DE102021004963A1

DE102021004963A1 - Vorrichtung zur Verspannung eines Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels

Info

Publication number: DE102021004963A1
Application number: DE102021004963.2A
Authority: DE
Inventors: Holger Janssen; Sebastian Holtwerth; Lukas Ritz; Martin Müller
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2021-10-02
Filing date: 2021-10-02
Publication date: 2023-04-06

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verspannung eines Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels, wobei der Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel wenigstens zwei Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen umfasst, sowie zwei Endplatten, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel aufweist zur Ausbildung einer unterschiedlichen Druckhöhe und/oder Druckverteilung für den Dichtbereich im Vergleich zu dem aktiven Zellbereich des Stapels.Ein Verfahren zur Verspannung des resultierenden erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels ist offenbart.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verspannung eines Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels.
Stand der Technik
Aus der DE 19749003 A1 ist eine Brennstoffzelle bekannt. Eine Brennstoffzelle weist eine Kathode, einen Elektrolyten sowie eine Anode auf. Der Kathode wird ein Oxidationsmittel, z.B. Luft und der Anode wird ein Brennstoff, z.B. Wasserstoff zugeführt.
Mehrere Brennstoffzellen werden in der Regel zur Erzielung großer elektrischer Leistungen durch verbindende Elemente elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Ein Beispiel für ein solches verbindendes Element stellt die aus DE 4410711 C1 bekannte bipolare Platte dar. Mittels bipolarer Platten entstehen übereinander gestapelte, elektrisch in Serie geschaltete Brennstoffzellen. Diese Anordnung wird Brennstoffzellenstapel genannt.
Eine bipolare Platte weist regelmäßig die Gasverteilerstrukturen auf, die unmittelbar an eine Elektrode einer Brennstoffzelle grenzen. Solche Gasverteilerstrukturen werden zum Beispiel in der Druckschrift DE 19734729 C1 beschrieben. Sie werden dort durch ein Blech, in das Schlitze gefräst worden sind, realisiert. Gasverteilerstrukturen bewirken neben einer elektrischen Kontaktierung, dass die Betriebsmittel gleichmäßig in den Elektrodenräumen (Räume, in denen sich die Elektroden befinden) verteilt werden.
Endplatten, die sich an den beiden Enden eines Brennstoffzellenstapels befinden, sind in der Regel aus Metall gefertigt, um gleichmäßig die gesamte Fläche eines Brennstoffzellenstapels unter Druck zu setzen. So wird gewährleistet, dass ein elektrischer Kontakt über die gesamte Fläche eines Stapels durchgehend besteht.
Außerdem erfolgt die Abdichtung der Zellen über die Anpressung.
Aus Bates et al. (A. Bates, S. Mukherjee, S. Hwang, S.C. Lee, O. Kwon, G.H. Choi, S. Park (2013). Simulation and experimental analysis of the clamping pressure distribution in a PEM fuel cell stack. International Journal of hydrogen energy. 38, 6481-6493) ist hierzu die Simulation und experimentelle Analyse der Spanndruckverteilung in einem PEM-Brennstoffzellenstapel bekannt.
Aus der Literatur sind weiterhin Elektrolysezellen zur Erzeugung von Wasserstoff bekannt. Dabei wird das zugeführte Wasser anodisch mit Hilfe von elektrischem Strom in Sauerstoff, Protonen und Elektronen aufgespalten, während kathodisch die Wasserstofferzeugung erfolgt.
Wie die Brennstoffzelle umfasst auch eine Elektrolysezelle zwei Elektroden, zwischen denen ein Elektrolyt angeordnet ist. Bei einer PEM-Elektrolysezelle besteht der Elektrolyt aus einer Protonen leitenden Membran. Die Einheit aus den beiden Elektroden und dem Elektrolyten wird auch als MEA (engl. Membrane Electrode Assembly) bezeichnet. Beim Stand der Technik sind in der Regel sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite Medienversorgungen in Form von Strömungsverteilerstrukturen und entsprechende Manifolds in Zellen und Stapeln integriert. Über sogenannte Bipolarplatten wird der Strom zu den einzelnen Elektrolysezellen geleitet. In besonderen Ausgestaltungen übernehmen geeignet strukturierte Bipolarplatten gleichzeitig die Funktionen der elektrischen Kontaktierung und der Medienversorgung zu den Elektroden.
Weitere gegenständliche Merkmale wie z. B. Gasdiffusionsschichten werden bei einem Elektrolysestapel zu beiden Seiten der MEAs angeordnet, die jeweils durch Bipolarplatten, die strukturiert ausgestaltet sein können, zur Trennung der einzelnen Elektrolysezellen voneinander getrennt sind. Eine Gasdiffusionsschicht ist porös aufgebaut und dient als Verteilerstruktur der Zu- und Ableitung der Betriebsstoffe, bzw. der erzeugten Produktgase, Wasserstoff und Sauerstoff, zu einer oder von einer Elektrode. Normalerweise erfolgt der Stofftransport in den Gasdiffusionsschichten diffusiv senkrecht zur Membranebene während er in der Medienversorgung als Strömung parallel zur Membranebene erfolgt. Die Gasdiffusionsschicht kann je nach Ausgestaltung in den Membrannahen Bereichen auch gleichzeitig die Funktion einer Elektrode übernehmen und wird dann Gasdiffusionselektrode genannt.
Die Aufgaben der Systembauteile des anodischen Bereichs einer Elektrolysezelle bestehen in der Versorgung des Elektrolyseurs mit Wasser und im Abtransport des erzeugten Sauerstoffs, sowie der Phasenseparation von Sauerstoff und mitgeführter Flüssigkeit. Im kathodischen Bereich sieht der Aufbau ähnlich aus. Auf eine Wasserzufuhr kann verzichtet werden. Der Abtransport des erzeugten Wasserstoffs erfolgt ebenfalls über Strömungsverteilerstrukturen. Da beim Betrieb normalerweise Wasser von der Anodenseite mit durch die Membran zur Kathodenseite gezogen wird, entsteht auf der Kathodenseite immer ein Wasserstoff Wassergemisch, welches als Gemisch abgeführt wird. In einem nachgeschalteten Abscheider wird dieses Wasser dann in der Regel vom erzeugten Wasserstoff getrennt und gegebenenfalls erneut zur Zerlegung zur Kathode weitergeleitet. Während des Betriebs kann Wasserstoff auf der Kathodenseite (Minuspol) und der Sauerstoff auf der Anodenseite (Pluspol) generiert werden.
Wie Brennstoffzellen werden auch mehrere Elektrolysezellen zu einem Stapel (engl. Stack) zusammengebaut. Ein Elektrolysezellenstapel ist wie der Brennstoffzellenstapel zwischen zwei Endplatten angeordnet, die einerseits die Zufuhr des elektrischen Stroms zu den einzelnen Zellen sicherstellen und zum anderen den notwendigen Anpressdruck zur Abdichtung der Einzelzellen gewährleisten. Der Stack kann gegebenenfalls auch unter Gas/Flüssigkeitsdruck betrieben werden. Zudem gibt es in Verbindung mit dem Wassermanagement zusätzlich Kräfte durch Schwellen/Abschwellen der Membran. Der Aufbau muss diese zusätzlichen Kräfte dann ebenfalls aufnehmen. Dazu werden die sich gegenüberliegenden Endplatten üblicherweise gegeneinander verspannt. Der Stapel kann gegebenenfalls auch unter Gas/Flüssigkeitsdruck betrieben werden.
