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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Verspannung eines Brennstoffzellenstapels und einem Brennstoffzellenstapel, mit welchem ein solches Verfahren durchführbar ist.
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Stand der Technik
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Bei Brennstoffzellensystemen wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle - in den Einzelzellen - mit Wasserstoff zu Wasser zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern.
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Aus der
US5789091 A ist ein als Brennstoffzellenstapel ausgebildeter Zellenstapel bekannt, bei welchem eine Vielzahl von Einzelzellen zwischen zwei Endplatten mittels Spannvorrichtungen verspannt sind.
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Bei den meisten Polymerbrennstoffzellen wird die Membran zwischen Gasdiffusionsschichten gepresst. Die Schichten leiten in Kombination mit einer leitenden Schicht den erzeugten elektrischen Strom außerhalb der Zelle. Fehler auf der Membran oder ein elektrischer Durchschlag bzw. ein Kurzschluss verringern den Wirkungsgrad des Stapels und erhöhen ungewollt die Temperatur des Geräts, was zur Zerstörung des Zellenstapels führen kann. Ein solcher elektrischer Durchschlag ist meistens beim Abschalten und späteren Anlauf der Brennstoffzelle zu beobachten. Solche Durchschläge verringern zusätzlich zu dem Wirkungsgrad auch die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, ein Verfahren zum Regeln einer Verspannung eines Brennstoffzellenstapel anzugeben, mit welchem dauerhaft ein höherer Wirkungsgrad und eine längere Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels erzielt wird. Zusätzlich soll ein Brennstoffzellenstapel zum Durchführen des Verfahrens angegeben werden.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren zum Regeln einer Verspannung eines Brennstoffzellenstapels mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie ein Brennstoffzellenstapel, mit welchem ein solches Verfahren durchführbar ist, angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagenen wird ein Verfahren zum Regeln einer Verspannung eines Brennstoffzellenstapels, wobei der Brennstoffzellenstapel mehrere Brennstoffzellen sowie wenigstens einen spannungsgesteuerten Stellaktor aufweist, welcher während des Betriebs auf den Zellenstapel und/oder auf eine Brennstoffzelle wirkt, wobei der spannungsgesteuerte Stellaktor über eine Steuereinheit in Abhängigkeit eines ermittelten Zustandswerts zur Änderungen einer Dicke angesteuert wird, so dass ein für die Betriebsart und Betriebszustand vorbestimmter mechanischer Spannungswert des Brennstoffzellenstapels eingestellt wird.
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Unter der Verspannung wird dabei der durch die Verspannkraft verursachte Druck verstanden, mit welchem die Brennstoffzellen aneinander gepresst werden. Obwohl die Verspannung während der Montage eingestellt wird, ist festgestellt worden, dass diese sich während eines Betriebs des Brennstoffzellenstapels ändert. Durch eine Ermittlung des Zustandswerts kann die aktuelle Verspannung während des Betriebs überwacht werden. Der Zustandswert ist dabei ein Wert, von welchem ein Wert für die Verspannung hergeleitet werden kann.
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Ausgehend von diesem Zustandswert wird ein spannungsgesteuerter Stellaktor mit einer Spannung angesteuert. Als spannungsgesteuerter Stellaktor wird dabei ein Bauteil verstanden, welches aufgrund einer angelegten Spannung eine Änderungen in der Dicke durchführt. Entsprechend kann dieser Stellaktor entweder in der Dicke verringert oder vergrößert werde. Vorzugsweise wird für einen solchen spannungsgesteuerten Stellaktor ein Dielektrischer Aktor verwendet, welcher als Stapelaktor ausgebildet sein kann. Alternativ kann auch ein Piezoaktor Anwendung finden.
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Der spannungsgesteuerte Stellaktor wirkt dabei auf den gesamten Zellenstapel, beziehungsweise außenseitig auf diesen. Ebenso kann der spannungsgesteuerte Stellaktor auf die einzelnen Brennstoffzellen wirken. In diesem Fall ist der Stellaktor in dem Zellenstapel angeordnet. Durch die Änderung der Dicke kann die Gesamtlänge des Zellenstapels geändert werden. Dadurch kann der mechanische Spannungswert geändert werden. Vorzugsweise wird der mechanische Spannungswert konstant gehalten.
