DE102018204363A1 - Spannsystem für Brennstoffzellenstapel und Brennstoffzellensystem mit einem solchen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spannsystem für einen Brennstoffzellenstapel umfassend eine Mehrzahl von Tellerfedern, sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen.Erfindungsgemäße ist vorgesehen, dass die Tellerfedern in einer Ebene senkrecht zu einer durch das Zentrum des durch den Teller beschriebenen Kreises verlaufenden Rotationssymmetrieachse stoff- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung zum Zusammenpressen von Einzelzellen eines Brennstoffzellenstapels. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit 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 (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-Elektroden-Anordnungen.
• 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 →2H⁺ + 2e^-). 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 (½O₂ + 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 als Teil eines Spannsystems miteinander verbunden sind. Mittels der Spannvorrichtungen werden Zugkräfte übertragen, welche die Endplatten zueinander ziehen und die dazwischen angeordneten Einzelzellen verpressen, also gegeneinanderpressen.
• Um die Spannkraft gleichmäßig auf den Stapel zu übertragen und Schädigungen an diesem zu vermeiden, umfasst das Spannsystem neben der Spannvorrichtung ein Federsystem.
• Aus DE 102 13 558 A1 und US 2014/0060143 A1 ist die Verwendung von Tellerfedern in einem Spannsystem für einen Brennstoffzellenstapel bekannt. Dabei wird eine Mehrzahl konischer Tellerfedern zwischen einer Endplatte und einer Stützplatte des Brennstoffzellensystems angeordnet.
• Eine Tellerfeder hat die Form des Mantels eines flachen Kegelstumpfs oder Kugelsegments. Sie wird zwischen ihren Randkreisen elastisch zusammengedrückt (theoretisch maximal, bis sie zu einer ebenen Scheibe verformt ist), wobei sich als Reaktion auf die eingeleiteten Kräfte Normalspannungen (Druck- und Zugspannungen) im Material bilden.
• Die einzelne Tellerfeder ist eine relativ harte Feder und wird dementsprechend dort verwendet, wo eine solche erforderlich ist. Eine weichere Feder entsteht durch wechselsinniges Aufeinanderschichten der Teller („Reihenschaltung“). Durch gleichsinniges Aufeinanderschichten („Parallelschaltung“) entsteht eine Feder, die härter als die Einzelfeder ist.
• Durch das Schichten zu einer Tellerfedersäule kann sowohl die Kraft wie auch der Federweg vervielfacht werden.
• Die Verwendung von Tellerfedern in einem Spannsystem für einen Brennstoffzellenstapel führt zu einer vergleichsweise ungleichmäßigen Verteilung der Kraft über die Fläche einer Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels. Darüber hinaus ist ein derartiges Spannsystem empfindlich gegenüber Fehlern in der Anordnung und Anzahl der einzelnen Federn. Eine fehlerhafte Anordnung der Federn, im Bereich sehr geringer Fehlertoleranz, oder eine falsche Ausrichtung zumindest einer der verwendeten Federn, führt zu einer starken punktuellen Belastung des Brennstoffzellenstapels und häufig zum Bruch oder zumindest zur Schädigung einzelner Brennstoffzellen.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Probleme des Stands der Technik zu lösen oder zumindest zu mildern. Ferner soll ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden, welches hinsichtlich eines Masse/Ausbeute-Verhältnisses optimiert ist.
• Diese Aufgabe wird durch ein Spannsystem sowie einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung ein Spannsystem für einen Brennstoffzellenstapel umfassend eine Mehrzahl von Tellerfedern, wobei die Tellerfedern in der Tellerebene, also in einer Ebene senkrecht zu einer durch das Zentrum des durch die Teller beschriebenen Kreises verlaufenden Rotationsachse, eine stoff- und/oder kraftschlüssige Verbindung aufweisen. Die erfindungsgemäße Verbindung der Tellerfedern führt zum einen zu einer Fixierung der Federn und somit zu einer zuverlässigeren Gleichverteilung der Federn auf einer Fläche, insbesondere der Grundfläche eines