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Die Erfindung betrifft eine Kompressionsvorrichtung für einen Brennstoffzellenverband sowie ein Verfahren zur Montage eines Brennstoffzellenverbandes gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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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 (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Letztere umfassen zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Zudem können Gasdiffusionslagen (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 (Brennstoffzellenstapel) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) 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-ElektrodenAnordnungen.
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Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), 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-). 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 O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O2 + 2 e- → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2- + 2 H+ → H2O).
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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 aufeinanderpressen, um einen Gasaustritt aus dem Brennstoffzellenstapel zu vermeiden.
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Aus der
DE 10 2009 035 692 A1 ist ein Kompressionssystem für einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Einzelzellen bekannt, wobei das Kompressionssystem eine Vorrichtung zum Einstellen eines Anpressdrucks einer losen und einer fest mit einem Gehäuse verbundenen Anpressplatte eines Brennstoffzellenstapels mittels Federn umfasst.
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Aus der
DE 10 2010 007 980 A1 ist eine Vorrichtung zur Kompression einer Brennstoffzellenanordnung bekannt, wobei eine Federanordnung eines Brennstoffzellenstapels eine bewegliche Druckplatte auf die Brennstoffzellenanordnung presst.
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Die
WO 2004/062017 A1 offenbart ein Kompressionssystems für einen Brennstoffzellenstapel mit von außen zugänglichen und verstellbaren Federelementen, wobei ein Einstellen eines Anpressdrucks ohne ein Öffnen des Brennstoffzellenstapels vorgesehen ist.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellenmodul vorzuschlagen, welches einfach und kostengünstig herzustellen und zu montieren ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Brennstoffzellenmodul mit einem Gehäuse, einem Brennstoffzellenstapel, welcher zwischen einer ersten Druckplatte und einer zweiten Druckplatte eingespannt ist, und einer Kompressionseinrichtung zur Kompression des Brennstoffzellenstapels gelöst. Dabei ist an einer dem Brennstoffzellenstapel zugewandten Innenseite des Gehäuses eine Federplatte angeordnet ist, wobei in dem Gehäuse und in der Federplatte Ausnehmungen vorgesehen sind, durch welche Spannelemente geführt sind, mit welchen an einer der Federplatte zugewandten Stirnseite der ersten Druckplatte angeordnete Federelemente gegen die erste Druckplatte gedrückt werden. Dadurch ist eine einfache Montage des Brennstoffzellenmoduls möglich, wobei der Brennstoffzellenstapel durch die Spannelemente und die Federelemente unter eine Vorspannung gebracht werden, um eine alterungsbedingte Verkürzung des Brennstoffzellenstapels zu kompensieren und den Brennstoffzellenstapel unter einer hinreichenden Vorspannung zu halten, um die Funktion des Brennstoffzellenmoduls über die gewöhnliche Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels sicherzustellen.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterentwicklungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass an der Federplatte Führungsabschnitte ausgebildet sind. Durch Führungsabschnitte an der Federplatte ist eine exakte Positionierung der Federplatte zu dem Gehäuse möglich, wobei die Gefahr eines Verrutschen oder Verkippens der Federplatte weitestgehend ausgeschlossen wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Federelemente, insbesondere Federpakete aus mehreren, aufeinander gestapelten Tellerfedern, in den Führungsabschnitten geführt sind. Dadurch können die Federelemente auf einfache Art und Weise durch die Spannelemente mit einer Vorspannkraft beaufschlagt werden, wobei ein Verkippen oder Verrutschen der Federelemente durch die Führung in den Führungsabschnitten verhindert wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Führungsabschnitte jeweils durch eine Gewindekappe abgedeckt, welche mit dem jeweiligen Federelement in Wirkverbindung steht. Durch die Gewindekappen können zum einen die Ausnehmungen in dem Gehäuse und in der Federplatte abgedeckt werden, sodass kein Staub oder Schmutz in das Brennstoffzellenmodul eindringen kann. Ferner können durch die Gewindekappen die Vorspannung des Brennstoffzellenstapels eingestellt und gegebenenfalls nachjustiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass an dem Führungsabschnitt eine Verzahnungsfläche ausgebildet ist. Durch eine Verzahnungsfläche an dem Führungsabschnitt und einem entsprechend ausgestalteten Federelement oder Spannelement kann die Kompressionseinrichtung nach Art eines Ratschenmechanismus ausgebildet werden, wobei die Vorspannung bei einer Reduzierung der Dicke des Brennstoffzellenstapels durch die Spannelemente nachgestellt werden kann, sodass die Vorspannung des Brennstoffzellenstapels über seine gewöhnliche Lebensdauer im Wesentlichen konstant bleibt. Dabei steht die Verzahnungsfläche an dem Führungsabschnitt mit einer Verzahnungsfläche an der Kompressionseinrichtung des Brennstoffzellenstapels in Wirkverbindung, um eine Vorspannungskraft des Brennstoffzellenstapels aufrechtzuerhalten und somit die Leistung des Brennstoffzellenmoduls im Wesentlichen konstant zu halten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen der zweiten Druckplatte und dem Brennstoffzellenstapel eine Isolationsschicht angeordnet oder ausgebildet ist. Dadurch kann ein unkontrolliertes Überspringen von elektrischer Spannung aus den einzelnen Zellen des Brennstoffzellenstapels auf die zweite Druckplatte und das Gehäuse vermieden werden, sodass die Gefahr eines elektrischen Kurzschlusses und eines Ausfalls des Brennstoffzellenmoduls vermieden wird.
