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Die Erfindung betrifft ein System umfassend einen Brennstoffzellenstapel und eine Spannvorrichtung, wobei der Brennstoffzellenstapel eine erste Endplatte, eine zweite Endplatte, mindestens eine Bipolarplatte und mindestens eine Membran-Elektronenanordnung (MEA) umfasst und die Spannvorrichtung mindestens ein Spannelement umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Spannen des Systems.
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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
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Unter anderem sind Protonenaustauschmembran(Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
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Ferner sind Festoxidbrennstoffzellen, die auch als solid oxide fuel cells (SOFC) bezeichnet werden, bekannt. SOFC-Brennstoffzellen besitzen eine höhere Betriebstemperatur und Abgastemperatur als PEM-Brennstoffzellen und finden insbesondere im stationären Betrieb Anwendung.
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Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode.
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Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet:
O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
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Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
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Ein Brennstoffzellenstapel weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Brennstoffzellen miteinander verpressen und dem Brennstoffzellenstapel Stabilität verleihen. Die Endplatten dienen auch als Pluspol beziehungsweise Minuspol des Brennstoffzellenstapels zum Ableiten des Stroms.
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Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zu einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zusammengefasst sein, die auch als Membrane Electrode Assembly bezeichnet wird.
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Brennstoffzellenstapel weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Weiterhin weisen Bipolarplatten üblicherweise eine Oberflächenstruktur, beispielsweise kanalartige Strukturen, zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen auch zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Zusätzlich können die Bipolarplatten Strukturen zur Durchleitung eines Kühlmediums durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen.
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Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran.
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Ein Brennstoffzellenstapel umfasst typischerweise bis zu einigen Hundert einzelne Brennstoffzellen, die lagenweise als sogenannte Sandwiches aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen eine MEA sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf. Eine Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Anoden-Monopolar-Platte und eine Kathoden-Monopolar-Platte, die zusammengeführt werden und eine Biopolarplatte bilden.
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Größe und Dicke der Bipolarplatten beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels sowie die chemische Zusammensetzung der MEA können stark variieren. Die Art und Ausführung der Verspannung, Gasdruck, elektrischer Widerstand, Korrosion und Wasserabtransport stellen relevante Punkte bei der Herstellung von Brennstoffzellenstapeln und in Ihrem Betrieb dar.
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Beim Zusammenbau oder der Montage von Brennstoffzellen ist insbesondere das Konzept zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels und der einzelnen Zellen in dem Stapel miteinander von Bedeutung. Zum Verspannen können Pressen eingesetzt werden, was jedoch zu einem kostenintensiven und zeitintensiven Verfahren führt. Alternativ können mit einem Drehmomentschlüssel verschiedene Schrauben des Brennstoffzellenstapels nacheinander angezogen werden, wodurch jedoch eine Neigung der Endplatten zueinander entstehen kann, was zu einer ungleichmäßigen Druckverteilung im Brennstoffzellenstapel führt.
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DE 10 2018 210 165 A1 hat ein Spannsystem für einen Brennstoffzellenstapel zum Gegenstand, wobei eine erste Endplatte auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels und eine zweite auf einer gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels mit einer Mehrzahl von Spannelementen miteinander verspannt werden. Die Endplatten sind jeweils aus Teilendplatten zusammengesetzt und weisen abgerundete Kanten auf. Als Spannelemente werden insbesondere Spannbänder eingesetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein System umfassend einen Brennstoffzellenstapel und eine Spannvorrichtung vorgeschlagen, wobei der Brennstoffzellenstapel eine erste Endplatte, eine zweite Endplatte, mindestens eine Bipolarplatte und mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) umfasst und die Spannvorrichtung ein Gehäuse, mindestens ein Spannelement, mindestens ein erstes Befestigungsmittel und mindestens ein zweites Befestigungsmittel umfasst, wobei das Gehäuse eine offene Seite und eine geschlossene Seite aufweist, das mindestens eine Spannelement so in dem Gehäuse angeordnet ist, dass sich das mindestens eine Spannelement bis zu der offenen Seite oder über die offene Seite hinaus erstreckt, und die Spannvorrichtung so an der ersten Endplatte des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, dass die offene Seite des Gehäuses zu der ersten Endplatte zeigt, und wobei die erste Endplatte und das Gehäuse mit dem mindestens einen ersten Befestigungsmittel miteinander verbindbar sind und die zweite Endplatte und das Gehäuse mit dem mindestens einen zweiten Befestigungsmittel miteinander verbindbar sind.
