DE102019219784A1

DE102019219784A1 - Fuel cell with an adjustment device to compensate for the settling behavior within the stack structure

Info

Publication number: DE102019219784A1
Application number: DE102019219784.1A
Authority: DE
Inventors: Jochen Wessner; Gudrun Oehler; Eberhard Maier; Harald Bauer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-06-17
Also published as: WO2021121779A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle (10) mit einer Nachstellvorrichtung (40, 42, 48, 64) zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus (12). Die Nachstellvorrichtung (40, 42, 48, 64) umfasst mindestens ein thermisch aktivierbares Spannelement (48), welches auf den Stapelaufbau (12) einwirkt. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Ausgleich des Setzverhaltens eines Stapelaufbaus (12) einer Brennstoffzelle (10).The invention relates to a fuel cell (10) with an adjusting device (40, 42, 48, 64) to compensate for the settling behavior within a stack structure (12). The adjusting device (40, 42, 48, 64) comprises at least one thermally activatable tensioning element (48) which acts on the stack structure (12). The invention also relates to a method for compensating for the settling behavior of a stack structure (12) of a fuel cell (10).

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit einer Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb des Stapelaufbaus sowie auf ein Verfahren zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb des Stapelaufbaus.The invention relates to a fuel cell with an adjustment device to compensate for the setting behavior within the stack structure and to a method for compensating for the setting behavior within the stack structure.

Stand der TechnikState of the art

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Brennstoffzellen, insbesondere deren Stapelaufbau, mit Spannelementen zu versehen, beispielsweise aus DE 11 2007 001 371 B4 oder US 7,951,502 B2 . Bei beiden Lösungen wird der Stapelaufbau, umfassend eine Anzahl übereinander gestapelter Einzelelemente durch Endplatten beaufschlagt, die entweder über Zuganker mit Verschraubungen gegeneinander verspannt oder über zwei parallel zueinander den Stapelaufbau umwickelnde Spannbänder verspannt sind. Mit den oben stehend genannten Lösungen ist ein Nachspannen des Stapelaufbaus bei sich beispielsweise im Betrieb von Brennstoffzellen einsetzendem Setzverhalten durch Nachziehen der Verschraubungen beziehungsweise Nachspannen der Spannbänder möglich.From the prior art it is known to provide fuel cells, in particular their stack structure, with clamping elements, for example from DE 11 2007 001 371 B4 or US 7,951,502 B2 . In both solutions, the stack structure, comprising a number of individual elements stacked on top of one another, is acted upon by end plates which are either braced against one another via tie rods with screw connections or via two tensioning straps that wrap around the stack structure parallel to one another. With the solutions mentioned above, it is possible to retighten the stack structure in the case of setting behavior that occurs, for example during the operation of fuel cells, by retightening the screw connections or retightening the tensioning straps.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Erfindungsgemäß wird eine Brennstoffzelle mit einer Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus aus Einzelelementen vorgeschlagen, wobei die Nachstellvorrichtung mindestens ein thermisch aktivierbares Spannelement umfasst, welches auf den Stapelaufbau einwirkt.According to the invention, a fuel cell with an adjustment device to compensate for the setting behavior within a stack structure of individual elements is proposed, the adjustment device comprising at least one thermally activatable tensioning element which acts on the stack structure.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird ein sich im Stapelaufbau bei Betrieb der Brennstoffzelle einstellendes Setzverhalten durch die eingesetzten Spannelemente bei sich im Betrieb einstellender steigender Temperatur automatisch ausgeglichen, ohne dass es des Nachspannens äußerer Elemente, beispielsweise von Zugankern oder Verschraubungen oder Spannelementen, bedarf. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist das mindestens eine Spannelement aus einem Formgedächtnismaterial oder einer Formgedächtnislegierung gefertigt.The solution proposed according to the invention automatically compensates for a settling behavior that occurs in the stack structure during operation of the fuel cell by the tensioning elements used when the temperature rises during operation, without the need to re-tension external elements, for example tie rods or screw connections or tensioning elements. In the solution proposed according to the invention, the at least one tensioning element is made from a shape memory material or a shape memory alloy.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle ist das mindestens eine Spannelement so angeordnet, dass es unmittelbar auf den Stapelaufbau oder unter Zwischenschaltung einer beispielsweise als Wabenstruktur ausgebildeten Druckplatte auf diesen einwirkt.In the fuel cell proposed according to the invention, the at least one tensioning element is arranged in such a way that it acts directly on the stack structure or, with the interposition of a pressure plate designed as a honeycomb structure, for example.

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann die Wabenstruktur, die sich beispielsweise oberhalb des Stapelaufbaus befindet, mit einer Anzahl von in diese integrierten Spannelementen ausgestattet sein. Die Wabenstruktur kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass diese eine erste Schicht und mindestens eine weitere Schicht mit darin aufgenommenen Spannelementen umfasst.In the solution proposed according to the invention, the honeycomb structure, which is located above the stack structure, for example, can be equipped with a number of tensioning elements integrated into it. The honeycomb structure can be designed, for example, in such a way that it comprises a first layer and at least one further layer with tensioning elements received therein.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist derart ausgestaltet, dass das mindestens eine Spannelement oder die mehrere Spannelemente enthaltende Wabenstruktur derart angeordnet sind, dass eine Spannkraft entweder in einen zentralen Bereich und/oder in einen Außenbereich des Stapelaufbaus eingeleitet wird. Eine Erhöhung der Spannkraft innerhalb des Stapelaufbaus ist beispielsweise im zentralen Bereich des Stapelaufbaus vorteilhaft, um die Gasdichtigkeit beizubehalten.The solution proposed according to the invention is designed in such a way that the at least one tensioning element or the honeycomb structure containing a plurality of tensioning elements are arranged such that a tensioning force is introduced either into a central area and / or into an outer area of the stack structure. An increase in the clamping force within the stack structure is advantageous, for example, in the central area of the stack structure in order to maintain the gas tightness.