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Ebenso ist ein für die Betriebsart und Betriebszustand vorbestimmter mechanischer Spannungswert einstellbar. Als Betriebsart wieder dabei die Art und Weise verstanden, wie und wo der Brennstoffzellenstapel eingesetzt wird. Der Betriebszustand beschreibt dabei eine von vielen im Betrieb auftretenden Phase, in der sich der Brennstoffzellenstapel gerade befindet. Dabei kann es sich um eine Kaltstartphase, eine Abschaltphase oder eine Hochleistungsphase handeln.
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Durch die ständige Überwachung und Nachstellung des mechanischen Spannungswertes können elektrischer Durchschläge wesentlich minimiert werden. Dadurch wird dauerhaft der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels verbessert. Durch die Ansteuerung der Aktoren wird versucht den Brennstoffzellenstapel in jedem Betriebszustand nahe am Arbeitspunkt zu betreiben. Ebenso werden die durch die elektrischen Durchschläge verursachten Ausfälle des Brennstoffzellenstapels erheblich reduziert, so dass die Lebensdauer eines solchen Brennstoffzellenstapels erhöht wird.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der Zustandswert durch eine Druckmessung in dem Brennstoffzellenstapel bestimmt. Dazu wird bevorzugt ein Drucksensor in dem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Über die Druckmessung kann direkt der mechanischen Spannungswert hergeleitet werde. Dadurch ist eine solche Ermittlung des Zustandswerts einfach durchführbar.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung wird der Zustandswert bestimmt, indem eine Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel ermittelt und anhand eines Algorithmus der Ansteuerwert der spannungsgesteuerten Stellaktoren bestimmt wird. Der Algorithmus ist dabei eine Berechnung, welche sich beispielsweise aus Temperatur abhängigen Ausdehnungswerten der einzelnen Materialien zusammensetzt. Dadurch kann in Abhängigkeit der Temperatur eine Gesamtausdehnung errechnet werden, aus der sich der daraus resultierende aktuelle mechanische Spannungswert ergibt. Aufgrund dieses Wertes wird der spannungsgesteuerte Stellaktuator angesteuert. Da zur Messung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels in der Regel ein Temperatursensor in oder an dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, ist kein zusätzlicher Sensor notwendig. Natürlich kann auch anhand des Druck- und Temperaturwertes, also die beiden Parameter, eine Ansteuerung der Stellaktoren erfolgen.
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Vorzugsweise werden zum Einstellen des mechanischen Spannungswerts mehrere spannungsgesteuerte Stellaktoren in gleicher Weise oder individuell angesteuert. Bei einer Ansteuerung in gleicher Weise, erhalten alle Stellaktoren die gleiche Spannung, so dass diese dieselbe Dickenänderung aufweisen. Im Gegensatz dazu ist es bei einer individuellen Ansteuerung möglich, jeden Stellaktor mit einer anderen Spannung zu beaufschlagen. Dadurch ist es möglich, den mechanischen Spannungswert noch exakter einzustellen. Die Einstellbarkeit des mechanischen Spannungswerts in jeder Brennstoffzelle ist dadurch exakter möglich.
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Vorteilhafterweise kann bedarfsabhängig sowohl die parallele, als auch die individuelle Einstellmöglichkeit gewählt werden. Dies ermöglicht ein großes Spektrum an Einstellungen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung werden mehrere spannungsgesteuerte Stellaktoren frequenzgesteuert betrieben. Bei einer frequenzgesteuerten Ansteuerung, wird frequenzabhängig die an den Stellaktoren anliegende Spannung geändert. Die Frequenz der einzelnen Stellaktoren kann dabei phasenversetzt zueinander sein. Durch eine solche frequenzgesteuerte Ansteuerung wird die Weiterbeförderung der Brennstoffzellenmedien unterstützt, so dass alle Bereiche der Membran besser durchströmt werden können und die Pumpleistung einer Pumpe zumindest reduziert werden kann.
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Ferner wird ein Brennstoffzellenstapel angegeben, mit welchem das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. Der Brennstoffzellenstapel umfasst mehrere zu einem Zellenstapel gestapelte Brennstoffzellen, wobei der Zellenstapel zwischen zwei Endplatten verspannt ist und wenigstens einen spannungsgesteuerten Stellaktor aufweist, der auf den Zellenstapel und/oder die Brennstoffzelle wirkt. Mit einem solchen Brennstoffzellenstapel werden die zum dem Verfahren genannten Vorteile erzielt, so dass ebenfalls der Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels verbessert werden.