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Ferner wird ein Verfahren zum Spannen des Systems vorgeschlagen, umfassend die folgenden Schritte:
- a. Fixieren des mindestens einen ersten Befestigungsmittels, so dass sich die erste Endplatte in einer ersten Position befindet und das mindestens eine Spannelement in dem Gehäuse zwischen der geschlossenen Seite und der ersten Endplatte des Brennstoffzellenstapels zusammengedrückt wird,
- b. Stapeln der mindestens einen Bipolarplatte und der mindestens einen MEA zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte,
- c. Fixieren des mindestens einen zweiten Befestigungsmittels und
- d. Lösen des mindestens einen ersten Befestigungsmittels, so dass sich das mindestens eine Spannelement ausdehnt und sich die erste Endplatte von der ersten Position in Richtung der zweiten Endplatte in eine zweite Position bewegt.
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Das System umfasst bevorzugt folgende Elemente, die weiter bevorzugt in angegebener Reihenfolge als Schichten angeordnet sind: zweite Endplatte, Stapel umfassend die mindestens eine Bipolarplatte und die mindestens eine MEA, erste Endplatte, ein erster Teil des mindestens einen Spannelements und das Gehäuse umfassend einen zweiten Teil des mindestens einen Spannelements. Die MEA umfasst insbesondere eine Polymerelektrolytmembran.
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Das mindestens eine Spannelement übt eine Spannkraft, insbesondere eine Druckkraft, auf die erste Endplatte aus, wobei die Spannkraft mittels des mindestens einen ersten Befestigungsmittels eingestellt werden kann. Das mindestens eine Spannelement wird bevorzugt mit einem Drehmoment in einem Bereich von 2 Nm bis 3 Nm, zum Beispiel 2,5 Nm, angezogen.
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Das mindestens eine erste Befestigungsmittel erstreckt sich bevorzugt mindestens von der ersten Endplatte bis zu dem Gehäuse, insbesondere bis mindestens zu der geschlossenen Seite des Gehäuses. Das mindestens eine zweite Befestigungsmittel erstreckt sich bevorzugt mindestens von der zweiten Endplatte bis zu dem Gehäuse, insbesondere mindestens bis zu der geschlossenen Seite des Gehäuses.
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Insbesondere sind die erste Endplatte und das Gehäuse mit dem mindestens einen ersten Befestigungsmittel miteinander verbunden und die zweite Endplatte und das Gehäuse sind insbesondere mit dem mindestens einen zweiten Befestigungsmittel miteinander verbunden. Das mindestens eine erste Befestigungsmittel kann mit der ersten Endplatte fest und/oder starr verbunden sein.
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Das mindestens eine erste Befestigungsmittel und/oder das mindestens eine zweite Befestigungsmittel sind bevorzugt jeweils Schrauben. Das mindestens eine erste Befestigungsmittel kann auch als Fixierschraube und das mindestens eine zweite Befestigungsmittel kann auch als Halteschraube bezeichnet werden.
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Bevorzugt umfasst die Spannvorrichtung genau ein erstes Befestigungsmittel, weiterhin umfasst die Spannvorrichtung mindestens zwei zweite Befestigungsmittel, mehr bevorzugt 2 bis 20 zweite Befestigungsmittel, weiter bevorzugt 5 bis 10 zweite Befestigungsmittel.