In vorteilhafter Weise kann bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle das mindestens eine Spannelement oder die Wabenstruktur mit einer Anzahl von Spannelementen innerhalb eines Freiraums zwischen einem ersten Plattenteil und einem zweiten Plattenteil angeordnet werden. Bei dieser Ausführungsvariante ist das zweite Plattenteil, welches oberhalb des Stapelaufbaus angeordnet ist, relativ zum ersten Plattenteil verschieblich.In the fuel cell proposed according to the invention, the at least one clamping element or the honeycomb structure with a number of clamping elements can advantageously be arranged within a free space between a first plate part and a second plate part. In this embodiment variant, the second plate part, which is arranged above the stack structure, is displaceable relative to the first plate part.

In einer Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle mit einer Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens kann ein zweites Plattenteil, das als Druckplatte wirkt, geteilt ausgeführt sein. In one possible embodiment of the fuel cell proposed according to the invention with an adjustment device to compensate for the setting behavior, a second plate part, which acts as a pressure plate, can be designed to be divided.

Das relativ zum ersten Plattenteil bewegbar angeordnete, den Stapelaufbau beaufschlagende, zweite Plattenteil kann ein zentrales Teil sowie zwei Randbereiche umfassen, die durch eine Anzahl von Spannelementen je nach thermischer Energiezufuhr getrennt voneinander betätigbar sind. Somit kann eine Verspannkraft insbesondere in den zentralen Bereich des Stapelaufbaus eingeleitet werden, wobei die Randbereiche des Stapelaufbaus aufgrund der geteilten Anordnung des zweiten Plattenteils mit einer davon abweichenden Verspannkraft beaufschlagt werden können. Das geteilt ausgebildete zweite Plattenteil kann insbesondere eine nachgiebige Membran aufweisen, mit welcher die beiden Randbereiche und der zentrale Bereich miteinander verbunden sind. Durch die geteilte Ausführung des zweiten Plattenteils mit oder ohne nachgiebiger Membran wird der Stapelaufbau der Brennstoffzelle entweder von der Unterseite oder von der Oberseite her von einer der Endplatten aus beaufschlagt.The second plate part, which is arranged movably relative to the first plate part and acts on the stack structure, can comprise a central part as well as two edge regions which can be actuated separately from one another by a number of clamping elements depending on the thermal energy supply. Thus, a bracing force can be introduced into the central area of the stack structure in particular, with the edge areas of the stack structure being able to be subjected to a bracing force that differs therefrom due to the divided arrangement of the second plate part. The divided second plate part can in particular have a flexible membrane with which the two edge regions and the central region are connected to one another. Due to the split design of the second plate part, with or without a flexible membrane, the stack structure of the fuel cell is acted upon by one of the end plates either from the bottom or from the top.

Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Ausgleich des Setzverhaltens eines Stapelaufbaus einer Brennstoffzelle, wobei die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:

a) Anordnen mindestens eines Spannelements oder einer Wabenstruktur mit Spannelementen, die aus einem Formgedächtnismaterial oder einer Formgedächtnislegierung gefertigt sind, an einem Stapelaufbau,
b) Verformung des mindestens einen Spannelements oder der Wabenstruktur mit einer Anzahl von Spannelementen im kalten Zustand um eine Verformung ΔL,
c) Erzeugen einer auf den Stapelaufbau wirkenden Spannkraft bei thermischer Energiezufuhr zum Formgedächtnismaterial oder zur Formgedächtnislegierung der Spannelemente oder zum Formgedächtnismaterial oder zur Formgedächtnislegierung der Spannelemente der Wabenstruktur bei deren Annahme ihrer ursprünglichen Ausgangsform.

The invention also relates to a method for compensating for the setting behavior of a stack structure of a fuel cell, the the following procedural steps are carried out:

a) arranging at least one tensioning element or a honeycomb structure with tensioning elements, which are made of a shape memory material or a shape memory alloy, on a stack structure,
b) deformation of the at least one tensioning element or the honeycomb structure with a number of tensioning elements in the cold state by a deformation ΔL,
c) Generating a clamping force acting on the stack structure when thermal energy is supplied to the shape memory material or to the shape memory alloy of the clamping elements or to the shape memory material or to the shape memory alloy of the clamping elements of the honeycomb structure when they assume their original initial shape.

Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann ein automatischer Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb des Stapelaufbaus bei thermischer Energiezufuhr erreicht werden, ohne dass es zu manuell durchführbaren Nachspannoperationen an Spannbändern oder Verschraubungen oder dergleichen kommen müsste.With the method proposed according to the invention, automatic compensation of the settling behavior within the stack structure can be achieved when thermal energy is supplied, without the need for manual re-tensioning operations on tensioning straps or screw connections or the like.

Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ist insbesondere die gemäß Verfahrensschritt c) erfolgende thermische Energiezufuhr im Stapelaufbau als die diesem innewohnende thermische Energie bei Betrieb gegeben; des Weiteren besteht die Möglichkeit, die thermische Energiezufuhr dadurch zu kreieren, dass elektrische Energie mittels eines Widerstands in thermische Energie umgewandelt wird.In the case of the method proposed according to the invention, in particular the thermal energy supply taking place according to method step c) in the stack structure is given as the thermal energy inherent in this during operation; Furthermore, there is the possibility of creating the thermal energy supply by converting electrical energy into thermal energy by means of a resistor.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist als schlagender Vorteil hervorzuheben, dass auf Nachspannoperationen verzichtet werden kann. Durch das mindestens eine Spannelement beziehungsweise die Wabenstruktur mit einer Anzahl aus Spannelementen, die jeweils aus einem Formgedächtnismaterial oder einer Formgedächtnislegierung gefertigt sind, kann ein automatischer Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb des Stapelaufbaus der Brennstoffzelle erfolgen. Sich je nach individueller Betriebstemperatur einstellende Setzerscheinungen werden durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung auch individuell ausgeglichen. Dabei kann es je nach Anordnung der Spannelemente beziehungsweise einer Spannelemente umfassenden, auch mehrschichtig ausgebildeten, Wabenstruktur dazu kommen, dass sowohl ein zentraler Bereich des Stapelaufbaus, in dem sich im Allgemeinen die aktiven Membranbereiche der Brennstoffzellen befinden, sowie auch der Randbereich gezielt beaufschlagt werden kann, um Setzerscheinungen, die sich einstellen, Rechnung zu tragen.In the case of the solution proposed according to the invention, a key advantage that should be emphasized is that retensioning operations can be dispensed with. The at least one tensioning element or the honeycomb structure with a number of tensioning elements, each made of a shape memory material or a shape memory alloy, can automatically compensate for the settling behavior within the stack structure of the fuel cell. Settling phenomena that occur depending on the individual operating temperature are also individually compensated for by the solution proposed according to the invention. Depending on the arrangement of the tensioning elements or a honeycomb structure comprising tensioning elements, including multilayered structures, it can happen that both a central area of the stack structure, in which the active membrane areas of the fuel cells are generally located, and also the edge area can be acted upon in a targeted manner, in order to take account of settling phenomena that arise.

Die thermische Energiezufuhr führt dazu, dass sich das Spannelement beziehungsweise die Wabenstruktur mit Spannelementen von einem verformten Zustand in kaltem Zustand wieder in seine beziehungsweise ihre Ausgangslage rückdeformiert. Die Energiezufuhr kann einerseits durch die erhöhte Temperatur der Brennstoffzelle erzeugt werden, die sich bei deren Betrieb einstellt, andererseits besteht die Möglichkeit, die thermische Energiezufuhr auch dadurch darzustellen, dass elektrische Energie beispielsweise über einen ohmschen Widerstand in thermische Energie umgewandelt wird und es auf diesem Wege zu einer Temperaturerhöhung kommt, die das mindestens eine Spannelement beziehungsweise die Wabenstruktur mit Spannelementen von ihrem verformten Zustand in ihren Ausgangszustand überführt.The thermal energy supply leads to the tensioning element or the honeycomb structure with tensioning elements being deformed from a deformed state in the cold state back to its original position. The energy supply can be generated on the one hand by the increased temperature of the fuel cell that occurs during its operation, on the other hand there is the possibility of displaying the thermal energy supply by converting electrical energy into thermal energy, for example via an ohmic resistor, and converting it in this way there is a temperature increase which converts the at least one tensioning element or the honeycomb structure with tensioning elements from its deformed state to its initial state.

Der Nachspannvorgang, der durch die erfindungsgemäß vorgesehene in die Brennstoffzelle integrierte Nachstellvorrichtung möglich ist, kann beispielsweise bei Betrieb des Fahrzeugs vorgenommen werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass der Ausgleich von Setzerscheinungen im Stapelaufbau auch bei im eingebauten Zustand der Brennstoffzelle in das Fahrzeug vorgenommen werden kann sowie während eines Service-Termins. Des Weiteren kann die Nachstellvorrichtung bereits innerhalb der Fertigung eingestellt werden.The retensioning process, which is made possible by the adjusting device integrated into the fuel cell provided according to the invention, can be carried out, for example, when the vehicle is in operation. Furthermore, there is the possibility that settlement phenomena in the stack structure can also be carried out when the fuel cell is installed in the vehicle and during a service appointment. Furthermore, the adjustment device can be set during production.

Als vorteilhafte Ausführungsvariante kann das zweite Plattenteil, welches den Stapelaufbau von der Unterseite oder der Oberseite der Brennstoffzelle her beaufschlagt mit einem geteilt ausgebildeten zweiten Plattenteil ausgeführt sein. Dieses kann beispielsweise einen zentralen Bereich sowie zwei Randbereiche umfassen, die beispielsweise über eine nachgiebige Membran miteinander verbunden sein können. In dieser Ausführungsvariante kann eine punktuelle definierte Vorspannungsanpassung erfolgen, wobei eine Vorspannung im zentralen Bereich, d. h. im aktiven Membranbereich der Einzelelemente anders ausfallen kann als eine Vorspannungsänderung im Bereich der Ränder des Stapelaufbaus der Brennstoffzelle.As an advantageous embodiment variant, the second plate part, which acts on the stack structure from the bottom or the top of the fuel cell, can be designed with a split second plate part. This can include, for example, a central area and two edge areas, which can be connected to one another via a flexible membrane, for example. In this embodiment variant, a punctiform, defined pre-tensioning adjustment can take place, with a pre-tensioning in the central area, i.e. H. in the active membrane area of the individual elements can turn out differently than a change in preload in the area of the edges of the stack structure of the fuel cell.

FigurenlisteFigure list

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.The invention is described in more detail below with reference to the drawing.