Den Endplatten kommt bei der Verspannung der Brennstoffzellenstapel und der Elektrolysezellenstapel somit eine besondere Bedeutung zu.
Es werden Zuganker sowohl für die Verspannung des Brennstoffzellenstapels als auch des Elektrolysezellenstapels verwendet. Die Zuganker können schraubenförmig sein und durch einander entsprechende Bohrungen in der Flucht der sich exakt gegenüberliegenden Endplatten diese miteinander verspannen. Hierdurch werden die Zellen unter Druck gesetzt und verspannt.
Aus der Druckschrift WO 2014/015846 A1 ist eine Vorrichtung zur Verspannung eines Brennstoffzellenstapels bekannt, die zwei Endplatten umfasst, die über Zuganker miteinander vormontiert werden. Weiterhin sind ringförmige Spannelemente sowie ein Außengehäuse vorgesehen, über die der vormontierte Stapel endmontiert wird.
Bei Brennstoffzellenstapeln oder Elektrolysezellenstapeln werden zum Zwecke einer Gewichtsreduktion die Endplatten auch aus Aluminium gefertigt, welche zusätzlich eine an die Belastung angepasste Topologie besitzen können. Ebenfalls können in diesem Bereich die Fluidanschlüsse für den Stapel in die Endplatte integriert sein. Die Klemmkraft auf die Dichtungen und die Zellen, wird über die ebene Unterseite der Endplatte ausgeübt. Das Verhalten der Endplatte unter Druck ist dabei mit einem Blindflansch vergleichbar. Durch die ebene Unterseite der Endplatte ist die Aufteilung der über die Zuganker aufgebrachte Kraft auf die aktive Zellfläche und auf die Dichtung abhängig vom Betriebszustand, das heißt Druck und Wassergehalt des Stapels, sowie der Temperatur, dem Stapelaufbau und den Materialien im aktiven Zellbereich und der verwendeten Dichtungen sowie den Dickentoleranzen der einzelnen Schichten.
Eine Möglichkeit der gleichmäßigen Kraftaufbringung auf den aktiven Zellflächenbereich ist der Einsatz von bereits in der Fertigung entgegen der Assemblierungsrichtung gekrümmten Endplatten.
Es lässt sich jedoch nachteilig mit keiner der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen auf einfache Weise eine dauerhafte Verspannung eines Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels bei sehr guter elektrischer und gleichzeitig mechanischer Kontaktierung der einzelnen Bauteile erzielen.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Verspannung von Brennstoffzellenstapeln oder Elektrolysezellenstapeln bereit zu stellen, mit der dauerhaft eine bessere mechanische und elektrische Kontaktierung der einzelnen Zellen und weiterer Bestandteile des Stapels auch im Betrieb gelingt. In diesem Zusammenhang ist es eine weitere Aufgabe der Erfindung einen neuartigen Brennstoffzellenstapel und / oder Elektrolysezellenstapel bereit zu stellen, bei dem eine dauerhafte und gute mechanische und elektrische Kontaktierung auch im Betrieb einzelner Zellen und eines Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels vorliegt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein entsprechendes Verfahren zur Verspannung eines Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels bereit zu stellen.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird gelöst mit der Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dem Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel gemäß Patentanspruch 5 und dem Verfahren gemäß dem Patentanspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu ergeben sich jeweils aus den hierauf rückbezogenen Patentansprüchen.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verspannung eines Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels, wobei der Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel zwei Endplatten umfasst, zwischen denen wenigstens zwei Wiederholeinheiten, umfassend Membran-Elektrodeneinheiten und Bipolarplatten angeordnet sind. Die Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel aufweist zur mechanischen Ausbildung einer unterschiedlichen Druckhöhe und/oder Druckverteilung für den äußeren Dichtbereich im Vergleich zu dem inneren aktiven Zellbereich der Wiederholeinheiten des Stapels bzw. einer einzelnen Zelle.
Wiederholeinheiten bilden den Zellstapel. Sie bestehen aus einer Monopolarplatte bei der ersten und letzten Zelle des Stapels und im Weiteren dann aus Bipolarplatten, sowie Membran-Elektrodeneinheiten und Dichtungen. Im aktiven Zellbereich erfolgen die chemischen Umsetzungen der Reaktanden.
Die beiden Endplatten weisen zur Ausbildung einer Kraft F_Stapel für den äußeren Dichtbereich des Stapels Bohrungen für Zuganker als Mittel auf. Zuganker sind z. B. als Gewindestangen durch Bohrungen im Randbereich beider Endplatten hindurchgeführt. In beiden Endplatten sind hierzu in der Flucht einander entsprechende Bohrungen vorgesehen. Sie erzeugen die Kraft F_Stapel nur im äußeren Dichtbereich des Stapels, das heißt zwischen der Endplatte und einem Isolationsrahmen sowie im Randbereich der Bipolarplatten.
Die äußeren Abmessungen des Isolationsrahmens sind zu diesem Zweck kleiner als die der Endplatten, so dass die Zuganker außerhalb des Isolationsrahmens durch die Bohrungen im Randbereich beider Endplatten hindurchgeführt werden. Der Isolationsrahmen hat zudem etwa die gleichen Abmessungen wie die Bipolarplatten und ist in der Flucht über dem Randbereich der Bipolarplatten angeordnet.
Wenigstens eine der beiden Endplatten, vorzugsweise beide Endplatten weisen zur Ausbildung einer Kraft F_aZ für den inneren aktiven Zellbereich der Wiederholeinheiten des Stapels Gewindebohrungen für Einstellschrauben als Mittel auf. Die Gewindebohrungen für die Einstellschrauben sind im zentralen Bereich der Endplatten angeordnet. Die Einstellschrauben bringen die gewünschte Kraft oder einen Kompressionsweg über eine Druckplatte, und optional eine Isolationsplatte sowie eine Stromabnehmerplatte nur auf die aktive Zellfläche der Wiederholeinheiten auf. Die Druckplatte, die optional vorhandene Isolationsplatte und die Stromabnehmerplatte sind im Isolationsrahmen angeordnet und damit hinsichtlich der äußeren Abmessungen kleiner als der Isolationsrahmen.
Die Druckplatte dient dabei einer gleichmäßigen Verteilung der über die Einstellschrauben punktuell eingeleiteten Kraft F_aZ auf den aktiven Zellbereich der Wiederholeinheiten des Stapels.
Die Druckplatten zur Aufbringung der Kraft F_aZ sind hierzu im Stapel ausschließlich oberhalb des aktiven Zellbereichs des Stapels angeordnet. Die Einstellschrauben werden hierzu mechanisch nur gegen die Druckplatte geschraubt. Daher geben Druckplatten die Kraft F_aZ über die Stromabnehmerplatte direkt auf den aktiven Zellbereich weiter und nicht auf den Dichtbereich des Stapels.
Die Druckplatte weist zu diesem Zweck etwa identische äußere Abmessungen auf wie die optional vorhandene Isolationsplatte sowie die Stromabnehmerplatte und der aktive Zellbereich der Wiederholeinheiten. Diese Platten sind in der Flucht somit über dem aktiven Zellbereich der Wiederholeinheiten angeordnet.