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Das mindestens eine erste Befestigungsmittel und/oder das mindestens eine zweite Befestigungsmittel weisen bevorzugt jeweils ein Verschlusselement, insbesondere eine erste Mutter auf. Das Verschlusselement befindet sich bevorzugt außerhalb des Gehäuses, weiter bevorzugt an einer Außenseite der geschlossenen Seite des Gehäuses.
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Das mindestens eine zweite Befestigungsmittel kann jeweils ein zweites Verschlusselement, insbesondere eine zweite Mutter aufweisen, welches sich bevorzugt an einer Außenseite der zweiten Endplatte befindet.
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Insbesondere ist mittels des mindestens einen ersten Befestigungsmittels ein erster Abstand zwischen der ersten Endplatte und dem Gehäuse einstellbar. Weiterhin ist bevorzugt mittels des mindestens einen zweiten Befestigungsmittels ein zweiter Abstand zwischen der zweiten Endplatte und dem Gehäuse einstellbar. Der erste Abstand und/oder der zweite Abstand sind insbesondere bezogen auf die geschlossene Seite des Gehäuses. Bevorzugt liegt in der ersten Position die erste Endplatte an dem Gehäuse an, so dass der erste Abstand 0 beträgt.
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Durch die Differenz des ersten Abstands in der ersten Position zu der zweiten Position der ersten Endplatte kann die Größe der Spannkraft, die von dem mindestens einen Spannelement auf den zusammengebauten Brennstoffzellenstapel wirkt, eingestellt werden.
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Die geschlossene Seite kann Öffnungen, die auch als Löcher bezeichnet werden können, zur Durchführung des mindestens einen ersten Befestigungsmittels und/oder des mindestens einen zweiten Befestigungsmittels aufweisen.
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Die geschlossene Seite ist bevorzugt gegenüberliegend zu der offenen Seite des Gehäuses angeordnet. Neben dieser geschlossenen Seite kann das Gehäuse weitere geschlossene Seiten aufweisen, so dass das Gehäuse bevorzugt insgesamt mindestens eine geschlossene Seite, zum Beispiel fünf geschlossene Seiten, aufweist.
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Das Gehäuse weist bevorzugt im Wesentlichen die gleichen Dimensionen bezüglich einer Länge und einer Breite wie die erste Endplatte auf. Im Wesentlichen gleich bedeutet, dass die Dimensionen um weniger als 50%, bevorzugt weniger als 30% und mehr bevorzugt weniger als 10% bezüglich einer Gesamtlänge beziehungsweise Gesamtbreite der ersten Endplatte abweichen.
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Bevorzugt ist das mindestens eine Spannelement eine Feder. Das mindestens eine Spannelement ist bevorzugt mit dem Gehäuse verbunden, mehr bevorzugt fest oder starr verbunden.
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Bevorzugt umfasst die Spannvorrichtung mindestens zwei Spannelemente. Mehr bevorzugt umfasst die Spannvorrichtung 2 bis 20, insbesondere 5 bis 10 Spannelemente. Die mindestens zwei Spannelemente können symmetrisch, zum Beispiel in zwei Reihen, in dem Gehäuse angeordnet sein.
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Bevorzugt ist die Spannkraft aller Spannelemente gleich. Weiter bevorzugt ist eine Länge aller Spannelemente gleich. Dies ist dahingehend zu verstehen, dass die Spannkraft jedes Spannelements nicht mehr als 20%, bevorzugt nicht mehr als 10% von einer Spannkraft eines anderen Spannelements abweicht.
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Ferner ist das mindestens eine Spannelement bevorzugt in einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet, so dass die Spannkraft im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels wirkt. Unter im Wesentlichen parallel wird verstanden, dass eine Richtung der Spannkraft und die Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels einen Winkel von weniger als 30°, weiter bevorzugt weniger als 10° und besonders bevorzugt weniger als 5°, einschließen.
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Weiterhin, sind das mindestens eine erste Befestigungsmittel und/oder das mindestens eine zweite Befestigungsmittel bevorzugt in der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet, so dass das mindestens eine erste Befestigungsmittel und/oder das mindestens eine zweite Befestigungsmittel im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels verlaufen.