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In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass an der ersten Druckplatte anpassbare Bodenplatten angeordnet sind, an welchen die Federelemente aufgenommen und/oder geführt sind.
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In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass Metallbänder um das Gehäuse des Brennstoffzellenmoduls geführt sind, mit welchen das Gehäuse und/oder der Brennzellenstapel komprimiert wird. Dadurch kann eine zusätzliche Druckkraft auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübt werden, wodurch die Gefahr von Undichtigkeiten und einem daraus resultierenden Leistungsabfall des Brennstoffzellenstapels verringert wird.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls vorgeschlagen, wobei das Gehäuse des Brennstoffzellenmoduls U-förmig ausgebildet ist und eine Bodenöffnung aufweist, wobei die Federplatte, die Federelemente, die erste Druckplatte, der Brennstoffzellenstapel sowie die zweite Druckplatte durch die Bodenöffnung in das Gehäuse des Brennstoffzellenmoduls eingesetzt werden. Dadurch ist eine besonders einfache und kostengünstige Montage des Brennstoffzellenmoduls möglich.
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In einer vorteilhaften Weiterführung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die zweite Druckplatte des Brennstoffzellenstapels mittels einer Schweißnaht oder mittels Fixierelementen in dem Gehäuse des Brennstoffzellenmoduls fixiert wird. Durch ein Verschweißen wird die zweite Druckplatte stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden, sodass der Brennstoffzellenstapel unter Vorspannung in dem Gehäuse fixiert werden kann. Dadurch wird die Vorspannung durch die Federelemente aufgebracht, wobei die Vorspannung so auszulegen ist, dass auch bei einer alterungsbedingten Verkürzung des Brennstoffzellenstapels eine hinreichende Vorspannung auf den Stapel aufrechterhalten bleibt. Alternativ kann die zweite Druckplatte auch formschlüssig durch Fixierelemente an dem Gehäuse befestigt werden, wobei an der zweiten Druckplatte Ausnehmungen, insbesondere Nuten in der Mantelfläche der zweiten Druckplatte, vorgesehen sind. Zur Fixierung werden die Fixierelemente durch Öffnungen im Gehäuse in die Ausnehmungen der zweiten Druckplatte eingesteckt und dort, insbesondere durch ein Einrasten, fixiert.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind in den unterschiedlichen Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls, welcher durch eine Kompressionseinrichtung unter Vorspannung gehalten ist;
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls;
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls;
- 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls, wobei um das Gehäuse zusätzlich Metallstreifen zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels geführt sind;
- 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls, wobei die Federelemente zwischen der Federplatte und anpassbaren Bodenplatten an der ersten Druckplatte angeordnet sind;
- 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls, wobei die Öffnungen in dem Gehäuse des Brennstoffzellenmoduls durch Gewindekappen abgedeckt sind, mit welchen die Federelemente vorgespannt werden können; und
- 7 ein Ablaufdiagramm zur Montage eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Brennstoffzellenmodul 10 mit einem Gehäuse 12 und einem in dem Gehäuse 12 angeordneten Brennstoffzellenstapel 20. Der Brennstoffzellenstapel 20 umfasst eine Vielzahl von Einzelzellen und ist zwischen einer ersten, oberen Druckplatte 22 und einer zweiten, unteren Druckplatte 24 angeordnet. Dabei ist eine Isolationsschicht 28 vorgesehen, welche den Brennstoffzellenstapel 20 gegenüber der unteren Druckplatte 24 elektrisch isoliert. Das Gehäuse 12 ist U-förmig ausgebildet, wobei es eine Bodenöffnung 62 aufweist, durch welche die weiteren Komponenten des Brennstoffzellenmoduls 10 in das Gehäuse 12 eingesetzt werden können. An einer der Bodenöffnung 62 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 12 sind mehrere Ausnehmungen 16 in das Gehäuse 12 eingebracht. Das Brennstoffzellenmodul 10 weist ferner eine Kompressionseinrichtung 30 mit einer