Es zeigt:

1 einen Stapelaufbau einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik mit Verschraubung,
2 einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik, verspannt mit Spannbändern,
3 einen Stapelaufbau einer Brennstoffzelle mit starren Stru ktu relementen,
4 eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens,
4.1 eine Ausführungsvariante der Nachstellvorrichtung mit geteilter Druckplatte,
4.2 eine Ausführungsvariante der geteilten Druckplatte gemäß der Darstellung in 4.1 und einem nachgiebigen Membranelement und
5 eine Nachstellvorrichtung mit dezentral angeordneten Rasthaken.

It shows:

1 a stack structure of a fuel cell according to the state of the art with screw connection,
2 a fuel cell stack according to the state of the art, tensioned with tensioning straps,
3 a stack structure of a fuel cell with rigid structural elements,
4th a variant of the adjustment device proposed according to the invention to compensate for the setting behavior,
4th .1 a variant of the adjustment device with a split pressure plate,
4th .2 a variant of the split printing plate as shown in 4th .1 and a flexible membrane element and
5 an adjustment device with decentralized locking hooks.

1 zeigt eine Brennstoffzelle 10 mit einem Stapelaufbau 12 aus einer Anzahl von Einzelelementen 14. Der Stapelaufbau 12 ist an seinen Enden durch eine erste Endplatte 16 und eine zweite Endplatte 18 begrenzt. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsvariante des Stands der Technik erfolgt eine Verspannung des Stapelaufbaus 12 durch Zuganker 20, die unterhalb der jeweiligen Endplatten 16, 18 jeweils mit einer Verschraubung 22 versehen sind. 1 shows a fuel cell 10 with a stack structure 12th from a number of individual elements 14th . The stack structure 12th is at its ends by a first end plate 16 and a second end plate 18th limited. According to the in 1 The illustrated embodiment variant of the prior art is a bracing of the stack structure 12th by tie rods 20th that are below the respective end plates 16 , 18th each with a screw connection 22nd are provided.

2 zeigt eine Brennstoffzelle 10, die ebenfalls einen Stapelaufbau 12 aus einer Anzahl von übereinanderliegend angeordneten Einzelelementen 14 aufweist. Der Stapelaufbau 12 ist auch hier durch die erste Endplatte 16 und die zweite Endplatte 18 begrenzt. Innerhalb des Stapelaufbaus 12 befindet sich bei der Lösung gemäß 2 eine Mittelplatte 24. Der Stapelaufbau 12 der Brennstoffzelle 10 gemäß 2 wird durch ein erstes Spannband 26 sowie ein zweites Spannband 28 fixiert. Beide Spannbänder 26, 28 sind in einer Spannbandbreite 30 ausgebildet. 2 shows a fuel cell 10 , which also have a stack structure 12th from a number of superimposed individual elements 14th having. The stack structure 12th is also here through the first end plate 16 and the second end plate 18th limited. Inside the stack structure 12th is located in the solution according to 2 a center plate 24 . The stack structure 12th the fuel cell 10 according to 2 is made by a first tightening strap 26th as well as a second strap 28 fixed. Both straps 26th , 28 are in a range 30th educated.

3 zeigt eine Brennstoffzelle 10, die einen Stapelaufbau 12 und ebenfalls eine Anzahl übereinander liegend angeordneter Einzelelemente 14 aufweist. Zwischen der ersten Endplatte 16 und der Oberseite des Stapelaufbaus 12 befindet sich eine starre Platte 32, darüber liegend eine Struktur 36, die einen Zwischenraum 34 überbrückt, wobei die Struktur 36 mit einzelnen Öffnungen 38 versehen ist. 3 shows a fuel cell 10 that are building a stack 12th and also a number of individual elements arranged one above the other 14th having. Between the first end plate 16 and the top of the stack 12th there is a rigid plate 32 , overlying a structure 36 that have a gap 34 bridged, with the structure 36 with individual openings 38 is provided.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.

Der Darstellung gemäß 4 ist eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens eines Stapelaufbaus 12 einer Brennstoffzelle 10 zu entnehmen.According to the representation 4th is a variant of the adjustment device proposed according to the invention to compensate for the setting behavior of a stack structure 12th a fuel cell 10 refer to.

4 zeigt, dass die Brennstoffzelle 10 einen Stapelaufbau 12 aus einer Anzahl übereinanderliegender Einzelelemente 14 aufweist. Der Stapelaufbau 12 gemäß der Darstellung in 4 ist an seiner Oberseite von der ersten Endplatte 16 beaufschlagt. Die erste Endplatte 16 ist durch in 4 nur angedeutete Zuganker 20, Spannbänder 26, 28 und einer in 4 nicht dargestellten weiteren Endplatte verspannt. 4th shows that the fuel cell 10 a stack structure 12th from a number of superimposed individual elements 14th having. The stack structure 12th as shown in 4th is at its top from the first end plate 16 applied. The first end plate 16 is through in 4th only indicated tie rods 20th , Tightening straps 26th , 28 and one in 4th not shown clamped further end plate.

4 zeigt, dass die erste Endplatte 16 einen zweiteiligen Aufbau aufweist. Die erste Endplatte 16 umfasst ein erstes Plattenteil 40 sowie ein relativ zu diesem bewegbares zweites Plattenteil 42. Das erste Plattenteil 40 der ersten Endplatte 16 ist über die erwähnten Zuganker 20 beziehungsweise Spannbänder 26, 28 mit einer in 4 nicht weiter dargestellten Endplatte verspannt. 4th shows that the first end plate 16 has a two-part structure. The first end plate 16 comprises a first plate part 40 as well as a second plate part which is movable relative to the latter 42 . The first plate part 40 the first end plate 16 is about the tie rod mentioned 20th or tightening straps 26th , 28 with an in 4th End plate not shown clamped.