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Wenn genau ein erstes Befestigungsmittel vorliegt, ist das eine erste Befestigungsmittel bevorzugt zentral in dem Gehäuse angeordnet. Die mindestens zwei zweiten Befestigungsmittel sind bevorzugt symmetrisch, zum Beispiel in zwei Reihen in dem Gehäuse angeordnet. Bevorzugt ist ein zweites Befestigungselement jeweils zwischen zwei Spannelementen angeordnet.
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Das Gehäuse wird bevorzugt durch eine Wanne, insbesondere eine Metallwanne, gebildet. Bevorzugt weist das Gehäuse eine Höhe auf, die nicht höher ist als eine Länge des mindestens einen Spannelements in einem komprimierten Zustand. Weiterhin beträgt die Höhe des Gehäuses bevorzugt nicht weniger als 50 % der Länge des mindestens einen Spannelements in dem komprimierten Zustand. Der komprimierte Zustand des mindestens einen Spannelements liegt insbesondere in der ersten Position der ersten Endplatte vor.
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In der zweiten Position der ersten Endplatte liegt das mindestens eine Spannelement bevorzugt in einem expandierten oder ausgedehnten Zustand vor, bei dem jedoch weiterhin die Spannkraft von dem mindestens einen Spannelement auf die erste Endplatte ausgeübt wird. Durch das Lösen des mindestens einen ersten Befestigungsmittels, insbesondere des ersten Verschlusselements, dehnen sich die Spannelemente aus und die Spannkraft wirkt auf den Brennstoffzellenstapel, insbesondere auf die mindestens eine Bipolarplatte und die mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung.
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Das fixierte mindestens eine erste Befestigungsmittel wirkt insbesondere der Spannkraft des mindestens einen Spannelements zwischen der ersten Endplatte und dem Gehäuse entgegen. Das mindestens eine zweite Befestigungsmittel wirkt insbesondere der Spannkraft des mindestens einen Spannelements zwischen der zweiten Endplatte und dem Gehäuse entgegen.
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Vorteile der Erfindung
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Durch das erfindungsgemäße System beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren wird eine gleichmäßige Druckverteilung im Brennstoffzellenstapel erzielt, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt.
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Die Montage des Brennstoffzellenstapels wird beschleunigt und vereinfacht, wobei auf zusätzliche Maschinen wie Pressen verzichtet werden kann.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik,
- 2 eine Draufsicht auf eine Spannvorrichtung,
- 3 eine Seitenansicht der Spannvorrichtung und
- 4 ein System umfassend einen Brennstoffzellenstapel und die Spannvorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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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.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 3 mit mehreren Brennstoffzellen 49 und einer Stapelrichtung 38. Jede Brennstoffzelle 49 weist eine Membran 35, zwei Gasdiffusionslagen 37, eine Anode 39 und eine Kathode 41 auf. Die einzelnen Brennstoffzellen 49 sind durch Bipolarplatten 27, die eine Kühlplatte 43 umfassen können, voneinander abgegrenzt. Der Brennstoffzellenstapel 3, dem Wasserstoff und Sauerstoff sowie ein Kühlmedium zugeführt werden, wird durch zwei Endplatten 45 abgeschlossen und weist Stromsammler 47 auf.
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2 zeigt eine Draufsicht auf Teile einer Spannvorrichtung 5. Die hier dargestellte Spannvorrichtung 5 umfasst ein Gehäuse 13 und acht Spannelemente 15 in Form von Federn. Die acht Spannelemente 15 sind in zwei Reihen angeordnet. Das Gehäuse 13 weist eine offene Seite 21, durch die in dieser Darstellung die Spannelemente 15 sichtbar sind, sowie eine gegenüberliegende geschlossene Seite 23 auf. Neben der geschlossenen Seite 23 weist das hier dargestellte Gehäuse 13 vier weitere geschlossene Seiten 29 auf. Die geschlossene Seite 23 weist eine erste Öffnung 31 zur Durchführung eines ersten Befestigungsmittels 17 und acht zweite Öffnungen 33 zur Durchführung jeweils eines zweiten Befestigungsmittels 19 auf.
