DE102022205239A1

DE102022205239A1 - Zellenstapel mit einer Anzahl elektrochemischer Zellen

Info

Publication number: DE102022205239A1
Application number: DE102022205239.0A
Authority: DE
Inventors: Lucas Prinsen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-05-25
Filing date: 2022-05-25
Publication date: 2023-11-30

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zellenstapel (12), eine Anzahl vertikal übereinanderliegend angeordneter elektrochemischer Zellen (10) mit Aktivbereichen (50) umfassend, mit einer oberen Endplatte (16) und einer unteren Endplatte (18), über welche die elektrochemischen Zellen (10) mittels Verbindungselementen (14) zur Abdichtung gegeneinander verspannt werden, wobei die aktiven Bereiche (50) in Quadratform (60) oder Rechteckform (62) ausgeführt sind. Die Verbindungselemente (14) sind als erste Gewindestangen (30) und zweite Gewindestangen (64) mit verringertem Durchmesser (66) ausgebildet, wobei die zweiten Gewindestangen (64) in größtmöglicher Nähe zu Eckbereichen (52, 54, 56, 58) der aktiven Bereiche (50) in Quadratform (60) oder in Rechteckform (62) angeordnet sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Zellenstapel, eine Anzahl vertikal übereinanderliegend angeordneter elektrochemischer Zellen mit Aktivbereichen umfassend, mit einer oberen Endplatte und einer unteren Endplatte, über welche die elektrochemischen Zellen mittels Verbindungselementen zur Abdichtung gegeneinander verspannt werden, wobei die aktiven Bereiche in Quadratform oder Rechteckform ausgeführt sind. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Zellenstapels in einem Elektrolyseur oder einer Brennstoffzelle eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
Stand der Technik
Elektrochemische Zellen sind elektrochemische Energiewandler und in Form von Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren bekannt.
Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Reaktionsenergie in elektrische Energie. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) in Wasser (H₂O), elektrische Energie und Wärme gewandelt.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt.
Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle kontinuierlich zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode. Das Oxidationsmittel wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O
Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack oder Brennstoffzellenaufbau bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden.
Ein Stapel von elektrochemischen Zellen, der als Anordnung elektrochemischer Zellen bezeichnet werden kann, weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Zellen miteinander verpressen und dem Stapel Stabilität verleihen.
Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zu einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zusammengefasst sein, die auch als Membrane Electrode Assembly bezeichnet wird.
Stapel von elektrochemischen Zellen weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten oder Verteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff, Wasser und gegebenenfalls eines Kühlmittels gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran.
Zum Beispiel umfasst ein Brennstoffzellenstapel typischerweise bis zu einige Hundert einzelne Brennstoffzellen, die lagenweise aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen eine MEA sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf. Eine Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Anoden-Monopolar-Platte und eine Kathoden-Monopolar-Platte, üblicherweise jeweils in Form von geprägten Blechen, die zusammen die Bipolarplatte und damit Kanäle zur Führung von Gas und Flüssigkeiten bilden und zwischen denen Kühlmedium fließen kann.
Weiterhin umfassen elektrochemische Zellen in der Regel Gasdiffusionslagen, die zwischen einer Bipolarplatte und einer MEA angeordnet sind.
Gegenüber einer Brennstoffzelle ist ein Elektrolyseur ein Energiewandler, welcher unter Anlegen von elektrischer Spannung bevorzugt Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Auch Elektrolyseure weisen unter anderem MEAs, Bipolarplatten und Gasdiffusionslagen auf.
