DE102020211601A1

DE102020211601A1 - Stapelanordnung, die aus mehreren übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen gebildet ist sowie ein Verfahren zu ihrer Montage

Info

Publication number: DE102020211601A1
Application number: DE102020211601.6A
Authority: DE
Inventors: Steffen Paatz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2022-03-17
Also published as: WO2022058272A1

Abstract

Stapelanordnung, die mit mehreren übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen gebildet ist, die jeweils mit einer Membran-Elektrodeneinheit zwischen Bipolarplatten gebildet sind. Auf einer nach außen weisenden Oberfläche einer der Endplatten (1) oder einer zwischen den gestapelten elektrochemischen Zellen und dieser Endplatte (1) angeordneten elektrisch isolierenden Platte sind mehrere erste jeweils gleiche parabelförmige Blattfedern (2) so angeordnet und fixiert, dass sich ihr zentraler Mittenbereich an der Oberfläche der Endplatte (1) oder der elektrisch isolierenden Platte abstützt. An den stirnseitigen Enden der ersten Blattfedern (2) ist jeweils ein Spannband (3) gelenkig mit einer jeweiligen ersten Blattfeder (2) verbunden, das seitlich neben den übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen bis zur gegenüberliegend angeordneten Endplatte (1) oder einer sich dort spiegelsymmetrisch angeordneten weiteren Blattfeder (2) geführt ist und dort ebenfalls gelenkig mit dieser Endplatte (1) oder der weiteren Blattfeder (2) verbunden ist. Die ersten Blattfedern und die weiteren Blattfedern (2) und alle Spannbänder (3) sind jeweils gleich ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stapelanordnung, die mit mehreren übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen gebildet ist sowie ein Verfahren zu ihrer Montage.
Das zu lösende technische Problem betrifft die Verspannung der übereinander angeordneten und gestapelten elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen-Stapel („Stacks“). Diese Stapel werden aus Einzellagen von Bipolar-Platten, Dichtungen sowie den Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) aufgebaut, was in der Summe der Einzelteile zu erheblichen Fertigungstoleranzen führen kann. Die Stapel müssen während des Betriebes mechanisch stabil und vor allem gasdicht sein sowie gleichbleibend niedrige elektrische Übergangswiderstände aufweisen.
Dazu werden die gestapelten elektrochemischen Zellen durch unterschiedliche Systeme verspannt. Man unterscheidet aktuell Zuganker- und Spannband-Systeme. In jedem Fall werden die Spannkräfte über die außen angeordneten Endplatten in die Stacks eingeleitet, indem die Endplatten zusammengezogen bzw. zusammengedrückt werden.
Die Verspannungen sollen über die Lebensdauer der elektrochemischen Zellen eine möglichst gleichbleibende Verpressung sowohl der MEA als auch der Dichtungen gewährleisten.
Besonders beansprucht werden die Verspannungen durch die thermische Ausdehnung (-20°C...+80°C), Setzvorgänge im Stapel sowie durch die auf mobil eingesetzte Zellensysteme einwirkenden dynamischen Belastungen.
Zur ökonomisch sinnvollen Herstellung der elektrochemischen Zellen in Großserie sind automatisierte und rückverfolgbare Fertigungs- und Montageprozesse unabdingbar.
Bisher werden die übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen mit einer Pressvorrichtung zwischen den Endplatten definiert zusammengedrückt und die Verspannungen werden montiert. Dabei werden die Zuganker oder Spannbänder in die entsprechenden Aufnahmen eingesetzt und mittels Gewindespindeln oder -Muttern ggf. drehmomentgesteuert gespannt. Die resultierende Spannkraft ist somit abhängig von der Vorspannung der Spannelemente und den Anzugsmomenten der Spanngewinde, die deshalb iterativ ermittelt werden müssen.
Im Gegensatz zum Aufstapeln der elektrochemischen Zellen erfolgt das Einsetzen und Verspannen größtenteils manuell, lediglich teilweise werden mechanische Hilfsmittel (z.B. Schrauber) verwendet.