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3 zeigt eine Seitenansicht der Spannvorrichtung 5 gemäß 2, die in 3 durch ein erstes Befestigungsmittel 17 in Form einer Schraube, die eine Mutter als ein erstes Verschlusselement 50 aufweist, und eine erste Endplatte 7 zum Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 3 ergänzt wurde.
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Die Spannelemente 15 erstrecken sich von der geschlossenen Seite 23 des Gehäuses 13 über die offene Seite 21 hinaus bis zu der ersten Endplatte 7. Durch das erste Befestigungsmittel 17 können die Spannelemente 15 zwischen der ersten Endplatte 7 und der geschlossenen Seite 23 des Gehäuses 13 zusammengedrückt werden. Eine Spannkraft 25 der Spannelemente 15 wirkt in Richtung auf die erste Endplatte 7 und orthogonal zu der ersten Endplatte 7.
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4 zeigt ein System 1, das die Spannvorrichtung 5 und einen Brennstoffzellenstapel 3 umfasst. Die in 3 gezeigte Spannvorrichtung 5 wurde gemäß 4 um einen Stapelaufbau, umfassend eine Mehrzahl von Bipolarplatten 27 und eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen 11, eine zweite Endplatte 9 sowie acht zweite Befestigungsmittel 19, die jeweils eine Mutter als ein zweites Verschlusselement 52 aufweisen und von denen vier in 4 dargestellt sind, ergänzt.
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Die Spannelemente 15, das erste Befestigungsmittel 17 und die zweiten Befestigungsmittel 19 sind jeweils parallel zueinander und zu einer Stapelrichtung 38 des Brennstoffzellenstapels 3 ausgerichtet. Die Spannkraft 25 wirkt parallel zu der Stapelrichtung 38 des Brennstoffzellenstapels 3.
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Das Gehäuse 13 und die erste Endplatte 7 sind in einem ersten Abstand 54 zueinander angeordnet. Der erste Abstand 54, und damit die Spannkraft 25, kann durch die Position des ersten Verschlusselements 50 an dem ersten Befestigungsmittel 17 eingestellt werden. Alle Spannelemente 15 weisen eine gleiche Länge und eine gleiche Spannkraft 25 auf.
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Zum Spannen des Systems 1 wird zunächst das erste Befestigungsmittel 17 so fixiert, also das erste Verschlusselement 50 so angeordnet, dass sich die erste Endplatte 7 in einer ersten Position befindet, wobei die Spannelemente 15 in dem Gehäuse 13 zwischen der geschlossenen Seite 23 und der ersten Endplatte 7 zusammengedrückt werden. In der hier nicht dargestellten ersten Position liegt die erste Endplatte 7 auf der offenen Seite 21 des Gehäuses 13 an und die Spannelemente 15 sind vollständig von den weiteren geschlossenen Seiten 29 umgeben.
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Dann wird der Brennstoffzellenstapel 3 auf der ersten Endplatte 7 aufgebaut, indem die Bipolarplatten 27 und die Membran-Elektroden-Anordnungen 11 auf der ersten Endplatte 7 gestapelt und mit der zweiten Endplatte 9 belegt werden.
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Danach werden die zweiten Befestigungsmittel 19 fixiert und das erste Befestigungsmittel 17 gelöst, so dass sich die erste Endplatte 7 von der ersten Position in Richtung der zweiten Endplatte 9 in eine hier dargestellte zweite Position bewegt. Dabei dehnen sich die Spannelemente 15 aus und die Spannkraft 25 wirkt auf den Brennstoffzellenstapel 3, insbesondere auf die Bipolarplatten 27 und die Membran-Elektroden-Anordnungen 11. In der zweiten Position sind die Spannelemente 15 nur noch teilweise von den weiteren geschlossenen Seiten 29 des Gehäuses 13 umgeben.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018210165 A1 [0015]