Elektrochemische Zellen in einem Stapel werden häufig über senkrecht zur Membran der elektrochemischen Zellen angeordnete Medienkanäle mit den Medien, insbesondere Wasserstoff und Sauerstoff, versorgt beziehungsweise werden diese abgeführt. Die Medienkanäle sind durch Ports, die auch als Fluidanschlüsse bezeichnet werden können, mit den elektrochemischen Zellen, insbesondere mit den Bipolarplatten, fluidisch verbunden. Die Medienkanäle liegen üblicherweise am Rand des Stapels und werden häufig durch deckungsgleich übereinander angeordnete Aussparungen, die die Ports bilden, erzeugt. Von den Ports werden die Medien durch Port-Durchführungen in das sogenannte Flowfield, die aktive Fläche der Bipolarplatte beziehungsweise der Membran-Elektroden-Anordnung, geführt. Insbesondere an den Ports müssen die verschiedenen Medien gegeneinander und gegenüber der Umgebung abgedichtet sein.
Insbesondere die zur MEA zeigenden Port-Durchführungen für Luft beziehungsweise Wasserstoff sind derart zu gestalten, dass die Port-Durchführungen einerseits eine möglichst große Öffnung für die einströmenden und ausströmenden Medien bereitstellen und andererseits eine möglichst gute mechanische Stützwirkung für auf der Gegenseite der MEA angeordnete Dichtungen bieten.
DE 10158772 C1 und DE 10248531 B4 betreffen Brennstoffzellenstapel mit einer Schichtung von mehreren Brennstoffzellen, wobei durch Bipolarplatten Medien zu- beziehungsweise abgeführt werden und Sickenanordnungen zur Abdichtung vorgesehen sind.
Im Allgemeinen wird der Zellenstapel über eine Anzahl von Verbindungsbolzen mit Gewindemuttern entlang seines äußeren Umfangs verspannt. Mittels der Gewindebolzen wird eine äußere Spannkraft über Endplatten am oberen und unteren Ende des Zellenstapels in diesen eingeleitet. Die äußere Spannkraft ist erforderlich, um die elektrochemischen Zellen innerhalb des Zellenstapels effektiv gegeneinander abzudichten, insbesondere, da der innerhalb des Zellenstapels herrschende Druck des gasförmigen Mediums beziehungsweise des diesen durchströmenden Wassers aufgrund des Betriebs abgefangen werden muss. Im Rahmen der Wasserelektrolyse wird in der Regel ein Paket von Tellerfedern zwischen der Gewindemutter und dem oberen Ende jeder Endplatte aufgebracht, so dass Höhenvariationen des Zellenstapels Rechnung getragen werden kann, die sich als ein Resultat thermischer Expansions- beziehungsweise Kontraktionserscheinungen innerhalb des Zellenstapels einstellen.
Für den Fall, dass die elektrochemischen Zellen des Zellenstapels kreisförmig ausgebildete Aktivbereiche aufweisen, ist die Kraft aufgrund des im Aktivbereich herrschenden Drucks während des Betriebs, die der äußeren Klemmkraft entgegenwirkt, im Wesentlichen symmetrisch und gleichmäßig verteilt. Werden jedoch Aktivbereiche in Quadratform oder Rechteckform ausgebildet, stellen deren Ecken Bereiche mit Diskontinuitäten und Asymmetrien dar, ebenso wie die Seiten von unterschiedlicher Länge im Falle des Vorliegens eines aktiven Bereichs in Rechteckform. So werden beispielsweise die Verbindungselemente in der Mitte einer langen Seite des Aktivbereichs des Zellenstapels mehr belastet verglichen mit der Belastung, die die Verbindungsbolzen in den Eckbereichen auf den kurzen Seiten derartiger Aktivbereiche aufnehmen. Im Allgemeinen werden die Verbindungselemente in gleichmäßigen Abständen entlang des Umfangs des Zellenstapels angeordnet, wobei die Tatsache unberücksichtigt bleibt, dass in den Eckbereichen Asymmetrien oder Diskontinuitäten auftreten, die zu einer unebenen Klemmkraftverteilung führen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Zellenstapel vorgeschlagen mit einer Anzahl vertikal übereinanderliegend angeordneter elektrochemischer Zellen, der Aktivbereiche mit einer oberen Endplatte und einer unteren Endplatte, über welche die elektrochemischen Zellen mittels Verbindungselementen zur Abdichtung gegeneinander verspannt werden, umfasst. Die aktiven Bereiche der elektrochemischen Zellen können in Quadratform oder in Rechteckform ausgeführt sein. Als Verbindungselemente sind erste Gewindestangen und zweite Gewindestangen mit verringertem Durchmesser vorgesehen, wobei die zweiten Gewindestangen in größtmöglicher Nähe zu Eckbereichen der aktiven Bereiche in Quadratform oder in Rechteckform angeordnet werden.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann eine den Betriebsbedingungen eines Zellenstapels aus elektrochemischen Zellen Rechnung tragende, gleichmäßige Klemmkraftverteilung über den Querschnitt des Zellenstapels erreicht werden. Dies wiederum ermöglicht eine gleichmäßigere Druck- und Temperaturverteilung innerhalb der elektrochemischen Zellen, die im Zellenstapel übereinanderliegend angeordnet sind.