Das Verspannen der Stapel ist deshalb zeit- und arbeitsaufwendig sowie fehleranfällig (das Drehmoment wird durch Reibung beeinflusst, eine wiederholgenaue, gleichmäßige und symmetrische Verspannung ist nur eingeschränkt möglich). Beides erschwert die kostengünstige und trotzdem hochqualitative Großserienfertigung der Stapel. Die an den einzelnen Spannelementen eines Stapels wirkenden Zugkräfte können unterschiedlich groß sein, was bis zur Beschädigung einzelner oder auch aller elektrochemischen Zellen führen kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine vereinfachte, automatisierbare und reproduzierbare Montage von übereinander angeordneten und verspannten elektrochemischen Zellen eines Stapels anzugeben, wobei gesichert sein soll, dass die an einem Stapel mittels Spannelementen wirkenden Spannkräfte alle zumindest nahezu gleich groß sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Stapelanordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 8 betrifft ein Verfahren zu dessen Montage. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in den abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei der Erfindung können alle elektrochemischen Zellen mit ihren Bipolarplatten und anderen erforderlichen Elementen eingesetzt werden, die entlang der Außenkanten ebene, planare Flächen aufweisen und die man somit übereinander stapeln kann.
Bei der Erfindung wird die Stapelanordnung mit übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen, die jeweils aus einer Membran-Elektrodeneinheit (MEA) zwischen Bipolarplatten, sowie jeweils einer an der Ober- und Unterseite des Stapels angeordneten Endplatte gebildet. Auf einer nach außen weisenden Oberfläche einer der Endplatten oder einer zwischen den gestapelten elektrochemischen Zellen und dieser Endplatte angeordneten elektrisch isolierenden Platte sind mehrere erste jeweils gleiche parabelförmige Blattfedern so angeordnet und fixiert, dass sich ihr zentraler Mittenbereich an der Oberfläche der Endplatte oder der elektrisch isolierenden Platte abstützt. Die stirnseitigen Enden der Blattfedern sind in einem Abstand zur Oberfläche der Endplatte oder der elektrisch isolierenden Platte und einen äußeren Rand der Endplatte so angeordnet, dass sie die gestapelten elektrochemischen Zellen am äußeren Rand überragen.
An den stirnseitigen Enden der ersten Blattfedern ist jeweils ein Spannband gelenkig mit einer der jeweiligen ersten Blattfedern verbunden, das seitlich neben den übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen bis zur gegenüberliegend angeordneten Endplatte oder einer sich dort spiegelsymmetrisch angeordneten weiteren Blattfeder geführt und dort ebenfalls gelenkig mit dieser Endplatte oder der weiteren Blattfeder verbunden wird. Die weiteren Blattfedern und die ersten Blattfedern und alle Spannbänder sind jeweils gleich ausgebildet. Dies betrifft insbesondere die Werkstoffe, die geometrische Gestalt und die Dimensionierung. Bei den Blattfedern betrifft dies ggf. auch den Aufbau mit der Anzahl einzelner Federlagen. Außerdem sollten alle Blattfedern eine gleiche Federkennlinie aufweisen.
Die ersten, die weiteren Blattfedern und die Spannbänder sollten entlang einer Achse, die senkrecht zur Länge oder Breite des Stapels und zur Längsachse der ersten und weiteren Blattfedern ausgerichtet ist, äquidistant zueinander angeordnet sein.
Vorteilhaft sollten zumindest die ersten Blattfedern kraft- und formschlüssig mit dem jeweiligen Spannband verbunden sein. Dazu können die äußeren Stirnseiten der Spannbänder T-förmig ausgebildet und die nach außen ragenden Schenkel in Vertiefungen, die im äußeren Stirnrandbereich einer jeweiligen Blattfeder, der Endplatte oder der elektrisch isolierenden Platte eingesetzt sein. Der Bereich der Spannbänder, der zwischen den nach außen ragenden Schenkeln angeordnet ist, kann dabei in eine an der äußeren Stirnseite der jeweiligen Blattfeder, Endplatte oder elektrisch isolierenden Platte ausgebildete schlitzförmige Aussparung eingeführt sein.
Vorteilhaft können alle Blattfedern eine lineare oder bevorzugt eine degressive Federkennlinie aufweisen. Bei einer degressiven Federkennlinie fällt durch die Längenänderung resultierende Kraftänderung im Verhältnis zur Vorspannkraft wesentlich geringer aus als bei einer linearen Kennlinie.