Brennstoffzellenstapels. Darüber hinaus erfolgt über die stoff- und/oder kraftschlüssige Verbindung eine homogene Kraftverteilung über die Ebene. Somit weisen Tellerfedern gleicher Anzahl und Stärke (Dicke) in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eine höhere Federkraft und insbesondere eine höhere Stabilität auf, als in vergleichbaren bekannten Anordnungen. Im Umkehrschluss wird in erfindungsgemäßem Spannsystem für die gleiche Soll-Federkraft weniger Material notwendig, da die Federn weniger dick ausgeführt werden müssen, was wiederum zu einer leichteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Spannsystems gegenüber dem Stand der Technik führt. Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Spannsystems in einem Brennstoffzellenstapel verbessert also die Leistungsdichte bezogen auf das Gewicht des Brennstoffzellensystems.
• Vorliegend werden unter stoffschlüssigen Verbindungen auch einstückige Verbindungen verstanden.
• Zudem erfolgt die Kraftübertragung auf den Brennstoffzellenstapel über eine größere Fläche, ist somit homogener und führt wiederum zu weniger Belastung des Stapels. Darüber hinaus zeigt die Anordnung der Tellerfedern im erfindungsgemäßen Spannsystem Produktionsvorteile, da weniger Arbeitsschritte zum Platzieren einer Mehrzahl von Tellerfedern im Brennstoffzellenstapel erforderlich sind und diese geringere Anforderungen an eine Maßhaltigkeit im Produktionsprozess stellen.
• In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Tellerfedern in Form eines Pakets angeordnet sind. Dabei umfasst das Paket eine Lage, also eine Mehrzahl von in der oben definierten Ebene verbundenen Federn. Mit Vorteil umfasst bzw. besteht ein Paket aus einer Lage Tellerfedern, d.h. allen Tellerfedern, die innerhalb einer Lage auf einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sind. Alternativ sind in einer Lage 2 oder 4 Pakete angeordnet, sodass ein Paket entsprechend weniger Tellerfedern umfasst. Die Ausgestaltung als Paket erhöht die Reproduzierbarkeit in Bezug auf Anordnung der Federn zueinander und insbesondere in Bezug auf deren Lage bei Anordnung in einem Brennstoffzellenstapel.
• Mit Vorteil weisen die Federn einen äußeren Durchmesser im Bereich von 3-20 mm, vorzugsweise im Bereich von 5-15 mm auf und sind damit deutlich kleiner als die typischerweise im Stand der Technik verwendeten Tellerfedern mit einem Durchmesser von 5-6 cm. Die Dicke des verwendeten Materials liegt bevorzugt im Bereich von 0,05-2 mm, insbesondere im Bereich von 0,1-0,8 mm. Diese Bereiche zeigen ein optimiertes Verhältnis zwischen Gewicht und Stabilität.
• Bei der Anordnung in Paketen werden mit Vorteil 4-6 Federn je Paket verbaut und derart angeordnet, dass eine Grundfläche eines Pakets rechteckig, insbesondere quadratisch, ist und im Wesentlichen der Grundfläche einer Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels entspricht. All dies führt zu weniger Material bei gleicher Federkraft.
• Die im erfindungsgemäßen Spannsystem verwendete Mehrzahl von Tellerfedern ist bevorzugt integral einstückig ausgeführt, d.h. mit besonderem Vorteil sind die miteinander verbundenen Tellerfedern über eine stoffschlüssige, insbesondere eine einstückige Verbindung, miteinander verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Mehrzahl von Tellerfedern, insbesondere ein Paket, aus einem Stück flächigen Materials beispielsweise durch Stanzen und/oder Biegen der Materiallage gefertigt werden kann. Alternativ wird die Mehrzahl von Tellerfedern, insbesondere das Paket, gegossen, insbesondere spritzgegossen.
• In Ausgestaltung einer integral einstückigen oder einer flächigen Verbindung der Mehrzahl von Tellerfedern ist eine Lage, bzw. ein Paket bevorzugt aus einer Materiallage gestanzt und/oder durch Verformung einer Materiallage hergestellt. Dies bietet einen Produktionsvorteil sowie verbesserte Stabilität und Haltbarkeit der Verbindungen.