In vorteilhafter Weise weisen die ersten Gewindestangen einen Querschnitt auf, der den verringerten Querschnitt der zweiten Gewindestangen übersteigt. Durch entsprechende Verteilung der ersten und zweiten Gewindestangen entlang des Umfangs des Zellenstapels kann dadurch den lokal unterschiedlichen Dehnungsbeziehungsweise Kontraktionserscheinungen Rechnung getragen werden.
In vorteilhafter Weise sind bei einem Zellenstapel, der elektrochemische Zellen umfasst, die einen aktiven Bereich in Quadratform aufweisen, in jedem der Eckbereiche Verbindungselemente in Gestalt einer zweiten Gewindestange, d. h. einer Gewindestange mit verringertem Durchmesser vorgesehen.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Zellenstapels werden bei den aktiven Bereichen in Quadratform die Abstände zwischen den ersten Gewindestangen und den zweiten Gewindestangen entlang des Umfangs des Zellenstapels so gewählt, dass diese im Wesentlichen identisch sind.
Alternativ können bei einem erfindungsgemäßen Zellenstapel mit aktiven Bereichen in Rechteckform in jedem der Eckbereiche zweite Gewindestangen angeordnet werden, die in Bezug aufeinander um 90° zueinander versetzt sind. Dadurch kann den Betriebsbedingungen eines Zellenstapels besser Rechnung getragen werden.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Zellenstapel aus elektrochemischen Zellen mit aktiven Bereichen in Rechteckform liegen auf einer langen Seite zwischen den ersten Gewindestangen erste Abstände vor, während auf einer kurzen Seite zwischen ersten und zweiten Gewindestangen zweite Abstände ausgebildet sind.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Zellenstapel können die zweiten Abstände, die zwischen den Gewindestangen auf der kurzen Seite angeordnet sind, die ersten Abstände, die auf der langen Seite zwischen den Gewindestangen vorliegen, übersteigen. Dadurch kann den Betriebsbedingungen des Zellenstapels dahingehend Rechnung getragen werden, dass auf den langen Seiten eines in Rechteckform beschaffenen Aktivbereichs und den dort auftretenden höheren Belastungen eine höhere Klemmkraft entgegengesetzt werden kann, im Vergleich zu der Klemmkraft, die auf den kurzen Seiten beziehungsweise in den Eckbereichen des Zellenstapels auftritt.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Zellenstapel mit elektrochemischen Zellen mit aktiven Bereichen in Rechteckform sind auf der langen Seite erste Gewindestangen und auf der kurzen Seite zweite Gewindestangen angeordnet, wodurch den unterschiedlichen, entlang des Umfangs des Zellenstapels auftretenden Betriebsbedingungen, insbesondere hinsichtlich der Klemmkraftbeanspruchung Rechnung getragen wird.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Zellenstapel sind die oberen Enden der ersten und zweiten Gewindestangen jeweils mit Federpaketen, die bevorzugt aus Tellerfedern gebildet sind, versehen.