Die Blattfedern können so geometrisch gestaltet, dimensioniert und aus einem Werkstoff gebildet sein und die Länge der Spannbänder zwischen gelenkigen Verbindungspunkten so gewählt sein, dass eine Druckkraft auf die übereinander angeordneten elektrischen Zellen von mindestens 10 kN, bevorzugt von mindestens 30 kN und/oder ein Druck an den übereinander angeordneten elektrischen Zellen von mindestens 0,5 MPa, so dass eine Flächenpressung von mindestens 0,5 MPa wirkt.
Die Erfindung ermöglicht eine automatisierte Montage und Verspannung von Stapeln elektrochemischer Zellen.
Über die Blattfedern können die im Betrieb auftretenden Stapelhöhenänderungen bei marginaler und deshalb tolerierbarer Änderung der Spannkraft ausgeglichen werden.
Bei der Montage einer Stapelanordnung kann so vorgegangen werden, dass bei einem erstmaligen Verpressen durch Krafteinwirkung auf die auf einer Deckplatte oder einer elektrisch isolierenden Platte angeordneten Blattfedern, die die im Betrieb erforderliche Vorspannung bestimmenden Längen der einzelnen Spannbänder ermittelt werden. Die Spannbänder werden auf die erforderlichen Längen angepaßt und zur Montage bereitgestellt, können aber auch aus einem Sortiment von in verschiedenen Längen vorgefertigten Bauteilen entnommen werden. Dann werden die Spannbänder montiert und mit den Blattfedern und/oder der jeweiligen Deckplatte oder der jeweiligen elektrisch isolierenden Platte gelenkig verbunden.
Die genaue Einstellung der Länge der Spannbänder vor der Montage an den Stapel kann durch die Anpassung der Geometrie eines oder mehrerer Teilkomponenten der Spannbänder erreicht werden. Dazu können die Spannbänder z.B. auf das genaue Maß abgelängt werden.
Zur Montage können die elektrochemischen Zellen mit den Bipolarplatten mit Endplatten und Blattfedern in eine Setzpresse eingesetzt und dort mit einer definierten Kraft verspannt werden („Setzen“). Diese Setzkraft kann durch einzeln angesteuerte und auf jede Blattfeder separat wirkende Stößel aufgebacht werden. Durch diese Stößel kann jede Blattfeder kraftgeregelt belastet und der Verfahrweg der Stößel protokolliert werden. Nach dem Setzvorgang kann in einer Maschinensteuerung die für die Betriebsverspannung erforderliche Länge der einzelnen Spannbänder durch Abgleich mit einer in der Steuerung oder extern hinterlegten Parametertabelle ermittelt werden. Die Spannbänder können automatisiert zugeführt, vereinzelt und auf genaue Länge dimensioniert oder in den üblichen Längen vorgefertigt und sortiert aus einem Magazin zugeführt werden.
Danach können die Spannbänder ggf. mit automatisch zugeführten Endelementen, z.B. Spannstücken komplettiert und mittels einer Montageeinheit an den Stapel angesetzt werden. Gegebenenfalls können die Spannbänder mit einer Prüflast beaufschlagt oder/und vorgereckt werden.
Die zu verspannenden Blattfedern sollten nun soweit zusammengedrückt werden, dass die Spannbänder einzeln oder im Satz montiert werden können. Anschließend können die mit Spannbändern verbundenen Blattfedern entlastet werden.
Nachdem alle Spannbänder montiert sind, kann durch eine Kontrolle der Spannung der einzelnen Spannbänder die erfolgreiche Montage geprüft werden.
Der wichtigste Vorteil der Erfindung ist die mögliche großserienfähige automatisierte Montage. Außerdem können die Spannkräfte an den einzelnen Spannstellen direkt und ohne Verfälschung gemessen und für die Prozesskontrolle gespeichert werden. Ebenfalls ist die Nachverfolgung der Montagequalität durch die Zuordnung der Montageparameter zum montierten Stapel eineindeutig möglich, indem die Prozessdaten in einem EDV-System mit der Identitäts-Nummer des Stapels verknüpft werden können. Gegebenenfalls können die Spannbänder extern in den üblicherweise erforderlichen Längen vorgefertigt werden, wodurch die zur Verspannung erforderliche Zeit bei Bedarf wesentlich reduziert werden kann.
Die Erfindung kann in allen Bereichen eingesetzt werden, wo eine größere Anzahl verschiedener Bauteillagen nach dem Aufstapeln automatisiert verspannt werden müssen, also vorzugsweise in automatisierten Serien- und Großserienprozessen. Vorzugsweise soll die Erfindung bei der automatisierten Serienfertigung von Brennstoffzellenstacks genutzt werden, da diese in den kommenden Jahren für den ökologisch verträglichen Umbau der Volkswirtschaften vieler Länder in großer Stückzahl benötigt werden dürften.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:

1 eine Seitenansicht eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Stapelanordnung;
2 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A aus 1 und
3 eine perspektivische Darstellung des in 1 gezeigten Beispiels.

Bei dem gezeigten Beispiel wurde auf eine Darstellung einer elektrisch isolierenden Platte verzichtet. Diese wäre jeweils zwischen den nach außen weisend angeordneten elektrochemischen Zellen und der dort angeordneten Endplatte 1 angeordnet.
Der Stapel 4, dem mit mehreren übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen gebildet ist, ist stark schematisiert dargestellt, da sich der Stapel 4 als solcher nicht von herkömmlichen Stapeln unterscheidet.
Bei dem gezeigten Beispiel sind erste Blattfedern 2 und weitere Blattfedern 2 an den nach außen weisenden Oberflächen der Endplatten 1, so angeordnet, wie man es am besten in 2 erkennen kann.
In den Endplatten 1 ist jeweils mittig an den Positionen, an denen eine Blattfeder 2 angeordnet wird, eine Vertiefung ausgebildet, in die eine komplementär an den Blattfedern 2 ausgebildete Erhebung zu einer definierten Positionierung der jeweiligen Blattfeder 2 eingeführt wird. Die Blattfedern 2 können so symmetrisch an den gegenüberliegenden Oberflächen des Stapels 4 angeordnet und zueinander ausgerichtet werden, wobei jeweils ein Paar, das mit einer ersten Blattfeder 2 und einer weiteren Blattfeder 2 gebildet ist, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, mit einem Paar von Spannbändern 3 an sich gegenüberliegend angeordneten Seiten des Stapels 4 verbunden werden kann. Bei dem gezeigten Beispiel sind dies jeweils vier Paare von Blattfedern 2 und Spannbädern 3.
Alle Blattfedern 2 sind jeweils gleich ausgebildet, was auch auf die Spannbänder 3 zutrifft.
Die stirnseitigen Enden der Blattfedern 2 weisen von der Oberfläche auf der sich die jeweilige Blattfeder 2 abstützt weg, so dass zwischen dieser Oberfläche ein Abstand eingehalten ist.
Wie man am Besten in den 2 und 3 erkennen kann, sind bei diesem Beispiel die Stirnseiten der Spannbänder 3 T-förmig ausgebildet. Der Steg zwischen den nach außen weisenden Schenkeln des Ts ist in eine schlitzförmige Aussparung, die an der nach außen weisenden Stirnseite der Blattfedern 2 ausbildet ist, eingeführt. Im Bereich der schlitzförmigen Aussparungen sind die Blattfedern 2 mit einer Vertiefung an der nach außen weisenden Oberfläche versehen, in die die Schenkel des Ts der T-förmig ausgebildeten stirnseitigen Enden der Spannbänder 3 eingesetzt werden. Dadurch können die Blattfedern 2 mit den Spannbändern 3 form- und kraftschlüssig sowie gelenkig miteinander verbunden werden.
In nicht dargestellter Form könnte man an einer Deckplatte 1 auf weitere Blattfedern 2 verzichten. Dann kann man die Spannbänder 3 an dieser Seite der Stapelanordnung mit der jeweiligen Deckplatte 1 gelenkig verbinden, was analog zur gezeigten Verbindung an weiteren Blattfedern 2 aber auch in anderer geeigneter Form möglich wäre. Die Verbindung müsste nur gelenkig sein und den jeweiligen mit den Spannbändern 3 übertragenen Zugkräften widerstehen können.