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Vorteilhafterweise ist ein Temperatur- und/oder Drucksensor in dem Brennstoffzellenstapel angeordnet. Mit solchen Sensoren kann direkt oder indirekt der mechanische Spannungswert ermittelt werden. Zusätzlich kann die Brennstoffzelle über solche Sensoren hinsichtlich weiterer Funktionsparameter überwacht werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der spannungsgesteuerte Stellaktor ein Dielektrischer Aktor. Ein Dielektrischer Aktor ist ein Aktor, welcher sich bei eine anliegenden Spannung ausdehnt oder zusammenzieht. Dadurch kann die mechanische Spannung durch eine Längenänderung des Dielektrischen Aktors einfach und genau, durch die Höhe der anliegenden Spannung, regulieren. Vorzugsweise ist der Aktor aus einem Elastomer ausgebildet. Der Dielektrische Aktor ist dabei vorteilhafterweise als Stapelaktor ausgebildet. Bei einem solchen Stapelaktor sind mehrere einzelne Dielektrische Aktoren übereinander gestapelt, so dass sich die Ausdehnungen addieren. Der Einsatz anderer Aktorformen, wie Rollaktoren, ist ebenfalls möglich, wobei die Mechanismen der Kraftübertragung angepasst werden müssen. Alternativ können auch Piezoaktoren als spannungsgesteuerte Stellaktoren zum Einsatz kommen. Auch diese werden bevorzugt als Stapelaktoren verwendet.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung sind die spannungsgesteuerten Stellaktoren als Dichtungen in den Brennstoffzellen ausgebildet sind. Bei einer Verwendung der Stellaktoren als Dichtungen wird kein zusätzlicher Bauraum benötigt, um die Stellaktoren vorzusehen. Dadurch kann der Bauraum im Vergleich zu konventionellen Brennstoffzellenstapeln gleich bleiben. Zusätzlich kann durch eine solche Anordnung direkt auf die einzelnen Brennstoffzellen eingewirkt werden, so dass insbesondere dort, wo der Durchschlag stattfindet die Abstände verkleinert oder vergrößert werden können. Dabei ersetzen die Stellaktoren die üblichen Dichtungen der Zellen.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung wirken die spannungsgesteuerten Stellaktoren auf wenigstens eine axiale Außenseite des Zellenstapels. Dadurch kann der Zellenstapel unverändert gelassen werden. Ebenso ist es somit möglich, dass ein solches System nachgerüstet wird. Die an den Außenseiten angeordneten Stellaktoren wirken dadurch auf den gesamten Zellenstapel in gleicher Weise, so dass eine gleichmäßige mechanische Spannungsverteilung in dem Betrieb vorliegt.
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Vorteilhafterweise sind die spannungsgesteuerten Stellaktoren als Dichtungen in den Brennstoffzellen unabhängig von den Stellaktoren für den Brennstoffzellenstapel ansteuerbar. Eine solche Anordnung erhöht die Einstellmöglichkeiten für den Brennstoffzellenstapel und die Brennstoffzellen. Dadurch können zudem die Vorteile beider Anordnungen kombiniert werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 Brennstoffzelle für einen Brennstoffzellenstapel zum Durchführen des Verfahrens nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 Brennstoffzellenstapel zum Durchführen des Verfahrens nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 3 Brennstoffzellenstapel zum Durchführen des Verfahrens nach einem dritten Ausführungsbeispiel, und
- 4 Verfahren zum Regeln einer Verspannung eines Brennstoffzellenstapels.
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In 1 ist eine Brennstoffzelle 2 für einen Brennstoffzellenstapel 4 (siehe 2) zum Durchführen des Verfahrens nach einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. In der Brennstoffzelle 2 ist ein Gasket 8 angeordnet, in dessen Mitte eine Membranelektrodeneinheiten (MEA) 12 gehalten ist. An der MEA 12 liegt beidseitig eine Gasdiffusionsschicht 16 an. Die Brennstoffzelle 2 weist zusätzlich jeweils einen als Dichtung ausgebildeten Dielektrischen Aktor 20 auf, welcher randseitig auf beiden Seiten auf dem Gasket 8 aufliegt und die MEA 12 umrahmt.
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Der Dielektrische Aktor 20 ist elektrisch mit einer Steuereinheit 24 verbunden, über welche der Dielektrische Aktor 20 mit einer Spannung beaufschlagbar ist. Über die angesteuerte Spannung ist die Dicke des Dielektrischen Aktors 20 änderbar, so dass sich der Aktor 20 zusammenzieht oder ausdehnt.