Die Federpakete, die auf den oberen Enden der zweiten Gewindestangen angeordnet sind, weisen eine geringere Steifigkeit auf als die Federpakete, die sich auf den oberen Enden der ersten Gewindestangen befinden. Dadurch können die zweiten Gewindestangen, die in Eckbereichen oder auf den kurzen Seiten bei einem Aktivbereich in Rechteckform angeordnet werden, mit einer geringeren Steifigkeit versehen werden, verglichen mit den Federpaketen aus Tellerfedern, die sich auf den oberen Enden der ersten Gewindestangen befinden.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Vorspannen von Verbindungselementen in Form von ersten und zweiten Gewindestangen eines Zellenstapels aus einer Anzahl elektrochemischer Zellen, wobei auf oberen Enden der ersten und zweiten Gewindestangen Sicherungsmuttern mit Federpaketen aufgenommen sind. Die Sicherungsmuttern sämtlicher Gewindestangen werden mit einem identischen Anzugsdrehmoment zur Erzeugung einer Klemmkraft im Zellenstapel angezogen.
Schließlich bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Zellenstapels in einem Elektrolyseur oder als Brennstoffzelle in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise, sowohl bei quadratischer als auch bei rechteckiger Form der aktiven Bereiche von elektrochemischen Zellen, dem Umstand Rechnung getragen werden, dass entlang des Umfangs derartige aktive Bereiche unterschiedliche Drücke beziehungsweise Kräfte auftreten. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise eine gleichmäßigere Klemmkraftverteilung über den Querschnitt des Zellenstapels erreicht werden.
In der Regel werden beispielsweise bei in Rechteckform konfigurierten aktiven Bereichen elektrochemischer Zellen auf den langen Seiten der Rechteckform andere Betriebskräfte auftreten, so dass dort die aufzubringende Klemmkraft entsprechend höher zu dimensionieren ist. Diesem Umstand wird dadurch Rechnung getragen, dass beispielsweise auf der langen Seite von in Rechteckform konfigurierten aktiven Bereichen erste Gewindestangen angeordnet werden. Deren Federpakete verleihen diesen Gewindestangen eine hohe Steifigkeit.
Demgegenüber werden auf den kurzen Seiten aktiver Bereiche in Rechteckform an einem Zellenstapel der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend zweite Gewindestangen mit geringerem Querschnitt eingesetzt. Deren obere Bereiche sind mit Federpaketen versehen, die eine geringere Steifigkeit erzeugen. Im Allgemeinen treten in den Eckbereichen beziehungsweise auf den kurzen Seiten von in Rechteckform beschaffenen aktiven Bereichen elektrochemischer Zellen etwas geringere Kräfte auf, so dass durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung insgesamt gesehen eine Vergleichmäßigung der Klemmkraft über den Umfang des Zellenstapels gesehen erreicht werden kann.
In vorteilhafter Weise werden die Durchmesser der ersten und zweiten Gewindestange so gewählt, dass identische Anzugsdrehmomente beziehungsweise identische initiale Klemmkräfte pro Gewindestange erzeugt werden können, wenn der Zellenstapel zusammengefügt wird. Dadurch können Fehler vermieden werden. Beispielsweise können in vorteilhafter Weise erste Gewindestangen mit M10-Gewinde und zweite Gewindestangen mit M8-Gewinde ausgebildet sein. Darüber hinaus können die Abstände der einzelnen Gewindestangen auf den kurzen Seiten größer gewählt werden verglichen mit den Abständen zwischen einzelnen Gewindestangen auf den langen Seiten von Aktivbereichen in Rechteckform. In Bezug auf Aktivbereiche in Rechteckform können auf deren einander gegenüberliegenden, kurzen Seiten des aktiven Bereichs zweite Gewindestangen montiert werden, während auf den langen Seiten der in Rechteckform beschaffenen Aktivbereiche erste Gewindestangen verbaut werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Zellenstapels, umfassend mehrere übereinanderliegend angeordnete elektrochemische Zellen, samt oberer und unterer Endplatte,
2 eine Ansicht eines Zellenstapels mit Gewindestangen,
2.1 ein Federpaket,
3 einen Querschnitt durch eine Dichtung eines Zellenstapels mit einer Anordnung aus ersten Gewindestangen über den Umfang,
3.1 einen Querschnitt durch eine Dichtung eines Zellenstapels mit einer Verteilung von ersten und zweiten Gewindestangen,
3.2 eine Ausführungsvariante der Gewindestangenverteilung gemäß 3.1,
4 einen aktiven Bereich in Rechteckform mit langen und kurzen Seiten und einer Verteilung erster und zweiter Gewindestangen entlang seines Umfangs und
5 eine perspektivische Draufsicht auf eine obere Endplatte eines Zellenstapels.

Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
1 zeigt in perspektivischer Ansicht einen Zellenstapel 12, der eine Anzahl von übereinanderliegend gestapelt angeordneten elektrochemischen Zellen 10 umfasst. Der Zellenstapel 12 wird durch sich im Wesentlichen in vertikaler Richtung erstreckende Verbindungselemente 14 fixiert. An der Oberseite des Zellenstapels 12 befindet sich eine obere Endplatte 16 mit daran angeordneten Anschlüssen; der Zellenstapel 12 weist an seiner Unterseite eine untere Endplatte 18 auf. Den Endplatten 16, 18 ist auf ihrer dem Zellenstapel 12 zuweisenden Seite eine Isolationsplatte 20 zugeordnet. Seitlich am Zellenstapel 12 sind ein erster Stromsammler 22 sowie ein zweiter Stromsammler 24 dargestellt. Die einzelnen elektrochemischen Zellen 10 weisen Bipolarplatten, also aktive Bereiche, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, auf, wobei sich beispielsweise 24 einzelne elektrochemische Zellen 10 innerhalb eines Zellenstapels 12 befinden können. Deren Anzahl kann je nach Höhe des Zellenstapels 12 variieren.
2 zeigt einen Zellenstapel 12 aus übereinanderliegend angeordneten elektrochemischen Zellen 10. Diese sind zwischen der oberen Endplatte 16 und der unteren Endplatte 18 gegeneinander verspannt aufgenommen. In 2 werden als Verbindungselemente 14 erste Gewindestangen 30 eingesetzt, die an ihren oberen Enden 34 jeweils mit Federpaketen 36 versehen sind. Die Klemmkraft wird durch Aufbringen eines Anzugsdrehmoments auf Sicherungsmuttern 35 oberhalb der Federpakete 36 aufgebracht. An den unteren Enden der ersten Gewindestangen 30 sind diese mit Hutmuttern 32 auf der den elektrochemischen Zellen 10 gegenüberliegenden unteren Endplatte 18 verspannt.
2.1 zeigt ein Federpaket 36 umfassend eine Anzahl von Tellerfedern 38. Diese werden in gegensinniger Anordnung 40 angeordnet und verleihen den einzelnen ersten Gewindestangen 30 die erforderliche Steifigkeit. Je nach thermisch bedingten Ausdehnungen oder Kontraktionen der elektrochemischen Zellen 10 zwischen der oberen Endplatte 16 und der unteren Endplatte 18 wird durch die Federpakete 36 eine flexible Klemmkraft über den gesamten Umfang des Zellenstapels 12 gemäß der Darstellung in 2 aufgebracht.