• In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verbindung zwischen benachbarten Federn als Steg oder als flächige, insbesondere als vollflächige, Verbindung ausgeführt ist. Die Verbindung über Stege führt zu einer weiteren Materialersparnis und damit zu weniger Gewicht, wobei eine flächige, insbesondere eine vollflächige, Verbindung steifer und stabiler ist.
• Sind die Federn über Stege miteinander verbunden, so ist bevorzugt je eine Tellerfeder mit je 4 und/oder 6 Federn verbunden, was zu einer rechteckigen bzw. hexagonalen Anordnung der Federn führt. Dabei bilden die Stege regelmäßige Dreiecke mit den Zentren der Tellerfedern als Eckpunkte. Die Verbindung mit je 4 Tellerfedern ist bei einem größeren Abstand der Tellerfedern zueinander und insbesondere bei einer niedrigeren Packungsdichte bevorzugt. Derartige Anordnungen und Verbindungen stellen sehr regelmäßige und optimale Platzausnutzung in einer Lage dar was zu hoher Stabilität und Homogenität der Kraftübertragung bei Anordnung in einem Brennstoffzellenstapel führt.
• Vorliegend sind stegartige Verbindungen von flächigen Verbindungen insbesondere über das Verhältnis von Verbindungsfläche zu freier Fläche bzw. zu Materialfläche zu unterscheiden. Bei stegartigen Verbindungen ist die Materialfläche zwischen den Tellerfedern geringer, als die Fläche der Ausnehmungen in dem Material.
• Der Abstand zwischen benachbarten Tellerfedern liegt bevorzugt im Bereich von 40-70 %, vorzugsweise im Bereich von 45-67 % des äußeren Durchmessers einer der Tellerfedern. Insbesondere die Randbereiche von 45 % (short flange) bzw. 67 % (long flange) des äußeren Durchmessers einer Tellerfeder haben sich bezogen auf ein Material-/Kraft-Verhältnis als besonders vorteilhaft erwiesen.
• Mit besonderem Vorteil weist das Spannsystem mehrere Lagen verbundener Tellerfedern auf, die übereinander angeordnet sind. Dabei können die Tellerfedern lotrecht übereinander oder aber von Lage zu Lage versetzt gegeneinander angeordnet sein. Dabei bietet letztere Ausgestaltung den Vorteil, dass die Kraft, die beispielsweise bei der Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel durch die Spannelemente der Spannvorrichtung auf die Brennstoffzellen übertragen wird, homogener über die Grundfläche des Brennstoffzellenstapels verteilt wird.
• Besonders bevorzugt ist, dass die Lagen derart zueinander angeordnet sind, dass die Federn übereinander angeordneter Lagen deckungsgleich ausgerichtet sind, also insbesondere lotrecht übereinander liegen. Dabei bilden sich die oben beschriebenen bekannten säulenartigen Pakete mehrerer Tellerlinsen mit den bekannten Vorteilen aus.
• Weiter bevorzugt sind die Federn übereinander angeordneter Lagen, zumindest teilweise, gleichsinnig ausgerichtet. Vorliegend soll zwischen gleichsinnig und wechselsinniger Ausrichtung in einem Stapel oder in einer Lage benachbarter Tellerfedern, unterschieden werden, wobei unter gleichsinniger Ausrichtung Tellerfedern zu verstehen sind, die sich in die gleiche Richtung wölben und unter wechselsinniger Ausrichtung entsprechend eine entgegen gerichtete Ausrichtung benachbarter Tellerfedern.
• Die Auswölbung der Tellerfedern ist vorzugsweise konisch oder aber kugelsegmentartig, insbesondere halbkugelig, ausgeführt. Dabei sind konische, also kegelstumpfartige Auswölbungen bevorzugt, da diese steifer sind als die alternativen Ausgestaltungen. Es zeigte sich, dass ein Kraft-/Auslenkung-Diagramm einen von den sphärischen Tellerlinsen abweichenden Verlauf aufweist, der sich vorteilhaft auf die Verwendung in einem Brennstoffzellenstapel auswirkt.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellenstapel sowie ein Brennstoffzellensystem, welches ein erfindungsgemäßes Spannsystem in einer der beschriebenen Ausführungen aufweist. Derartige Brennstoffzellenstapel bzw. -systeme weisen ein besseres Verhältnis von Gewicht zu Ausbeute auf und sind zudem bruchstabiler.
• Vorzugsweise erfolgt das Heraustrennen der erfindungsgemäßen Mehrzahl von Tellerfedern 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 schematische Darstellung eines Ausschnitts aus einem Paket in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
