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Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel, welcher eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage eines solchen Brennstoffzellenstapels.
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Die
DE 10 2019 211 595 A1 offenbart einen Brennstoffzellenstapel sowie ein Verfahren zur Einstellung der Verpresskraft eines Brennstoffzellenstapels. Sie zeigt eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, die zwischen zwei Endplatten aufgenommen und in Serie mit Hilfe einer Feder verspannt sind. Bei der Feder handelt es sich um eine Gasdruckfeder mit einstellbarer Federsteifigkeit. Im Zuge der Montage des Brennstoffzellenstapels werden geometrische Größen ebenso wie eine Temperatur und ein Druck erfasst. Der Brennstoffzellenstapel nach
DE 10 2019 211 595 A1 ist zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen.
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Aus der
DE 10 2017 203 930 A1 ist eine Stapelvorrichtung zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels bekannt. Der Brennstoffzellenstapel soll in diesem Fall aus mehreren Teilstapeln zusammengesetzt werden.
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Brennstoffzellenstapel weisen in zahlreichen Fällen Bipolarplatten auf, welche jeweils zwei benachbarten Brennstoffzellen zuzurechnen sind. Bipolarplatten können insbesondere aus zwei aufeinanderliegenden Halbblechen zusammengesetzt sein. Ein Verfahren zum Verbinden zweier Bleche, die zusammen eine Bipolarplatte bilden, ist zum Beispiel in der
DE 10 2020 112 665 A1 beschrieben. In diesem Fall werden die Bleche in einem Durchlaufverfahren miteinander verschweißt.
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Ein Verfahren sowie eine Prüfanlage zum Prüfen einer Bipolarplatte einer Brennstoffzelle ist zum Beispiel in der
DE 10 2020 107 779 A1 offenbart. Im Rahmen dieses Verfahrens kommt ein automatisiertes bildverarbeitungsunterstütztes Auswertesystem zum Einsatz.
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Ein in der
DE 10 2017 118 318 A1 beschriebenes Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstacks, das heißt Brennstoffzellenstapels, ist insbesondere für einen Prototypen eines Brennstoffzellenstacks vorgesehen. Im Rahmen dieses Verfahrens werden Trägerbauteile generativ gefertigt. Auf die Trägerbauteile wird ein zweischichtiges Schichtsystem aufgebracht. Weitere Brennstoffzellenstapel gehen aus
DE 10 2015 210 182 A1 und
JP 2010 - 157 364 A hervor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Fertigung von Brennstoffzellenstapeln besonders rationell und prozesssicher zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Montage eines Brennstoffzellenstapels gemäß Anspruch 6. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Montageverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den Stapel aus Brennstoffzellen, und umgekehrt.
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Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Vielzahl an Brennstoffzellen, welche zwischen zwei Endplatten, nämlich einer Basisplatte und einer Deckplatte, angeordnet sind, sowie zwei sich in Stapellängsrichtung erstreckende, nebeneinander angeordnete Maßverkörperungen, nämlich einen ersten, starren, an einer der Endplatten befestigten Maßstab und ein flexibles Maßband, dessen Ausdehnung von einer in dem Brennstoffzellenstapel wirkenden Längskraft abhängig ist.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein Brennstoffzellenstapel bei der Montage mit einer auf die Einzelkomponenten abgestimmten Kraft zu verpressen ist. Zu diesem Zweck ist es möglich, die genannten Einzelkomponenten in einer Pressvorrichtung zu stapeln und anschließend mit einem separaten Stempel zu verpressen. Zur Erfassung der aufgebrachten Kraft sind prinzipiell Messvorrichtungen bekannter Bauart nutzbar. Nachdem der gewünschte Zustand eingestellt ist, kann versucht werden, diesen Zustand beispielsweise mit Hilfe von Spannbändern, das heißt Stackverspannelementen, zu halten.