3 zeigt eine den Zellenstapel repräsentierende Dichtung 48. In der Darstellung gemäß 3 wird der Zellenstapel 12 gemäß den 1 und 2 beispielsweise im Querschnitt durch das dort dargestellte Dichtungselement 48 repräsentiert. Dieses umfasst einen aktiven Bereich 50, der beispielsweise quadratisch ausgebildet ist. Durch das Dichtungselement 48 gemäß der Draufsicht in 3 erstrecken sich Strömungskanäle 44, beispielsweise für H₂O, sowie Strömungskanäle 46 für ein gasförmiges Medium, wie beispielsweise H₂. Mit Position 50 ist ein aktiver Bereich der Membran-Elektrodenanordnung (MEA, membrane electrode array) bezeichnet. Aus der Darstellung gemäß 3 geht hervor, dass entlang des Umfangs des Dichtungselements 48 mit aktivem Bereich 50 in Quadratform 60 erste Gewindestangen 30 angeordnet sind, die einen Querschnitt 42 aufweisen.
3.1 zeigt eine Verteilung erster und zweiter Gewindestangen 30, 64 entlang des Umfangs eines Zellenstapels 12, hier dargestellt anhand des Dichtungselements 48. In der Darstellung gemäß 3.1 ist das Dichtungselement 48 mit einem aktiven Bereich 50 in Quadratform 60 versehen. Auch hier sind Strömungskanäle 44 für H₂O und Strömungskanäle 46 für ein gasförmiges Medium, wie beispielsweise H₂ vorgesehen.
Aus 3.1 geht hervor, dass entlang des Umfangs des Dichtungselements 48, d. h. des Zellenstapels 12 im ersten Eckbereich 52, im zweiten Eckbereich 54, im dritten Eckbereich 56 und im vierten Eckbereich 58 jeweils zweite Gewindestangen 64 mit einem verringerten Querschnitt 66 vorgesehen sind. Die zweiten Gewindestangen 64, beispielsweise mit M8-Gewinde, weisen einen verringerten Querschnitt 66 auf, da in den Eckbereichen 52, 54, 56, 58 des Zellenstapels 12 geringere Betriebskräfte auftreten. Entlang der Seiten des aktiven Bereichs 50 befinden sich hingegen die ersten Gewindestangen 30 mit ihrem Querschnitt 42, beispielsweise ausgeführt mit der Gewindegröße M10.
Aus der Darstellung gemäß 3.2 geht eine Ausführungsvariante von 3.1 hervor. Gemäß der in 3.2 dargestellten Ausführung befinden sich in den Eckbereichen 52, 54, 56, 58 jeweils um 90° in Bezug zueinander versetzt zweite Gewindestangen 64, während sich mittig zwischen diesen, entlang der Seiten der Quadratform 60, erste Gewindestangen 30 mit Querschnitt 42 befinden. Durch die in den Eckbereichen 52, 54, 56, 58 angeordneten zweiten Gewindestangen 64 mit verringertem Querschnitt 66 kann den dort auftretenden, etwas geringeren Betriebskräften während des Betriebs des Zellenstapels 12 Rechnung getragen werden. Die Klemmkraft ist in den Eckbereichen 52, 54, 56, 58 etwas geringer als in den Zentren der Seiten, die den aktiven Bereich 50 der elektrochemischen Zelle 10 begrenzen.
4 zeigt die Verhältnisse bei einem Dichtungselement 48, welches hier einen Zellenstapel 12 repräsentiert, der aus übereinanderliegend angeordneten elektrochemischen Zellen 10 aufgebaut ist, deren aktive Bereiche 50 eine Rechteckform 62 beschreiben. Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass bei dem aktiven Bereich 50 der Rechteckform 62 entlang von langen Seiten 68 erste Gewindestangen 30 angeordnet sind, die einen Querschnitt 42 aufweisen. Demgegenüber sind auf kurzen Seiten 70, die die Rechteckform 62 beschreiben, zweite Gewindestangen 64 angeordnet. Auch hier gilt - um ein Beispiel zu nennen - dass die ersten Gewindestangen 30 als M10-Gewindestangen ausgebildet werden können, wohingegen die zweiten Gewindestangen 64 als M8-Gewindestangen ausgeführt sein können, d. h. einen verringerten Querschnitt 66 gegenüber dem Querschnitt 42 der ersten Gewindestange 30 aufweisen.
