DE102019211595A1 - Brennstoffzellenstapel, Verfahren zur Einstellung der Verpresskraft eines Brennstoffzellenstapels sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

Brennstoffzellenstapel, Verfahren zur Einstellung der Verpresskraft eines Brennstoffzellenstapels sowie Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (3), die zwischen zwei Endplatten (1) aufgenommen und in Serie mit einer Feder (4) mit einer Verpresskraft verspannt sind. Die Feder ist als eine Gasdruckfeder mit einem Gasraum (7) gebildet, dessen Füllung aktiv zur Einstellung der Federsteifigkeit einstellbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Einstellung der Verpresskraft eines Brennstoffzellenstapels (2) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (3), die zwischen zwei Endplatten (1) aufgenommen und in Serie mit einer als Gasdruckfeder gebildeten Feder (4) verspannt sind, umfassend die Schritte des Erfassens der Temperatur mit einem Temperatursensor und des Erfassens des Drucks in den Medienstrecken des Brennstoffzellenstapels und des Erfassens einer Längenänderung des Brennstoffzellenstapels (2) und Einstellen des Gasdrucks in der Gasdruckfeder zur Generierung einer geringen Federsteifigkeit bei einer temperaturindizierten Längenänderung des Brennstoffzellenstapels (2) und Einstellen des Gasdrucks in der Gasdruckfeder zur Generierung einer hohen Federsteifigkeit bei einer Längenänderung des Stapels aufgrund eines erhöhten Innendrucks. Schließlich betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug.

Description

  • Die Erfindung ist gebildet durch einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die zwischen zwei Endplatten aufgenommen und in Serie mit einer Feder mit einer Verpresskraft verspannt sind, wobei die Feder als eine Gasdruckfeder mit einem Gasraum gebildet ist, dessen Füllung aktiv zur Einstellung der Federsteifigkeit einstellbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Einstellung der Verpresskraft eines Brennstoffzellenstapels sowie ein Kraftfahrzeug mit einer einen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung.
  • Brennstoffzellen dienen zur Bereitstellung elektrischer Energie durch eine elektrochemische Reaktion, wobei zur Erhöhung der nutzbaren Leistung mehrere Brennstoffzellen in Reihe geschaltet zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst werden können. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran, die zur Förderung der elektrochemischen Reaktion mit einem Katalysator beschichtet ist. Des Weiteren sind in einem Brennstoffzellenstapel jeder Brennstoffzelle beidseits der Membran Bipolarplatten bereitgestellt zur Zuleitung der Reaktanten und gegebenenfalls eines Kühlmittels. Des weiteren werden Gasdiffusionsschichten eingesetzt, um die in den Bipolarplatten herangeführten Reaktanten möglichst gleichmäßig über die gesamte Fläche der mit dem Katalysator beschichteten Membran zu verteilen.
  • Diese Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen wird im Allgemeinen mithilfe von Zugelementen mit einer Kraft im Bereich mehrerer Tonnen verpresst, um einen ausreichenden Kontaktdruck an der katalysatorbeschichteten Membran zur Reduktion ohmscher Verluste zu erzielen und mittels der hohen Verpressung Undichtigkeiten eingesetzter Dichtungen zu vermeiden.
  • Zu beachten ist dabei allerdings, dass während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels Kräfte auftreten, die zu einer Steigerung oder Reduktion der Verpresskraft führen können. Die Steigerung der Verpresskraft wird verursacht durch eine Wärmeausdehnung der verwendeten Komponenten, durch den für die Zuführung und Verteilung der Reaktanten verwendeten Druck und durch ein Aufquellen der verwendeten Membran bei deren Hydratisierung.
  • Eine Reduktion der Verpresskraft kann erfolgen durch eine negative Wärmeausdehnung bei sinkenden oder niedrigen Temperaturen oder durch das Setzungsverhalten der Gasdiffusionschichten, das mit zunehmender Nutzungsdauer und damit Lebensalter des Brennstoffzellenstapels zunimmt.
