DE102021112699A1 - Fuel cell stack with a compression system for the fuel cell stack - Google Patents

Fuel cell stack with a compression system for the fuel cell stack Download PDF

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Siva Sankar Voosani Krishna
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der eine erste und eine zweite Endplatte und zwischen den Endplatten gestapelte Brennstoffzellen sowie ein Kompressionssystem für den Brennstoffzellenstapel umfasst. Das Kompressionssystem umfasst Rückhaltemittel, wobei ein erstes Ende jedes der Rückhaltemittel mit der ersten Endplatte verbunden ist und ein zweites Ende mit der zweiten Endplatte verbunden ist. Weiterhin umfasst das Kompressionssystem Verbindungselemente, die die Verbindung der ersten Enden der Rückhaltemittel mit der ersten Endplatte herstellen. Das Kompressionssystem weist außerdem Einstellelemente auf, die jeweils mit einem der Verbindungselemente verbunden sind und dieses verstellbar an der ersten Endplatte lagern. Dabei sind die Einstellelemente ausgebildet, einen Abstand zwischen den Verbindungselementen und der ersten Endplatte variabel einzustellen, so dass ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Endplatte verstellt wird.The present invention relates to a fuel cell stack comprising first and second end plates and fuel cells stacked between the end plates and a compression system for the fuel cell stack. The compression system includes retention means, each of the retention means having a first end connected to the first endplate and a second end connected to the second endplate. Furthermore, the compression system comprises connecting elements which connect the first ends of the restraining means to the first end plate. The compression system also has adjustment elements, each of which is connected to one of the connection elements and adjustably supports this on the first end plate. The setting elements are designed to variably set a distance between the connecting elements and the first end plate, so that a distance between the first and the second end plate is adjusted.

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der zwei Endplatten und zwischen den Endplatten gestapelte Brennstoffzellen sowie ein Kompressionssystem für den Brennstoffzellenstapel umfasst.The invention relates to a fuel cell stack comprising two end plates and fuel cells stacked between the end plates and a compression system for the fuel cell stack.

Brennstoffzellen dienen der Bereitstellung elektrischer Energie durch Nutzung der chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser. Hierfür umfassen Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Anordnung (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode und Kathode) ist. Die Elektroden enthalten zumeist geträgerte Edelmetalle, insbesondere Platin. Des Weiteren kann die Membran-Elektroden-Anordnung durch Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden ergänzt werden. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Spannungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeld- oder Separatorplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen. Diese Stapelanordnung wird durch Verpressung und anschließende Fixierung montiert.Fuel cells are used to provide electrical energy by using the chemical reaction of a fuel with oxygen to form water. For this purpose, fuel cells include as a core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a structure made of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and a catalytic electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. The electrodes usually contain supported noble metals, in particular platinum. Furthermore, the membrane-electrode arrangement can be supplemented by gas diffusion layers (GDL) on both sides of the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a large number of MEAs arranged in a stack (stack), whose electrical voltages add up. Between the individual membrane-electrode arrangements, bipolar plates (also called flow field or separator plates) are generally arranged, which ensure that the individual cells are supplied with the operating media, ie the reactants, and usually also serve for cooling. In addition, the bipolar plates ensure electrically conductive contact with the membrane electrode assemblies. This stack arrangement is assembled by pressing and subsequent fixing.

Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff (Anodenbetriebsmedium), insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu Protonen H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 → 2 H+ + 2 e-). Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) als Kathodenbetriebsmedium zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet (½ O2 + 2 e- → O2-). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (O2- + 2 H+ → H2O).During operation of the fuel cell, the fuel (anode operating medium), in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode via an open flow field on the anode side of the bipolar plate, where electrochemical oxidation of H 2 to protons H + takes place with the release of electrons (H 2 → 2H + + 2e - ). The protons are transported (water-bound or water-free) from the anode compartment into the cathode compartment via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction compartments from one another in a gas-tight manner and electrically insulates them. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture (e.g. air) is supplied to the cathode as the cathode operating medium via an open flux field on the cathode side of the bipolar plate, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place with the absorption of electrons (½ O 2 + 2 e - → O 2 - ). At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported across the membrane to form water (O 2- + 2 H + → H 2 O).

Somit kommt einer gasdichten Bauweise und Montage eine herausragende Bedeutung zu, um ein Austreten der Betriebsgase zu verhindern. Um dieses zu gewährleisten, wird der Brennstoffzellenstapel, umfassend die Membran-Elektroden-Anordnungen und die zwischen diesen angeordneten Bipolarplatten, mit einem Anpressdruck in Richtung der Stapelrichtung beaufschlagt. Durch einen hinreichenden hohen Anpressdruck auf die Platten und die Bestandteile des Brennstoffzellenstapels können zudem einerseits Unebenheiten teilweise ausgeglichen und andererseits eine Fremdschichtbildung auf den kontaktierenden Flächen eingedämmt werden. Dadurch kann der Kontaktwiederstand gering gehalten werden.A gas-tight design and assembly is therefore of paramount importance in order to prevent the operating gases from escaping. In order to ensure this, the fuel cell stack, comprising the membrane electrode assemblies and the bipolar plates arranged between them, is subjected to a contact pressure in the direction of the stacking direction. A sufficiently high contact pressure on the plates and the components of the fuel cell stack can also partially compensate for unevenness on the one hand and contain foreign layer formation on the contacting surfaces on the other hand. As a result, the contact resistance can be kept low.

Es ist aufgrund der Funktionsweise der Brennstoffzellen und dem damit einhergehenden Einsatz gasförmiger Betriebsmedien ersichtlich, dass der Anforderung an die Dichtheit eines Brennstoffzellenstapels eine erhöhte Bedeutung zukommt. Dies ist bedingt durch die Faktoren Verfügbarkeit, Kosten und Emissionen.Due to the functioning of the fuel cells and the associated use of gaseous operating media, it is evident that the requirement for the tightness of a fuel cell stack is of increased importance. This is due to availability, cost and emissions factors.

Ferner kann die Dichtheit im Laufe des Betriebs und aufgrund von Alterungserscheinungen wie Kriechen beeinträchtigt werden.Furthermore, the tightness can be impaired in the course of operation and due to aging phenomena such as creeping.

Üblicherweise werden zur teilweisen Überwindung der genannten Probleme Kompressionssysteme verwendet, die bei Montage des Brennstoffzellenstapels eine initiale, bewusst überdimensionierte Kompressionskraft auf den Stapel ausüben. Diese initiale Kompressionskraft stellt ein Vielfaches der zu diesem Zeitpunkt notwendigen Kompressionskraft dar, um die alterungsbedingte Stapelverkürzung zu kompensieren.To partially overcome the problems mentioned, compression systems are usually used, which exert an initial, deliberately oversized compression force on the stack when the fuel cell stack is assembled. This initial compression force represents a multiple of the compression force required at this point in time in order to compensate for the aging-related shortening of the stack.

Diese anfänglich übermäßige Kompression und infolgedessen ein zu hoher Anfangsdruck kann jedoch zu einer sogenannten Intrusion der zur Membran-Elektroden-Einheit gehörigen Gasdiffusionsschicht (GDL) in die Kanäle des Flussfeldes der Bipolarplatte führen. Diese Intrusion, also Einwölbung von GDL-Material in die Strömungskanäle, verursacht eine Verringerung der freien Stömungsquerschnitte der Kanäle. Dies ist nachteilig, da damit ein unerwünschter Druckanstieg in den Strömungskanälen und eine Leistungsminderung der Brennstoffzelle einhergeht. Durch den Druckverlust und die inhomogene Verteilung der zugeführten Gase wird der Betrieb der Brennstoffzelle beeinträchtigt. Zusätzlich kann es durch die überhöhte Kompression zu Spannungen in den Schichten des Brennstoffzellenstapels kommen, die schlimmstenfalls in Materialermüdungen und Bruch gipfeln können. Andererseits erhöht ein zu geringer Anpressdruck den Kontaktwiderstand und führt zu Leckagen der Gase, was mit der Zeit zusätzlich durch Kriechen beschleunigt wird.However, this initially excessive compression and consequently an excessively high initial pressure can lead to a so-called intrusion of the gas diffusion layer (GDL) belonging to the membrane-electrode assembly into the channels of the flow field of the bipolar plate. This intrusion, i.e. arching of GDL material into the flow channels, causes a reduction in the free flow cross-sections of the channels. This is disadvantageous because it is accompanied by an undesirable increase in pressure in the flow channels and a reduction in the performance of the fuel cell. The operation of the fuel cell is impaired by the pressure loss and the inhomogeneous distribution of the gases supplied. In addition, the excessive compression can lead to stresses in the layers of the fuel cell stack, which in the worst case can culminate in material fatigue and fracture. On the other hand, too little contact pressure increases the contact resistance and leads to gas leakage, which is additionally accelerated over time by creep.

Vielfach finden weiterhin Kompressionssysteme Anwendung, die sich gurtähnlicher Spannelemente bedienen, die den Brennstoffzellenstapel zumindest teilweise umlaufen. Demzufolge weisen die Spannelemente an den Kanten der den Brennstoffzellenstapel begrenzenden Endplatten Biegungen mit einem Winkel von etwa 90° auf. Dies resultiert in erhöhten Spannungen innerhalb des Biegeradius. Ferner können bedingt durch eine Betriebslast des Stapels weitere Spannungen mit daraus folgenden induzierten Plastizitätseffekten auftreten. Dies führt zu permanenten Verformungen in den Spannelementen und den Endplatten, die eine Verringerung der Kompressionskraft und daher zu potenziellem Versagen der Dichtwirkungen in Bipolarplatten verursachen.Compression systems that use belt-like tensioning elements that at least partially encircle the fuel cell stack are also often used. Accordingly, the tensioning elements have bends at an angle of approximately 90° at the edges of the end plates delimiting the fuel cell stack. This results in increased stresses within the bend radius. Furthermore, due to an operating load of the stack, further stresses with resulting induced plasticity effects can occur. This leads to permanent deformations in the stents and the endplates, causing a reduction in compressive force and therefore potential failure of the sealing effects in bipolar plates.

WO 2018/131330 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel, der Befestigungselemente umfasst, die sich begleitend zur Temperatur erweitern und strecken. Weiterhin umfassen die Befestigungselemente Verschlussteile, die die durch Streckung verursachten Spannungen reduzieren oder freigeben. WO 2018/131330 A1 describes a fuel cell stack that includes fasteners that expand and stretch with temperature. Further, the fasteners include locking members that reduce or release the stresses caused by stretching.

DE 10 2017 206 729 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Der Brennstoffzellenstapel weist eine Spannvorrichtung auf, die als Spannbänder ausgeführte Spannelemente umfasst, die mit Spannplatten verbunden sind. Ferner sind an einer der beiden Spannplatten über Gelenke schwenkbare Heben angeordnet, deren freie Arme an einer Endplatte anliegen und eine Kraft zwischen Endplatte und Spannplatte übertragen. DE 10 2017 206 729 A1 describes a method for operating a fuel cell system. The fuel cell stack has a tensioning device, which comprises tensioning elements designed as tensioning straps, which are connected to tensioning plates. Furthermore, on one of the two clamping plates, pivotable lifting devices are arranged via joints, the free arms of which lie against an end plate and transmit a force between the end plate and the clamping plate.

DE 10 2017 128 861 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel mit einer an einem Stapelende vorgesehenen Flächendruck-Einstelleinheit zur Einstellung eines Stapeldrucks. Die Einstelleinheit verfügt über einen ersten und einen zweiten Elektromagneten, die Druck auf den Stapel ausüben können. DE 10 2017 128 861 A1 describes a fuel cell stack with a surface pressure adjustment unit provided at a stack end for adjusting a stack pressure. The adjustment unit has a first and a second electromagnet that can apply pressure to the stack.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Kompressionssystem für einen Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, das die genannten Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise überwindet. Insbesondere sollte das Kompressionssystem eine gleichmäßige Kompression auf die Endplatten des Brennstoffzellenstapels gewährleisten sowie eine Stützkraft erzeugen, sodass sowohl in den Randbereichen als auch den zentralen Bereichen der Endplatte ein gleichmäßiger Anpressdruck wirkt und ein Durchbiegen der Endplatte gehemmt wird. Weiterhin soll der Anpressdruck während der Lebensdauer und des Betriebs des Brennstoffzellenstapels möglichst konstant erhalten bleiben.The invention is now based on the object of providing a compression system for a fuel cell stack which at least partially overcomes the stated disadvantages of the prior art. In particular, the compression system should ensure uniform compression on the end plates of the fuel cell stack and generate a supporting force so that a uniform contact pressure acts both in the edge areas and in the central areas of the end plate and deflection of the end plate is inhibited. Furthermore, the contact pressure should remain as constant as possible during the service life and operation of the fuel cell stack.

Die Aufgaben werden ganz oder zumindest teilweise durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Insbesondere gewährleistet das Kompressionssystem eine angemessene Anfangskompression des Brennstoffzellenstapel zu Beginn seiner Betriebszeit und hält diese auch bei einer alterungsbedingten Stapelverkürzung aufrecht. Auch fertigungsbedingte Toleranzen in den Abmessungen der einzelnen Bestandteile des Brennstoffzellenstapels, die sowohl für sich genommen als auch kumuliert, nachteilige Auswirkungen haben können, werden durch den erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel entgegengewirkt.The objects are solved entirely or at least partially by a fuel cell stack having the features of the independent claim. Further preferred configurations of the invention result from the remaining features mentioned in the dependent claims. In particular, the compression system ensures an adequate initial compression of the fuel cell stack at the beginning of its service life and also maintains this during an aging-related stack shortening. Production-related tolerances in the dimensions of the individual components of the fuel cell stack, which can have adverse effects both individually and cumulatively, are counteracted by the fuel cell stack according to the invention.

Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel umfasst eine erste und eine zweite Endplatte und zwischen den Endplatten gestapelte Brennstoffzellen sowie ein Kompressionssystem für den Brennstoffzellenstapel. Das Kompressionssystem umfasst Rückhaltemittel, wobei ein erstes Ende jedes der Rückhaltemittel mit der ersten Endplatte verbunden ist und ein zweites Ende mit der zweiten Endplatte verbunden ist. Weiterhin umfasst das Kompressionssystem erste Verbindungselemente, die die Verbindung der ersten Enden der Rückhaltemittel mit der ersten Endplatte herstellen. Das Kompressionssystem weist außerdem erste Einstellelemente auf, die jeweils mit einem der ersten Verbindungselemente verbunden sind und dieses verstellbar an der ersten Endplatte lagern. Dabei sind die ersten Einstellelemente ausgebildet, einen Abstand zwischen den ersten Verbindungselementen und der ersten Endplatte variabel einzustellen, so dass ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Endplatte verstellt wird.The fuel cell stack of the present invention includes first and second end plates and fuel cells stacked between the end plates and a compression system for the fuel cell stack. The compression system includes retention means, each of the retention means having a first end connected to the first endplate and a second end connected to the second endplate. Furthermore, the compression system comprises first connecting elements which connect the first ends of the restraining means to the first end plate. The compression system also has first adjustment elements, each of which is connected to one of the first connection elements and adjustably supports this on the first end plate. The first adjustment elements are designed to variably set a distance between the first connecting elements and the first end plate, so that a distance between the first and the second end plate is adjusted.

Der Alterungsprozess eines Brennstoffzellenstapels wird durch verschiedene Mechanismen geprägt. Unter anderem führt der typische Start-und-Stopp-Betrieb einer Brennstoffzelle, wie er beispielsweise bei einem Auto im Stadtverkehr auftritt, zu einem unterschiedlichen Bedarf an Strom. Daher variiert auch die bei der Stromerzeugung anfallende Menge des Nebenprodukts Wasser. Infolge der Feuchtigkeitsschwankung kommt es zum abwechselnden Quellen und Schrumpfen und dementsprechend zu Formänderungen der Membran. Zusätzlich liegt fortwährend ein Anpressdruck vor, der den Verbund einzelner Brennstoffzellen zusammenhalten und deren Dichtheit gewährleisten soll. Als Folge dieser und anderer Mechanismen zieht sich der Stapel aus Brennstoffzellen zusammen und der Verbund „lockert“ sich. Dieses Phänomen wird auch als „Kriechen“ bezeichnet. Es können Undichtigkeiten resultieren, aufgrund derer Gasmoleküle (Wasserstoff oder Sauerstoff) die ursprünglich gasdichten Dichtungen der Membran-Elektroden-Anordnung passieren und Leckagen auftreten. Dadurch kann Wasserstoff austreten oder auch zur Kathode gelangen. Dies führt zu einer verminderten Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels, erhöhten Betriebskosten durch Verlust von Brennstoff und einer verkürzten Lebensdauer der Brennstoffzellen.The aging process of a fuel cell stack is characterized by different mechanisms. Among other things, the typical start-and-stop operation of a fuel cell, such as that which occurs in a car in city traffic, leads to different electricity requirements. As a result, the amount of water by-product produced during power generation also varies. As a result of humidity fluctuations, the membrane alternately swells and shrinks and, accordingly, changes its shape. In addition, there is a constant contact pressure that is intended to hold the assembly of individual fuel cells together and ensure their tightness. As a result of these and other mechanisms, the stack of fuel cells contracts and the assembly "loosens". This phenomenon is also known as "creep". Leaks can result, as a result of which gas molecules (hydrogen or oxygen) pass through the originally gas-tight seals of the membrane-electrode assembly and leaks occur. This allows water leak out or get to the cathode. This leads to a reduced output power of the fuel cell stack, increased operating costs due to wasted fuel, and a shortened service life of the fuel cells.

Durch das Kriechen und den dadurch bedingten Abfall des Anpressdrucks kann es außerdem zu einem größeren Kontaktwiderstand und zu einem erhöhten ionischen Widerstand in den einzelnen Schichten kommen.Creep and the resulting drop in contact pressure can also lead to greater contact resistance and increased ionic resistance in the individual layers.

Eine weitere Herausforderung stellen die internen Betriebsdrücke der Betriebsgase der Brennstoffzelle dar, die der durch das Kompressionssystem ausgeübten Kompressionskraft entgegenwirken und die einzelnen Brennstoffzellen bzw. deren Bestandteile auseinanderzudrücken. Hierdurch kann es ebenfalls zu Gasleckagen kommen, insbesondere, wenn diesem Mechanismus ein Kriechen vorhergegangen ist, wodurch die anfängliche Kompressionskraft bereits verringert wurde.Another challenge is presented by the internal operating pressures of the fuel cell's operating gases, which counteract the compression force exerted by the compression system and push the individual fuel cells or their components apart. This can also lead to gas leakage, especially if this mechanism has been preceded by creep which has already reduced the initial compression force.

Das erfindungsgemäße Kompressionssystem wirkt diesen Mechanismen entgegen, indem es während der gesamten Lebensdauer den Anpressdruck innerhalb eines (Arbeits-)Bereichs hält, sodass einerseits Leckagen und ein zu großer Kontaktwiderstand weitestgehend vermieden werden und anderseits Anforderungen an eine Begrenzung des Druckabfalls und der mechanischen Stabilität erfüllt werden. Darüber hinaus kann eine anfänglich übermäßige Kompression und infolgedessen zu hoher Anfangsdruck ebenfalls vermieden werden.The compression system according to the invention counteracts these mechanisms by keeping the contact pressure within a (working) range over the entire service life, so that on the one hand leaks and excessive contact resistance are largely avoided and on the other hand requirements for limiting the pressure drop and mechanical stability are met . In addition, an initially excessive compression and consequently too high an initial pressure can also be avoided.

Das erfindungsgemäße Kompressionssystem ist ausgebildet, nach Montage des Brennstoffzellenstapels einen gewünschten Druck auf den Stapel auszuüben und so dessen Dichtheit sicherzustellen. Die ersten Einstellelemente sind ausgebildet, während der gesamten Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels die Auswirkungen des durch den Betrieb resultierenden Innendrucks weitestgehend zu kompensieren. Die ersten Einstellelemente ermöglichen des Weiteren eine Anpassung des Abstands zwischen der ersten und der zweiten Endplatte. Durch die erfindungsgemäße Ausführung der ersten Einstellelemente kann der Abstand zwischen den ersten Verbindungselementen und der ersten Endplatte variabel einstellt werden, so dass ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Endplatte verstellt wird. Infolge einer alterungsbedingten Stapelverkürzung kann die Kompressionskraft, die auf die zwischen den Endplatten gestapelten Brennstoffzellen ausgeübt wird, abnehmen. Eine Beweglichkeit einzelner Brennstoffzellen oder anderer Bestandteile, die zu Undichtigkeiten führt, wird jedoch verhindert, da auf die Stapelverkürzung durch Anpassung des Abstands zwischen der ersten und der zweiten Endplatte stets reagiert werden kann und hierdurch der Anpressdruck bzw. die Kompressionskraft konstant gehalten wird. Dabei dienen die Rückhaltemittel in Verbindung mit den ersten Verbindungselementen als Bezugspunkt, an dem die Kompressionskraft, die über die ersten Einstellelemente auf den Brennstoffzellenstapel wirkt, angreifen kann.The compression system according to the invention is designed to exert a desired pressure on the stack after assembly of the fuel cell stack and thus to ensure its tightness. The first adjustment elements are designed to largely compensate for the effects of the internal pressure resulting from operation over the entire service life of the fuel cell stack. The first adjustment elements also allow the distance between the first and second end plates to be adjusted. The design of the first adjustment elements according to the invention allows the distance between the first connecting elements and the first end plate to be variably adjusted, so that a distance between the first and the second end plate is adjusted. As a result of stack shortening due to aging, the compressive force exerted on the fuel cells stacked between the end plates may decrease. However, mobility of individual fuel cells or other components, which leads to leaks, is prevented since the shortening of the stack can always be reacted to by adjusting the distance between the first and second end plates and the contact pressure or compression force is thereby kept constant. In this case, the retaining means, in conjunction with the first connecting elements, serve as a reference point at which the compressive force, which acts on the fuel cell stack via the first adjustment elements, can act.

Die ersten Verbindungselemente dienen als unbeweglicher Bezugspunkt, von dem ausgehend die ersten Einstellelemente einen Abstand zwischen den ersten Verbindungselementen und der ersten Endplatte variabel einstellen, so dass ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Endplatte verstellt wird.The first connecting elements serve as an immovable reference point, starting from which the first adjusting elements variably set a distance between the first connecting elements and the first end plate, so that a distance between the first and the second end plate is adjusted.

Ferner kann es wie eingangs erläutert aufgrund eines ungleichmäßig verteilten Anpressdrucks und des ebenfalls ungleichmäßig entgegenwirkenden Betriebsdrucks zu Deformationen der Bestandteile des Brennstoffzellenstapels kommen. Derartige Deformation schließen konvexe oder konkave Verbiegungen der Endplatten oder weiterer Bestandteile des Brennstoffzellenstapels ein, während andere Bereiche keine Biegung erfahren. Dies führt zu intern auftretenden Spannungen. Besonders anfällig für derartige Deformationen sind die Randbereiche des Brennstoffzellenstapels, da dort Betriebsmittelhauptkanäle verlaufen, die die gestapelten Brennstoffzellen in Stapelrichtung durchsetzen und der Versorgung der einzelnen Brennstoffzellen dienen. Dementsprechend weisen die End- und Bipolarplatten und Membran-Elektroden-Anordnungen in ihren Randbereichen Öffnungen auf, mittels derer die Zu - und Abfuhr der Betriebsmittel erfolgt. Folglich herrscht in diesen Arealen eine verringerte Stabilität. Es liegt demzufolge keine gleichmäßige Verteilung der wirkenden Anpresskräfte vor. Eine Fokussierung der Krafteinwirkung liegt vermehrt in einem zentralen aktiven Bereich des Brennstoffzellenstapels vor. Durch den Betriebsdruck innerhalb der Betriebsmittelhauptkanäle sowie durch Materialermüdungserscheinungen kann sich diese Inhomogenität der Druckverteilung verstärken. Die seitlichen, gering gestützten oder sogar freitragenden Bereiche und der zentrale sich biegende Bereich üben hohe Spannungen innerhalb der Endplatte und weiteren Bestandteilen des Brennstoffzellenstapels aus, was schlussendlich zum Nachgeben oder Bruch führen kann.Furthermore, as explained at the outset, deformations of the components of the fuel cell stack can occur due to an unevenly distributed contact pressure and the likewise unevenly counteracting operating pressure. Such deformation includes convex or concave deflection of the end plates or other components of the fuel cell stack, while other areas experience no deflection. This leads to internal stresses. The edge regions of the fuel cell stack are particularly susceptible to such deformations, since the main operating ducts run there, which pass through the stacked fuel cells in the direction of the stack and serve to supply the individual fuel cells. Accordingly, the end and bipolar plates and membrane-electrode assemblies have openings in their edge regions, by means of which the supply and removal of the operating resources takes place. Consequently, there is reduced stability in these areas. As a result, there is no uniform distribution of the applied contact forces. The action of force is increasingly concentrated in a central active area of the fuel cell stack. This inhomogeneity in the pressure distribution can increase as a result of the operating pressure within the main ducts of the equipment and signs of material fatigue. The lateral, lightly supported, or even cantilevered areas and the central flexing area exert high stresses within the endplate and other components of the fuel cell stack, which can ultimately lead to yielding or fracture.

Der erfindungsgemäße Brennstoffzellenstapel hemmt das Verbiegen der Endplatte und weiteren Bestandteilen des Brennstoffzellenstapels. Die jeweiligen ersten Einstellelemente an den Rückhaltemitteln können unabhängig voneinander verstellt werden. So kann auf unterschiedliche Kräftegleichgewichte in unterschiedlichen Bereichen des Brennstoffzellenstapels unterschiedlich reagiert werden.The fuel cell stack of the present invention inhibits bending of the end plate and other components of the fuel cell stack. The respective first adjustment elements on the restraining means can be adjusted independently of one another. It is thus possible to react differently to different force balances in different areas of the fuel cell stack.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, bestimmte Randbereiche vermehrt zu stützen und zu stabilisieren, indem innerhalb dieser Randbereiche, die Anzahl der Rückhaltemittel in Verbindung mit den ersten Verbindungselementen sowie ersten Einstellelementen gegenüber anderen Randbereichen des Brennstoffzellenstapels erhöht ist. Hierdurch kann eine gleichmäßige Lastverteilung realisiert werden.Furthermore, there is the possibility of increasing support and stabilization of certain edge regions by increasing the number of restraining means in connection with the first connecting elements and first adjustment elements within these edge regions compared to other edge regions of the fuel cell stack. This enables an even load distribution to be implemented.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kompressionssystem zweite Verbindungselemente umfasst, die die Verbindung der zweiten Enden der Rückhaltemittel mit der zweiten Endplatte herstellen. Das Kompressionssystem weist außerdem zweite Einstellelemente auf, die jeweils mit einem der zweiten Verbindungselemente verbunden sind und dieses verstellbar an der zweiten Endplatte lagern. Dabei sind die zweiten Einstellelemente ausgebildet, einen Abstand zwischen den zweiten Verbindungselementen und der zweiten Endplatte variabel einzustellen, so dass ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Endplatte verstellt wird. Mit anderen Worten können die zweiten Verbindungs- und Einstellelemente in gleicher Weise wie die ersten Verbindungs- und Einstellelemente ausgebildet sein. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Kompressionssystems auf beide Enden des Brennstoffzellenstapels, bieten sich weitere Einstellmöglichkeiten und mehr Flexibilität für die Handhabung ungleichmäßig verteilten Anpressdrucks, drohender Biegung der Brennstoffzellenstapelkomponenten, Anpassung der Steifigkeit des Brennstoffzellenstapels und des Weiteren ein größerer Einstellbereich für den Abstand der ersten und zweiten Endplatte.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the compression system comprises second connecting elements which connect the second ends of the restraining means to the second end plate. The compression system also includes second adjustment members each connected to one of the second link members and adjustably supporting the second link member on the second endplate. The second adjustment elements are designed to variably set a distance between the second connecting elements and the second end plate, so that a distance between the first and the second end plate is adjusted. In other words, the second connecting and adjusting elements can be designed in the same way as the first connecting and adjusting elements. Applying the compression system of the present invention to both ends of the fuel cell stack provides more adjustment and flexibility to manage unevenly distributed downforce, potential flexing of the fuel cell stack components, adjust the stiffness of the fuel cell stack, and also provide a greater range of adjustment for the spacing of the first and second end plates.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Rückhaltemittel steif ausgebildet. Das bedeutet, dass die Rückhaltemittel - anders als die im Stand der Technik bekannten Gurtsysteme - im Wesentlichen selbsttragend, unflexibel und unelastisch sind. Mit anderen Worten ist die Längenänderung bzw. Dehnung der Rückhaltemittel, die durch eine auf diese wirkende Kraft verursacht wird, gegenüber einer Längenänderung des Brennstoffzellenstapels, vernachlässigbar klein. Dadurch können die Rückhaltemittel einen vorteilhaften Widerstand bereitstellen, der als Angriffspunkt für die ersten und/oder zweiten Einstellelemente in Verbindung mit den ersten und/oder zweiten Verbindungselementen wirkt, sodass die Rückhaltemittel bei entsprechend hohen Drück nicht nachgeben, sondern eine Gegenkraft erzeugen, die zur Aufrechterhaltung des (gewünschten) Abstands der ersten und zweiten Endplatte dient. Insbesondere sind die Rückhaltemittel aus Stahl oder Aluminium gefertigt.According to a preferred embodiment of the invention, the restraining means are rigid. This means that the restraining means - unlike the belt systems known in the prior art - are essentially self-supporting, inflexible and inelastic. In other words, the change in length or expansion of the restraining means, which is caused by a force acting on them, is negligibly small compared to a change in length of the fuel cell stack. As a result, the restraining means can provide an advantageous resistance, which acts as a point of application for the first and/or second adjusting elements in conjunction with the first and/or second connecting elements, so that the restraining means do not give way at correspondingly high pressures, but instead generate a counterforce that is used to maintain of the (desired) spacing of the first and second endplates. In particular, the restraining means are made of steel or aluminum.

Es kann mit Vorteil vorgesehen sein, dass die Rückhaltemittel leistenförmig und im Wesentlichen biegefrei ausgebildet sind. Durch die leistenförmige Form können die Rückhaltemittel insbesondere besonders einfach mit den senkrecht zur Stapelrichtung weisenden Seitenflächen der Endplatten bzw. der ersten und/oder zweiten Verbindungselemente verbunden werden. Dadurch, dass die Rückhaltemittel biegefrei sind, treten keine gebogenen Schwachstellen innerhalb der Rückhaltemittel auf, die besonders anfällig für druckbedingte Spannungen und Verformungen sind.Provision can advantageously be made for the restraining means to be in the form of strips and essentially non-flexing. Due to the strip-like shape, the retaining means can be connected in a particularly simple manner to the side surfaces of the end plates or the first and/or second connecting elements pointing perpendicularly to the stacking direction. Due to the fact that the restraining means are free of bending, there are no curved weak points within the restraining means, which are particularly susceptible to stresses and deformations caused by pressure.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die ersten und/oder zweiten Einstellelemente als Justierbolzen oder Spannelemente ausgebildet. Hierdurch ergibt sich eine besonders einfache Möglichkeit, den Abstand zwischen den ersten und/oder zweiten Verbindungselementen und der ersten Endplatte variabel einzustellen, so dass ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Endplatte verstellt wird.In a further preferred embodiment of the invention, the first and/or second adjusting elements are designed as adjusting bolts or clamping elements. This results in a particularly simple possibility of variably setting the distance between the first and/or second connecting elements and the first end plate, so that a distance between the first and the second end plate is adjusted.

In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfassen die ersten und/oder zweiten Einstellelemente Schraubelemente, die über eine Schraubverbindung mit den ersten und/oder zweiten Verbindungselementen verbunden sind. Dies ermöglicht eine genaue und stufenlose Anpassung des Abstands zwischen den ersten und/oder zweiten Verbindungselementen und der ersten und/oder zweiten Endplatte und ist konstruktiv einfach anzuwenden.In an alternative preferred embodiment of the invention, the first and/or second adjustment elements comprise screw elements which are connected to the first and/or second connection elements via a screw connection. This enables a precise and stepless adjustment of the distance between the first and/or second connecting elements and the first and/or second end plate and is structurally simple to use.

Die Verbindung der Justierbolzen oder Schraubelemente mit den ersten und/oder zweiten Verbindungselementen erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines zu den Justierbolzen oder Schraubelementen passenden Gewindes. Die ersten und/oder zweiten Verbindungselemente dienen als unbeweglicher Bezugspunkt, von dem ausgehend die Justierbolzen oder Schraubelemente einen Abstand zwischen den ersten und/oder zweiten Verbindungselementen und der ersten und/oder zweiten Endplatte variabel einstellen, so dass ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Endplatte verstellt wird.The adjustment bolts or screw elements are preferably connected to the first and/or second connection elements with the aid of a thread that matches the adjustment bolts or screw elements. The first and/or second connecting elements serve as an immovable reference point, from which the adjusting bolts or screw elements variably set a distance between the first and/or second connecting elements and the first and/or second end plate, so that a distance between the first and the second end plate is adjusted.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kontaktiert ein der ersten Endplatte zugewandtes Ende der ersten Einstellelemente und/oder ein der zweiten Endplatte zugewandtes Ende der zweiten Einstellelemente diese dauerhaft. Dadurch kann bei jedem Zustand des Brennstoffzellenstapels ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Endplatte verstellt werden, sodass zu jedem Zeitpunkt den eingangs erläuterten mechanischen und prozessualen Problemen entgegengewirkt werden kannAccording to a preferred embodiment of the invention, an end of the first adjustment element facing the first end plate and/or an end of the second adjustment element facing the second end plate makes permanent contact with the latter. As a result, a distance between the first and the second end plate can be adjusted in any state of the fuel cell stack, so that the mechanical and procedural problems explained at the outset can be counteracted at any time

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten und/oder zweiten Enden der Rückhaltemittel mit den Seitenflächen der ersten und/oder zweiten Endplatte und/oder mit den ersten und/oder zweiten Einstellelementen durch eine formschlüssige Verbindung verbunden sind. Dadurch ist ein einfacher, schonender Zusammenbau der empfindlichen Komponenten möglich, wobei eine stabile Verbindung trotz verschieden gerichteter auftretender Kräfte gewährleistet werden kann.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the first and/or second ends of the restraining means are connected to the side faces Chen the first and / or second end plate and / or are connected to the first and / or second adjustment elements by a positive connection. As a result, a simple, gentle assembly of the sensitive components is possible, with a stable connection being able to be guaranteed despite the forces occurring in different directions.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die formschlüssige Verbindung durch eine Bolzen-, Niet- oder Schraubverbindung ausgeführt ist. Diese stellen besonders einfache und beständige Möglichkeiten zu Erzeugung der Verbindung dar.In a preferred embodiment of the invention it is provided that the form-fitting connection is implemented by a bolt, rivet or screw connection. These represent particularly simple and consistent ways of creating the connection.

Insbesondere ist die formschlüssige Verbindung durch Vorsprünge und zu den Vorsprüngen komplementäre Ausnehmung ausgeführt, prinzipiell ähnlich einer Nut-Feder-Verbindung. Dabei können die Ausnehmungen auf den ersten und/oder zweiten Enden der Rückhaltemittel angeordnet sind und zur Aufnahme von Vorsprüngen dienen, die auf den Seitenflächen der ersten und/oder zweiten Endplatte und/oder der ersten und/oder zweiten Verbindungselemente angeordnet sind. Alternative Ausführungen sind ebenfalls möglich. Beispielsweise können die Ausnehmungen auf den Seitenflächen der ersten und/oder zweiten Endplatte und/oder der ersten und/oder zweiten Verbindungselemente und die Vorsprünge auf den ersten und/oder zweiten Enden der Rückhaltemittel angeordnet sein.In particular, the form-fitting connection is implemented by projections and recesses complementary to the projections, in principle similar to a tongue and groove connection. The recesses can be arranged on the first and/or second ends of the retaining means and serve to receive projections which are arranged on the side surfaces of the first and/or second end plate and/or the first and/or second connecting elements. Alternative designs are also possible. For example, the recesses can be arranged on the side surfaces of the first and/or second end plate and/or the first and/or second connecting elements and the projections can be arranged on the first and/or second ends of the retaining means.

Hinsichtlich der Formgestaltung können die Vorsprünge beispielsweise eine kreisförmige, rechteckige oder sternförmige Querschnittsfläche aufweisen und die Ausnehmungen eine hierzu komplementäre Aussparung.With regard to the shape, the projections can have a circular, rectangular or star-shaped cross-sectional area, for example, and the recesses can have a recess complementary thereto.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die ersten und/oder zweiten Einstellelemente in Abhängigkeit eines Anpressdrucks betätigt. Der Anpressdruck kann durch ein Model, das von den aktuellen Betriebsparametern und Zustandsgrößen wie beispielsweise der Temperatur und Alter abhängig ist, berechnet werden. Alternativ kann der Brennstoffzellenstapel Drucksensoren umfassen, die zwischen Komponenten wie an den Endplatten angeordnet sind. Diese ermitteln einen aktuellen Anpressdruck. Dieser kann entweder ausgegeben werden und als Hinweis für eine manuelle Betätigung der ersten und/oder zweiten Einstellelemente dienen oder auch an ein Steuermodul übermittelt werden, das eine selbsttätige Stellvorrichtung anspricht, die entsprechend dem Signal eine Anpassung der ersten und/oder zweiten Einstellelemente vornimmt. Besonders bevorzugt werden an verschiedenen Stellen herrschende, lokale Anpressdrücke verwendet, wodurch eine örtlich voneinander unabhängige Einstellung der ersten und/oder zweiten Einstellelemente vorgenommen werden kann, sodass Ungleichmäßigkeiten ausgeglichen werden können.In a further preferred embodiment of the invention, the first and/or second adjustment elements are actuated as a function of a contact pressure. The contact pressure can be calculated using a model that depends on the current operating parameters and state variables such as temperature and age. Alternatively, the fuel cell stack may include pressure sensors located between components such as on the end plates. These determine a current contact pressure. This can either be output and serve as an indication for manual actuation of the first and/or second setting elements or it can also be transmitted to a control module that responds to an automatic adjusting device that adjusts the first and/or second setting elements according to the signal. Local contact pressures that prevail at different points are particularly preferably used, as a result of which the first and/or second setting elements can be adjusted locally independently of one another, so that irregularities can be compensated for.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Unless stated otherwise in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

  • 1 einen schematischen Brennstoffzellenstapel mit Kompressionssystem gemäß Stand der Technik in perspektivischer Ansicht;
  • 2 einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel mit Kompressionssystem gemäß einer Ausführung der Erfindung in Seitenansicht;
  • 3 eine Ansicht der Unterseite der ersten Endplatte eines Kompressionssystems gemäß der in 2 dargestellten Ausführung der Erfindung;
  • 4a eine Seitenansicht eines Ausschnitts des Kompressionssystems in einer zweiten Position gemäß der in 2 dargestellten Ausführung der Erfindung;
  • 4b eine Seitenansicht eines Ausschnitts des Kompressionssystems in einer ersten Position gemäß der in 2 dargestellten Ausführung der Erfindung.
The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the associated drawings. Show it:
  • 1 a schematic fuel cell stack with compression system according to the prior art in a perspective view;
  • 2 a fuel cell stack according to the invention with compression system according to an embodiment of the invention in side view;
  • 3 a view of the underside of the first end plate of a compression system according to FIG 2 illustrated embodiment of the invention;
  • 4a a side view of a section of the compression system in a second position according to FIG 2 illustrated embodiment of the invention;
  • 4b a side view of a section of the compression system in a first position according to FIG 2 illustrated embodiment of the invention.

1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellenstapels 100' gemäß dem Stand der Technik. Der insgesamt mit 100' bezeichnete Brennstoffzellenstapel wird durch eine nicht dargestellte Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter Einzelzellen gebildet, deren elektrische Spannungen sich addieren. Diese Stapelanordnung wird durch Verpressung und anschließende Fixierung montiert. Dazu dienen Spanngurte 110', die in 1 in Form von Rückhaltebändern oder Spannbändern ausgeführt sind. Sie stellen jeweils eine Verbindung zwischen den Endplatten her und verlaufen darüber hinaus normalerweise vollumfänglich um den Brennstoffzellenstapel 100'. Durch die Kompression des Brennstoffzellenstapels entsteht ein Anpressdruck auf die einzelnen Brennstoffzellen und deren Bestandteile. Durch den Anpressdruck resultieren wirken Kräfte Fx und Fy auf den Brennstoffzellenstapel 100'. Je nach Verhältnis der beiden Kräfte zueinander erzeugen sie eine resultierende Kraft. Diese wirkt insbesondere an den Stellen des Brennstoffzellenstapels 100', an denen die Spanngurte 110' einen 90°-Winkel aufweisen. Somit können sie unter anderem eine erhöhte Beanspruchung des Brennstoffzellenstapels 100' an diesen stellen verursachen sowie eine Biegung hervorrufen. Auch die Spanngurte 110' selbst sind an diesen Stellen Spannungen unterworfen, die sich nachteilig auf die Spanngurte 110' auswirken können. 1 shows a schematic diagram of a fuel cell stack 100 'according to the prior art. The fuel cell stack, denoted overall by 100', is formed by a multiplicity of individual cells (not shown) arranged in a stack and whose electrical voltages add up. This stack arrangement is assembled by pressing and subsequent fixing. Tension belts 110', which are used in 1 are designed in the form of restraint straps or tension straps. They each establish a connection between the end plates and, moreover, normally run completely around the fuel cell stack 100'. The compression of the fuel cell stack creates a contact pressure on the individual fuel cells and their components. Forces F x and F y act on the fuel cell stack 100 ′ as a result of the contact pressure. Depending on the relationship between the two forces, they generate a resultant force. This acts in particular at the points of the fuel cell stack 100' at which the tension belts 110' have a 90° angle. Thus, among other things, they can cause increased stress on the fuel cell stack 100′ at these points and cause bending. The tension belts 110 'even are subjected to tension at these points that can have an adverse effect on the tension belts 110'.

2 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 100 in Seitenansicht gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der insgesamt mit 100 bezeichnete Brennstoffzellenstapel wird durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter Einzelzellen gebildet, deren elektrische Spannungen sich addieren. Jede der Einzelzellen weist jeweils eine eingangs erwähnte Membran-Elektroden-Anordnung 140 auf, die ein Gefüge aus einer in 1 nicht gezeigten Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten katalytischen Elektrode (Anode 150 und Kathode 160) ist. Die MEA 140 kann des Weiteren durch Gasdiffusionslagen (GDL), die beidseitig an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sind, ergänzt werden, was in 2 jedoch nicht darstellt ist. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Anordnungen befinden sich Bipolarplatten 170, welche eine Versorgung der MEA 140 mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. An beiden Endseiten des Brennstoffzellenstapels 100 ist jeweils eine Endplatte angeordnet, nämlich eine erste Endplatte 110 und eine zweite Endplatte 120, sodass sich die Stapelanordnung der Einzelzellen zwischen beiden Endplatten 110, 120 befindet. Die einzelnen Brennstoffzellen werden über in 2 nicht dargestellte bzw. nicht sichtbare Betriebsmittelhauptkanäle mit den Betriebsmedien und Kühlmitteln versorgt. Die Betriebsmittelhauptkanäle befinden sich an den seitlichen Bereichen des Brennstoffzellenstapels und durchsetzen diesen in Stapelrichtung. 2 10 shows a side view of a fuel cell stack 100 according to an embodiment of the present invention. The fuel cell stack, denoted overall by 100, is formed by a multiplicity of individual cells arranged in a stack (stack), whose electrical voltages add up. Each of the individual cells has a membrane electrode assembly 140 as mentioned at the outset, which is a structure made of an in 1 membrane, not shown, and a catalytic electrode (anode 150 and cathode 160) arranged on both sides of the membrane. The MEA 140 can also be supplemented by gas diffusion layers (GDL), which are arranged on both sides of the electrodes facing away from the membrane, which is shown in 2 however, is not shown. Between the individual membrane-electrode arrangements there are bipolar plates 170, which ensure that the MEA 140 is supplied with the operating media, ie the reactants, and usually also serve for cooling. An end plate is arranged on both end sides of the fuel cell stack 100, namely a first end plate 110 and a second end plate 120, so that the stack arrangement of the individual cells is located between the two end plates 110, 120. The individual fuel cells are 2 Not shown or not visible main equipment ducts supplied with the operating media and coolants. The main ducts for operating materials are located on the side areas of the fuel cell stack and pass through it in the direction of the stack.

Zur Kompression des Brennstoffzellenstapels 100 weist das System ferner ein insgesamt mit 200 bezeichnetes Kompressionssystem auf.For the purpose of compressing the fuel cell stack 100 , the system also has a compression system, denoted overall by 200 .

Das Kompressionssystem 200 umfasst Rückhaltemittel 210, wobei ein erstes Ende 212 jedes der Rückhaltemittel 210 mit der ersten Endplatte 110 verbunden ist und ein zweites Ende 213 mit der zweiten Endplatte 120 verbunden ist. Die Rückhaltemittel 210 sind leistenförmig ausgeführt und derartig ausgebildet, dass sie keinerlei Bereiche mit Biegungen und ähnlichem aufweisen. Darüber hinaus handelt es sich um steife und starre Rückhaltemittel 210, die im Wesentlich unelastisch und unflexibel sind und gegenüber dem Brennstoffzellenstapel 100 an sich eine vernachlässigbar geringe Dehnung unter Last erfahren. Des Weiteren sind an der ersten Endplatte 110 erste Verbindungselemente 220 angeordnet, die die Verbindung der ersten Enden 212 der Rückhaltemittel 210 mit der ersten Endplatte 110 herstellen. Diese Verbindung erfolgt durch Vorsprünge 221 in Form von Stiften, die auf den ersten Verbindungselementen 220 angeordnet sind sowie Ausnehmung 211 in Form von Löchern, wobei die Stifte 221 und Löcher 211 komplementär zu einander ausgeführt sind und durch Ineinandergreifen eine formschlüssige Verbindung bilden. Die gleiche Form der Verbindung wird für die zweiten Enden 213 der Rückhaltemittel 210 mit der zweiten Endplatte 120 angewendet, wobei an dieser Stelle die Verbindung zwischen Rückhaltemittel 210 und zweiter Endplatte 120 direkt erfolgt. Durch ein derart gestaltete Verbindung und die leistenförmigen Rückhaltemittel 210 liegen diese flach und bündig auf der in 2 dargestellten Seite des Brennstoffzellenstapels 100 an. Hierdurch können Biegungen, die beispielsweise in dem Fall auftreten, dass die Rückhaltemittel an den Oberseiten der ersten und zweiten Endplatte 110, 120 befestigt werden, vermieden werden. Diese biegebehaftete, nachteilige Verbindungsart ist üblicherweise die gängige Verbindungsart im Stand der Technik, wie auch 1 zeigt. Gemäß der in 2 dargestellten Ausführung der Erfindung weisen die ersten Verbindungselemente 220 eine Anschlagfläche 222 auf. Diese Anschlagfläche 222 begrenzt einen maximalen Abstand zwischen der ersten und der zweiten Endplatte 110, 120. Durch die formschlüssige Verbindung von ersten Verbindungselementen 220 und dem ersten Ende 212 der Rückhaltemittel 210 sind diese beiden Komponenten relativ zueinander unbeweglich. Dementsprechend definieren sie einen Abstand, der durch die Anschlagfläche 222 der ersten Verbindungselemente 220, die entlang der Stapelrichtung der ersten Endplatte 110 zugewandt ist, auch dem maximal möglichen Abstand zwischen erster und zweiter Endplatte 110, 120 entspricht. Beide Endplatten können sich ab diesem Punkt nicht weiter voneinander entfernen. Darüber hinaus umfasst das Kompressionssystem 200 ersten Einstellelemente 230, die jeweils mit einem der ersten Verbindungselemente 220 verbunden sind. Durch die ersten Einstellelemente 230 werden die ersten Verbindungselemente 220 verstellbar an der ersten Endplatte 110 gelagert. Die ersten Einstellelemente 230 sind ausgebildet, einen Abstand zwischen den ersten Verbindungselementen 220 und der ersten Endplatte 110 variabel einzustellen, so dass ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Endplatte 110, 120 verstellt wird. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführung der Erfindung finden als ersten Einstellelemente 230 Justierbolzen oder Schrauben in paarweise Form bei jedem der Verbindungselemente 220 Verwendung. Die ersten Einstellelemente 230 wirken in Zusammenspiel mit einem geeigneten Gewinde, dass in den ersten Verbindungselementen 220 aufgebracht ist und sich entlang der Stapelrichtung durch die ersten Verbindungselemente 220 erstreckt. Die ersten Einstellelemente 230 bewegen sich relativ zu den ersten Verbindungselementen 220 zwischen eine zurückgezogenen und einer ausgefahrenen Position entlang der Stapelrichtung und kontaktieren die den ersten Verbindungselementen 220 zugewandte Oberfläche der ersten Endplatte 110.The compression system 200 includes restraining means 210 wherein a first end 212 of each of the restraining means 210 is connected to the first endplate 110 and a second end 213 is connected to the second endplate 120 . The retaining means 210 are strip-shaped and designed in such a way that they do not have any areas with bends and the like. In addition, the restraining means 210 are stiff and rigid, which are essentially inelastic and inflexible and, compared to the fuel cell stack 100 per se, experience a negligible amount of stretching under load. Furthermore, first connecting elements 220 are arranged on the first end plate 110 and connect the first ends 212 of the restraining means 210 to the first end plate 110 . This connection takes place by means of projections 221 in the form of pins, which are arranged on the first connecting elements 220, and recesses 211 in the form of holes, the pins 221 and holes 211 being complementary to one another and forming a positive connection by interlocking. The same form of connection is used for the second ends 213 of the restraining means 210 with the second end plate 120, at which point the connection between the restraining means 210 and the second end plate 120 is direct. With a connection designed in this way and the strip-shaped retaining means 210, these lie flat and flush on the in 2 illustrated side of the fuel cell stack 100 . Hereby, bending, which occurs for example in the case that the retaining means are attached to the tops of the first and second end plates 110, 120, can be avoided. This flexing, disadvantageous type of connection is usually the common type of connection in the prior art, as well 1 indicates. According to the 2 illustrated embodiment of the invention, the first connecting elements 220 have a stop surface 222. This stop surface 222 limits a maximum distance between the first and the second end plate 110, 120. Due to the positive connection of the first connecting elements 220 and the first end 212 of the restraining means 210, these two components are immovable relative to one another. Accordingly, they define a distance that also corresponds to the maximum possible distance between the first and second end plates 110, 120 through the stop surface 222 of the first connecting elements 220, which faces the first end plate 110 along the stacking direction. Both end plates cannot move further apart from this point. In addition, the compression system 200 includes first adjustment elements 230 which are each connected to one of the first connecting elements 220 . The first connecting elements 220 are adjustably mounted on the first end plate 110 by the first adjusting elements 230 . The first adjusting elements 230 are designed to variably adjust a distance between the first connecting elements 220 and the first end plate 110, so that a distance between the first and second end plates 110, 120 is adjusted. According to the 1 illustrated embodiment of the invention are used as the first adjusting elements 230 adjusting bolts or screws in pairs in each of the connecting elements 220. The first adjustment elements 230 act in cooperation with a suitable thread that is formed in the first connection elements 220 and extends through the first connection elements 220 along the stacking direction. The first adjusting members 230 move relative to the first connecting members 220 between a retracted and an extended position along the stacking direction and contact the surface of the first endplate 110 facing the first connecting members 220.

3 zeigt eine Ansicht der Unterseite der ersten Endplatte eines Kompressionssystems gemäß der in 2 dargestellten Ausführung der Erfindung. Die ersten Einstellelemente 230, die hier in Form von Schrauben oder Justierbolzen ausgeführt sind, sind derart angeordnet, dass ihre Mittelachse entlang der Stapelrichtung verläuft, sodass eine rotatorische Schraubbewegung um diese Achse, in einer Bewegungsrichtung der ersten Einstellelemente 230 entlang der Stapelrichtung relativ zu den ersten Verbindungselementen 220 verläuft. Dadurch kann der Abstand der ersten und der zweiten Endplatte 110, 120 zueinander variabel eingestellt werden, da die Verbindung der ersten Verbindungselemente 220 mit den Rückhaltemitteln 210 als fester Bezugspunkt dient. 3 shows a view of the underside of the first end plate of a compression system according to FIG 2 illustrated embodiment of the invention. The first adjustment elements 230, which are embodied here in the form of screws or adjusting bolts, are arranged in such a way that their central axis runs along the stacking direction, so that a rotational screwing movement about this axis in a direction of movement of the first adjustment elements 230 along the stacking direction relative to the first Connecting elements 220 runs. This allows the distance between the first and second end plates 110, 120 to be variably adjusted, since the connection of the first connecting elements 220 to the restraining means 210 serves as a fixed reference point.

Die 4a und 4b zeigen eine Seitenansicht des Kompressionssystem in einer ersten (4b) und in einer zweiten (4a) Position gemäß der in 2 dargestellten Ausführung der Erfindung. Beide Figuren zeigen jeweils einen Ausschnitt des Brennstoffzellenstapels 100. Dieses Ausschnitt umfasst die erste und zweite Endplatte 110, 120 und ein exemplarisches Rückhaltemittel 210, wobei ein erstes Ende 212 jedes der Rückhaltemittel 210 mit der ersten Endplatte 110 verbunden ist und ein zweites Ende 213 mit der zweiten Endplatte 120 verbunden ist. Die zwischen den Endplatten gestapelten Brennstoffzellen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Es soll die Wirkungsweise des Kompressionssystems 200 erläutert werden. Der weitere Aufbau umfassend die ersten Verbindungselemente 220, die ersten Einstellelemente 230 und deren gegenseitig Anbringung und Verbindung sowie in Zusammenspiel mit den Endplatten gleicht dem eingangs hinsichtlich 2 beschriebenen.the 4a and 4b show a side view of the compression system in a first ( 4b) and in a second ( 4a) position according to the in 2 illustrated embodiment of the invention. Both figures each show a section of fuel cell stack 100. This section includes the first and second end plates 110, 120 and an exemplary restraining means 210, with a first end 212 of each of the restraining means 210 being connected to the first end plate 110 and a second end 213 being connected to the second end plate 120 is connected. The fuel cells stacked between the end plates are not shown for clarity. The mode of operation of the compression system 200 is to be explained. The further structure comprising the first connecting elements 220, the first adjustment elements 230 and their mutual attachment and connection as well as in interaction with the end plates is the same as at the beginning with regard to 2 described.

4b zeigt eine erste Position, die eine Ausgangsposition nach Montage bzw. vor Betrieb des Brennstoffzellenstapels 100 darstellt, wobei anzumerken ist, dass diese auch einer anderen Situation entsprechen kann und nicht auf diesen Fall beschränkt ist. Das erste Verbindungselement 220 ist derart angeordnet, dass seine Anschlagfläche 222 bündig an der ersten Endplatte 110 anliegt. Die formschlüssige Verbindung der Rückhaltemittel 210 mit den ersten Verbindungselementen 220 verhindert eine Bewegung der ersten Verbindungselemente 220 entlang der Stapelrichtung. Somit ist auch eine Vergrößerung des Abstands beispielsweise in Folge erhöhten Innendrucks der Brennstoffzellen durch deren Betrieb aufgrund des Kontakts zwischen erster Endplatte 110 und Anschlagfläche 222 der ersten Verbindungselemente 220 unterbunden, sodass die Dichtheit gewährleistet ist. 4b 12 shows a first position, which represents an initial position after assembly or before operation of the fuel cell stack 100, it being noted that this can also correspond to a different situation and is not limited to this case. The first connecting element 220 is arranged in such a way that its stop surface 222 rests flush against the first end plate 110 . The positive connection of the retaining means 210 to the first connecting elements 220 prevents movement of the first connecting elements 220 along the stacking direction. This also prevents the distance from increasing, for example as a result of increased internal pressure of the fuel cells during operation, due to the contact between first end plate 110 and stop surface 222 of first connecting elements 220, so that tightness is ensured.

Tritt auf Grund von Alterungserscheinungen wie Kriechen oder anderer eingangs beschriebener Aspekte eine Stapelverkürzung auf, würde der auf den Brennstoffzellenstapel 100 wirkende Anpressdruck abnehmen, was undichte Stellen zur Folge haben könnte. Diese Situation, der jedoch durch das Kompressionssystem 200 begegnet wird, zeigt 4a. Es wird deutlich, dass eine Stapelverkürzung aufgetreten ist. Durch das Kompressionssystem 200 kann dieser Stapelverkürzung Rechnung getragen werden, indem die ersten Einstellelemente 230 derartig in eine rotatorische Schraubbewegung versetzte werden, dass sie eine bezüglich der ersten Verbindungselemente 220 in Stapelrichtung verlaufenden relative Bewegung ausführen. Diese Bewegung ist ausgebildet, der ersten Endplatte 110 zu folgen, sodass stets ein Kontakt zwischen den ersten Einstellelementen 230 und der den ersten Verbindungselementen 200 zugewandten Oberfläche der ersten Endplatte 110 aufrecht erhalten wird. Durch den fixen Bezugspunkt, der durch die formschlüssige Verbindung aus Rückhaltemitteln 210 und ersten Verbindungselementen 220 gebildet wird, dient diese Verbindung als Angriffspunkt, der einen notwendigen Anpressdruck durch die ersten Einstellelemente 230, die an diesem Punkt durch die formschlüssige Gewindeverbindung angreifen, bereitstellt. Die Anschlagfläche 222 der ersten Verbindungselemente 220 liegt demzufolge auch nicht mehr an der Oberfläche der ersten Endplatte 110 an. Durch die steifen und unelastischen Rückhaltemittel 210 kann ein vorteilhafter unveränderlicher Angriffspunkt erhalten werden. Dadurch nimmt die auf den Brennstoffzellenstapel wirkende Kompression nicht ab und es können undichte Stellen verhindert werden. Analog kann so einer Biegung der Endplatten 110, 120 oder anderer Bestandteile des Brennstoffzellenstapels 100 entgegengewirkt werden, da insbesondere eine unabhängige Anpassung jeder der Anordnungen aus je einem Rückhaltemittel 210, einem ersten Verbindungselement 220 und einem ersten Einstellelement 230 vorgenommen werden kann. Weiterhin weisen die leistenförmigen Rückhaltemittel 210 keinerlei Biegung auf, sodass für Spannungen und Verformungen anfällige Bereiche vermieden werden.If the stack shortens due to aging phenomena such as creeping or other aspects described above, the contact pressure acting on the fuel cell stack 100 would decrease, which could result in leaks. This situation, however, is addressed by the compression system 200 4a . It becomes clear that stack truncation has occurred. This shortening of the stack can be taken into account by the compression system 200 in that the first adjustment elements 230 are set into a rotary screw movement in such a way that they execute a relative movement running in the stacking direction with respect to the first connecting elements 220 . This movement is designed to follow the first end plate 110 so that contact between the first adjusting elements 230 and the surface of the first end plate 110 facing the first connecting elements 200 is always maintained. Due to the fixed reference point, which is formed by the form-fitting connection of restraining means 210 and first connecting elements 220, this connection serves as a point of application that provides the necessary contact pressure through the first adjustment elements 230, which act at this point through the form-fitting threaded connection. The stop surface 222 of the first connecting elements 220 consequently no longer rests on the surface of the first end plate 110 either. Due to the rigid and inelastic restraining means 210, an advantageous unchangeable point of application can be obtained. As a result, the compression acting on the fuel cell stack does not decrease and leaks can be prevented. Analogously, bending of the end plates 110, 120 or other components of the fuel cell stack 100 can be counteracted in this way, since in particular an independent adjustment of each of the arrangements consisting of a retaining means 210, a first connecting element 220 and a first adjusting element 230 can be carried out. Furthermore, the strip-shaped retaining means 210 do not have any bends, so that areas susceptible to stresses and deformations are avoided.

BezugszeichenlisteReference List

100'100'
Brennstoffzellenstapel gemäß Stand der TechnikState of the art fuel cell stack
110'110'
Spanngurteratchet straps
100100
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
110110
erste Endplattefirst endplate
120120
zweite Endplattesecond endplate
130130
Seitenfläche der Endplatteside surface of the end plate
140140
Membran-Elektroden-Anordnungmembrane electrode assembly
150150
Anodeanode
160160
Kathodecathode
170170
Bipolarplattebipolar plate
200200
Kompressionssystemcompression system
210210
Rückhaltemittelmeans of restraint
211211
Ausnehmungrecess
212212
erstes Ende der Rückhaltemittelfirst end of the restraining means
213213
zweites Ende der Rückhaltemittelsecond end of the restraining means
220220
erstes Verbindungselementfirst connector
221221
Vorsprunghead Start
222222
Anschlagflächestop surface
230230
erstes Einstellelementfirst setting

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 2018/131330 A1 [0010]WO 2018/131330 A1 [0010]
  • DE 102017206729 A1 [0011]DE 102017206729 A1 [0011]
  • DE 102017128861 A1 [0012]DE 102017128861 A1 [0012]

Claims (10)

Brennstoffzellenstapel (100) umfassend eine erste und eine zweite Endplatte (110, 120) und zwischen den Endplatten gestapelte Brennstoffzellen, und ein Kompressionssystem (200) für den Brennstoffzellenstapel (100), wobei das Kompressionssystem (200) umfasst: Rückhaltemittel (210), wobei ein erstes Ende (212) jedes der Rückhaltemittel (210) mit der ersten Endplatte (110) verbunden ist und ein zweites Ende (213) mit der zweiten Endplatte (120 verbunden ist, erste Verbindungselemente (220), die die Verbindung der ersten Enden (212) der Rückhaltemittel (210) mit der ersten Endplatte (110) herstellen, erste Einstellelemente (230), die jeweils mit einem der ersten Verbindungselemente (220) verbunden sind und dieses verstellbar an der ersten Endplatte (110) lagern, wobei die ersten Einstellelemente (230) ausgebildet sind, einen Abstand zwischen den ersten Verbindungselementen (220) und der ersten Endplatte (110) variabel einzustellen, so dass ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Endplatte (110, 120) verstellt wird.A fuel cell stack (100) comprising first and second end plates (110, 120) and fuel cells stacked between the end plates, and a compression system (200) for the fuel cell stack (100), the compression system (200) comprising: Retaining means (210), wherein a first end (212) of each of the retaining means (210) is connected to the first endplate (110) and a second end (213) is connected to the second endplate (120), first connecting elements (220) connecting the first ends (212) of the retaining means (210) to the first end plate (110), first adjusting elements (230), each connected to one of the first connecting elements (220) and adjustably supporting it on the first end plate (110), the first adjusting elements (230) being designed to provide a spacing between the first connecting elements (220) and of the first end plate (110) variably so that a distance between the first and the second end plate (110, 120) is adjusted. Brennstoffzellenstapel (100) nach Anspruch 1, wobei das Kompressionssystem (200) ferner umfasst zweite Verbindungselemente, die die Verbindung der zweiten Enden (213) der Rückhaltemittel (210) mit der zweiten Endplatte (120) herstellen, zweite Einstellelemente, die jeweils mit einem der zweiten Verbindungselemente verbunden sind und dieses verstellbar an der zweiten Endplatte (120) lagern, wobei die zweiten Einstellelemente ausgebildet sind, einen Abstand zwischen den zweiten Verbindungselementen und der zweiten Endplatte (120) variabel einzustellen, so dass ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Endplatte (110, 120) verstellt wird. Fuel cell stack (100) after claim 1 , wherein the compression system (200) further comprises second connecting elements, which establish the connection of the second ends (213) of the restraining means (210) with the second end plate (120), second adjusting elements, which are each connected to one of the second connecting elements and adjust the latter on the second end plate (120), the second adjusting elements being designed to variably adjust a distance between the second connecting elements and the second end plate (120), so that a distance between the first and the second end plate (110, 120) is adjusted . Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückhaltemittel (210) steif ausgebildet sind.Fuel cell stack (100) according to any one of the preceding claims, wherein the restraining means (210) are rigid. Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückhaltemittel (210) leistenfömig und im Wesentlichen biegefrei ausgebildet sind.Fuel cell stack (100) according to one of the preceding claims, wherein the retaining means (210) are designed in the form of strips and are essentially free of bending. Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und/oder zweiten Einstellelemente (230) Justierbolzen oder Spannelemente sind.Fuel cell stack (100) according to one of the preceding claims, wherein the first and/or second adjusting elements (230) are adjusting bolts or clamping elements. Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und/oder zweiten Einstellelemente (230) Schraubelemente sind, die über eine Schraubverbindung mit den ersten und/oder zweiten Verbindungselementen (220) verbunden sind.Fuel cell stack (100) according to one of the preceding claims, wherein the first and/or second adjustment elements (230) are screw elements which are connected to the first and/or second connection elements (220) via a screw connection. Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein der ersten Endplatte (110) zugewandtes Ende der ersten Einstellelemente (230) und/oder ein der zweiten Endplatte (120) zugewandtes Ende der zweiten Einstellelemente diese dauerhaft kontaktiert.Fuel cell stack (100) according to one of the preceding claims, wherein an end of the first adjustment elements (230) facing the first end plate (110) and/or an end of the second adjustment elements facing the second end plate (120) makes permanent contact with them. Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und/oder zweiten Enden der Rückhaltemittel (212. 213) mit den Seitenflächen (130) der ersten und/oder zweiten Endplatte (110, 120) und/oder mit den ersten und/oder zweiten Verbindungselementen (220) durch eine formschlüssige Verbindung verbunden sind.Fuel cell stack (100) according to one of the preceding claims, wherein the first and/or second ends of the retaining means (212. 213) are connected to the side surfaces (130) of the first and/or second end plate (110, 120) and/or to the first and / or second connecting elements (220) are connected by a positive connection. Brennstoffzellenstapel (100) nach Anspruch 8, wobei die formschlüssige Verbindung durch eine Bolzen-, Niet- oder Schraubverbindung ausgeführt ist.Fuel cell stack (100) after claim 8 , wherein the form-fitting connection is performed by a bolt, rivet or screw connection. Brennstoffzellenstapel (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und/oder zweiten Einstellelemente (230) in Abhängigkeit eines gemessenen Stapeldrucks betätigt werden.Fuel cell stack (100) according to one of the preceding claims, wherein the first and/or second adjustment elements (230) are actuated in dependence on a measured stack pressure.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102017206729A1 (en) 2016-04-29 2017-11-02 Ford Global Technologies, Llc Method for operating a fuel cell system
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