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An jedem Dielektrischen Aktor 20 liegt an einer nach Außen weisenden Seite eine Bipolarplatte 28 an, welche eine Kanalstruktur aufweist, über welchen die Brennstoffzellenmedien leitbar sind. Außenseitig an den Bipolarplatten 28 liegen Endplatten 32 an, mit welchen die Brennstoffzelle 2 mit einer während der Montage vorgegebenen Kraft zusammen gepresst wird.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen der Bipolarplatte 28 ein Drucksensor 36 angeordnet, mit welchem ein aktueller mechanischer Spannungswert messbar ist und dieser Druck kann beim weiteren Zusammenbau der Zellen bzw. Stapel eingehalten werden. Dadurch kann gemessen werden, ob die vorgegebene Kraft bei der Montage der Brennstoffzelle 2 sich geändert hat. Dieser Drucksensor 36 ist ebenfalls mit der Steuereinheit 24 verbunden, so dass die Steuereinheit 24 anhand des ermittelten Verspannungswertes eine Spannung für den Dielektrischen Aktor 20 berechnen kann, mit welcher die Brennstoffzelle 2 im Betrieb überwacht und nahe am Arbeitspunkt betrieben werden kann.
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In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können auch mehrere derart aufgebaute Brennstoffzellen 2 zwischen den Endplatten 32 verpresst sein. Alle diese Brennstoffzellen 2 können die Dielektrischen Aktoren 20 aufweisen, mit welchen der mechanischen Spannungswert während des Betriebs nachjustierbar ist.
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2 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 4 zum Durchführen des Verfahrens nach einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel sind eine Vielzahl an Brennstoffzellen 2 zu einem Zellenstapel 38 übereinander gestapelt. Die Kraft wird dabei über zwei Endplatten 32 aufgebracht, welche mittels Schrauben 40 verbunden sind. An beiden Endplatten 32 liegt ein Dielektrischer Aktor 20 an, welche die Kraft über eine Verteilerplatte 44 auf den Zellenstapel 38 aufbringen. Durch eine Änderung der Dicke des Dielektrischen Aktors 20 kann dadurch der mechanische Spannungswert während des Betriebs geändert werden.
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Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist anstelle eines Drucksensor 36 ein Temperatursensor 48 in dem Zellenstapel 38 angeordnet, mit welchem die Temperatur in dem Zellenstapel 38 gemessen wird. Anhand dieser Temperatur berechnet die Steuereinheit 24 einen Spannungswert für die Dielektrischen Aktoren 20.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellenstapels 4 zum Durchführen des Verfahrens ist in 3 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich insoweit von dem in 2 gezeigten Beispiel, als hierbei lediglich auf einer einzigen Außenseite des Zellenstapels 38 die Dielektrischen Aktoren 20 angeordnet sind. Die Dielektrischen Aktoren 20 sind zusätzlich lediglich randseitig vorgesehen und zwischen einer Verteilerplatte 44 und einer Endplatte 32 angeordnet. Die Endplatten 32 sind über Schrauben 40 mit der auf einer gegenüberliegend Außenseite des Zellenstapels 38 angeordneten Endplatte 32 verbunden. Zusätzlich sind zwischen den Schrauben 40 und den Endplatten 40 Druckfedern 52 vorgesehen, welche auf den Zellenstapel 38 wirken.
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4 zeigt ein Verfahren zum Regeln einer Verspannung eines Brennstoffzellenstapels 4. In einem ersten Schritt A des Verfahrens wird ein Zustandswert des Brennstoffzellenstapels 4 bestimmt. Dieser Zustandswert kann beispielsweise über eine Temperaturmessung in dem Brennstoffzellenstapel 4 stattfinden. In einem nächsten Schritt B wird ausgehend von der aktuellen Betriebsart und dem Betriebszustand ein optimaler mechanischer Spannungswert ermittelt. Dieser kann beispielsweise in einer Datenbank (nicht gezeigt) zu dieser Betriebsart und dem Betriebszustand hinterlegt sein.
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Anschließend werden in einem nächsten Schritt C die Dielektrischen Aktoren 20 mit einer in der Datenbank hinterlegen Spannung angesteuert, so dass eine Dicke dieser sich ändert. Die Dielektrischen Aktoren 20 können in diesem Schritt auch individuell oder frequenzgesteuert eingestellt werden. Die entsprechende Ansteuerung ist ebenfalls in der Datenbank hinterlegt. Aufgrund diese Änderung der Dicke, wird der optimale mechanische Spannungswert während des Betriebs eingestellt, so dass die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 4 erhöht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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