Die Lage der Gewindebohrungen für die Einstellschrauben in einer oder in beiden Endplatten wird vorteilhaft so gewählt, dass die Kraft F_aZ gleichmäßig nur auf den aktiven Zellbereich weitergegeben werden kann. Hierzu werden die Einstellschrauben vorzugsweise in regelmäßigen Abständen zueinander und gleichmäßig auf die Druckplatte geschraubt, so dass die Einstellschrauben die Druckplatte entsprechend gleichmäßig kontaktieren und eine gleichmäßige Kraftübertragung auf den aktiven Zellbereich stattfindet.
Die erfindungsgemäßen Mittel der Vorrichtung sind somit die Endplatte(n) mit (Gewinde)bohrungen sowie im Wesentlichen die Zuganker und die Einstellschrauben sowie die Druckplatte(n).
Als Membran-Elektrodeneinheit werden die beiden Elektroden und die dazwischen angeordnete Membran einer Brennstoffzelle bzw. eines Elektrolyseurs bezeichnet. Eine Membran-Elektrodeneinheit umfasst somit die Membran mit beidseitiger Katalysatorschicht (Elektrode) und gegebenenfalls beidseitiger Gasdiffusionslage hierauf.
Eine einzelne Zelle umfasst Strömungsverteilerplatten auf der Anoden- und der Kathodenseite und gegebenenfalls die Endplatten mit weiteren Mitteln zur Verspannung. In einem Stapel gehen die Strömungsverteilerplatten nach der ersten und vor der letzten Zelle in Bipolarplatten über.
Ein erfindungsgemäßer Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel, umfasst die zwei sich gegenüberliegenden Endplatten, zwischen denen mindestens zwei Wiederholeinheiten umfassend die Membran-Elektrodeneinheiten und die Bipolarplatten angeordnet sind. Die Wiederholeinheiten sind über die zwei sich gegenüberliegenden, vorzugsweise identischen Endplatten mit Zugankern zu einem Stapel verspannt. Die zu den Wiederholeinheiten ausgerichteten Flächen der beiden Endplatten können am Rand, das heißt im umlaufenden äußeren Dichtbereich, jeweils eine Dichtung kontaktieren. Der Stapel weist die Mittel auf zur Ausbildung einer unterschiedlichen Druckhöhe und/oder Druckverteilung für den äußeren Dichtbereich im Vergleich zu dem inneren aktiven Zellbereich der Wiederholeinheiten des Stapels.
Zu diesem Zweck kann im Stapel eine Dichtung zwischen den Endplatten und den Isolationsrahmen angeordnet sein. Ein Isolationsrahmen fasst ausgehend von der Endplatte die Druckplatte, optional die Isolationsplatte und die Stromabnehmerplatte ein. Der Isolationsrahmen weist hierzu eine zentrale Öffnung zur Aufnahme der Druckplatte optional einer Isolationsplatte und einer Stromabnehmerplatte auf.
Auf eine Isolationsplatte kann verzichtet werden, sofern die Druckplatte elektrisch isolierend ist.
Die Druckplatte ist somit ausgehend von der Endplatte auf der optional vorhandenen Isolationsplatte und diese wiederum auf der Stromabnehmerplatte angeordnet. Alle drei Platten sind im Isolationsrahmen angeordnet. Da diese Anordnung ausgehend von beiden Endplatten nach innen zu der bzw. den Membran-Elektrodeneinheiten gerichtet vorliegt, sind die Wiederholeinheiten aus Membran-Elektrodeneinheiten und Bipolarplatten zwischen zwei Stromabnehmerplatten angeordnet.
Die Fläche der Druckplatte ist in einer Ausgestaltung der Erfindung geringfügig kleiner als die Fläche der Isolationsplatte bzw. Stromabnehmerplatte. Auf diese Platten wirken die Einstellschrauben mit der Kraft F_aZ.
Der Isolationsrahmen und optional die (Flach)dichtung zur Endplatte sind zusammengenommen geringfügig dicker als die Druckplatte, optional die Isolationsplatte und die Stromabnehmerplatte zusammengenommen. In diesem Zusammenhang ist die Fläche der zentralen Öffnung im Isolationsrahmen größer als die jeweilige Fläche der Druckplatte, der Isolationsplatte und der Stromabnehmerplatte, so dass diese drei Platten im Isolationsrahmen versenkt werden können.
Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass im verspannten Zustand des Stapels zwischen den Endplatten und den Druckplatten über dem aktiven Zellbereich ein Spalt angeordnet wird. Der Spalt bewirkt vorteilhaft eine Verschieblichkeit der Platten. Der Spalt sorgt im Stapel dafür, dass die Kraft F_Stapel über die Zuganker und die Kraft F_aZ über die Einstellschrauben mechanisch voneinander getrennt vorliegen, wobei die Druckplatte eine gleichmäßige Verteilung der über die Schrauben eingeleiteten Kraft bewirkt.
Die Fläche der Druckplatten kann hierzu vorteilhaft der Fläche des aktiven Zellbereichs entsprechen.
Die Zuganker erzeugen keine auf die Membran-Elektrodeneinheiten gerichtete Kraft. Die Einstellschrauben erzeugen im Gegenzug keine auf den Dichtbereich am Rand gerichtete Kraft.
Mit der vorliegenden Erfindung wird anders als im Stand der Technik eine Kräftetrennung erreicht, wohingegen im Stand der Technik immer nur eine zusätzliche Kraft auf den aktiven Zellbereich ausgeübt werden kann. Dadurch sind die Kräfte auf den Randbereich und auf den Dichtungsbereich auch bei Bates et al. nicht unabhängig voneinander.
Der Isolationsrahmen isoliert die Endplatte elektrisch zu den Widerholeinheiten. Der Isolationsrahmen übt außerdem den Anpressdruck auf den Dichtbereich auch der Bipolarplatten in den Widerholeinheiten aus und führt optional auch Fluid von der Endplatte zu den Widerholeinheiten. Der Isolationsrahmen kann durch Zentrierbolzen in der Endplatte gegenüber dieser positioniert sein.
Zuganker sind durch die Bohrungen im Randbereich beider Endplatten durchgeführt, und üben im verspannten Zustand des Stapels ausschließlich auf den Dichtbereich des Stapels Druck aus.
Einstellschrauben sind durch die Gewindebohrungen in der Mitte von mindestens einer der beiden Endplatte und durch die zentrale Öffnung des Isolationsrahmens geschraubt. Einstellschrauben üben im verspannten Zustand des Stapels über die Druckplatte und die Stromabnehmerplatte nur auf den aktiven Zellbereich der Wiederholeinheiten des Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels Druck aus.
Die Bipolarplatten weisen im Stapel ebenfalls einen Randbereich auf, indem die Abdichtung nach Außen und zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite erfolgt. Dieser äußere Dichtbereich der Bipolarplatten sowie der Dichtbereich zwischen den Endplatten und den Isolationsrahmen bilden gemeinsam einen äußeren Dichtbereich des Stapels aus. Dieser Dichtbereich des Stapels wird mittels der Zuganker und der innere aktive Zellbereich sowohl der Bipolarplatten als auch der angrenzenden Membran-Elektrodeneinheiten mittels einer Druckplatte und Einstellschrauben mechanisch belastet.