Durch die zweiten Gewindestangen 64, die auf den kurzen Seiten 70 verbaut werden, kann dem Umstand Rechnung getragen werden, dass hier geringere Betriebskräfte beim Betrieb des Zellenstapels 12 auftreten, verglichen mit den Betriebskräften, die sich entlang der langen Seiten 68 des Zellenstapels 12 ergeben. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung der Anordnung von zweiten Gewindestangen 64 auf den kurzen Seiten 70 und ersten Gewindestangen 30 auf den langen Seiten 68 kann eine gleichmäßigere Verteilung der Einleitung der Klemmkraft in den Zellenstapel 12 erreicht werden.
Aus der Darstellung gemäß 4 geht überdies hervor, dass bei einem in Rechteckform 62 beschaffenen aktiven Bereich 50 und sich daraus ergebenden langen und kurzen Seiten 68, 70 des Zellenstapels 12 auf den langen Seiten 68 erste Abstände 72 zwischen den einzelnen ersten Gewindestangen 30 vorliegen, während auf den kurzen Seiten 70 zweite Abstände 74 zwischen den ersten Gewindestangen 30 und den zweiten Gewindestangen 64 vorliegen. Die ersten Abstände 72 auf den langen Seiten 68 sind geringer als die zweiten Abstände 74, die zwischen den ersten und zweiten Gewindestangen 30, 64 auf den kurzen Seiten 70 vorliegen.
5 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf die obere Endplatte 16 des Zellenstapels 12. Aus der Draufsicht gemäß 5 geht hervor, dass über die obere Endplatte 16 des Zellenstapels 12 obere Enden 34 der ersten und zweiten Gewindestangen 30, 64 überstehen. Jedes obere Ende 34 der ersten und zweiten Gewindestangen 30, 64 weist jeweils ein Federpaket 36 gemäß der Darstellung in 2.1 auf.
Aus 5 geht hervor, dass auf den kurzen Seiten 70 zweite Abstände 74 zwischen den ersten und zweiten Gewindestangen 30, 64 vorliegen, die größer sind als die ersten Abstände 72, die auf den langen Seiten 68 zwischen den ersten und zweiten Gewindestangen 30, 64 ausgeführt sind.
Den Darstellungen gemäß den 4 und 5 ist darüber hinaus zu entnehmen, dass in vorteilhafter Weise entlang der kurzen Seiten 70 des Zellenstapels 12 zweite Gewindestangen 64 mit verringertem Querschnitt 66 verbaut werden, während auf den langen Seiten 68 erste Gewindestangen 30 verbaut werden, die den Querschnitt 42 aufweisen, welcher den verringerten Querschnitt 66 übersteigt.
Während die Federpakete 36, die sich auf den oberen Enden 34 der zweiten Gewindestangen 64 befinden, diesen eine geringere Steifigkeit verleihen, können die Federpakete 36, die auf die oberen Enden 34 der ersten Gewindestangen 30 aufgebracht werden, eine größere Steifigkeit aufweisen. Dadurch kann den Betriebsbedingungen des Zellenstapels 12 in Bezug auf Ausdehnungen und Kontraktionen innerhalb des Zellenstapels 12 Rechnung getragen werden. Des Weiteren können durch die unterschiedlich dimensionierten Federpakete 36 auf den oberen Enden 34 der ersten und zweiten Gewindestangen 30, 64 in vorteilhafter Weise gleiche Anzugsdrehmomente in Bezug auf die Sicherungsmuttern 34 aufgebracht werden, so dass eine identische initiale Klemmkraft auf die ersten und zweiten Gewindestangen 30, 64 und damit in den Zellenstapel 12 eingeleitet werden kann. Dadurch ist die Montage beim Zusammenbau des Zellenstapels 12 weniger fehlergefährdet.