• 3 eine schematische Darstellung eines Pakets mit einer Mehrzahl von Tellerfedern in einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
• 4 eine schematische Darstellung eines Stapel mehrerer Paket gemäß der in 2 gezeigten Ausgestaltung in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung; und
• 5 eine graphische Darstellung eines Verlaufs Kraft vs. Federauslenkung in vier bevorzugten Ausgestaltungen gegenüber einer bekannten Anordnung.
• 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 eines Spannsystems zusammengepresst (verpresst). Das Spannsystem 40 umfasst eine äußere Spannvorrichtung 22, sowie ein zwischen einer äußeren Polarplatte und einer Endplatte 18 angeordnetes Federsystem. Zum Aufbau einer äußeren Spannung, welche über das Federsystem auf den Brennstoffzellenstapel übertragen wird, leiten längliche Zugkörper 24 der äußeren Spannvorrichtungen 22 Zugkräfte zwischen den beiden Endplatten 18 weiter, sodass die Endplatten 18 mittels der Zugkörper 24 zueinander gezogen 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.
• In der gezeigten Ausgestaltung umfasst wenigstens eine der Spannvorrichtungen 22 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 kommend hin zu einem gegenüberliegenden Ende des Brennstoffzellenstapels 100 erstrecken und zur Abführung einer elektrischen Leistung des Brennstoffzellenstapels 100 dienen.
• Der durch die äußere Spannvorrichtung 22 erzeugte Pressdruck wird üblicherweise über ein Federsystem auf den Brennstoffzellenstapel 100 übertragen. Erfindungsgemäß umfasst das Federsystem eine Mehrzahl von Tellerfedern 40, die stoff- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
• Ein Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Federsystem (21) ist in 2 gezeigt. 2 zeigt eine Mehrzahl von Tellerfedern 40, die in einer Ebene 47 stoff- und/oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Eine Ausgestaltung, in der die Mehrzahl von Fehlern sowohl stoff-, als auch kraftschlüssig miteinander verbunden ist, sieht beispielsweise vor, dass einige der Tellerfedern stoffschlüssig und andere der Tellerfedern 41 kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Die Ebene 47, in der die Tellerfedern 41 miteinander verbunden sind, ist in 2 in Aufsicht gezeigt. Die Ebene 47 verläuft senkrecht zu einer Rotationsachse 48, die wiederum durch das Zentrum 46 eines durch eine Tellerfeder 41 beschriebenen Kreises verläuft.
• Die Verbindung 42 zwischen den Tellerfedern 41 ist vorzugsweise als Steg 43 oder aber, in der in 3 gezeigten Ausgestaltung, als flächige Verbindung 44 ausgestaltet. In der in 2 gezeigten Ausgestaltung ist eine Tellerfeder 41 je mit 6 weiteren benachbarten Tellerfedern über einen Steg 43 verbunden. Alternativ ist eine Tellerfeder mit 4 benachbarten Tellerfedern über einen Steg 43 verbunden. Die Anzahl der Verbindungsstege 42 pro Tellerfeder 41 entspricht im Wesentlichen der Anzahl benachbarter Tellerfedern 41 je Tellerfeder 41.
• Die in 3 gezeigte Ausgestaltung weist insbesondere eine vollflächige Verbindung 44 der Tellerfedern 41 auf. Die gezeigte Ausgestaltung von flächigen Verbindungen 44 zwischen den Tellerfedern 41 führt insbesondere in der in 3 gezeigten vollflächigen Verbindung 44 dazu, dass nicht nur benachbarte Tellerfedern miteinander verbunden sind, sondern quasi alle Tellerfedern eines Pakets 45 eine stoffschlüssige Verbindung aufweisen.
• In 3 ist ein Paket gezeigt, welches eine Mehrzahl von Tellerfedern 40 umfasst. Die gezeigte Anzahl entlang einer Kante nebeneinander angeordneten Tellerfedern 41 ist dabei lediglich exemplarisch und keinesfalls einschränkend zu verstehen und gleiches gilt für den Abstand und die Anordnung der Tellerfedern 41 zueinander. Es wird deutlich, dass entlang der Kanten des Pakets 45 angeordnete Tellerfedern weniger benachbarte Tellerfedern 41 aufweisen. Gleiches gilt auch für Pakete 45 deren Mehrzahl von Tellerfedern 40 über Stege 43 miteinander verbunden sind, dann weisen entlang einer Kante angeordnete Tellerfedern 41 entsprechend ihrer reduzierten Anzahl an Nachbarn eine reduzierte Anzahl von Verbindungen 43 auf.