Eine Wiederholeinheit im Stapel kann ebenfalls Dichtungen, wie z. B. Flachdichtungen- oder O-Ring-Dichtungen im Randbereich der Bipolarplatten umfassen.
Zwischen den Endplatten und den Isolationsrahmen können Flachdichtungen angeordnet sein. Diese können zur Abdichtung zwischen der Endplatte und dem Isolationsrahmen vorgesehen sein. An dieser Stelle sind jedoch auch andere Dichtkonzepte, z. B. O-Ringe möglich. Wenn die Fluidverteilung nicht in die Endplatte integriert ist, sondern beispielsweise im Isolationsrahmen abläuft, kann diese Dichtung komplett wegfallen. Die Dichtungen zwischen den Widerholeinheiten werden unabhängig vom Dichtkonzept des Stapels zu den Widerholeinheiten gezählt.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass bei den Endplatten aus dem Stand der Technik sich die Aufteilung der Klemmkraft zwischen dem Dichtbereich und der aktiven Zellfläche nicht unabhängig voneinander einstellen lässt.
Es wurde erkannt, dass für den aktiven Zellbereich des Stapels ein anderer Anpressdruck optimal ist als für den Dichtbereich. Beispielweise kann der optimale Anpressdruck im Bereich von rund 1 MPa bis 3 MPa liegen, während für die Dichtungen je nach der Technologie und dem Druckbereich Flächenpressungen von ca. 5 MPa bis 50 MPa für die Sicherstellung der Dichtwirkung erforderlich sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und der Stapel lösen auf einfache Weise die Bereitstellung des jeweils erforderlichen Drucks für den inneren aktiven Zellbereich und den äußeren Dichtbereich auf mechanischem Weg über die Einstellschrauben nebst Druckplatte und die Zuganker.
Es wurde erkannt, dass die Aufteilung der Kraft zwischen dem äußeren Dichtbereich und den inneren Zellkomponenten von unterschiedlichen Faktoren abhängig ist, sodass sich beim Zusammenbau des Stapels nur ungenaue Aussagen über die resultierende Spannungsverteilung treffen lassen. Dazu zählen die Beschaffenheit der ebenen Endplattenunterseite sowie Bauteiltoleranzen der Zwischenschichten in den Zellen und im Randbereich, der Isolationsplatten zwischen den Zellen und der Endplatte oder des Stromabnehmers.
Im Stand der Technik biegen sich die Endplatten durch die äußere Krafteinleitung über die Zuganker entgegen der Richtung der Komponenten des aktiven Zellbereichs durch, woraus nachteilig eine ungleichmäßige Spannungsverteilung auf die aktive Zellfläche resultiert. Mit zunehmender Klemmkraft und/oder steigendem Betriebsdruck nimmt die Durchbiegung der Endplatte zu, was Einfluss auf die Spannungsverteilung innerhalb des Stapels hat. Die ungleichmäßige Spannungsverteilung aufgrund einer Durchbiegung der Endplatte wird, wie zum Stand der Technik beschrieben, in manchen Stapeldesigns über eine im entlasteten Zustand vorgebogene Endplatte kompensiert. Diese Bauweise eignet sich nachteilig jedoch nur für einen ganz genau definierten Betriebspunkt mit konstanter Temperatur, Druck und Klemmkraft, für den diese Endplatte ausgelegt ist.
Auf diese Weise kann das Problem der Spannungsverteilung zwischen der aktiven Zellfläche in der Mitte der Endplatte und der Dichtung im Randbereich der Endplatte nicht behoben werden.
Um die gewünschte Kraftverteilung zu erreichen, werden im Stand der Technik außerdem Messungen mithilfe druckempfindlicher Folien durchgeführt und die gewünschte Verteilung über das Einlegen zusätzlicher Zwischenschichten eingestellt. Diese Vorgehensweise ist sehr aufwändig. Die Krafteinstellung erfolgt außerdem nur für eine Vorspannkraft der Zuganker und eine Druckstufe. Außerdem erfolgt die Messung in der Regel im trockenen Stapel, sodass der Einfluss einer schwellenden Membran auf die Kraftverteilung nicht berücksichtigt werden kann. Infolgedessen lassen sich über die im realen Betrieb vorliegende Kraftverteilung keine genauen Aussagen treffen oder Änderungen vornehmen.
Erfindungsgemäß wird hingegen vorgeschlagen, einzelne Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen bzw. die entsprechenden Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel an beiden Seiten von Endplatten über das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Endplatten mit Zugankern und Einstellschrauben sowie gegebenenfalls Druckplatten zu verspannen. Die Endplatten erfüllen im erfindungsgemäßen Stapel mechanische Aufgaben, welche sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad und die Leistungsfähigkeit des Stapels auswirken:

- Die Endplatten verspannen die Zellen bzw. den Stapel mechanisch
- Über die Endplatten und Zuganker wird eine Klemmkraft nur auf die Dichtungen des Stapels ausgeübt
- Über die Endplatten und Einstellschrauben wird ein definierter und gleichmäßig verteilter Anpressdruck nur auf die aktiven Zellfläche(n) bzw. Zellbereich aufgebacht
- Die Endplatten nehmen die Betriebskräfte auf, z.B. beim Betrieb unter Druck
- Optional erfolgt auch die Fluidversorgung des Stapels über die Endplatten

Die Anzahl und Lage der Bohrungen in den Endplatten ist selbstverständlich abhängig von der Größe und dem Design der Endplatten und des Stapels. Es können gleich viele Bohrungen für Zuganker je Seite im Randbereich der Endplatten angeordnet sein.
Ein Fachmann wird in Abhängigkeit des Designs Anzahl und Anordnung der Bohrungen sowohl für die Zuganker als auch für die Einstellschrauben festlegen.
In Bezug auf einen bestimmten Zuganker sollen die beiden verwendeten Endplatten identische Anordnungen von (Gewinde)bohrungen im Randbereich der Endplatten aufweisen, das heißt die (Gewinde)bohrungen beider Endplatten sind deckungsgleich in der Flucht und durch einen Zuganker miteinander zu verbinden.
Die Zuganker können als eine Gewindestange mit Unterlegscheibe und Kontermutter oder auch als eine Schraube plus Unterlegscheibe mit einer Kontermutter bei einer der Endplatten ausgeführt sein. Die sich gegenüberliegenden Endplatten weisen in der Flucht identische (Gewinde)bohrungen auf. Die Muttern der Zuganker ziehen die Endplatten zueinander, wodurch vorteilhaft über die Klemmkraft F_Stapel Druck ausschließlich auf den Dichtbereich des Stapels ausgeübt wird.
Im Dichtbereich zwischen Endplatte und Isolationsrahmen werden z. B. Flachdichtungen, O-Ringe oder auch Federelemente wie z. B. Teller- oder Spiralfedern eingesetzt.
Die Federelemente können außen an den Endplatten unter den Muttern bzw. Schraubenköpfen der Zuganker angebracht werden. Die Federn sorgen vorteilhaft dafür, dass bei Temperatur- oder Schwellungsschwankungen der Anpressdruck auf die Dichtungen keine Extremwerte nach oben und unten erreicht. Für die Zuganker können in den Endplatten Durchgangsbohrungen an Stelle von Gewindebohrungen angeordnet sein. In diesem Fall kann man die Federelemente montieren.