Claims

Stapelanordnung, die mit mehreren übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen gebildet ist, die jeweils mit einer Membran-Elektrodeneinheit zwischen Bipolarplatten gebildet sind, wobei jeweils an der Ober- und Unterseite eines mit den elektrochemischen Zellen und den Bipolarplatten gebildeten Stapels (4) eine Endplatte (1) angeordnet ist, und auf einer nach außen weisenden Oberfläche einer der Endplatten (1) oder einer zwischen den gestapelten elektrochemischen Zellen und dieser Endplatte (1) angeordneten elektrisch isolierenden Platte mehrere erste jeweils gleiche parabelförmige Blattfedern (2) so angeordnet und fixiert sind, dass sich ihr zentraler Mittenbereich an der Oberfläche der Endplatte (1) oder der elektrisch isolierenden Platte abstützt und die stirnseitigen Enden der Blattfedern (2) in einem Abstand zur Oberfläche der Endplatte (2) oder der elektrisch isolierenden Platte angeordnet sind und einen äußeren Rand der Endplatte (1) sowie die gestapelten elektrochemischen Zellen überragen, wobei an den stirnseitigen Enden der ersten Blattfedern (2) jeweils ein Spannband (3) gelenkig mit einer jeweiligen ersten Blattfeder (2) verbunden ist, das seitlich neben den übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen bis zur gegenüberliegend angeordneten Endplatte (1) oder einer sich dort spiegelsymmetrisch angeordneten weiteren Blattfeder (2) geführt ist und dort ebenfalls gelenkig mit dieser Endplatte (1) oder der weiteren Blattfeder (2) verbunden ist, wobei die ersten Blattfedern und die weiteren Blattfedern (2) und alle Spannbänder (3) jeweils gleich ausgebildet sind.
Stapelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten, die weiteren Blattfedern (2) und die Spannbänder (3) entlang einer Achse, die senkrecht zur Länge oder Breite des Stapels (4) und zur Längsachse der ersten und weiteren Blattfedern (2) ausgerichtet ist, äquidistant zueinander angeordnet sind.
Stapelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest die ersten Blattfedern (2) kraft- und formschlüssig mit dem jeweiligen Spannband verbunden sind.
Stapelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Blattfedern (2) eine lineare oder degressive Federkennlinie aufweisen.
Stapelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfedern (2) so geometrisch gestaltet, dimensioniert und aus einem Werkstoff gebildet sind und die Länge der Spannbänder (3) zwischen gelenkigen Verbindungspunkten so gewählt sind, dass eine Druckkraft auf die übereinander angeordneten elektrischen Zellen von mindestens 10 kN wirkt.
Stapelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfedern (2) so geometrisch gestaltet, dimensioniert und aus einem Werkstoff gebildet sind und die Länge der Spannbänder (3) zwischen gelenkigen Verbindungspunkten so gewählt sind, dass ein Druck an den übereinander angeordneten elektrischen Zellen von mindestens 0,5 MPa wirkt.
Stapelanordnung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Stirnseiten der Spannbänder (3) T-förmig ausgebildet und die nach außen ragenden Schenkel in Vertiefungen, die im äußeren Stirnrandbereich einer jeweiligen Blattfeder (2), der Endplatte (1) oder der elektrisch isolierenden Platte eingesetzt sind und der Bereich der Spannbänder (3), der zwischen den nach außen ragenden Schenkeln angeordnet ist, in eine an der äußeren Stirnseite der jeweiligen Blattfeder (2), Endplatte (1) oder elektrisch isolierenden Platte ausgebildete schlitzförmige Aussparung eingeführt ist.
Verfahren zur Montage einer Stapelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem erstmaligen Verpressen, der auf einer Deckplatte (1) oder einer elektrisch isolierenden Platte angeordneten Blattfedern (2), die die im Betrieb erforderliche Vorspannung bestimmenden Längen der einzelnen Spannbänder (3) ermittelt und im Anschluss daran die Spannbänder (3) mit den Blattfedern (2) und/oder der jeweiligen Deckplatte (1) oder der jeweiligen elektrisch isolierenden Platte gelenkig verbunden werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbänder (3) nach der Bestimmung der erforderlichen Längen aus dazu geeigneten Einzelteilen zusammengesetzt und montiert werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die genaue Einstellung der Länge der Spannbänder (3) vor der Montage an den Stapel (4) durch die Anpassung der Geometrie eines oder mehrerer Teilkomponenten der Spannbänder (3) erreicht oder eine Auswahl aus einem Sortiment an Spannbändern (3) verschiedener Längen vorgenommen wird.