• Die Tellerfedern 41 weisen bevorzugt einen äußeren Durchmesser im Bereich von 0,05-2 mm auf. Der Abstand zwischen den Tellerfedern 41 liegt bevorzugt im Bereich von 40-70 % des äußeren Durchmessers, insbesondere im Bereich von 45-67 %, wobei Randbereiche der letztgenannten besonders bevorzugt sind. Die genannten Prozentangaben beziehen sich auf Abstände zwischen den Zentren 46 Tellerfedern 41.
• Bei der Anordnung in einem Brennstoffzellenstapel 100 werden bevorzugt mehrere der oben beschriebenen Pakete 45, welche aus je einer Ebene 46 von einer Mehrzahl miteinander verbundene Tellerfedern 40 bestehen, übereinander angeordnet, insbesondere gestapelt. In 4 ist eine schematische Schnittdarstellung eines solchen Stapels in einer schrägen Schnittansicht gezeigt. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einem Paket 45, in dem benachbarte Tellerfedern 41 über einen Steg 43 miteinander verbunden sind. Die gezeigten und in diesem Zusammenhang beschriebenen Merkmale und Ausgestaltungen sind darüber hinaus entsprechend auf Pakete 45 mit flächigen Verbindungen 44 zwischen einzelnen Tellerfedern 41 übertragbar.
• Die Schnittansicht zeigt je 4 übereinander gestapelte Tellerfedern 41, wobei in der gezeigten Ausgestaltung ein Stapel Tellerfedern 41 je zwei Teilstapel 51, 52 umfasst. Exemplarisch sind die gestapelten Tellerfedern 41 des ersten Teilstapel 51 wechselseitig angeordnet, mit anderen Worten eine Auswölbung der im Teilstapel 51 benachbarter Tellerfedern 41 ist entgegengesetzt ausgerichtet. Als Alternative ist ein Teilstapel 52 gezeigt, in dem im Teilstapel 52 benachbarte Tellerfedern 41 gleichsinnig ausgerichtet sind, d.h. deren Auswölbung weist in die gleiche Richtung, was dazu führt, dass die Flächen der Tellerfedern 41 parallel sind.
• Die Auswölbungen der Tellerfedern 41 kann wie in 4 angedeutet konisch, also in Form eines abgeflachten Kegelstumpfes ausgestaltet sein. Dabei bildet der Mantel des Kegelstumpfes den Teller der Tellerfedern 41. Alternativ wird der Teller der Tellerfedern 41 aus einem Kugelsegment, insbesondere einer Halbkugel, gebildet, wobei im Zentrum eine kreisförmige Ausnehmung angeordnet ist.
• 5 zeigt ein Kraft-/Verformungs-Diagramm, wobei auf der Abszisse die Verformung der betreffenden Tellerfedern in Millimetern angegeben ist. Zur Bestimmung der Verformung wird die Verringerung einer Höhe der Auswölbung der Tellerfeder in Millimeter gemessen. Die Verformung wird zu einer auf die Tellerfedern wirkenden Kraft in Newton ins Verhältnis gesetzt, wobei die auf die Tellerfedern wirkende Kraft im Diagramm auf der Ordinate dargestellt ist.
• Im Diagramm sind 5 Kurvenverläufe dargestellt, wobei die Vierecke Messpunkte einer Mehrzahl von Tellerfedern entsprechen, die durch eine flächige Verbindung verbunden sind wobei der Abstand der Tellerfedern im unteren bevorzugten Bereich, vorliegend bei 45 % des äußeren Durchmessers der Tellerfedern liegt. Ebenfalls eine flächige Verbindung liegt den Messpunkten zu Grunde, die als „X“ gekennzeichnet sind, wobei hier der Abstand zwischen den Tellerfedern im Bereich von 67 % des äußeren Durchmessers der Tellerfedern liegt. Eine annähernd gleiche Steigung, zumindest im Bereich von 0-0,25 mm Stauchung der Tellerfedern, zeigt die Messung einer Mehrzahl von Tellerfedern, die durch Stege miteinander verbunden sind, wobei die Stege untereinander wiederum ebenfalls verbunden sind (Messpunkte als Stern gekennzeichnet). Die als Dreiecke gekennzeichneten Messpunkte entsprechend den Ergebnissen der Verformung von einer Mehrzahl von Tellerfedern, die lediglich durch Stege miteinander verbunden sind.
• Verglichen mit der Grundlinie (rechteckige Messpunkte) zeigen alle vier gemessenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen verbundenen Tellerfedern einen steileren Kurvenverlauf. Die verbundenen Tellerfedern sind demnach bei gleicher Materialdicke steifer für die gleiche Kraftübertragung. Demnach kann in erfindungsgemäßer Ausgestaltung weniger Material eingesetzt werden, was wiederum zu einer Gewichtsreduktion führt.
• Bezugszeichenliste

10

Membran-Elektroden-Anordnung

11

Einzelzelle

12

Polarplatte

18

Endplatte

20

Dichtung

21

Federsystem

22

Spannvorrichtung

24

länglicher Zugkörper

26

Befestigungsmittel

28

Kabelführung

29

Bauteil

30

Führungskörper

40

Mehrzahl in einer Ebene verbundener Tellerfedern

41

Tellerfeder

42

Verbindung

43

Steg

44

flächige Verbindung

45

Paket

46

Zentrum

47

Ebene

48

Rotationsachse

50

Stapel

51

wechselsinnige Ausrichtung

52

gleichsinnige Ausrichtung

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 10213558 A1 [0006]
• US 2014/0060143 A1 [0006]

Claims (9)

1. Spannsystem für einen Brennstoffzellenstapel (100) umfassend eine Mehrzahl von Tellerfedern (40), dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfedern (41) in einer Tellerebene (47) durch eine stoff- und/oder kraftschlüssige Verbindung (42, 44) miteinander verbunden sind.
2. Spannsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen benachbarten Tellerfedern (47) als Steg (43), als flächige, insbesondere vollflächige, oder integral einstückige Verbindung (44) ausgebildet ist.
3. Spannsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Tellerfedern durch Ausstanzen aus einem Materialstück oder Formen eines Materialstücks hergestellt sind.
4. Spannsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je eine Tellerfeder (41) mit 4 bis 6 benachbarten Tellerfedern (41) verbunden ist, insbesondere benachbarte Tellerfedern (41) hexagonal oder rechteckig zueinander angeordnet sind.
5. Spannsystem nach einem vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens zwei übereinander angeordnete Lagen (47) einer Mehrzahl von Tellerfedern (40).
6. Spannsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen (47) derart zueinander angeordnet sind, dass die Tellerfedern (41) übereinander angeordneter Lagen (47) deckungsgleich ausgerichtet sind.
7. Spannsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfedern (41) übereinander angeordneter Lagen (47) zumindest teilweise gleichsinnig, vorzugsweise in definierten Intervallen, abwechselnd gleichsinnig und wechselsinnig ausgerichtet sind.
8. Spannsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfedern (41) eine konische oder eine kugelsegmentförmige, insbesondere halbkugelige, Form aufweisen.
9. Brennstoffzellenstapel (100) aufweisend ein Spannsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

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