  • Aus der DE 11 2007 001 371 T5 ist es daher bekannt, eine Anpressvorrichtung einzusetzen, die zwischen den Endplatten und dem Brennstoffzellenstapel vorgesehen ist, um die Verpresskraft einzustellen, wobei die Anpressvorrichtung ein Paar Plattenelemente, ein elastisches Element, das zwischen den Plattenelementen angeordnet ist, um die Plattenelemente aufgrund einer elastischen Kraft voneinander zu trennen, und eine Vielzahl von Kraft eingebenden Abschnitten aufweist, an die von den Kraft anlegenden Abschnitten eine Kraft angelegt wird. Vorhanden sind auch Krafteinstellschrauben, um die Vorspannkraft des elastischen Elements einstellen zu können, das durch eine Vielzahl gleichartiger Federn gebildet ist.
  • Die EP 1 601 041 B1 zeigt einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, wobei eine Vielzahl von Arten von elastischen Bauteilen derart kombiniert ist, dass das Federmodul eine Lastdeformationscharakteristik bietet, die sich in einem vollen Deformationsbereich an einem Zwischendeformationspunkte biegt, wie dies in der 2 dargestellt ist. Dies wird erreicht durch den Einsatz mindestens zweier Typen von Federn, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei im Ruhezustand die eine Feder zwei voneinander beabstandete Platten beaufschlagt, während die andere Feder kürzer gestaltet ist und Kontakt nur zu einer der Platten aufweist, sodass beim Ausüben einer Kraft auf die Platten diese zusammen gepresst werden, wobei zunächst nur die anliegende Feder komprimiert wird entsprechend ihrer Federkonstante. Bei ausreichender Kompression gelangt auch die zweite Feder zur Anlage an beiden Platten, sodass dann auch die zweite Feder komprimiert werden muss und sich die aus 2 ersichtliche Federkennlinie ergibt mit dem Vorteil, dass eine flache Federkennlinie genutzt werden kann für eine Minimierung der Verpresskraft bei Längenänderungen, während eine steile Federkennlinie günstiger ist, wenn eine gegen die Längenänderung wirkenden Kraft gewünscht ist, um ausreichende Dichtigkeit und geringe ohmsche Verluste zu gewährleisten. Nachteilig dabei ist, dass zwar über die Verwendung spezieller Federn oder die Kombination geeigneter Federn die gewünschte Progression der Federkennlinie im gewünschten Bereich erzielt werden kann, dass aber ein komplexer konstruktiver Aufbau dafür erforderlich ist und die Federkennlinie trotzdem fix vorgegeben ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brennstoffzellenstapel so auszubilden, dass über einen großen Bereich seiner Lebensdauer eine geeignete Verpresskraft bereitgestellt ist. Aufgabe ist es weiterhin, ein Verfahren zur Einstellung der Verpresskraft anzugeben sowie ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruches 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruches 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Der Brennstoffzellenstapel zeichnet sich dadurch aus, dass nicht eine Federkennlinie durch die Kombination zweier oder mehrerer Federn fix vorgegeben ist, sondern dass die Federsteifigkeit der Gasdruckfeder eingestellt werden kann, um die situativ vorteilhafte Federsteifigkeit bereitzustellen. Wenn also der Fall einer Längenänderung durch eine thermische Dehnung oder einer Setzung vorliegt, kann die Füllung im Gasdruck eingestellt werden, um eine konstante Verpresskraft zu erreichen; liegt eine Kraftänderung durch den Druck vor, wird die Federsteifigkeit, so gewählt, dass die Längenänderung minimiert ist, also eine hohe Federsteifigkeit vorteilhaft ist. Auch wird in besonderer Weise berücksichtigt, dass das Setzungsverhalten der Gasdiffusionschichten sich über die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels ändert, sodass zum Beginn der Nutzung des Brennstoffzellenstapels eine andere Federsteifigkeit gewählt werden kann als kurz vor Erreichen der maximalen Nutzungsdauer.