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Bei dieser denkbaren Vorgehensweise ergeben sich jedoch Ungenauigkeiten daraus, dass die verwendeten Verspannelemente zunächst kraftfrei sind. In diesem kraftfreien Zustand werden die genannten Elemente, insbesondere in Form von Gurten, an dem Stack angebracht. Dies führt dazu, dass die Elemente, welche den Zweck haben, eine bei der Montage eingestellte Konstellation des Stacks, das heißt Brennstoffzellenstapels, einzufrieren, nachgeben, sobald die durch den Stempel aufgebrachte Kraft wegfällt. Es tritt also der Effekt einer Rückfederung auf. Prinzipiell kann eine unvermeidbare Rückfederung durch eine geeignete Festlegung von Kräften und Verformungswegen im Montageprozess berücksichtigt werden, jedoch stellt dies eine Herausforderung hinsichtlich der Wiederholgenauigkeit in der Serienfertigung von Brennstoffzellensystemen dar. Möglichkeiten, Vorspannkräfte auch nach dem Entfernen eines Stacks aus einer Verspannvorrichtung quantitativ zu bestimmen, sind bei dieser Herangehensweise nicht gegeben.
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Mit der durch die unterschiedlichen Maßverkörperungen, nämlich einem in sich starren Maßstab und einem federnden Maßband, realisierten Messanordnung des anmeldungsgemäßen Brennstoffzellenstapels wird dem die Montage durchführenden Personal ein einfach handhabbares und gleichzeitig präzise Mittel zur Überwachung des Montageprozesses sowie des Montageergebnisses an die Hand gegeben.
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Der starre Maßstab der Messanordnung ist beispielsweise an der Basisplatte des Brennstoffzellenstapels befestigt und erstreckt sich bis in das obere, durch die Deckplatte abgedeckte Drittel des Brennstoffzellenstapels. Die Ausdehnung des flexiblen Maßbandes ist in der Regel größer als die Länge des Maßstabes. Durch eine im Vergleich zu den Abmessungen des gesamten Stacks großzügige Dimensionierung beider Maßverkörperungen ist auf einfache Weise eine hohe Genauigkeit der gesamten Messanordnung erzielbar.
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Die Begriffe „Basisplatte“, das heißt Bodenplatte, und „Deckplatte“ haben keinen zwangsläufigen Zusammenhang mit der Einbaulage des Brennstoffzellenstapels in einem Endprodukt, beispielsweise einem Fahrzeug oder einer industriellen Anlage.
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Bei dem flexiblen Maßband kann es sich insbesondere um einen Spanngurt, mit welchem der Brennstoffzellenstapel zusammengehalten wird, handeln. Grundsätzlich gibt es die Möglichkeiten, das Maßband entweder an den beiden Endplatten einzuhängen oder mit dem Maßband den gesamten Stack zu umschlingen. Prinzipiell kann auch eine Mehrzahl an Paarungen von Maßbändern und Maßstäben bei der Montage eines Stacks zum Einsatz kommen. Damit können insbesondere Schiefstellungen, die beispielsweise die Ausrichtung von Bipolarplatten gegenüber einer Endplatte oder gegenüber beiden Endplatten betreffen, erkannt werden.
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Allgemein weist das Verfahren zur Montage des Brennstoffzellenstapels folgende Merkmale auf:
- - Bereitstellung zweier Endplatten, nämlich einer Basisplatte und einer Deckplatte, sowie eines in sich starren Maßstabs,
- - Aufbauen von Brennstoffzellen auf der Basisplatte und Aufsetzen der Deckplatte auf diesen Stapel,
- - Befestigen des sich in Aufbaurichtung, das heißt Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels, erstreckenden Maßstabes an einer der Endplatten,
- - Komprimieren des Stapels durch eine von außen aufgebrachte Kraft,
- - Anbringen eines flexiblen, zum Maßstab zumindest teilweise parallel verlaufenden Maßbandes, dessen durch Vergleich mit dem Maßstab abzulesende Ausdehnung als Maß für eine im Brennstoffzellenstapel wirkende Längskraft heranzuziehen ist.
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Der Schritt des Befestigens des Maßstabes kann wahlweise vor oder nach dem Abschluss des Aufbaus des Zellenstapels erfolgen. Das nachgiebige Maßband wird angebracht, bevor die Vorrichtung, insbesondere in Form eines Stempels, mit welcher Kraft von außen aufgebracht wird, entfernt wird.