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Zellenstapel 12 kann in vorteilhafter Weise als Elektrolyseur oder auch als Brennstoffzelle in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug eingesetzt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10158772 C1 [0015]
DE 10248531 B4 [0015]

Claims

Zellenstapel (12), eine Anzahl vertikal übereinanderliegend angeordneter elektrochemischer Zellen (10) mit Aktivbereichen (50) umfassend, mit einer oberen Endplatte (16) und einer unteren Endplatte (18), über welche die elektrochemischen Zellen (10) mittels Verbindungselementen (14) zur Abdichtung gegeneinander verspannt werden, wobei die aktiven Bereiche (50) in Quadratform (60) oder in Rechteckform (62) ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (14) erste Gewindestangen (30) und zweite Gewindestangen (64) mit einem verringerten Querschnitt (66) aufweisen, wobei die zweiten Gewindestangen (64) in größtmöglicher Nähe zu Eckbereichen (52, 54, 56, 58) der aktiven Bereiche (50) in Quadratform (60) oder in Rechteckform (62) angeordnet sind.
Zellenstapel (12) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Gewindestangen (30) einen Querschnitt (42) aufweisen, der den verringerten Querschnitt (66) der zweiten Gewindestangen (64) übersteigt.
Zellenstapel (12) gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aktiven Bereich (50) in Quadratform (60) in jedem der Eckbereiche (52, 54, 56, 58) ein Verbindungselement (14) in Gestalt einer zweiten Gewindestange (64) angeordnet ist.
Zellenstapel (12) gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aktiven Bereich (50) in Quadratform (60) Abstände zwischen ersten Gewindestangen (30) und zweiten Gewindestangen (64) entlang des Umfangs des Zellenstapels (12) im Wesentlichen gleich sind.
Zellenstapel (12) gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aktiven Bereich (50) in Rechteckform (62) in jedem der Eckbereiche (52, 54, 56, 58) zweite Gewindestangen (64) um 90° zueinander versetzt angeordnet sind.
Zellenstapel (12) gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aktiven Bereich (50) in Rechteckform (62) auf einer langen Seite (68) zwischen den ersten Gewindestangen (30) erste Abstände (72) vorliegen.
Zellenstapel (12) gemäß den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aktiven Bereich (50) in Rechteckform (62) auf einer kurzen Seite (70) zwischen ersten und zweiten Gewindestangen (30, 64) zweite Abstände (74) vorliegen.
Zellenstapel (12) gemäß den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Abstände (74) auf der kurzen Seite (70) die ersten Abstände (72) auf der langen Seite (68) übersteigen.
Zellenstapel (12) gemäß den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aktiven Bereich (50) in Rechteckform (62) auf den langen Seiten (68) erste Gewindestangen (30) und auf den kurzen Seiten (70) zweite Gewindestangen (64) angeordnet sind.
Zellenstapel (12) gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass obere Enden (34) der ersten und zweiten Gewindestangen (30, 64) jeweils mit Federpaketen (36), bevorzugt Tellerfedern (38) umfassend, versehen sind.
Zellenstapel (12) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Federpakete (36) auf den oberen Enden (34) der zweiten Gewindestangen (64) eine geringere Steifigkeit aufweisen als diejenigen auf den oberen Enden (34) der ersten Gewindestangen (30).
Verfahren zum Vorspannen von Verbindungselementen (14) in Form von ersten und zweiten Gewindestangen (30, 64) eines Zellenstapels (12) aus einer Anzahl elektrochemischer Zellen (10), wobei auf oberen Enden (34) der ersten und zweiten Gewindestangen (30, 64) Sicherungsmuttern (35) mit Federpaketen (36) aufgenommen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherungsmuttern (35) sämtlicher Gewindestangen (30, 64) mit einem identischen Anzugsdrehmoment zur Erzeugung einer Klemmkraft im Zellenstapel (12) angezogen werden.
Verwendung des Zellenstapels (12) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem Elektrolyseur oder als Brennstoffzelle in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug.