DE102019219795A1

DE102019219795A1 - Brennstoffzelle mit einer Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus

Info

Publication number: DE102019219795A1
Application number: DE102019219795.7A
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: WO2021121781A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle (10) mit einer Nachstellvorrichtung (42, 46, 48, 50; 68, 76, 84) zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus (12) aus Einzelelementen (14). Die Nachstellvorrichtung (42, 46, 48, 50; 68, 76, 84) umfasst mindestens ein chemisch aktivierbares Spannelement (48) oder ein mit einem Druckmedium beaufschlagbaren Druckraum (46), das/der über ein Druckplattenteil (42) mit mindestens einem Rasthaken (68, 76; 84) den Stapelaufbau (12) beaufschlagt.

Description

Technisches Gebiet
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.
Stand der Technik
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 aus US 7,951,502 B2 . Bei beiden Lösungen wird der Stapelaufbau, umfassend eine Anzahl übereinanderliegend gestapelter Einzelelemente durch Endplatten mit einer Mindestpresskraft beaufschlagt, die entweder über Zuganker mit Verschraubungen gegeneinander verspannt oder über zwei parallel zueinander den Stapelaufbau umwickelnde Spannbänder verspannt sind. Mit den obenstehend 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. Spannbänder oder Spannschrauben können dann schwer zugänglich sein, wenn der Stapelaufbau, beispielsweise zur Überprüfung auf Wasserstoff leckagen, in eine Umhausung gepackt wird, wie aus DE 10 2015 118 061 A1 hervorgeht. Durch die Umhausung sind die Spannbänder oder Spannschrauben oder anderweitig eingesetzte Spannelemente überdeckt und von der Außenseite durch ein Spannwerkzeug nur schwer zugänglich.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die eine Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus aus Einzelelementen umfasst. Die Nachstellvorrichtung enthält mindestens ein chemisch aktivierbares Spannelement oder einen mit einem Druckmedium beaufschlagbaren Druckraum, derart, dass über ein Druckplattenteil mit mindestens einem Rasthaken der Stapelaufbau beaufschlagt wird.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise eine sehr gleichmäßige Verteilung der Spannkraft auf die gesamte Fläche des Stapelaufbaus erreicht werden. Damit werden Spannungsspitzen innerhalb einzelner Bereiche vermieden.
In Weiterführung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung enthält das mindestens eine chemisch aktivierbare Spannelement eine Granulatfüllung, wobei das Granulat ausgewählt ist aus der Gruppe: Polyethylenoxid, Polyethylenglykol, Polyethylencarbonat (PEO), Polyacrylsäure, die insbesondere bei Zugabe von H₂O ein Quellverhalten aufweisen.
In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist das beispielsweise einsetzbare mindestens eine chemisch aktivierbare Spannelement mit einer Granulatfüllung versehen, die ein hygroskopisches Material enthält. Im Allgemeinen sind alle Stoffe geeignet, die unter Aufnahme von Wasser quellen und sich nur thermisch trocknen lassen. Dazu zu zählen sind beispielsweise Superadsorber für polare Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser sowie Polymermaterialien. Eine Wasseraufnahme verursacht eine Längenänderung, die zwischen 1/4 und 1/3 der Wasseraufnahme liegt. Dies bedeutet, dass eine 1-prozentige Wasseraufnahme einen Längenzuwachs von 0,25 % bis 0,33 % zur Folge hat.
Ein Aufquellen von Polymermaterial dauert in der Regel länger als das Aufquellen von Superadsorbern. Es lassen sich beispielsweise Materialien wie PVDF und GBL (Gamma-Butyro-Lactone) als unpolare Systeme einsetzen.
Diese erlauben eine gezieltere Zugabe unter Berücksichtigung der herrschenden Luftfeuchtigkeit und eventuell auftretender Leckagen.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle besteht alternativ die Möglichkeit, den Druckraum mit einem Druckmedium zu beaufschlagen. Dazu kann beispielsweise unter einem Betriebsdruck stehender Brennstoff, insbesondere gasförmiger Wasserstoff eingesetzt werden oder auch bereits an der Brennstoffzelle vorhandenes H₂O.
Bei der Beaufschlagung des Druckraumes mit dem Druckmedium liegt der Betriebsdruck beispielsweise für gasförmigen Wasserstoff zwischen 2 bar und 700 bar, bevorzugt jedoch innerhalb eines Druckbereichs, der zwischen 5 bar und 20 bar liegt.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle ist in einer vorteilhaften Weiterbildung das Druckplattenteil so ausgeführt, dass dieser sich bei einer Relativbewegung zum ersten Plattenteil an diesem entweder über einen ersten dezentralen und einen weiteren, zweiten dezentralen Rasthaken oder aber über einen zentralen Rasthaken abstützt. Durch diese Lösung kann ein mittels des mindestens einen chemischen Spannelementes oder mittels der Druckbeaufschlagung des Druckraums erzeugter Spannkraftaufbau beibehalten werden, auch wenn es zu einer Rücknahme der Druckbeaufschlagung des Druckraums oder zu einer Rücknahme des Aktivierens des beispielsweise mindestens einen chemischen Spannelements kommt, da die Rasthaken sich am fixierten ersten Plattenteil einer Endplatte oberhalb des Stapelaufbaus abstützen.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung erstrecken sich beispielsweise die beiden dezentral angeordneten Rasthaken oder ein zentral angeordneter Rasthaken durch Öffnungen, die im ersten Plattenteil beispielsweise einer ersten Endplatte oberhalb des Stapelaufbaus vorgesehen sind und stützen sich an den Öffnungen im ersten Plattenteil ab. Durch diese Lösung kann - wie obenstehend bereits angedeutet - eine dauerhafte Aufrechterhaltung der durch die Druckbeaufschlagung des mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelementes oder des Druckraumes erzeugte Spannkraft beibehalten werden.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle ist der Druckraum innerhalb eines Führungsabschnittes, in dem das Druckplattenteil geführt ist, beispielsweise mittels mindestens eines insbesondere umlaufend ausgeführten Dichtelementes abgedichtet.
In vorteilhafter Weise kann bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung anstelle eines chemisch aktivierbaren Spannelements, welches beispielsweise mit einer Granulatfüllung aus den obenstehend beschriebenen Materialien befüllt ist, auch ein thermisch aktiviertes Spannelement oder ein hydraulisch aktiviertes Spannelement als Nachstellelement für den Stapelaufbau eingesetzt werden. Ein thermisch aktivierbares Spannelement ist beispielsweise durch ein Bauteil aus Formgedächtnismaterial gegeben, welches bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Gestalt annimmt. Ein hydraulisch aktiviertes Spannelement kann beispielsweise durch einen abgedichteten Druckraum oder durch ein in einem Druckraum aufgenommenes Druckkissen dargestellt sein. Das Druckkissen umfasst einen Hydraulikfluidanschluss und ist beispielsweise aus Stahlblechen stoffschlüssig gefügt. Während bei einem chemisch aktivierbaren Spannelement über ein Ventil und einen Zulauf Wasser in das Spannelement gefördert wird und ein Quellen des dort bevorrateten Granulatmaterials nach sich zieht, kann über ein Ventil alternativ ein Druckmedium entweder in einen abgedichteten Druckraum oberhalb des Stapelaufbaus oder zu einem in diesem angeordneten Druckkissen zugeführt werden. In den letztgenannten Fällen wird über die Druckbeaufschlagung des abgedichteten Druckraums oder des Druckkissens eine Erhöhung der Verspannung des Stapelaufbaus bei Setzerscheinungen erreicht, sodass sich Setzbewegungen problemlos und hochgenau kompensieren lassen.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus einer Brennstoffzelle mit nachfolgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen:

a) Aktivierung einer Nachstellvorrichtung mit mindestens einem chemisch aktivierbaren Spannelement oder mit einem durch ein Druckmedium beaufschlagbaren Druckraum oberhalb oder unterhalb eines Stapelaufbaus,
b) Erzeugen einer Relativbewegung eines Druckplattenteils in Richtung auf den Stapelaufbau,
c) Verändern einer auf den Stapelaufbau einwirkenden Spannkraft durch eine Verschiebung des Druckplattenteils um einen Verschiebungsweg ΔL, welcher größer bemessen ist als der Betrag der Setzbewegungen innerhalb des Stapelaufbaus.