Vorzugsweise weisen beide Endplatten Gewindebohrungen für die Einstellschrauben auf. Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass über die beiden Endplatten von zwei Seiten aus die Kraft F_aZ auf den aktiven Zellbereich ausgeübt werden kann. Die Druckverteilung auf die Membran-Elektrodeneinheiten erfolgt dann beidseitig und damit gleichmäßiger. Dies bewirkt eine gleichmäßigere Kraftverteilung unabhängig von der Biegung der Endplatten und gleichzeitig einen symmetrischen Aufbau des Systems. Auch hier ist es möglich, Federelemente einzusetzen. Diese würden sinnvollerweise zwischen den Einstellschrauben und der Druckplatte angeordnet.
Die beiden Endplatten können hierzu hinsichtlich der Lage und der Anzahl identische Gewindebohrungen für die Einstellschrauben aufweisen.
Eine Endplatte kann im zentralen Bereich eine weitere Durchführung für die Stromabnehmerplatte aufweisen. Der Begriff Stromabnehmerplatte bezieht sich dabei terminologisch sowohl auf einen Brennstoffzellenstapel als auch auf einen Elektrolysezellenstapel, wenngleich streng genommen bei letzterem eine Stromzufuhr über die Platte erfolgt.
Eine Stromabnehmerplatte ist vorzugsweise stempelförmig ausgebildet. Der griffförmige Teil der Stromabnehmerplatte führt durch die zentrale Durchführung der Endplatte, einer optional vorliegenden Flachdichtung und der Druckplatte sowie der optional vorliegenden Isolationsplatte hindurch. Der plattenförmige Teil der Stromabnehmerplatte liegt im Betrieb auf den Wiederholeinheiten aus Membran-Elektrodeneinheiten und Bipolarplatten auf. Die Platte der Stromabnehmerplatte drückt somit im verspannten Zustand nur auf den aktiven Zellbereich der Wiederholeinheiten des Stapels. Die Einstellschrauben geben entsprechend die Kraft F_aZ über die Druckplatte auf die Stromabnehmerplatte und sodann auf den aktiven Zellbereich weiter.
Der Stapel ist spiegelsymmetrisch ausgehend von den Wiederholeinheiten aufgebaut. Das heißt auf den Wiederholeinheiten sind beidseitig die Stromabnehmerplatten, sodann optional die Isolationsplatten und die Druckplatten im Isolationsrahmen angeordnet. Die beiden Endplatten schließen den Stapel ab.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels (S), sieht die nachfolgenden Schritte vor:

a) die Wiederholeinheiten aus Membran-Elektrodeneinheiten und Bipolarplatten und die weiteren Bauteile eines Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels (S) werden ausgewählt und zwischen zwei Endplatten zur Verspannung angeordnet,
b) für Schritt a) wird mindestens eine Endplatte gewählt mit Mitteln zur Ausbildung einer unterschiedlichen Druckhöhe und/oder Druckverteilung für den Dichtbereich im Vergleich zu dem aktiven Zellbereich des Stapels S.

Mindestens ein Zuganker wird als Mittel gewählt, der durch einander entsprechende Bohrungen im Randbereich der zwei sich gegenüberliegenden Endplatten geführt wird und während der Verspannung ausschließlich auf den äußeren Dichtbereich des Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels die Kraft F_Stapel ausübt und die Zellen gasdicht miteinander verspannt.
Der äußere Dichtbereich der Bipolarplatten sowie der Dichtbereich zwischen den beiden Endplatten und den beiden Isolationsrahmen bilden dabei wie erwähnt gemeinsam den äußeren Dichtbereich des Stapels aus
Mindestens eine Einstellschraube wird als Mittel gewählt, die durch eine Gewindebohrung im zentralen Bereich der Endplatten geführt wird und während der Verspannung über eine Druckplatte und optional eine Isolationsplatte und eine Stromabnehmerplatte nur auf den aktiven Zellbereich im Bereich der Wiederholeinheiten des Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels die Kraft F_aZ ausübt und die Zellen zur elektrischen Kontaktierung miteinander verspannt.
Erfindungsgemäß wird für das Verfahren zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels die optimale Normalspannung im Dichtbereich und im aktiven Zellbereich bzw. des gewünschten Kompressionsweges im aktiven Zellbereich vorgegeben bzw. vorzugsweise vorab berechnet.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt daher vorzugsweise eine Berechnung des Zusammenhangs zwischen dem Drehwinkel, dem Drehmoment, dem Vorspannweg und der Vorspannkraft abhängig von der Geometrie der Einstellschrauben und der äußeren Zuganker.
Ein Fachmann kann auf verschiedenen Wegen die Einstellschrauben bemessen, um den gewünschten Anpressdruck auf die Wiederholeinheiten aus Membran-Elektrodeneinheiten und Bipolarplatten auszuüben. Hierfür bieten sich je nach der Art und der Topologie des Inneren des Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels Einstellschrauben an, die entweder unterschiedlich lang sind und/oder unterschiedliche Gewindegröße aufweisen und/oder unterschiedliche Gewindesteigungen aufweisen.
Für die Montage der Einstellschrauben und entsprechend der Kraftaufbringung F_aZ im aktiven Zellbereich der Membran-Elektrodeneinheiten und Bipolarplatten sind mehrere Möglichkeiten vorhanden:
Als erste Möglichkeit werden die Einstellschrauben gleichmäßig mit einem definierten Drehmoment angezogen. Auf diese Weise kann über die Schraubengeometrie die resultierende Druckkraft F_aZ über die Druckplatte und die Stromabnehmerplatte auf die aktive Zellfläche und damit die Flächenpressung vorgegeben werden.
Als zweite Option können die Einstellschrauben nach der handfesten Vormontage mit einem bestimmten Drehwinkel montiert werden. Dabei lässt sich über die Steigung der Schrauben und den Drehwinkel ein Kompressionsweg der inneren Komponenten vorgeben.
Die Druckkraft lässt sich vorteilhaft auch im Betrieb verändern und beispielsweise auf ein anderes Druckniveau anpassen.
Die Montage und Verspannung der Zelle bzw. des Stapels S erfolgt in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung in zwei Schritten. Im ersten Schritt werden die äußeren Zuganker in den gegenüberliegenden Endplatten montiert. Die Kraft F_Stapel wirkt dabei nur auf den Dichtbereich am Rand. Hierzu befindet sich in der Mitte der Endplatten über dem aktiven Zellbereich ein Spalt zwischen den Endplatten und den Druckplatten.
Das Verfahren sieht dabei vor, die Abmessungen der Endplatten und der übrigen Bauteile des Stapels so zu wählen, dass diese den Stapel nur im Bereich der (Flach)dichtungen kontaktieren und zum aktiven Zellbereich ein Spalt zwischen den Endplatten und den Druckplatten jeglichen Kontakt der Endplatten zu den Bauteilen oberhalb der Membran-Elektrodeneinheiten verhindert. Hierzu werden Isolationsrahmen und Dichtungen gewählt, die zusammengenommen etwas dicker sind als die Druckplatte, die Isolationsplatte und die Stromabnehmerplatte zusammengenommen.
In einem zweiten Schritt wird über die Einstellschrauben in der Mitte der Endplatte eine definierte Kraft F_aZ über die Druckplatte und Stromabnehmerplatte nur auf die aktive Zellfläche ausgeübt. Der äußere Dichtbereich ist hingegen nicht durch die Einstellschrauben beeinflusst. Ebenfalls hat die Durchbiegung der Endplatte unter Last keinen Einfluss auf die Spannungsverteilung über die Fläche. Diese hängt nur von der Anzahl und Position der Einstellschrauben und gegebenenfalls den Dicken von Druckplatte und Isolationsplatte ab.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird durch die Nutzung eines Werkzeuges zur Drehmoment- oder Drehwinkeleinstellung die Kräfte durch die Zuganker und Einstellschrauben eingestellt.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verspannung, insbesondere mit den Endplatten werden die Bereiche unterschiedlicher Anpressdrücke vorteilhaft mechanisch voneinander getrennt. Anstelle einer durchgehenden Isolationsplatte wird in der Erfindung der äußere Rahmenbereich von dem Mittelbereich mit der aktiven Zellfläche getrennt. Im aktiven Zellbereich in der Mitte drückt die Endplatte daher nicht auf die Zellen.
Beide Kräfte F_Stapel und F_aZ werden mechanisch, vorzugsweise mittels Zuganker und Einstellschrauben in Bohrungen der Endplatte erzeugt, nicht aber pneumatisch und auch nicht fluidisch oder über Kolben-Zylinder-Anordnungen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zudem vorteilhaft keine Druckaufnehmer und/oder druckempfindliche Membranen oder Druckverstärker auf.
Die erzeugte Kraft F_aZ ist größer als der vom Stapel im Betrieb erzeugte Gasdruck.
Ausführungsbeispiele
Im Weiteren wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren näher erläutert, ohne dass es hierdurch zu einer Beschränkung der Erfindung kommen soll.
Identische Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen dabei identische Bauteile. In der 1 und der 2a ist aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich eine Hälfte des Stapels dargestellt. In der 2b und 3b ist hingegen der gesamte Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel gezeigt. In 2b und der 3b sind wegen der übersichtlicheren Darstellung lediglich die Bauteile der oberen Hälfte mit Bezugszeichen versehen (mit Ausnahme des Bezugszeichen 5 in 3b, das den Isolationsrahmen der unteren Hälfte des Stapels bezeichnet). Es versteht sich, dass die jeweilige untere Hälfte identische Bauteile wie die obere Hälfte aufweist, und damit ausgehend von den Wiederholeinheiten 6 aus Membran-Elektrodeneinheiten und Bipolarplatten identische Bauteile umfasst.
Es zeigen:

1: Verfahren zur mechanischen Verspannung des aktiven Zellbereichs für eine Hälfte eines Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels durch ein 2-Schritt-Verfahren mittels:
1. a) zunächst Verspannung des Stapels mit Zugankern (Pfeile F_Stack) im Randbereich der Endplatte 1 zur Erzeugung der Kraft F_Stapel im Bereich der Dichtung zwischen Endplatte 1 und Isolationsrahmen 5, sowie im Dichtbereich der Bipolarplatten
2. b) sodann Verspannung des Stapels S mit Einstellschrauben (Pfeile F_aZ) über dem aktiven Zellbereich der Membran-Elektrodeneinheiten und Bipolarplatten zur Erzeugung der Kraft F_aZ für die vier dargestellten Wiederholeinheiten 6 aus Membran-Elektrodeneinheiten und Bipolarplatten. Die Anzahl der Wiederholeinheiten 6 ist beispielhaft, und es kann sich auch um eine einzelne Wiederholeinheit im Falle einer einzelnen Brennstoffzelle oder Elektrolysezelle handeln.
2a: Explosionsansicht einer Hälfte des Stapels S, ausgehend von der Endplatte 1 bis zu der Wiederholeinheit 6 umfassend die Membran-Elektrodeneinheiten und die Bipolarplatten
2b: Explosionsansicht des gesamten Stapels S mit entsprechend zwei Wiederholeinheiten 6, wobei nur der obere Teil des Stapels S mit Bezugszeichen versehen ist. Identische in der Figur sind im oberen Teil mit Bezugszeichen und unten ohne Bezugszeichen versehen.
3a: Aufsicht auf den Stapel S
3b: Querschnitt des Stapels S entlang der Achse A-A aus 3a
3c: Detailansicht B aus der 3b

1 zeigt schematisch das Verfahren zur Verspannung des Stapels mit den beiden Endplatten 1, wobei nur der obere Teil des Stapels S dargestellt ist.
Die Montage und Verspannung des Stapels S erfolgt im erfindungsgemäßen Verfahren in zwei Schritten. Im ersten Schritt gemäß der 1a) werden die äußeren Zuganker (nicht dargestellt) entlang der dicken schwarzen Pfeile F_Stapel in sich gegenüberliegenden Endplatten 1 montiert.
Die über die Zuganker erzeugte Kraft F_Stapel wirkt nur auf den äußeren Randbereich der Endplatte 1, das heißt auf den Bereich der Flachdichtung 11 zwischen der Endplatte und dem Isolationsrahmen, sowie auf den Randbereich der Bipolarplatten, siehe auch 3b. Zwischen der Endplatte 1 und dem Isolationsrahmen 5 ist somit eine Flachdichtung angeordnet, die in der 1 nicht dargestellt ist.
In der zentralen Öffnung im Innern des Isolationsrahmens 5 sind die Druckplatte 3, die Isolationsplatte 4 und die Stromabnehmerplatte 7 angeordnet. Die Fläche der Druckplatte ist geringfügig kleiner als die Flächen der Isolationsplatte 4 und der Stromabnehmerplatte 7. Diese drei Platten zusammengenommen sind etwa 0,5 mm dünner als der Isolationsrahmen 5 und die Flachdichtung zusammengenommen. Die Stromabnehmerplatte 7 liegt dabei unmittelbar auf den Wiederholeinheiten 6 aus Membran-Elektrodeneinheiten und Bipolarplatten auf. Der Isolationsrahmen dichtet gegen die Wiederholeinheiten 6 ab.
Dadurch wird vorteilhaft bewirkt, dass im Bereich der Mitte der Endplatte 1 ein Spalt zwischen der Endplatte 1 und der Druckplatte 3 im Inneren des Stapels S angeordnet wird (1a)). Die dünneren Pfeile, die ausgehend von den Wiederholeinheiten 6 nach oben gerichtet sind, deuten in 1a) an, wie die Zuganker die Zellen an die Endplatten heranziehen und gasdicht abdichten und wie sich die aufgebrachten Kräfte auf die inneren Komponenten als Flächenlast auswirken.
In einem zweiten Schritt (1b) wird über die zusätzlichen Einstellschrauben (nicht dargestellt), die in der Mitte der Endplatte 1 angeordnet sind, eine definierte Kraft F_aZ (dicke Pfeile) nur auf die aktive Zellfläche, das heißt auf die Wiederholeinheiten 6 umfassend die Membran-Elektrodeneinheiten und Bipolarplatten ausgeübt. Der Bereich der Flachdichtung 11 und des Randbereichs der Bipolarplatten wird hingegen nicht durch die Einstellschrauben beeinflusst. Ebenfalls hat eine Durchbiegung der Endplatte 1 unter Last keinen Einfluss auf die Spannungsverteilung über die Fläche. Diese hängt nur von der Anzahl und Position der Einstellschrauben und gegebenenfalls den Dicken von Druckplatte und Isolationsplatte ab. Durch die Einstellschrauben wird entlang der dicken Pfeile die Kraft F_aZ auf den aktiven Zellbereich erzeugt und Druck über die Druckplatte 3, die Isolationsplatte 4 und die Stromabnehmerplatte 7 auf die Wiederholeinheiten 6 (bestehend aus Membran-Elektrodeneinheiten, Bipolarplatten und Dichtungen) ausgeübt.
Eine erfindungsgemäße Ausführung ist in der 2a für eine Hälfte des Stapels S als Explosionsansicht dargestellt.
In der quadratischen Endplatte 1 sind an jeder Seite der Endplatte zwei Zuganker 8 im Randbereich dargestellt, von denen aus Platzgründen nur ein Zuganker mit dem Bezugszeichen 8 versehen ist. Vier Einstellschrauben 12 führen in der Mitte der Endplatte durch diese hindurch, von denen aus Platzgründen nur eine mit Bezugszeichen 12 versehen ist. Die notwendigen Gewindebohrungen für die Zuganker und Einstellschrauben sind Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verspannung. Zentrale, nicht schraffiert dargestellte Durchführungen im Stirnbereich der Endplatte(n) dienen der Zufuhr der Betriebsmittel an die Wiederholeinheiten 6 und sind optional.
Für die Zuganker können Durchgangsbohrungen verwendet werden.
Die Zuganker 8 führen außerhalb der Flachdichtung 11 und des Isolationsrahmen 5 entlang in beide sich gegenüberliegenden Endplatten 1, wie in der 1 und 3b schematisch dargestellt ist und pressen die Endplatten 1 gegeneinander an die Flachdichtungen 11, siehe 3b.
Unterhalb der Endplatte 1 ist nach innen gerichtet, das heißt zum aktiven Zellbereich 6 hin die Druckplatte 3 im Isolationsrahmen 5 angeordnet. Die Isolationsplatte 4 ist optional und wiederum unterhalb der Druckplatte 3 angeordnet. Beide Platten weisen zentrale Durchführungen auf, durch die der griffförmige Teil der Stromabnehmerplatte 7 hindurchgeführt ist.
Die Stromabnehmerplatte 7 ist stempelförmig ausgeführt. Der Griff der Stromabnehmerplatte 7 führt durch die zentralen Durchführungen jeweils der Endplatte, der Flachdichtung und der Druckplatte sowie der Isolationsplatte hindurch. Der plattenförmige Teil der Stromabnehmerplatte 7 liegt im Betrieb unterhalb der Isolationsplatte 4 und auf den Wiederholeinheiten 6 aus Membran-Elektrodeneinheiten und Bipolarplatten auf. Die Platte der Stromabnehmerplatte 7 drückt daher nur auf den inneren Bereich der Wiederholeinheiten 6 auf.
Durch den spiegelsymmetrischen Aufbau schließen sich auf der gegenüberliegenden Seite der Wiederholeinheiten dieselben Bauteile und Anordnungen an, wie für und in der 2b dargestellt.
Die 2b zeigt eine Explosionsansicht des gesamten Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels S. In jeder Randseite der Flachdichtung 11 ist ein Zentrierbolzen 2 angeordnet. Diese Bolzen dienen der genauen Positionierung zwischen Endplatte 1 und Isolationsrahmen 5. Der Isolationsrahmen fasst wiederum die Druckplatte 3, die Isolationsplatte 4 und die Stromabnehmerplatte 7 ein.
3a zeigt die Aufsicht auf die erfindungsgemäßen Endplatten. Zwei Zuganker 8 nebst Unterlegscheiben 10 und Kontermuttern 9 sind an jeder Seite im Randbereich der Endplatte angeordnet. Insgesamt vier Einstellschrauben 12 sind mittig um die zentrale Durchführung der Stromabnehmerplatte 7 herum angeordnet.
Die 3b zeigt eine Vollschnittansicht des gesamten Stapels inklusive der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf beiden Seiten. Im gezeigten Beispiel wird eine Endplatte 1 aus Edelstahl (1.4571) verwendet. Zusätzlich zu den Bohrungen für die Zuganker 8 sind im mittleren Bereich rings um die Bohrung für die Stromabnehmerplatte 7 vier Gewindebohrungen für die Einstellschrauben 12 vorgesehen (3a). Im Gegensatz zu den Einstellschrauben handelt es sich bei einem Zuganker um eine Gewindestange 8, die durch die in Flucht befindlichen Durchgangsbohrungen der Endplatten hindurch geschraubt wird. Die Kontermuttern 9 ziehen die beiden Endplatten zueinander und verspannen den Stapel S mechanisch und gasdicht, indem sie durch die Kraft F_Stapel zueinander gezogen werden, siehe auch die 1.
Über die Einstellschrauben 12 wird eine über das Drehmoment definierte Kraft F_aZ oder ein über den Drehwinkel vorgegebener Vorspannweg auf die Oberseite der Druckplatte 3 ausgeübt. Die Druckplatte aus Edelstahl (1.4571) dient einer gleichmäßigen Verteilung der über die Einstellschrauben punktuell eingeleiteten Kraft. Es folgt die Isolationsplatte 4 mit der Aufgabe, die Endplatte 1 und die Druckplatte 3 gegenüber der Stromabnehmerplatte 7 elektrisch zu isolieren. Die Isolationsplatte 4 ist im Ausführungsbeispiel aus Polyetheretherketon PEEK gefertigt. Über die Isolationsplatte wird die Klemmkraft F_aZ der Einstellschrauben bis auf die Rückseite der Stromabnehmerplatte 7 aus Kupfer ausgeübt und damit nur im Bereich der aktiven Zellfläche, den Wiederholeinheiten 6 aus Membran-Elektrodeneinheiten und dem Inneren der Bipolarplatten aufgebracht, nicht auf den Randbereich der Bipolarplatten, siehe die 3b.
Im Ausführungsbeispiel sind zur Erzeugung des Spalts die Stromabnehmerplatte 7, die Isolationsplatte 4 und die Druckplatte 3 um insgesamt 0,5 mm dünner als der Randbereich, bestehend aus dem Isolationsrahmen 5 und der hier verwendeten Flachdichtung 11.
Die Position und die Anzahl der Einstellschrauben sind abhängig von der Größe des Stapels S, der aktiven Zellfläche 6 und des Dichtbereichs und sind im gegebenen Anwendungsbeispiel mittels Finite Element Methode (FEM)-Simulation optimiert.
Außerdem ist die Endplatte 1 hinsichtlich der äußeren Abmessungen größer als der Isolationsrahmen 5. Der Isolationsrahmen 5 ist wiederum hinsichtlich der äußeren Abmessungen größer als die Druckplatte 3, die Isolationsplatte 4 und die Stromabnehmerplatte 7, so dass diese drei Platten im Isolationsrahmen aufgenommen werden.
3c zeigt eine Detailansicht B aus der 3b. Aufgrund des erfindungsgemäß vorgesehenen Spaltes wird die Vorspannkraft der Zuganker 8 mit Muttern 9 und Unterlegscheiben 10 bei der Montage nur auf den Dichtbereich der Flachdichtung 11 sowie den Randbereich der Bipolarplatten (nicht dargestellt) aufgebracht und die aktive Zellfläche bleibt spannungsfrei. Durch das Aufbringen der Klemmkraft über die Einstellschrauben 12 sind der Betrag und die Verteilung der Normalspannung auf die aktive Zellfläche unabhängig von der Durchbiegung und der Geometrie der Endplatte. In 3c bezeichnet Bezugszeichen 2 die Zentrierbolzen und das Bezugszeichen 11 die Flachdichtung.
Optional lässt sich über die zwei nicht schraffierten Querbohrungen in der Stirnseite der Endplatten 1 die Strömungsverteilung der Betriebsmittel in die Endplatten integrieren, was auf die Einstellbarkeit der Kraftaufbringung allerdings keinen Einfluss hat.
Neben einzelner Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen sowie Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch Einsatz finden in Redox-Flow-Batterien.
Es versteht sich, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung, so wie sie in den Figuren dargestellt ist, auch zur Verspannung einer einzelnen Brennstoffzelle oder einer einzelnen Elektrolysezelle verwendet werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Endplatte
2: Zentrierbolzen
3: Druckplatte
4: Isolationsplatte
5: Isolationsrahmen
6: Wiederholeinheiten
7: Stromabnehmerplatte
8: Zuganker
9: Mutter
10: Unterlegscheibe
11: Flachdichtung
12: Einstellschrauben

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19749003 A1 [0002]
DE 4410711 C1 [0003]
DE 19734729 C1 [0004]
WO 2014015846 A1 [0015]

Claims

Vorrichtung zur Verspannung eines Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels (S), wobei der Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel zwei Endplatten (1) umfasst, zwischen denen wenigstens zwei Wiederholeinheiten (6), umfassend Membran-Elektrodeneinheiten und Bipolarplatten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Mittel (1, 3, 8, 9, 10, 12) aufweist zur mechanischen Ausbildung einer unterschiedlichen Druckhöhe und/oder Druckverteilung für den Dichtbereich (11) im Vergleich zu dem aktiven Zellbereich der Wiederholeinheiten (6) des Stapels (S).
Vorrichtung nach vorherigem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Endplatten (1) zur Ausbildung einer Kraft F_Stapel für den Dichtbereich (11) des Stapels (S) Bohrungen für Zuganker (8) als Mittel aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigsten eine der beiden Endplatten (1) zur Ausbildung einer Kraft F_aZ für den aktiven Zellbereich der Wiederholeinheiten (6) des Stapels (S) Gewindebohrungen für Einstellschrauben (12) als Mittel aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche gekennzeichnet durch eine Druckplatte (3) als weiteres Mittel zur Aufbringung der Kraft F_aZ auf den aktiven Zellbereich des Stapels (S).
Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel, umfassend zwei sich gegenüberliegende Endplatten (1), zwischen denen mindestens zwei Wiederholeinheiten (6) umfassend Membran-Elektrodeneinheiten und Bipolarplatten angeordnet sind, welche über die sich gegenüberliegenden Endplatten (1) miteinander zu einem Stapel (S) verspannt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (S) Mittel (1, 3, 8, 9, 10, 12) aufweist zur Ausbildung einer unterschiedlichen Druckhöhe und/oder Druckverteilung für den Dichtbereich (11) im Vergleich zu dem aktiven Zellbereich der Wiederholeinheiten (6) des Stapels (S).
Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel nach dem vorherigem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtung (11) zwischen der Endplatte (1) und einem Isolationsrahmen (5) angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsrahmen (5) eine zentrale Öffnung zur Aufnahme einer Druckplatte (3), optional einer Isolationsplatte (4) und einer Stromabnehmerplatte (7) aufweist.
Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Endplatte (1) und der Druckplatte (3) ein Spalt angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch Zuganker (8) in Bohrungen im Randbereich beider Endplatten (1), die im verspannten Zustand des Stapels (S) ausschließlich auf den Dichtbereich des Stapels (S) Druck ausüben.
Brennstoffzellenstapel oder Elektrolysezellenstapel nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch Einstellschrauben (12) in Bohrungen in der Mitte der Endplatte (1) über der zentralen Öffnung des Isolationsrahmens (5), wobei die Einstellschrauben im verspannten Zustand des Stapels (S) über die Druckplatte (3) und die Stromabnehmerplatte (7) nur auf die Wiederholeinheiten (6) des Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels (S) Druck ausüben.
Verfahren zur Verspannung eines Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels (S), gekennzeichnet durch die Schritte: - Die Wiederholeinheiten (6), umfassend die Membran-Elektrodeneinheiten und Bipolarplatten eines Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels (S) werden ausgewählt und zwischen zwei Endplatten (1) zur Verspannung angeordnet, - es wird mindestens eine Endplatte (1) gewählt mit Mitteln (1, 3, 8, 9, 10, 12) zur mechanischen Ausbildung einer unterschiedlichen Druckhöhe und/oder Druckverteilung für den Dichtbereich (11) im Vergleich zu dem aktiven Zellbereich der Wiederholeinheiten (6) des Stapels (S).
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens ein Zuganker (8, 9, 10) als Mittel gewählt wird, der durch einander entsprechende Bohrungen im Randbereich der zwei sich gegenüberliegenden Endplatten (1) geführt wird und während der Verspannung ausschließlich auf den Dichtbereich des Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels (S) die Kraft F_Stapel ausübt und die Zellen gasdicht miteinander verspannt.
Verfahren nach den vorherigen zwei Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einstellschraube (12) als Mittel gewählt wird, die durch eine Gewindebohrung im zentralen Bereich der Endplatten geführt wird und während der Verspannung über die Druckplatte (3) und die Isolationsplatte (4) und die Stromabnehmerplatte (7) nur auf den aktiven Zellbereich im Bereich der Wiederholeinheiten (6) des Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels (S) die Kraft F_aZ ausübt und die Zellen zur elektrischen Kontaktierung miteinander verspannt.
Verfahren nach einem der vorherigen drei Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden sich gegenüberliegenden Endplatten (1) in einem ersten Schritt zunächst über Zuganker verspannt werden, wobei über Zuganker (8) ausschließlich auf den äußeren Dichtbereich (11) am Rand des Stapels (S) die Kraft F_Stapel ausgeübt wird und sodann in einem zweiten Schritt über Einstellschrauben (12) die Kraft F_aZ ausschließlich auf den inneren aktiven Zellbereich im Bereich der Wiederholeinheiten (6) des Brennstoffzellenstapels oder Elektrolysezellenstapels (S) ausgeübt wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Endplatten und der übrigen Bauteile im Innern des Stapels so bemessen werden, dass die Endplatten den Stapel (S) nur im Bereich der Dichtungen (11) oder des Isolationsrahmen (5) kontaktieren und ein Spalt zwischen der Endplatte (1) und der Druckplatte (3) sowie den übrigen Bauteilen des Stapels den Kontakt verhindert.