Aus 4 geht hervor, dass das zweite Plattenteil 42 relativ zum fixierten ersten Plattenteil 40 bewegbar ist. Dazu ist das zweite Plattenteil 42 innerhalb eines Führungsabschnitts 60 am ersten Plattenteil 40 geführt. Mit Bezugszeichen 44 ist eine Fuge bezeichnet, die zwischen dem ersten Plattenteil 40 und dem zweiten Plattenteil 42 verläuft. Die beiden Plattenteile 40 beziehungsweise 42 schließen miteinander einen Freiraum 46 ein. Innerhalb dieses Freiraums 46 kann, wie in 4 dargestellt, mindestens ein Spannelement 48 angeordnet sein. Es kann über die Breite des Freiraums 46 zwischen dem ersten Plattenteil 40 und dem zweiten Plattenteil 42 auch eine Anzahl von Spannelementen 48 vorgesehen sein. Des Weiteren kann ebenfalls wie in 4 angedeutet innerhalb des Freiraums 46 eine Wabenstruktur 64 angeordnet sein, die eine Anzahl von Spannelementen 48 enthält. Die Wabenstruktur 64 kann eine erste Schicht 66 mit Spannelementen 48 sowie mindestens eine weitere zweite Schicht 68 mit Spannelementen 48 aufweisen.Out 4th it can be seen that the second plate part 42 relative to the fixed first plate part 40 is movable. This is the second plate part 42 within a guide section 60 on the first part of the plate 40 guided. With reference number 44 denotes a joint between the first plate part 40 and the second plate part 42 runs. The two plate parts 40 respectively 42 close a space with each other 46 a. Within this space 46 can, as in 4th shown, at least one clamping element 48 be arranged. It can be across the width of the free space 46 between the first plate part 40 and the second plate part 42 also a number of tensioning elements 48 be provided. Furthermore, as in 4th indicated within the free space 46 a honeycomb structure 64 be arranged, the a number of clamping elements 48 contains. The honeycomb structure 64 can be a first layer 66 with clamping elements 48 and at least one further second layer 68 with clamping elements 48 exhibit.

Eine Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb des Stapelaufbaus 12 umfasst das erste Plattenteil 40, das zweite Plattenteil 42, mindestens ein Spannelement 48 sowie alternativ die Wabenstruktur 64, die eine Anzahl von Spannelementen 48 aufweisen kann.An adjustment device to compensate for the settling behavior within the stack structure 12th comprises the first plate part 40 , the second plate part 42 , at least one clamping element 48 and alternatively the honeycomb structure 64 that have a number of clamping elements 48 may have.

Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass ein einzelnes Spannelement 48 zwei über ein Gelenk 50 miteinander verbundene Spannstreben 52, 54 aufweist. Die beiden über das Gelenk 50 miteinander verbundenen Spannstreben 52, 54 stützen sich an einer Anlagefläche 56 am ersten Plattenteil 40 beziehungsweise an einer Anlagefläche 58 des zweiten Plattenteils 42 ab. Bei der Montage des oder der Spannelemente 48 oder der Wabenstruktur 64 mit Spannelementen 48 innerhalb des Freiraums 46 liegt ein kalter Zustand des Stapelaufbaus 12 vor. Bei der Montage in diesem Zustand werden die Enden der Spannstreben 52, 54 um einen Verformungsweg ΔL 70 in einen verformten Zustand 74 überführt. Wie aus 4 hervorgeht ist der Verformungsweg ΔL, vgl. Position 70, ausgehend von einer Ausgangsform 72 des unverformten Spannelements 48 beziehungsweise von dessen erster Spannstrebe 52 dargestellt. Im Betrieb des Stapelaufbaus 12 gemäß der Darstellung in 4 kommt es zu Setzerscheinungen zwischen den Einzelelementen 14. Dadurch sinkt die Stapelhöhe. Bei ansteigender Temperatur kommt es zu einer thermischen Energiezufuhr in die Spannelemente 48 beziehungsweise die Wabenstruktur 64, die beispielsweise in Schichten 66, 68 angeordnete Spannelemente 48 aufweist. Da die Spannelemente 48 aus einem Formgedächtnismaterial oder einer Formgedächtnislegierung gefertigt sind, nehmen diese bei steigender Temperatur ihre Ausgangsform 72 an. Dadurch drücken sich die Spannelemente 48 beziehungsweise die Wabenstruktur 64 von der Anlagefläche 56 des fixierten ersten Plattenteils 40 ab und prägen dem Stapelaufbau 12 beziehungsweise der Anzahl übereinanderliegender Einzelelemente 14 desselben eine Spannkraft 78 auf. Die Größe dieser Spannkraft 78 ist individuell abhängig vom sich einstellenden Setzverhalten bei sich einstellenden individuellen Temperaturen. Dadurch kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens eine Korrektur der Spannkraft 78 innerhalb des Stapelaufbaus 12 erreicht werden, sodass eine gasdichte Anlage der Einzelelemente 14 insbesondere innerhalb deren aktiven Membranbereichs erreicht werden kann. From the representation according to 4th shows that a single clamping element 48 two over a joint 50 interconnected tension struts 52 , 54 having. The two over the joint 50 interconnected tension struts 52 , 54 are based on a contact surface 56 on the first part of the plate 40 or on a contact surface 58 of the second plate part 42 from. When assembling the clamping element or elements 48 or the honeycomb structure 64 with clamping elements 48 within the free space 46 there is a cold state of the stack structure 12th in front. When assembling in this state, the ends of the tension struts 52 , 54 by a deformation path ΔL 70 in a deformed state 74 convicted. How out 4th it shows the deformation path ΔL, see position 70 , starting from an initial form 72 of the undeformed clamping element 48 or from its first tension strut 52 shown. In the operation of the stack build-up 12th as shown in 4th there are settling phenomena between the individual elements 14th . This reduces the stack height. When the temperature rises, thermal energy is supplied to the clamping elements 48 or the honeycomb structure 64 that for example in layers 66 , 68 arranged clamping elements 48 having. As the clamping elements 48 are made of a shape memory material or a shape memory alloy, they take their original shape when the temperature rises 72 at. This pushes the clamping elements 48 or the honeycomb structure 64 from the contact surface 56 of the fixed first plate part 40 and shape the stack structure 12th or the number of superimposed individual elements 14th same a tension 78 on. The size of this tension 78 is individually dependent on the settling behavior that occurs at individual temperatures. As a result, the adjusting device proposed according to the invention to compensate for the setting behavior can correct the clamping force 78 within the stack structure 12th can be achieved, so that a gas-tight system of the individual elements 14th can be achieved in particular within their active membrane area.