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Das flexible Maßband weist in typischer Ausgestaltung eine Mehrzahl an Markierungen auf, wobei sich in Abhängigkeit von der Kraft, welche im Zellenstapel wirkt und vom Maßband aufgenommen wird, leicht erkennbare Übereinstimmungen zwischen Markierungen des starren Maßstabes einerseits und des nachgiebigen Maßbandes andererseits ergeben. Hierbei kann gedanklich auf ein Messprinzip zurückgegriffen werden, welches als Nonius-Prinzip bei Längenmessungen bekannt ist.
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Im Unterschied zu bewährten Instrumenten zur Längenmessung wird im Fall der Messanordnung des anmeldungsgemäßen Brennstoffzellenstapels eine der beiden miteinander zu vergleichenden Skalen durch eine Zugfeder, als welche das Maßband wirkt, bereitgestellt. Der Abstand zwischen den Teilstrichen des Maßstabes weicht in typischer Ausgestaltung in allen Zuständen der Messanordnung von der Teilung der Skala des Maßbandes ab. Beispielsweise ist die dehnbare Skala im Vergleich zur starren Skala um einen Faktor von 0,8 bis 0,999, insbesondere um den Faktor 0,9, verkürzt. Alternativ sind Varianten realisierbar, bei welchen der Abstand zwischen den Markierungsstrichen der dehnbaren, durch das Maßband bereitgestellten Skala größer als der Abstand zwischen den Teilungsstrichen des starren Maßstabes ist.
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In beiden Fällen ist die Messanordnung derart auslegbar, dass in jedem in der Praxis relevanten Zustand des Brennstoffzellenstapels, einschließlich sogenannter worst case Szenarien innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes, genau eine Paarung an Markierungsstrichen existiert, die miteinander fluchten und damit die wirkende Kraft anzeigen. Beispielsweise ist die Strichskala des Maßbandes derart eingeteilt, dass der Abstand zwischen den beiden äußersten Markierungsstrichen im Fall der maximalen Ausdehnung des Maßbandes, das heißt bei maximaler Kraft, um nicht mehr als 10 % größer ist als der Abstand zwischen den genannten Markierungen beim ungedehnten Maßband. Hilfsmittel zur genaueren Ablesung, beispielsweise in Form einer Lupe, sind prinzipiell anwendbar, jedoch in einer Vielzahl an Fällen nicht erforderlich.
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Nach Abschluss der Montage kann die Messanordnung entweder am Brennstoffzellenstapel verbleiben oder ganz oder teilweise demontiert werden. Die beschriebene Messanordnung, welche als einfach handhabbarer Vorspannkraftindikator nutzbar ist, kann auch bei sonstigen Stapeln elektrochemischer Zellen, insbesondere bei Elektrolysezellen oder Redox-Flow-Zellen, zum Einsatz kommen.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 ein Brennstoffzellensystem in einer schematisierten Darstellung,
- 2 Komponenten des Brennstoffzellensystems in einer ersten Einstellung,
- 3 Komponenten des Brennstoffzellensystems in einer zweiten Einstellung.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Brennstoffzellensystem umfasst eine Vielzahl an Bipolarplatten 3, welche in einem Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet sind. Die Gesamthöhe des Brennstoffzellenstapels 2 ist mit HG angegeben. In der in den 1 bis 3 skizzierten Anordnung sind die Bipolarplatten 3 horizontal ausgerichtet. Die mit L bezeichnete Stapellängsrichtung ist dementsprechend vertikal. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Brennstoffzellensystems 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Jede Bipolarplatte 3 ist aus zwei Halbblechen 4, 5 zusammengesetzt und trennt eine Halbzelle 7 einer ersten Brennstoffzelle 6, das heißt elektrochemischen Zelle, von einer Halbzelle 7 einer weiteren Brennstoffzelle 6. Jede Brennstoffzelle 6 weist eine Membran-Elektroden-Anordnung 8 auf, der unter anderem ein auch als Subgasket bezeichneter Rahmen 9 zuzurechnen ist. Bei den Halbblechen 4, 5 handelt es sich um Stahlbleche, welche eine Prägestruktur 14 aufweisen und in an sich bekannter Weise mit einer Beschichtung versehen sein können. Zur Herstellung der Halbbleche 4, 5 können kontinuierliche und/oder diskontinuierliche Verfahren zum Einsatz kommen. Eine im Rahmen 9 gehaltene protonendurchlässige Membran ist mit 10 bezeichnet. Strömungsräume, durch welche Betriebsmedien der Brennstoffzellen 6 fließen, sind allgemein mit 15 bezeichnet und in geeigneter Weise abgedichtet.