  • Durch die aktive Einstellung ergibt sich auch die Möglichkeit, dass die Federsteifigkeit aktiv gewählt wird. Dies wird erreicht, indem mindestens ein Sensor zur Erfassung eines externen, die Verpresskraft beeinflussenden Parameters vorgesehen ist, und ein Faktor zur Einstellung der Füllung des Gasraumes in Abhängigkeit der Größe des vom Sensor erfassten Parameters. Dabei besteht die Möglichkeit, dass der Sensor ein Temperatursensor ist, ein Drucksensor, oder dass der Sensor ein Längenmaß zur Detektion einer Längenänderung ist.
  • Das Verfahren zur Einstellung der Verpresskraft eines Brennstoffzellenstapels mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die zwischen zwei Endplatten aufgenommen und in Serie mit einer als Gasdruckfeder gebildeten Feder verspannt sind, umfasst die Schritte des Erfassens der Temperatur mit einem Temperatursensor und des Erfassens des Drucks in den Medienstrecken des Brennstoffzellenstapels und des Erfassens einer Längenänderung des Brennstoffzellenstapel und des Einstellens des Gasdrucks in der Gasdruckfeder zur Generierung einer geringen Federsteifigkeit bei einer temperaturindizierten Längenänderung des Brennstoffzellenstapels und des Einstellens des Gasdrucks der Gasfeder zur Generierung einer hohen Federsteifigkeit bei einer Längenänderung des Stapels aufgrund eines erhöhten Innendrucks. Des Weiteren wird mit zunehmender Nutzungsdauer des Brennstoffzellenstapels die Federsteifigkeit durch eine Vergrößerung des Gasraumes um die Länge des Federelements zu vergrößern, konstant gehalten.
  • Ein Kraftfahrzeug mit einer einen derartigen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung verfügt über eine vergrößerte Verlässlichkeit und Effektivität über die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines zwischen zwei Endplatten verspannten Brennstoffzellenstapels, wobei eine der Endplatten über Federelemente gegen eine Federkappe abgestützt ist, und
    • 2 ein Kraft/Weg-Diagramm zur Veranschaulichung der Federkennlinie einer durch zwei unterschiedliche Federn gebildeten Federkombination gemäß dem Stand der Technik.
  • In der 1 ist schematisch ein Brennstoffzellenstapel 2 gezeigt, der aus einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Brennstoffzellen 3 besteht.
  • Jede der Brennstoffzellen 3 umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
  • Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
  • Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
  • Der in der 1 schematisch gezeigte Brennstoffzellenstapel 2 weist eine Mehrzahl von Brennstoffzellen auf 3, die zwischen zwei Endplatten 1 angeordnet sind. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der oberen Endplatte 1 symbolisiert ein Federpaket 4 zugeordnet, das die Endplatte 1 gegenüber einer Federkappe 5 abstützt, wobei seitlich an dem Brennstoffzellenstapel 2 zwei Zugbänder 6 von der Federkappe 5 über die erste Endplatte 1 zu der zweiten Endplatten 1 verlaufen, so dass die Brennstoffzellen 3 in dem Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Verpresskraft verspannt sind. Bei dem Brennstoffzellenstapel 2 ist die Feder als eine Gasdruckfeder gebildet mit einem Gasraum 7, dessen Füllung aktiv zur Einstellung der Federsteifigkeit einstellbar ist. Beispielhaft kann dazu auf die 1 mit dem zwischen der Federkappe 5 und der oberen Endplatten 1 ausgebildeten Gasraum 7 verwiesen werden, bei dem der darin herrschende Druck variiert werden kann, um die Federsteifigkeit zu variieren und so unterschiedliche Federkennlinien bereitzustellen.