In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann es sich bei dem Druckmedium zur Beaufschlagung des Druckraumes beispielsweise um unter Betriebsdruck stehenden Brennstoff, insbesondere gasförmigen Wasserstoff, oder um an der Brennstoffzelle anfallendes H₂O oder um Kühlmedium aus benachbarten Kühlkreisläufen handeln. Des Weiteren kann an der Brennstoffzelle anfallendes H₂O dazu eingesetzt werden, das in dem mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelement quellfähige Granulat zum Quellen zu bringen und dieses auf diese Weise zu aktivieren hinsichtlich einer Änderung einer auf den Stapelaufbau wirkenden Spannkraft zum Ausgleich von sich im Stapelaufbau einstellenden Setzbewegungen.
Vorteile der Erfindung
In vorteilhafter Weise kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erreicht werden, dass ein sich durch Setzbewegungen innerhalb des Stapelaufbaus einstellender Vorspannungsverlust durch ein Verschieben des Druckplattenteils ausgeglichen werden kann. Die Verschiebung des Druckplattenteils kann entweder durch eine Benetzung eines Granulatvorrats mit Wasser innerhalb eines chemisch aktivierbaren Spannelementes erfolgen oder durch eine Druckbeaufschlagung eines Druckraumes zwischen einem ersten Plattenteil und einem relativ zu diesem bewegbaren Druckplattenteil einer Endplatte. Bei dem Druckmedium, mit welchem der Druckraum beaufschlagt werden kann, lässt sich in vorteilhafter Weise bereits in einer Brennstoffzelle unter Betriebsdruck stehender Brennstoff, insbesondere gasförmiger Wasserstoff verwenden. Dieser steht beispielsweise unter einem Versorgungsdruck in der Größenordnung von 2 bar bis 20 bar. Des Weiteren kann als Druckmedium zur Beaufschlagung des Druckraumes an der Brennstoffzelle anfallendes H₂O eingesetzt werden, welches ebenfalls unter einem Betriebsdruck steht. Das an der Brennstoffzelle anfallende H₂O kann darüber hinaus alternativ dazu eingesetzt werden, in dem mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelement enthaltenes quellfähiges Granulat zum Quellen zu bringen.
Die durch die Beaufschlagung des Druckplattenteils erzeugte Längenänderung, d. h. die Ausfahrbewegung des Druckplattenteils aus dem fix montierten ersten Plattenteil einer Endplatte oberhalb oder unterhalb des Stapelaufbaus bewirkt eine Verspannungskraftänderung, so dass die sich im Stapelaufbau einstellenden Setzbewegungen während des Betriebs der Brennstoffzelle ausgeglichen werden können. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in besonders vorteilhafter Weise erreicht werden, dass eine gleichmäßige Verspannungskraftverteilung auf die Fläche des Stapelaufbaus erzielt werden kann. So können hohe Spannungsspitzen, die auf Randbereiche oder einzelne andere Zonen der in Stapelform übereinandergestapelten Einzelelemente wirken, vermieden werden und es lässt sich eine sehr gleichmäßige Verspannungskraftbeaufschlagung des Stapelaufbaus erzielen.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird die Setzbewegung durch die Längenänderung des mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelementes durch eine Ausfahrbewegung des Druckplattenteils aus dem ersten Plattenteil erreicht. Sobald die Rasthaken, seien sie dezentral im Randbereich, seien sie zentral geordnet im fix montierten Plattenteil der Endplatte in Rasten, ist eine Grundspannung der Verspannungskraft des Stapelaufbaus gegeben.
In vorteilhafter Weise kann durch Ausnutzung der in der Brennstoffzelle vorhandenen Prozesswärme beispielsweise die quellfähige Granulatfüllung innerhalb des mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelementes auch wieder in den Ursprungszustand überführt werden. Dadurch kann eine Beeinflussung der Verspannungskraft durch einfache Zugabe von Wasser erreicht werden und beim Abstellen ein Einfrieren verhindert werden. Das aus der ersten fix montierten Druckplatte ausfahrbare Druckplattenteil kann in vorteilhafter Weise mittels einer Führungsgeometrie im fix montierten ersten Plattenteil zentriert werden. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann eine Nachstellung der Verspannungskraft innerhalb des Stapelaufbaus während des Betriebs erreicht werden. Ferner ist eine Beeinflussung der Verspannungskraft bei bereits montiertem Stapelaufbau beispielsweise in der Fertigung möglich, um sich einstellenden Setzerscheinungen innerhalb des Stapelaufbaus Rechnung zu tragen. Des Weiteren kann eine Veränderung der Verspannungskraft innerhalb des Stapelaufbaus in Bezug auf die Leistungsdaten des Stapelaufbaus erfolgen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann ein bereits im Stapelaufbau einer Brennstoffzelle vorhandenes Medium, beispielsweise dort bereits vorhandenes Wasser, eingesetzt werden, um beispielsweise das in einem chemisch aktivierbaren Spannelement bevorratete Granulat zum Aufquellen zu bringen und damit eine Veränderung der Verspannungskraft in den Stapelaufbau einzutragen.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung können Längenänderungen kompensiert werden oder es können Nachstellungen vorgenommen werden. Ist der gesamte Weg, um den sich der Stapelaufbau setzen könnte, mit einem einzigen Nachstellelement nachzustellen, muss dieses unter Umständen sehr groß ausgelegt werden. Durch den Einsatz von Rasthaken besteht der Vorteil, dass eine Längenänderung, die im Betrieb auftritt, beispielsweise bedingt durch Temperatur und Feuchte, zwar die Flächenpressung leicht variieren lässt, die Kraft und den Weg jedoch im Nachstellelement nicht so groß sind, dass der Stapelaufbau zusammengedrückt wird. Erst wenn sich die Setzbewegungen innerhalb des Stapelaufbaus komplett ausgebildet haben und das Nachstellelement, sei es ein thermisches, ein chemisch aktivierbares oder ein hydraulisches, nach wie vor die Verspannungskraft ausübt, kann der Rasthaken in eine nächstgelegene Rastung einschnappen. Während der Stapelaufbau seine Stapellänge im Betrieb ändert, wird die Kraft für die Verspannung des Stapelaufbaus über das Nachstellelement aufgebracht. Tritt eine Betriebsphase auf, während der der Stapelaufbau kürzer wird und das Nachstellelement weiterhin einen Druck ausübt, so kann die Verrastung der Rasthaken eine Stufe weiter einrasten. So kann eine selbsttätige Nachjustierung der Verspannung des Stapelaufbaus erreicht werden.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 einen Stapelaufbau einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik mit Verschraubung,
2 einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik verspannt durch Spannbänder,
3 einen Stapelaufbau einer Brennstoffzelle mit starren Strukturelementen,
4 eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung mit mindestens einem chemisch oder thermisch aktivierbaren Spannelement oder einen mit einem Druckmedium hydraulisch beaufschlagbaren Druckraum,
5 eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung mit dezentral angeordneten Rasthaken und
6 eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung mit zentral im Bereich einer Endplatte angeordneten Rasthaken.

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 Standes 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.
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.
3 zeigt eine Brennstoffzelle 10, die einen Stapelaufbau 12 und ebenfalls eine Anzahl übereinanderliegend 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.
Ausführungsformen der Erfindung
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.
Der Darstellung gemäß 4 ist eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens eines Stapelaufbaus 12 einer Brennstoffzelle 10 zu entnehmen.
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 näher dargestellten weiteren Endplatte verspannt.
Der Darstellung gemäß 4 ist des Weiteren zu entnehmen, dass die erste Endplatte 16 einen zweiteiligen Aufbau aufweist. Die erste Endplatte 16 umfasst ein erstes Plattenteil 40 sowie ein relativ zu diesem bewegbares Druckplattenteil 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.
Aus der Darstellung gemäß 4 geht des Weiteren hervor, dass das Druckplattenteil 42 relativ zum fixierten ersten Plattenteil 40 bewegbar ist. Dazu ist das Druckplattenteil 42 innerhalb einer Plattenführung 60 am ersten Plattenteil 40 geführt. Mit Bezugszeichen 44 ist eine Fuge bezeichnet, die zwischen dem ersten Plattenteil 40 und dem relativ zu diesem bewegbaren Druckplattenteil 42 verläuft. Das erste Plattenteil 40 und das Druckplattenteil 42 schließen miteinander einen Druckraum 46 ein.
Im Druckraum 46 ist in einer ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung durch die Brennstoffzelle 10 beispielsweise mindestens ein chemisch aktivierbares Spannelement 48 aufgenommen. Dieses ist mit einer Granulatfüllung 50 versehen. Dabei kann es sich um ein Material handeln, welches unter Wasseraufnahme quillt und sich auf thermischem Wege trocknen lässt. Prinzipiell geeignet sind Polymere, die bei einer Aufnahme von Wasser eine Längenänderung aufweisen, die zwischen einem Viertel und einem Drittel der Wasseraufnahme, so zum Beispiel bei 1 % Wasseraufnahme hinsichtlich ihrer Länge um 0,25 bis 0,33 % wachsen. Es lassen sich Materialien, wie z. B. Polyethylenoxid, Polyethylenglykol, Polyethylencarbonat einsetzen, die in jedem Mischungsverhältnis mit Wasser quellen. Des Weiteren kann beispielsweise auch Polyacrylsäure eingesetzt werden, welche ein synthetisch hergestelltes hochmolekulares Polymer der Acrylsäure darstellt und zur Gruppe der Polyelektrolyte zählt. Dieses Material ist hygroskopisch und bildet bei Wasseraufnahme ein Gel. Polyacrylate sind in der Regel über Wasserstoffbrücken vernetzt. Moleküle ballen sich eng zusammen und nehmen dabei einen relativ kompakten Zustand ein. Aufgrund der hohen Anzahl an Carbonsäuregruppen ist Polyacrylsäure sehr gut wasserlöslich. In Anwesenheit von Wasser wird eine OH-Gruppe deprotoniert beziehungsweise Na+ abgespalten. Das Polymer besitzt nun eine große Anzahl an Carboxylatgruppen. Die Carboxylatgruppen befinden sich in direkter Nachbarschaft auf engstem Raum. Die negativ geladenen funktionellen Gruppen stoßen einander ab. Diese wollen den größtmöglichen Abstand voneinander annehmen, wodurch sich das Molekül streckt. Das Polymer nimmt demnach in dieser gestreckten Form einen größeren Raum ein.
Um bei dem mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelement 48 ein Quellen der Granulatfüllung 50 zu bewirken, erfolgt die Betätigung eines Schaltventiles 54, derart, dass über einen Flüssigkeitszulauf 52 Wasser zur Granulatfüllung 50 geleitet wird, um deren Quellen zu bewirken. Dabei kann es sich um Wasser handeln, was im Betrieb der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle 10 anfällt, oder um Kühlwasser aus angrenzenden Kühlkreisläufen. Des Weiteren kann in einer zweiten Ausführungsvariante der Druckraum 46 mit einem Druckmedium beaufschlagt werden, bei dem es sich beispielsweise um unter einem Betriebsdruck stehenden gasförmigen Wasserstoff handeln kann. Der als Druckmedium eingesetzte gasförmige Brennstoff steht unter einem Betriebsdruck, der im Bereich zwischen 2 bar und 700 bar liegt, bevorzugt jedoch unter einem Betriebsdruck, der zwischen 5 bar und 20 bar liegt.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle 10 kann als Druckmedium beispielsweise auch alternativ das in der Brennstoffzelle 10 bereits vorhandene Wasser eingesetzt werden. Dies steht unter einem Betriebsdruck, der zwischen 2 bar und 20 bar liegt. Der Ausgangsversorgungsdruck, unter dem das Wasser steht, liegt in der Größenordnung von 2 bar; dieses Druckniveau kann beispielsweise mit einer Kolbenpumpe auf ein erforderliches Druckniveau von etwa 20 bar gebracht werden.