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Dem Brennstoffzellenstapel 2 sind zwei Endplatten 11, 12 zuzurechnen, welche ohne Rücksicht auf die tatsächliche Ausrichtung des Brennstoffzellenstapels 2 im Raum als Basisplatte 11 und Deckplatte 12 bezeichnet sind. Im Vergleich zu den zwischen den Endplatten 11, 12 liegenden Bipolarplatten 3 haben die Endplatten 11, 12 eine wesentlich größere Dicke sowie mechanische Belastbarkeit. Leitungen 13, durch welche Betriebs- und Kühlmedien, das heißt ein sauerstoffhaltiges Gas, ein wasserstoffhaltiges Gas, sowie Kühlwasser, zu den elektrochemischen Zellen 6 geleitet werden, sind im Ausführungsbespiel durch mindestens eine der Endplatten 11, 12 hindurchgeführt.
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Bei der Montage des Brennstoffzellenstapels 2 wird auf diesen eine zwischen den beiden Endplatten 11, 12 wirkende Kraft F, die in Längsrichtung L ausgerichtet ist, ausgeübt. Aufgrund einer elastischen Nachgiebigkeit einzelner Komponenten, insbesondere Bipolarplatten 3, des Brennstoffzellenstapels 2 existiert ein Zusammenhang zwischen der Höhe HG des Brennstoffzellenstapels 2 und der Kraft F.
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Nach Abschluss der Montage ist ein definierter Zustand des Brennstoffzellenstapels 2, was dessen Höhe HG sowie die wirkende Kraft F betrifft, festzuhalten. Im Laufe des späteren Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 kann es zu Setzeffekten kommen, die bereits bei der Montage zu berücksichtigen sind. Um den Montagevorgang in der vorgesehenen Weise durchführen und abschließen zu können, existiert eine Messanordnung 16, die einen in sich starren Maßstab 17 sowie ein flexibles, in der Art einer Feder dehnbares Maßband 18 umfasst. Zusammenfassend wird für den Maßstab 17 ebenso wie für das Maßband 18 der Begriff Maßverkörperung verwendet. Die in jeder Figur zumindest ausschnittsweise erkennbaren Skalen des starren Maßstabs 17 sowie des elastischen Maßbandes 18 sind mit 18 beziehungsweise 20 bezeichnet.
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Der Maßstab 17 ist, wie aus 1 hervorgeht, lediglich an einer der Endplatten 11, 12, im vorliegenden Fall an der Basisplatte 11, befestigt, wobei die Befestigungspunkte an der Basisplatte 11 mit 23, 24 bezeichnet sind. Die Länge, das heißt Höhe, des Maßstabs 17 ist mit HM gekennzeichnet und beträgt mehr als 75 % der Gesamthöhe HG des Brennstoffzellenstapels 2, welcher kurz auch als Stack bezeichnet wird. Das obere Ende des Maßstabes 17 ist freistehend vor dem Stack 2 angeordnet.
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Die Länge des dehnbaren Maßbandes 18 entspricht im Wesentlichen der insbesondere von der Kraft F abhängigen Gesamthöhe HG des Brennstoffzellenstapels 2. Das Maßband 18 ist, wie in 1 angedeutet ist, an einem ersten Befestigungspunkt 21 an der Basisplatte 11 und an einem zweiten Befestigungspunkt 22 an der Deckplatte 22 fixiert.