  • Die aktive Einstellung der Federsteifigkeit kann dabei erfolgen in Abhängigkeit von externen, die Verpresskraft beeinflussenden Parametern, die mittels geeigneter Sensoren erfasst werden, nämlich durch einen Temperatursensor, aus dessen Daten erwartbare temperaturinduzierte Längenänderungen abgeleitet werden können. Des Weiteren ist ein Drucksensor geeignet, erwartbare Längenänderungen anhand des in den Medienstrecken herrschenden Druckes angeben zu können. Auch kann die Längenänderung selber durch ein Längenmaß erfasst und ausgewertet werden.
  • Die 2 zeigt dabei die Wirkung einer unterschiedlichen Federsteifigkeit. Wird zum Beginn der Lebensdauer (Begin of Life, BoL) der maximale Mediendruck Δp eingestellt, verändert sich aufgrund der gewählten hohen Federsteifigkeit die Länge nur relativ geringfügig um den Betrag Δs. Führt zum Ende der Lebensdauer (End of Life, EoL) das Setzen der Gasdiffusionslage zu einer Reduktion der Länge des Brennstoffzellenstapels 2 um den Betrag Δsz, hat dies aufgrund der gewählten geringeren Federsteifigkeit nur einen geringen Verlust der Verpresskraft ΔFuc zur Folge.
  • Es werden also mittels des Temperatursensors, des Drucksensors und des Längenmaßes die externen Parameter bestimmt und bei einer temperaturindizierten Längenänderung eine geringe Federsteifigkeit gewählt und eine hohe Federsteifigkeit bei einer druckreduzierten Änderung oder bei einer entsprechenden Alterung des Brennstoffzellenstapels 2.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Endplatte
    2
    Brennstoffzellenstapel
    3
    Brennstoffzelle
    4
    Feder
    5
    Federkappe
    6
    Zugband
    7
    Gasraum
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 112007001371 T5 [0006]
    • EP 1601041 B1 [0007]

Claims (8)

  1. Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (3), die zwischen zwei Endplatten (1) aufgenommen und in Serie mit einer Feder (4) mit einer Verpresskraft verspannt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (4) als eine Gasdruckfeder mit einem Gasraum (7) gebildet ist, dessen Füllung aktiv zur Einstellung der Federsteifigkeit einstellbar ist.
  2. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor zur Erfassung eines externen, die Verpresskraft beeinflussenden Parameters vorgesehen ist und ein Aktor zur Einstellung der Füllung des Gasraum (7) in Abhängigkeit der Größes des vom Sensor erfassten Parameters.
  3. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Temperatursensor ist.
  4. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Drucksensor ist.
  5. Brennstoffzellenstapel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Längenmaß zur Detektion einer Längenänderung ist.
  6. Verfahren zur Einstellung der Verpresskraft eines Brennstoffzellenstapels (2) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (3), die zwischen zwei Endplatten (1) aufgenommen und in Serie mit einer als Gasdruckfeder gebildeten Feder (4) verspannt sind, umfassend die Schritte des Erfassens der Temperatur mit einem Temperatursensor und des Erfassens des Drucks in den Medienstrecken des Brennstoffzellenstapels (2) und des Erfassens einer Längenänderung des Brennstoffzellenstapels (2) und Einstellen des Gasdrucks in der Gasdruckfeder zur Generierung einer geringen Federsteifigkeit bei einer temperaturindizierten Längenänderung des Brennstoffzellenstapels (2) und Einstellen des Gasdrucks in der Gasdruckfeder zur Generierung einer hohen Federsteifigkeit bei einer druckindizierten Längenänderung.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit zunehmender Nutzungsdauer des Brennstoffzellenstapels (2) die Federsteifigkeit zum Ausgleich von Setzungseffekten durch eine Vergrößerung des Gasraumes (7) konstant gehalten wird.
  8. Kraftfahrzeug mit einer einen Brennstoffzellenstapel (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung.
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