die Kabel 31 an dem Führungskörper 30 reiben und sich eine Isolierung der Kabel 31 dabei abreibt. Die Einlage ist an die Durchmesser der Kabel 31 angepasst. Dazu weist die Einlage Aussparungen auf, welche im Wesentlichen dem Durchmesser der Kabel 31 entsprechen.
Die in den 2 und 4 gezeigten Spannvorrichtungen 22 können auch miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann ein und derselbe Zugkörper 24 Kabelführungen entsprechend den 2 und 4 aufweisen. Ferner können auch die Spannvorrichtungen 22 der 2 und 4 nebeneinander angeordnet sein, sodass Kabel 31 mittels einer Spannvorrichtung 22 gemäß 2 zunächst rechtwinkelig zu der Längsausdehnung L des Führungskörpers 24 geführt werden und von einer benachbarten Spannvorrichtung 22 gemäß 4 anschließend in der Stapelrichtung S geführt werden. Durch die Spannvorrichtungen 22 können unterschiedliche Kabel 31 auf unterschiedlichen Wegen entlang des Brennstoffzellenstapels 100 verlegt werden. Zum Befestigen der Kabel 31 mittels der Kabelführungen 28 können die Führungskörper 30 von Hand leicht aufgebogen, die Kabel 31 eingelegt und anschließend die Führungskörper 30 mittels der Befestigungsmittel 32 geschlossen werden.
Der längliche Zugkörper 24 und das Befestigungsmittel 26, insbesondere dessen Führungskörper 30 weisen typischerweise dieselbe Materialdicke auf, da diese typischerweise aus demselben Blech hergestellt sind.
Somit können innerhalb eines Brennstoffzellensystems Bauteile 29 eingespart werden, wodurch die Masse des Brennstoffzellensystems reduziert wird. Dazu werden die länglichen Zugkörper 24 mit Befestigungsmittel 26 kombiniert. Somit können beispielsweise Kabel 31 effizienter verlegt werden, und insbesondere flexible Kabel 31 über die Zellreihen des Brennstoffzellenstapels 100 geführt werden. Anstatt eines Kabels 31 kann mittels der Kabelführungen 28 auch ein Rohr geführt werden. Durch die offenbarten Ausgestaltungen der Spannvorrichtung 22 wird zudem die (tragende) Querschnittsfläche Q der länglichen Zugkörper 24 im Bereich der Befestigungsmittel 26 nicht reduziert. Die in den 2 und 4 gezeigte Querschnittsfläche Q ist natürlich so zu verstehen, dass die Querschnittsfläche Q innerhalb einer Ebene liegt, welche sich rechtwinkelig zur Zugkraft F_Z erstreckt.
Bezugszeichenliste

10: Membran-Elektroden-Anordnung
11: Einzelzelle
12: Polarplatte
18: Endplatte
20: Dichtung
21: Stromsammler
22: Spannvorrichtung
24: länglicher Zugkörper
26: Befestigungsmittel
28: Kabelführung
29: Bauteil
30: Führungskörper
31: Kabel
32: Mittel zum Schließen des Führungskörpers
34: Verbindungsbereich
40: Blech
42: Spannvorrichtungs-Rohling
44: Zugkörper-Rohling
46: Befestigungsmittel-Rohling
48: Biegelinie
100: Brennstoffzellenstapel
S: Stapelrichtung
F_Z: Zugkraft
F_D: Druckkraft
L: Längsausdehnung
B: Breite
D: Dicke
Q: Querschnittsfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016108921 A1 [0007]
US 2009/0272576 A1 [0008]

Claims

Spannvorrichtung (22) zum Zusammenpressen von Einzelzellen (11) eines Brennstoffzellenstapels (100), umfassend - einen länglichen Zugkörper (24) zum Übertragen von Zugkräften (F_Z) beim Zusammenpressen der Einzelzellen (11) und - wenigstens ein mit dem Zugkörper (24) verbundenes Befestigungsmittel (26), ausgebildet zum Befestigen wenigstens eines an den Brennstoffzellenstapel (100) angrenzenden Bauteils (29).
Spannvorrichtung (22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (29) wenigstens ein Kabel (31) umfasst oder ist, und das Befestigungsmittel (26) eine Kabelführung (28) mit einem Führungskörper (30) zum wenigstens teilweisen Umschließen des wenigstens einen Kabels (31) umfasst.
Spannvorrichtung (22) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskörper (30) derart zum länglichen Zugkörper (24) angeordnet ist, dass ein von der Kabelführung (28) geführtes Kabel (31) parallel zu einer Längsausdehnung (L) des länglichen Zugkörpers (24) geführt wird.
Spannvorrichtung (22) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungskörper (30) derart zum länglichen Zugkörper (24) angeordnet ist, dass ein von der Kabelführung (28) geführtes Kabel (31) quer zu einer Längsausdehnung (L) des länglichen Zugkörpers geführt wird.
Spannvorrichtung (22) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (22) wenigstens zwei Kabelführungen (28) umfasst, welche auf gegenüberliegenden Seiten des länglichen Zugkörpers (24) angeordnet sind.
Spannvorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche des Zugkörpers (24) ein einem Bereich des wenigstens einen Befestigungsmittels (26) zumindest einer Querschnittsfläche des Zugkörpers außerhalb des Bereichs entspricht.
Spannvorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der längliche Zugkörper (24) und wenigstens ein Teil des Befestigungsmittels (26) zusammen einstückig ausgebildet sind.
Spannvorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelführung (28) eine Einlage zum Verhindern von Abrieb des wenigstens einen Kabels (31) aufweist.
Brennstoffzellenstapel (100) umfassend mehrere Einzelzellen (11) und wenigstens eine Spannvorrichtung (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelzellen (11) mittels der Spannvorrichtung (22) zusammengepresst sind.
Verfahren zum Herstellen einer Spannvorrichtung (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Heraustrennen eines Spannvorrichtungs-Rohlings (42) mit einem länglichen Zugkörper-Rohling (44) und wenigstens einem Befestigungsmittel-Rohling (46) aus einem Blech, sodass der Zugkörper-Rohling (44) und der wenigstens eine Befestigungsmittel-Rohling (46) zusammen einstückig ausgebildet sind und - Biegen des wenigstens einen Befestigungsmittel-Rohlings (46), sodass wenigstens ein Teil des Befestigungsmittels (26) geformt wird.