Federplatte 32, Federelemente 38 und/oder zusätzliche Spannelemente 36 auf, welche den Brennstoffzellenstapel 20 unter einer Vorspannung halten. Dazu ist die Federplatte 32 an einer Innenseite 14 des Gehäuses 12 angeordnet, wobei in der Federplatte 32 zu den koaxialen Ausnehmungen 16 in dem Gehäuse 12 ebenfalls koaxiale Ausnehmungen 34 vorhanden sind. In den koaxialen Ausnehmungen 16, 34 sind Federelemente 38 angeordnet, über welche eine Druckkraft auf eine der Federpatte 32 zugewandte Stirnseite 26 der ersten Druckplatte 22 ausgeübt wird. Die Spannelemente 36 können über Gewindebohrungen 18 in dem Gehäuse 12 fixiert werden, wobei durch ein Einschrauben der Spannelemente 36 die Vorspannung der Federelemente 38 und somit eine Spannkraft für den Brennstoffzellenstapel 20 eingestellt werden kann. Die zweite Druckplatte 24 weist an ihrer Mantelfläche 52 eine Ausnehmung 50, insbesondere eine umlaufende Nut auf, in welche ein Dichtring 48 eingelegt ist. Die zweite Druckplatte 24 wird durch Fixierelemente 60 formschlüssig zum Gehäuse 12 des Brennstoffzellenmoduls 10 fixiert, wodurch ein Verspannen des Brennstoffzellenstapels 20 über die Spannelemente 36 erst ermöglicht und ein Ausweichen des Brennstoffzellenstapels 20 in Richtung der Bodenöffnung 62 verhindert. Über die Betriebsdauer des Brennstoffzellenstapels 20 verliert der Brennstoffzellenstapel 20 seine Vorspannung durch Setz- und Kriechprozesse. Dieser Verlust der Vorspannung führt zu einem Leistungsabfall der Brennstoffzelle. Dabei tritt der größte Setzprozess zu Anfang der Betriebsdauer auf, wodurch in dieser Phase die Leistungsverluste am größten sind, wenn der Verlust der Vorspannung des Brennstoffzellenstapels 20 nicht anderweitig kompensiert wird. Über die Betriebsdauer nimmt die Höhe des Brennstoffzellenstapels 20 ab, was zu dem beschriebenen Verlust an Vorspannung und damit verbunden zu dem beschriebenen Leistungsverlust führt. Durch die Spannvorrichtung 36 kann dieser Abfall der Vorspannung und der damit verbundene Leistungsabfall begrenzt bzw. kompensiert werden.
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In 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel die zweite Druckplatte 24 mit dem Gehäuse 12 des Brennstoffzellenmoduls 10 über eine Schweißnaht 56 verschweißt, sodass die Fixierelemente 60 sowie der Dichtring 48 entfallen können. Ferner sind an der Federplatte 32 Führungsabschnitte 40 ausgebildet, die mit ihrer Außenkontur in den Ausnehmungen 16 des Gehäuses 12 geführt sind. Die Führungsabschnitte 40 führen an ihrer Innenkontur jeweils ein Federelement 38, welches durch ein Spannelement 36 mit einer Vorspannkraft beaufschlagbar ist und gegen die Stirnseite 26 der ersten Druckplatte 22 drückt, um den Brennstoffzellenstapel zu komprimieren.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 2 ausgeführt werden in diesem Ausführungsbeispiel die Federelemente 38 mittels auf die Führungsabschnitte 40 aufgesetzte Gewindekappen 42 mit einer Vorspannkraft beaufschlagt, wobei die Gewindekappen 42 zur Einstellung der Vorspannkraft des Brennstoffzellenstapels entsprechend auf ein Außengewinde der Führungsabschnitte 40 der Federplatte 32 aufgeschraubt werden. Alternativ können die Gewindekappen 42 auch mit einem Außengewinde an dem Kompressionsabschnitt 64 ausgebildet sein, wobei diese dann in ein Innengewinde an den Führungsabschnitte 42 eingeschraubt werden und somit die Federelemente 38 unter Vorspannung setzen.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls 10 dargestellt. Dabei wird das Gehäuse 12 durch außen um den Brennstoffzellenstapel 20 gelegte Bänder 58 gebildet, wobei die Vorspannung des Brennstoffzellenstapels 20 durch eine Festziehen der Bänder 58, insbesondere von Spanngurten oder metallischen Bändern, eingestellt wird.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, sind an der der Federplatte 32 zugewandten Stirnseite 26 der ersten Druckplatte 22 anpassbare Bodenplatten 46 angeordnet, an welchen die Federelemente 38 aufgenommen und geführt sind. Zudem sind die Ausnehmungen 16 in dem Gehäuse 12 des Brennstoffzellenmoduls 10 durch Staubschutzkappen verschließbar, wenn die Vorspannung der Federelemente 38 an den anpassbaren Bodenplatten 46 eingestellt ist.
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In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 2 ausgeführt, ist an den Führungsabschnitte 40 der Federplatte 32 jeweils eine Verzahnungsfläche 44 ausgebildet. Die Spannelemente 36 weisen an ihren den Federelementen 38 zugewandten Enden jeweils ein Ratschenelement 66 auf, welches in der Verzahnungsfläche 44 verriegelt und sich in Richtung des Brennstoffzellenstapels 20 verschieben lässt, jedoch eine Bewegung entgegen dieser Bewegungsrichtung sperrt und an der entsprechenden Verzahnung der Verzahnungsfläche 44 einrastet. Dazu ist die Verzahnung vorzugsweise sägezahnförmig ausgebildet, um ein Gleiten der Ratschenelemente 66 in der Verzahnungsfläche 44 zu ermöglichen.
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In 7 ist ein Ablaufdiagramm zur Montage eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenmoduls 10 dargestellt. In einem ersten Verfahrensschritt <100> werden die erste Druckplatte 22, der Brennstoffzellenstapel 20 und die zweite Druckplatte 24 zu einer nicht komprimierten Baugruppe zusammengesetzt. In einem darauffolgenden Verfahrensschritt <110> werden die Federelemente 38, die Federplatte 32 und das Gehäuse 12 auf die nicht komprimierte Baugruppe aufgesetzt. Alternativ können auch die Federplatte 32, die Federelemente 38 und die Baugruppe durch die Bodenöffnung 62 in das Gehäuse 12 eingesetzt werden. In einem weiteren Montageschritt <120> werden die Spannelemente 36 von außen auf das Gehäuse 12 des Brennstoffzellenmoduls 10 aufgesetzt und an diesem befestigt. In einem optionalen Verfahrensschritt <130> erfolgt eine Vorkompression des Brennstoffzellenstapels 20 durch einen externe Presse.
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In einem Verfahrensschritt <140> wird die zweite Druckplatte 24 mittels eines Schweißverfahrens, insbesondere mittels Schweißpunkten oder Schweißnähten 56, an dem Gehäuse 12 des Brennstoffzellenmoduls 10 dauerhaft befestigt. Alternativ kann die zweite Druckplatte 24 auch mittels Formschluss durch Fixierelemente 60 an dem Gehäuse 12 befestigt werden. Ebenfalls alternativ oder zusätzlich kann der Brennstoffzellenstapel 20 durch Spannbänder 58 verspannt werden, welche außen auf des Gehäuse 12 aufgesetzt werden. In einem weiteren Verfahrensschritt <150> wird die Federplatte 32 durch die Spannelemente 36 entsprechend der gewünschten Vorspannung gegen die Federelemente 38 gedrückt, um den Brennstoffzellenstapel 20 zu komprimieren. In einem weiteren, optionalen Montageschritt <160> können noch zusätzliche Sperren eingebracht werden, um eine Rotation zu verhindern und die Ausnehmungen in dem Gehäuse 12 mit Staubschutzkappen 54 verschlossen werden, um ein Eindringen von Schmutz und Staub in das fertige Brennstoffzellenmodul 10 zu vermeiden.
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Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenmodul 10 die Kosten, die Komplexität, das Gewicht und der Bauraum für ein Brennstoffzellenmodul 10 verringert werden können und die Montage erleichtert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzellenmodul
- 12
- Gehäuse
- 14
- Innenseite
- 16
- Ausnehmung
- 18
- Gewindebohrung
- 20
- Brennstoffzellenstapel
- 22
- erste Druckplatte / obere Druckplatte
- 24
- zweite Druckplatte / untere Druckplatte
- 26
- Stirnseite
- 28
- Isolationsschicht
- 30
- Kompressionseinrichtung
- 32
- Federplatte
- 34
- Ausnehmung
- 36
- Spannelement
- 38
- Federelement
- 40
- Führungsabschnitt
- 42
- Gewindekappe
- 44
- Verzahnungsfläche
- 46
- anpassbare Bodenplatte
- 48
- Dichtring
- 50
- Ausnehmung
- 52
- Mantelfläche
- 54
- Staubschutzkappe
- 56
- Schweißnaht
- 58
- Spannband
- 60
- Fixierelemente
- 62
- Bodenöffnung
- 64
- Verzahnungsfläche
- 66
- Ratschenelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009035692 A1 [0005]
- DE 102010007980 A1 [0006]
- WO 2004/062017 A1 [0007]