Mit Bezugszeichen 62 ist die Relativbewegung des zweiten Plattenteils 42 in Bezug auf das fixiert montierte erste Plattenteil 40 angedeutet.With reference number 62 is the relative movement of the second plate part 42 in relation to the fixedly mounted first plate part 40 indicated.

Des Weiteren ist in 4 dargestellt, dass je nach Anordnung des oder der Spannelemente 48 beziehungsweise der Größe der Wabenstruktur 64, die in dem Freiraum 46 angeordnet sind, entweder ein zentraler Bereich 82 mit einer variierten Spannkraft 78 beaufschlagt werden kann oder die Erhöhung der Spannkraft 78 in Außenbereiche 80 neben den zentralen Bereich 82 eingeleitet werden kann. Die Erhöhung der Spannkraft 78 erfolgt durch die Rückverformung, d. h. den Übergang des oder der Spannelemente 48 von ihrem verformten Zustand 74 in ihre Ausgangsform 72. Durch das Ausfahren des zweiten Plattenteils 42 in die mit Bezugszeichen 62 angedeutete Richtung wird die Spannkraft 78 aufgrund sich einstellender Setzerscheinungen im Stapelaufbau 12 kompensiert und angepasst, ohne dass ein Nachspannen der das fixierte erste Plattenteil 40 verspannenden Elemente, d. h. des Zugankers 20 sowie gegebenenfalls der Spannbänder 26, 28 erforderlich wird.Furthermore, in 4th shown that depending on the arrangement of the clamping element or elements 48 or the size of the honeycomb structure 64 that in the free space 46 are arranged, either a central area 82 with a varied tension 78 can be applied or the increase in the clamping force 78 in outdoor areas 80 next to the central area 82 can be initiated. The increase in resilience 78 takes place through the reshaping, ie the transition of the clamping element or elements 48 of their deformed state 74 in their original form 72 . By extending the second part of the plate 42 in the with reference numerals 62 indicated direction is the clamping force 78 due to settling phenomena in the stack structure 12th compensated and adjusted without the need to re-tension the fixed first plate part 40 bracing elements, ie the tie rod 20th as well as the tightening straps, if applicable 26th , 28 is required.

Die vorgeschlagene Erfindung offenbart darüber hinaus ein Verfahren zum Ausgleichen des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus 12 einer Brennstoffzelle 10, wobei zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:

a) Anordnen mindestens eines Spannelements 48 oder einer Wabenstruktur 64 mit Spannelementen 48, die aus einem Formgedächtnismaterial oder einer Formgedächtnislegierung gefertigt sind, an einem Stapelaufbau 12,
b) Verformung des mindestens einen Spannelements 48 oder der Wabenstruktur 64 mit einer Anzahl von Spannelementen 48 im kalten Zustand um eine Verformung ΔL 70,
c) Erzeugen einer auf den Stapelaufbau 12 wirkenden Spannkraft 78 bei thermischer Energiezufuhr zum Formgedächtnismaterial oder zur Formgedächtnislegierung der Spannelemente 48 oder zum Formgedächtnismaterial oder zur Formgedächtnislegierung der Spannelemente 48 der Wabenstruktur 64 bei deren Annahme ihrer ursprünglichen Ausgangsform 72.

The proposed invention also discloses a method for compensating for the setting behavior within a stack structure 12th a fuel cell 10 , whereby at least the following process steps are carried out:

a) Arranging at least one clamping element 48 or a honeycomb structure 64 with clamping elements 48 made of a shape memory material or a shape memory alloy on a stacked structure 12th ,
b) Deformation of the at least one tensioning element 48 or the honeycomb structure 64 with a number of clamping elements 48 in the cold state by a deformation ΔL 70,
c) Generating an on top of the stack structure 12th acting clamping force 78 with thermal energy supply to the shape memory material or to the shape memory alloy of the clamping elements 48 or to the shape memory material or to the shape memory alloy of the clamping elements 48 the honeycomb structure 64 upon their acceptance of their original starting form 72 .

Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann die Rückverformung des Formgedächtnismaterials oder der Formgedächtnislegierung der Spannelemente 48 von einem kalten Zustand in einen Ursprungszustand bei thermischer Energiezufuhr dazu ausgenutzt werden, die Spannkraft 78, die in den Stapelaufbau 12 eingeleitet wird, anzupassen. Die thermische Energiezufuhr gemäß Verfahrensschritt c) kann entweder aus der Temperaturerhöhung des Stapelaufbaus 12 bei Betrieb der Brennstoffzelle 10 hervorgehen oder auch beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass elektrische Energie in einem ohmschen Widerstand in eine Temperaturerhöhung, d. h. eine thermische Energiezufuhr umgewandelt werden kann.In the solution proposed according to the invention, the deformation of the shape memory material or the shape memory alloy of the tensioning elements can be performed 48 from a cold state to an original state with thermal energy supply can be used to increase the resilience 78 that are in the stack 12th is initiated to adapt. The thermal energy supply according to method step c) can either come from the temperature increase of the stack structure 12th when operating the fuel cell 10 arise or can also be generated, for example, in that electrical energy in an ohmic resistance can be converted into a temperature increase, ie a thermal energy supply.

4.1 zeigt eine Ausführungsvariante der Nachstellvorrichtung mit geteilter Druckplatte. 4th .1 shows a variant of the adjustment device with a split pressure plate.

Analog zur Darstellung gemäß 4, bei der der Freiraum 46 durch das erste Plattenteil 40 sowie das zweite Plattenteil 42 begrenzt ist, ist der Freiraum 46 in der Ausführungsvariante gemäß 4.1 durch das erste Plattenteil 40 sowie ein geteiltes zweites Plattenteil 84 begrenzt. Das geteilte zweite Plattenteil 84 umfasst ein erstes Randteil 86, und ein zweites Randteil 88 zwischen denen ein Zentralteil 90 ausgeführt ist. Je nach Auslenkung der Spannelemente 48, die aus einem Formgedächtnismaterial oder einer Formgedächtnislegierung gefertigt sind, lassen sich durch das geteilte zweite Plattenteil 84 unterschiedliche Spannkräfte 78 in den Stapelaufbau 12 einleiten. So kann beispielsweise die Spannkraft 78, die über das Zentralteil 90 in den zentralen Bereich 82 des Stapelaufbaus 12 eingeleitet wird, höher sein, als die Spannkräfte 78, die jeweils in den Außenbereichen 80 des Stapelaufbaus 12 durch das erste Randteil 86 und das zweite Randteil 88 eingeleitet werden können.Analogous to the representation according to 4th where the free space 46 through the first plate part 40 as well as the second plate part 42 is limited, is the freedom 46 in the variant according to 4th .1 through the first plate part 40 as well as a split second plate part 84 limited. The divided second plate part 84 comprises a first edge portion 86 , and a second edge part 88 between which a central part 90 is executed. Depending on the deflection of the clamping elements 48 , which are made of a shape memory material or a shape memory alloy, can be through the divided second plate part 84 different clamping forces 78 in the stack structure 12th initiate. For example, the clamping force 78 that is about the central part 90 in the central area 82 of the stack structure 12th is initiated, be higher than the tension forces 78 each in the outdoor areas 80 of the stack structure 12th through the first edge part 86 and the second edge part 88 can be initiated.

4.2 zeigt die Ausführungsvariante gemäß der 4.1, wobei die einzelnen Teile des geteilten zweiten Plattenteils 84 durch ein nachgiebiges Membranelement 92 miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausführungsvariante besteht die Möglichkeit, die einzelnen Komponenten, d. h. das erste Randteil 86, das zweite Randteil 88 sowie das Zentralteil 90 durch die nachgiebige Membran 92 miteinander zu verbinden. 4th .2 shows the variant according to 4th .1, the individual parts of the divided second plate part 84 by a flexible membrane element 92 are connected to each other. With this variant there is the possibility of using the individual components, ie the first edge part 86 , the second edge part 88 as well as the central part 90 through the flexible membrane 92 to connect with each other.

Beiden Ausführungsvarianten der 4.1 und 4.2 ist gemeinsam, dass eine punktuelle definierte Anpassung der Spannkraft 78 abhängig von der Lokalität innerhalb des Stapelaufbaus 12 eingeleitet werden kann. Die Spannkräfte 78, die in die Außenbereiche 80 des Stapelaufbaus 12 eingeleitet werden können, können sich von der Spannkraft 78 unterscheiden, die in den zentralen Bereich 82 des Stapelaufbaus 12 eingeleitet wird.Both variants of the 4th .1 and 4.2 have in common that a selective, defined adjustment of the clamping force 78 depending on the location within the stack structure 12th can be initiated. The tension 78 that are in the outdoor areas 80 of the stack structure 12th can be initiated, can differ from the tension 78 distinguish those in the central area 82 of the stack structure 12th is initiated.

In der Darstellung gemäß 5 sind die beiden dezentral angeordneten Rasthaken 96, 98 dargestellt, die jeweils durch Öffnungen 38 durch das erste Plattenteil 40 der ersten Endplatte 16 hindurchragen. Ein jeder der beiden dezentralen Rasthaken 96, 98 weist eine Anzahl von Nasen 102 auf, die jeweils durch eine Schräge 100 begrenzt sind. Entsprechend der Verrastung des zweiten Plattenteiles 42 am ersten durch Zuganker 20 beziehungsweise Spannbänder 26, 28 fixierten ersten Plattenteil 40 der ersten Endplatte 16, wird eine Grundspannung in dem Stapelaufbau 12 aus übereinanderliegend angeordneten Einzelelementen 14 eingeleitet. Sobald diese Grundspannung durch Auftreten von Setzbewegungen abnimmt, erfolgt eine Aktivierung des mindestens einen Spannelementes 48, das im Freiraum 46 angeordnet ist. Es kommt zu einer Relativbewegung 62 in Richtung des Stapelaufbaus 12 durch das zweite Plattenteil 42. Dementsprechend fährt das zweite Plattenteil 42 auf den Stapelaufbau 12 zu, so dass eine Änderung der Verrastung der beiden dezentral angeordneten Rasthaken 96, 98 in Bezug auf Rastnasen 104 auftreten kann, sobald die Relativbewegung 62 den Abstand der Rastnasenteilung übersteigt. Zur Verrastung der beiden dezentralen Rasthaken 96, 98 am ersten Plattenteil 40 befinden sich an diesem, die Öffnungen 38 begrenzend, jeweils Rastnasen 104. In der in 5 dargestellten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung zum Ausgleich von Setzbewegungen am Stapelaufbau 12 ist der Freiraum 46, in dem sich das mindestens eine Spannelement 48 befindet, durch Anlageflächen 56 beziehungsweise 58 des ersten Plattenteiles 40 beziehungsweise des relativ zu diesem bewegbaren zweiten Plattenteils 42 begrenzt.In the representation according to 5 are the two decentralized locking hooks 96 , 98 shown, each through openings 38 through the first plate part 40 the first end plate 16 protrude through. Each of the two decentralized locking hooks 96 , 98 has a number of noses 102 on, each by a slope 100 are limited. According to the locking of the second plate part 42 at the first by tie rods 20th or tightening straps 26th , 28 fixed first plate part 40 the first end plate 16 , becomes a fundamental tension in the stack structure 12th made of superimposed individual elements 14th initiated. As soon as this basic tension decreases due to the occurrence of settling movements, the at least one tensioning element is activated 48 that in free space 46 is arranged. There is a relative movement 62 in the direction of stacking 12th through the second plate part 42 . The second plate part moves accordingly 42 on the stack structure 12th to, so that a change in the locking of the two decentrally arranged locking hooks 96 , 98 in relation to locking lugs 104 can occur as soon as the relative movement 62 exceeds the spacing of the locking lug division. For locking the two decentralized locking hooks 96 , 98 on the first part of the plate 40 are on this, the openings 38 limiting, each locking lugs 104 . In the in 5 illustrated embodiment variant of the adjustment device proposed according to the invention to compensate for setting movements on the stack structure 12th is the space 46 , in which the at least one clamping element 48 is located by contact surfaces 56 respectively 58 of the first plate part 40 or the second plate part movable relative to this 42 limited.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the range specified by the claims, which are within the scope of expert action.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 112007001371 B4 [0002]
US 7951502 B2 [0002]

Claims

Fuel cell (10) with an adjustment device (40, 42, 48, 64) to compensate for the settling behavior within a stack structure (12) of individual elements (14), characterized in that the adjustment device (40, 42, 48, 64) has at least one thermal comprises activatable tensioning element (48) which acts on the stack structure (12).

Fuel cell (10) according to Claim 1 , characterized in that the at least one tensioning element (48) is made of a shape memory material or a shape memory alloy.

Fuel cell (10) according to the Claims 1 and 2 , characterized in that the at least one tensioning element (48) acts directly on the stack structure (12) or with the interposition of a pressure plate designed as a honeycomb structure (64) on the stack structure (12).

Fuel cell (10) according to the Claims 1 to 3 , characterized in that the honeycomb structure (64) comprises a plurality of tensioning elements (48) integrated therein.

Fuel cell (10) according to Claim 4 , characterized in that the honeycomb structure (64) comprises a first layer (66) and at least one further layer (68) with tensioning elements (48).

Fuel cell (10) according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the at least one tensioning element (48) or the honeycomb structure (64) are arranged such that a tensioning force (78) is introduced either into a central region (82) or into an outer region (80) of the stack structure (12) .

Fuel cell (10) according to one of the Claims 1 to 7th , characterized in that the at least one tensioning element (48) or the honeycomb structure (64) is arranged in a free space (46) between a first plate part (40) and a second plate part (42) which can be moved relative to the first plate part (40).

Fuel cell (10) according to Claim 7 , characterized in that the second plate part (42) is guided within a guide section (60) on the first plate part (40).

Fuel cell (10) according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the adjusting device comprises a split second plate part (84), with a first edge part (86), a second edge part (88) and a central part (90).

Fuel cell (10) according to Claim 9 , characterized in that the first edge part (86), the second edge part (88) and the central part (90) are connected to one another via a flexible membrane (92).

Fuel cell (10) according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that the adjusting device (40, 42, 48, 64) additionally has decentralized latching hooks (96, 98) or a central latching hook, which are moved when the second plate part (42) is moved relative to the first plate part (40) support on this.

Method for compensating for the settling behavior within a stack structure (12) of a fuel cell (10) with the following method steps: a) arranging at least one tensioning element (48) or a honeycomb structure (64) with tensioning elements (48), which are made of a shape memory material or a shape memory alloy, on a stack structure (12), b) deformation of the at least one tensioning element (48) or the honeycomb structure (64) with a number of tensioning elements (48) in the cold state by a deformation ΔL (70), c) Generating a clamping force (78) acting on the stack structure (12) when thermal energy is supplied to the shape memory material or to the shape memory alloy of the clamping elements (48) or to the shape memory material or to the shape memory alloy of the clamping elements (48) of the honeycomb structure (64) when they assume their original initial shape (72).

Procedure according to Claim 12 , characterized in that, according to method step c), the thermal energy present in the stack structure (12) is used as the thermal energy supply or electrical energy is converted into thermal energy by means of a resistor.