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Die Teilung der Skala 19 des Maßstabes 17 unterscheidet sich in der Regel - abhängig von der Kraft F und damit von den geometrischen Verhältnissen - von der Teilung der Skala 20 des Maßbandes 18. In diesem Zusammenhang wird auf die 2 und 3 hingewiesen, die Konstellationen des im Montagevorgang befindlichen Brennstoffzellenstapels 2 bei unterschiedlichen Kräften F veranschaulichen.
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In der Konstellation nach 2 wirke eine moderate Kraft F im Brennstoffzellenstapel 2, wobei der Kraftvektor, ebenso wie in den anderen betrachteten Fällen, in Längsrichtung L und damit in Normalrichtung der zueinander parallelen Ebenen, in welchen die Bipolarplatten 3 liegen, ausgerichtet ist. In diesem Fall stimmt die Höhe, auf welcher sich die oberste Markierung der Skala 19 befindet, exakt mit der obersten Markierung der veränderbaren Skala 20 überein. Aus dieser Übereinstimmung ist die aktuell wirkende Kraft F ablesbar.
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Im Fall von 3 wirkt im Brennstoffzellenstapel 2 eine im Vergleich zur Konstellation nach 2 größere Kraft F, was mit einer Expansion des Maßbandes 18 und damit auch der Skala 20 einhergeht. Parallel neben dem in unveränderter Position verbleibenden Maßstab 17 wird das Maßband 18 merklich in die Länge gezogen. Diese Längenänderung und damit auch Kraftänderung ist präzise daran erkennbar, dass in diesem Fall die jeweils zweiten Markierungen von oben beider Skalen 19, 20 auf derselben Höhe liegen. Bei einer nochmals höheren Kraft F wäre eine Übereinstimmung bei den dritten Markierungen, wiederum von oben gezählt, gegeben, und so weiter. Insgesamt ist damit ein Schema des Ablesens der Skalen 19, 20 gegeben, welches an das Nonius-Prinzip bei gängigen Messschiebern erinnert. Ein grundlegender Unterschied zu Messschiebern liegt darin, dass im Fall der Messanordnung 16 genau eine der beiden Skalen 19, 20 die Funktion einer Feder hat. Vereinfachend kann in vielen Anwendungsfällen davon ausgegangen werden, dass die Längenänderung der Skala 20 zu der wirkenden Kraft F proportional ist.
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Tatsächlich ist der Zusammenhang zwischen Abmessungsänderungen des Maßbandes 18 und im Maßband 18 wirkender Kraft F insbesondere vom Werkstoff oder Werkstoffmix, aus welchem das Maßband 18 gefertigt ist, abhängig. Abweichungen von einem linearen Zusammenhang können durch Anpassung der Skala 20 berücksichtigt werden. Insbesondere sind die einzelnen Markierungen der Skala 20 nicht notwendigerweise äquidistant voneinander beabstandet. Dies gilt bereits für den mechanisch nicht belasteten Ausgangszustand des elastisch dehnbaren Maßbandes 18. Nach Abschluss der Montage des Brennstoffzellenstapels 2 ist die Möglichkeit gegeben, den Maßstab 17 wieder von der Basisplatte 11 abzunehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Bipolarplatte
- 4
- Halbblech
- 5
- Halbblech
- 6
- Brennstoffzelle, elektrochemische Zelle
- 7
- Halbzelle
- 8
- Membran-Elektroden-Anordnung
- 9
- Rahmen, Subgasket
- 10
- Membran
- 11
- Basisplatte
- 12
- Deckplatte
- 13
- Leitung
- 14
- Prägestruktur
- 15
- Strömungsraum
- 16
- Messanordnung
- 17
- Maßstab
- 18
- Maßband
- 19
- Skala des Maßstabs
- 20
- Skala des Maßbandes
- 21
- Befestigungspunkt
- 22
- Befestigungspunkt
- 23
- Befestigungspunkt
- 24
- Befestigungspunkt
- F
- Kraft
- HG
- Gesamthöhe
- HM
- Höhe des Maßstabs
- L
- Stapellängsrichtung