Des Weiteren geht aus 4 hervor, dass der Druckraum 46 durch eine Anlagefläche 56 des ersten Plattenteils 40 beziehungsweise einer Anlagefläche 58 des Druckplattenteils 42 begrenzt ist. Am ersten Plattenteil 40 befindet sich eine Plattenführung 60, in der der Druckplattenteil 42, der relativ zum ersten Plattenteil 40 angeordnet ist, geführt wird. Zur Abdichtung des Druckraumes 46 dient mindestens ein, vorzugsweise umlaufend ausgeführtes Dichtelement 86. Aus der Darstellung gemäß 4 geht des Weiteren hervor, dass das Druckplattenteil 42 zumindest einen ersten dezentralen Rasthaken 68 aufweist. Der diesem gegenüberliegende weitere zweite dezentrale Rasthaken 76 ist in 4 nicht dargestellt (vgl. hierzu 5). Die beiden dezentralen Rasthaken 68 beziehungsweise 76 erstrecken sich jeweils durch Öffnungen 66, die sich im fixiert montierten ersten Plattenteil 40 der ersten Endplatte 16 befinden. Die beiden dezentral angeordneten Rasthaken 68, 76 ermöglichen ein Verrasten, die Einnahme einer festen Position bezüglich des Druckplattenteils 42 in Bezug auf das erste Plattenteil 40. Dadurch wird der Stapelaufbau 12 aus übereinanderliegend angeordneten Einzelelementen 14 mit einer Grundspannung beaufschlagt.
Sobald innerhalb des Stapelaufbaus 12 aus Einzelelementen 14 Setzbewegungen 80 auftreten, nimmt die Grundspannung, die im Stapelaufbau 12 aufrechterhalten wird, ab. Dann erfolgt entweder durch Betätigung des Schaltventiles 54 eine Zugabe von H₂O in die Granulatfüllung 50 des mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelementes 48, so dass dieses aufquillt, sein Volumen ändert und damit auch seine in Bezug auf die Orientierung des Stapelaufbaus 12 wirksame Länge ΔL, eine Längenänderung in Richtung des Stapelaufbaus 12. Oder es erfolgt bei Betätigung des Schaltventiles 54 eine hydraulische Beaufschlagung des Druckraumes 46 mit einem Druckmedium, sei es mit unter Betriebsdruck stehendem gasförmigem Wasserstoff oder mit im Betrieb der Brennstoffzelle 10 anfallendem Wasser, was ebenfalls unter einem Betriebsdruck steht. Anstelle eines chemisch aktivierbaren Spannelements 48 kann auch ein thermisch oder hydraulisch aktivierbares Spannelement eingesetzt werden. Das thermisch aktivierbare Spannelement ist beispielsweise durch ein Spannkreuz gegeben, welches aus einer Formgedächtnislegierung gefertigt sein kann, die abhängig von der Temperatur unterschiedliche Gestalt einnimmt, sodass bei einer Verformung eine Verspannungskraft aufgebaut wird. Anstelle des chemisch aktivierbaren Spannelements 48 kann auch ein hydraulisch aktivierbares Spannelement Verwendung finden. So kann beispielsweise die Granulatfüllung 50 aus dem chemisch aktivierbaren Spannelement 48 entfernt werden und dieses über das Schaltventil 54 beispielsweise mit einem Druckmedium, so zum Beispiel Wasser aus der Brennstoffzelle 10 oder angrenzenden Kühlkreisläufen, als hydraulisches Medium befüllt werden. Das Druckmedium kann entweder in einen abgedichteten Druckraum 46 eingeleitet werden und dort den erforderlichen Druckaufbau leisten; es könnte jedoch auch ein hydraulisch beaufschlagbares Druckkissen, gefertigt aus beispielsweise zwei stoffschlüssig miteinander verbundenen Stahlblechen zum Einsatz kommen.
Die Relativbewegung 62 des Druckplattenteils 42 relativ zum fixierten ersten Plattenteil 40 der ersten Endplatte 16 erfolgt innerhalb eines Führungsabschnittes 64 der Plattenführung 60.
5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung zum Ausgleich von Bewegungen innerhalb des Stapelaufbaus 12. Aus der Darstellung gemäß 5 geht hervor, dass in dieser Ausführungsvariante oberhalb des Stapelaufbaus 12 aus Einzelelementen 14 der Brennstoffzelle 10 die erste Endplatte 16 ebenfalls das erste Plattenteil 40 sowie das relativ zu diesem bewegbare Druckplattenteil 42 aufweist. Im Druckraum 46 befindet sich mindestens ein chemisch aktivierbares Spannelement 48. In der Darstellung gemäß 5 sind die beiden dezentral angeordneten Rasthaken 68, 76 dargestellt, die jeweils durch Öffnungen 66 durch das erste Plattenteil 40 der ersten Endplatte 16 hindurchragen. Ein jeder der beiden dezentralen Rasthaken 68, 76 weist eine Anzahl von Nasen 74 auf, die jeweils durch eine Schräge 72 begrenzt sind. Entsprechend der Verrastung des Druckplattenteils 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 80 abnimmt, erfolgt über das Schaltventil 54 ein Aktivieren des mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelementes 48, das im Druckraum 46 vorgesehen ist. Es kommt aufgrund von Quellerscheinungen der Granulatfüllung 50 zu einer Relativbewegung 62 in Richtung des Stapelaufbaus 12 durch das Druckplattenteil 42. Dementsprechend fährt das Druckplattenteil 42 auf den Stapelaufbau 12 zu, so dass auch eine Änderung der Verrastung der beiden dezentral angeordneten Rasthaken 68, 76 in Bezug auf Rastnasen 82 auftreten kann, sobald die Relativbewegung 62 den Abstand der Rastnasenteilung übersteigt. Zur Verrastung der beiden dezentralen Rasthaken 68, 76 im ersten Plattenteil 40 befinden sich an diesen, die Öffnungen 66 begrenzend, jeweils Rastnasen 82. In der in 5 dargestellten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung zum Ausgleich von Setzbewegungen 80 am Stapelaufbau 12 ist der Druckraum 46, in dem sich das mindestens eine chemisch aktivierbare Spannelement 48 befindet, durch Anlageflächen 56 beziehungsweise 58 des ersten Plattenteiles 40 beziehungsweise des relativ zu diesem bewegbaren Druckplattenteils 42 begrenzt.
6 ist eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung zu entnehmen.
In der in 6 nur teilweise wiedergegebenen Darstellung der Nachstellvorrichtung befindet sich ein zentraler Rasthaken 84 im Wesentlichen in der Mitte des relativ zum ersten Plattenteil 40 bewegbaren Druckplattenteils 42. Zwischen dem ersten Plattenteil 40 beziehungsweise dem Druckplattenteil 42 ist mindestens ein chemisch aktivierbares Spannelement 48 aufgenommen, welches sich beidseits des zentralen Rasthakens 84 erstreckt. Auch in dieser Ausführungsvariante ist der Druckraum 46, in dem sich das mindestens eine chemisch aktivierbare Spannelement 48 befindet, durch die Anlagefläche 56 des ersten Plattenteils 40 beziehungsweise durch die Anlagefläche 58 des Druckplattenteils 42 begrenzt. Durch den zentralen Rasthaken 84 wird analog zur Ausführungsvariante der Nachstellvorrichtung gemäß 5 eine Grundspannung in den Stapelaufbau 12 aus übereinanderliegend angeordneten Einzelelementen 14 eingeleitet. Sobald die Grundspannung aufgrund des Auftretens von Setzbewegungen 80 innerhalb des Stapelaufbaus 12 abnimmt, erfolgt eine Aktivierung des mindestens eine chemisch aktivierbaren Spannelementes 48 beispielsweise durch die Zugabe von Wasser über den Flüssigkeitszulauf 52 und das Schaltventil 54, wie sie in 5 dargestellt sind. Der Abgleich von Setzbewegungen 80 innerhalb des Stapelaufbaus 12 erfolgt durch die Relativbewegung 62 des Druckplattenteils 42 in Bezug auf das fixiert montierte erste Plattenteil 40 der ersten Endplatte 16. Die Längenänderung ΔL (vgl. Position 70) ist größer als die im Stapelaufbau 12 aufgetretenen Setzbewegungen 80. Während die Grundspannung im Stapelaufbau 12 durch den zentralen Rasthaken 84 beziehungsweise dessen Verrastung in Rastnasen 82 aufrechterhalten wird, werden die Setzbewegungen 80, die mit einem Abbau der Grundspannung einhergehen, durch die Aktivierung des mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelementes 48 ausgeglichen. In vorteilhafter Weise kann durch ein Ausnetzen der an der Brennstoffzelle 10 vorhandenen Prozesswärme die Granulatfüllung 50 des mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelementes 48 wieder in den Ursprungszustand überführt werden. Dies ermöglicht eine gute Kontrolle der Spannkraft 78 durch eine einfache Zugabe von Wasser und verhindert beim Abstellen ein Einfrieren.
Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäß vorgeschlagene Brennstoffzelle 10 mitsamt ihrer Nachstellvorrichtung eine in vorteilhafter Weise besonders gleichmäßige Einleitung der Spannkraft 78 in den Stapelaufbau 12, auf dessen gesamter Fläche, so dass Spannungsspitzen, die auf einzelne Bereiche der übereinanderliegend angeordneten Einzelelemente 14 wirken könnten, vermieden werden.
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112007001371 B4 [0002]
US 7951502 B2 [0002]
DE 102015118061 A1 [0002]

Claims

Brennstoffzelle (10) mit einer Nachstellvorrichtung (42, 46, 48, 50; 68, 76, 84) zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus (12) aus Einzelelementen (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Nachstellvorrichtung (42, 46, 48, 50; 68, 76, 84) mindestens ein chemisch aktivierbares Spannelement (48) oder einen mit einem Druckmedium beaufschlagbaren Druckraum (46) umfasst, das/der über ein Druckplattenteil (42) mit mindestens einem Rasthaken (68, 76, 84) den Stapelaufbau (12) beaufschlagt.
Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine chemisch aktivierbare Spannelement (48) eine Granulatfüllung (50) enthält, wobei das Granulat ausgewählt ist aus der Gruppe: Polyethylenoxid, Polyethylenglykol, Polyethylencarbonat (PEO), Polyacrylsäure, welche bei Zugabe von H₂O quellen.
Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine chemisch aktivierbare Spannelement (48) eine Granulatfüllung (50) aus hygroskopischem Material enthält.
Brennstoffzelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckmedium zur Beaufschlagung des Druckraumes (46) unter einem Betriebsdruck stehender Brennstoff, insbesondere gasförmiges H₂ oder an der Brennstoffzelle (10) vorhandenes H₂O eingesetzt wird.
Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsdruck in einem Bereich von 2 bar bis 700 bar, insbesondere in einem Bereich zwischen 5 bar und 20 bar, liegt.
Brennstoffzelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Druckplattenteil (42) bei einer Relativbewegung (62) zum ersten Plattenteil (40) an diesem entweder über einen ersten und einen weiteren, zweiten dezentralen Rasthaken (68, 76) oder über einen zentralen Rasthaken (84) abstützt.
Brennstoffzelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dezentralen Rasthaken (68, 76) oder der zentrale Rasthaken (84) durch Öffnungen (66) im ersten Plattenteil (40) hindurchreichen und sich an die die Öffnungen (66) begrenzenden Rastnasen (82) abstützen.
Brennstoffzelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (46) innerhalb eines Führungsabschnittes (64) mittels mindestens eines, insbesondere umlaufend ausgeführten Dichtelementes (86) abgedichtet ist.
Brennstoffzelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachstellvorrichtung (42, 46, 48, 50; 68, 76, 84) ein thermisch aktivierbares Nachstellelement umfasst.
Brennstoffzelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachstellvorrichtung (42, 46, 48, 50; 68, 76, 84) ein hydraulisch aktivierbares Spannelement umfasst.
Verfahren zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus (12) einer Brennstoffzelle (10) mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Aktivierung einer Nachstellvorrichtung (42, 46, 48, 50; 68, 76, 84) mit mindestens einem chemisch oder thermisch aktivierbaren Spannelement oder mit einem durch ein Druckmedium hydraulisch beaufschlagbaren Druckraum (46) oberhalb oder unterhalb eines Stapelaufbaus (12), b) Erzeugen einer Relativbewegung (62) eines Druckplattenteils (42) in Richtung auf den Stapelaufbau (12), c) Verändern einer auf den Stapelaufbau (12) einwirkenden Spannkraft (78) durch eine Verschiebung des Druckplattenteils (42) um ΔL (70), welche Verschiebung größer ist als der Betrag von Setzbewegungen (80) innerhalb des Stapelaufbaus (12).
Verfahren zum Ausgleich des Setzverhaltens nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckmedium zur Beaufschlagung des Druckraumes 46 unter Betriebsdruck stehender Brennstoff, insbesondere gasförmiger Wasserstoff, oder an der Brennstoffzelle (10) anfallendes H₂O oder Kühlmedium aus an die Brennstoffzelle (10) angrenzenden Kühlkreisläufen eingesetzt wird.