DE10343766A1

DE10343766A1 - Electrochemical cells preferably fuel cell, stack clamping device has struts through pressure plates forming force transfer connection elements with clamp elements, pressure plate stiffening bearers

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Publication number: DE10343766A1
Application number: DE10343766A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Nettesheim; Sven Dr. Jakubith
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-09-16
Filing date: 2003-09-16
Publication date: 2005-06-02

Abstract

Device has upper and lower pressure plates (3,3') and possibly more between the cells and an arrangement (4,4';5-5''') for generating a traction force on the plates in the stack direction with at least one clamp element (4,4') and elements (5-5''') for force-transferring connection of the clamp elements with at least two pressure plates. At least one strut passed through an opening in each pressure plate forms an element for force-transferring connection with at least one clamp element and simultaneously forms a stiffening bearer for the pressure plate. An independent claim is also included for: (a) a method of assembling electrochemical cells.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung für einen Stapel aus einer Mehrzahl elektrochemischer Zellen, insbesondere zum Verspannen eines Stapels aus Brennstoffzellen, eines so genannten Stack. Soweit sich die nachfolgenden Ausführungen im Wesentlichen nur auf Brennstoffzellen beziehen, soll hierin jedoch keine Beschränkung der Erfindung liegen. Vielmehr ist die Vorrichtung auch zum Verspannen von Stapeln anderer elektrochemischer Zellen einsetzbar. Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Montage der beschriebenen Spannvorrichtung.The The invention relates to a tensioning device for a stack of a plurality electrochemical cells, in particular for clamping a stack from fuel cells, a so-called stack. As far as the subsequent remarks in Essentially referring only to fuel cells, but is intended herein no restriction the invention lie. Rather, the device is also for clamping can be used by stacks of other electrochemical cells. object The invention is also a method for mounting the clamping device described.

Die Funktionsweise von Brennstoffzellen beruht auf einer elektrochemischen Umwandlung von Brennstoff und Oxidationsmittel, z.B. Wasserstoff und Sauerstoff, in elektrischen Strom, Wärme und Reaktionsprodukte. Eine Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), einem Elektrolyten, Leitungen für die Zuführung der Reaktionspartner und die Abführung der umgesetzten Betriebsmittel sowie elektrischen Kontakt- bzw. Verbindungsmitteln. Festpolymer-Brennstoffzellen verwenden im Allgemeinen eine dünne polymere Ionenaustauschmembran als Elektrolyten. Der Werkstoff der Membran ist ionenleitfähig und weitgehend elektrisch isolierend sowie gasundurchlässig. Die Membran ist mit einem geeigneten Elektrokatalysator und einem porösen elektrisch leitfähigem Schichtmaterial beschichtet. Eine solche Anordnung wird als Membranelektrodenaufbau („MEA") bezeichnet.The Operation of fuel cells relies on an electrochemical Conversion of fuel and oxidant, e.g. hydrogen and oxygen, into electricity, heat and reaction products. A fuel cell basically consists of two electrodes (Anode and cathode), an electrolyte, lines for the supply of Reactant and the discharge the implemented equipment and electrical contact or Connecting means. Solid polymer fuel cells generally use a thin one polymeric ion exchange membrane as electrolyte. The material of Membrane is ion-conductive and largely electrically insulating and gas impermeable. The membrane is electrically conductive with a suitable electrocatalyst and a porous one conductive Coated layer material. Such an arrangement is called a membrane electrode assembly ("MEA").

In der Brennstoffzelle ist die MEA typischerweise zwischen den Elektroden, in Form zweier Separatorplatten, eingefügt, welche als Stromkollektoren wirken und die Reaktanden in geeigneter Form über den elektrochemisch aktiven Bereich der MEA verteilen. Da eine einzelne Zelle eine nur geringe Spannung aufweist, wird eine Mehrzahl von Einzelzellen miteinander elektrisch seriell verbunden. Durch eine bipolare Ausführung der Separatorplatten, kann die Serienschaltung durch deren wechselseitige Abfolge mit den MEA's realisiert werden.In of the fuel cell, the MEA is typically between the electrodes, in the form of two separator plates, inserted, which serve as current collectors act and the reactants in a suitable form over the electrochemically active Distribute the area of the MEA. Because a single cell has a low voltage has, a plurality of single cells with each other electrically connected serially. By a bipolar design of the separator plates, can the series circuit by their mutual sequence with realized the MEA's become.

Zur Sicherung der Funktionsweise werden die in Reihe geschalteten Zelleneinheiten vorzugsweise unter Herstellung einer gewissen mechanischen Vorspannung zu einem Stapel, dem so genannten Stack vereint. Dabei ist es erforderlich, dass eine gleichmäßige Flächenpressung aufgebracht wird, um eine gute elektrische Verbindung der Einzelzellen sicherzustellen. Dies wird im Allgemeinen durch Einbettung des Zellenstapels zwischen planaren Platten (Endplatten bzw. gegebenenfalls auch zwischen den Zellen angeordneten Platten) erreicht, die mit Zugankern, Spannbändern und weiteren Kompressionsvorrichtungen gegeneinander verspannt sind und hierdurch als Druckplatten eine Flächenpressung auf den Stapel ausüben. Entsprechende Anordnungen bzw. Spannvorrichtungen sind beispielsweise in der US 6,190,793 , der US 3,134,697 und der US 4,478,917 offenbart. Die bekannten Lösungen haben den Nachteil, dass sich die Endplatten gegenüber ihrer ursprünglich planaren Form durch die auftretenden Zugkräfte verformen. Als Folge kommt es zu erheblichen Abweichungen von der angestrebten homogenen Pressung über die Zellenfläche.To ensure the mode of operation, the cell units connected in series are preferably combined to form a stack, the so-called stack, with the production of a certain mechanical bias. It is necessary that a uniform surface pressure is applied to ensure a good electrical connection of the individual cells. This is generally achieved by embedding the cell stack between planar plates (end plates or optionally also between the cells arranged plates), which are braced against each other with tie rods, straps and other compression devices and thereby exert a surface pressure on the stack as printing plates. Corresponding arrangements or clamping devices are for example in the US 6,190,793 , of the US 3,134,697 and the US 4,478,917 disclosed. The known solutions have the disadvantage that deform the end plates relative to their original planar shape by the tensile forces occurring. As a result, there are significant deviations from the desired homogeneous pressure across the cell surface.

Zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Flächenpressung sind bereits unterschiedliche Lösungen bekannt geworden. So ist es aus der DE 27 29 640 A1 bekannt, in den End- und/oder Zwischenplatten einen Hohlraum vorzusehen und diesem zur Ausbildung eines Druckkissens ein Pressgas zuzuführen. Neben dem Nachteil eines relativ komplizierten Aufbaus einer derartigen Anordnung ist es als nachteilig anzusehen, dass zur Aufrechterhaltung des Drucks eine permanente Versorgung der Hohlräume mit dem Pressgas erfolgen muss. Durch die DE 100 03 528 A1 wird eine hiermit vergleichbare Lösung beschrieben. Allerdings wird bei dieser Lösung der Nachteil einer notwendigen ständigen Versorgung mit Pressgas dadurch umgangen, dass der Hohlraum eines Zwischen- und/oder Endelementes mit einem inkompressiblen Druckmedium oder einer Anordnung von Federn gefüllt wird. Insbesondere im Hinblick auf die vorgesehene Einordnung von Federn in die Hohlräume bleibt jedoch der Nachteil eines komplizierten Aufbaus erhalten. Andererseits besteht bei der Verwendung eines inkompressiblen Druckmediums die Möglichkeit, dass unter rauen Einsatzbedingungen für einen in dieser Weise verspannten Stack Undichtigkeiten auftreten und hierdurch der Druck nicht mehr aufrechterhalten werden kann.To ensure a uniform surface pressure different solutions have already become known. So it is from the DE 27 29 640 A1 known to provide a cavity in the end and / or intermediate plates and to supply this to form a pressure pad a compressed gas. In addition to the disadvantage of a relatively complicated structure of such an arrangement, it is to be regarded as disadvantageous that in order to maintain the pressure, a permanent supply of the cavities must be made with the compressed gas. By the DE 100 03 528 A1 a solution comparable with this is described. However, in this solution, the disadvantage of a necessary constant supply of compressed gas is avoided by filling the cavity of an intermediate and / or end element with an incompressible pressure medium or an arrangement of springs. In particular, with regard to the proposed classification of springs in the cavities, however, the disadvantage of a complicated structure is maintained. On the other hand, when using an incompressible pressure medium, there is the possibility that leaks occur under harsh operating conditions for a stack that is strained in this way and as a result the pressure can no longer be maintained.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spannvorrichtung für einen Stapel aus einer Mehrzahl elektrochemischer Zellen bereitzustellen, durch welche zur Gewährleistung einer guten elektrischen Verbindung der Einzelzellen eine stabile gleichmäßige Flächenpressung auf den Stapel ausgeübt wird. Dabei soll die Spannvorrichtung einen einfachen Aufbau besitzen und leicht montierbar sein. Die Aufgabe besteht weiterhin darin ein Verfahren anzugeben, welches eine einfache und sichere Montage der Spannvorrichtung am Stapel ermöglicht.task The invention is a clamping device for a stack of a plurality To provide electrochemical cells through which to ensure a good electrical connection of the single cells a stable uniform surface pressure exercised on the stack becomes. The clamping device should have a simple structure and be easy to assemble. The task continues to be to provide a method which is a simple and safe installation allows the tensioning device on the stack.

Die Erfindung wird durch eine Spannvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Das zur Montage der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung vorgeschlagene Verfahren wird durch die Merkmale des ersten Verfahrensanspruchs charakterisiert. Vorteilhafte Aus- bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind durch die jeweiligen Unteransprüche gegeben.The invention is achieved by a clamping device with the features of the main claim. The method proposed for mounting the tensioning device according to the invention is characterized by the features of the first method claim. Advantageous training or further education of He are given by the respective dependent claims.

Die vorgeschlagene Spannvorrichtung, welche zum Verspannen eines Stapels aus einer Mehrzahl elektrochemischer Zellen, vorzugsweise Brennstoffzellen, dient, besteht, wie an sich bekannt, aus an der Ober- und Unterseite sowie gegebenenfalls zwischen den Zellen angeordneten Druckplatten und Mitteln zur Erzeugung einer in der Stapelrichtung wirkenden Zugkraft auf die Druckplatten. Durch die Zugkraft wird über die planaren bzw. planen, am Stapel anliegenden Außenflächen der Druckplatten eine Flächenpressung auf den Stapel ausgeübt. Die Zugkraft wird durch mindestens ein Spannelement und durch Elemente erzeugt, die das oder die Spannelemente kraftübertragend jeweils mit wenigstens zwei der Druckplatten verbinden. In erfindungswesentlicher Weise wird jede Druckplatte über mindestens einen im Wesentlichen quer zur Stapelrichtung verlaufenden Durchbruch von wenigstens einer Strebe durchragt, die ein Element zur kraftübertragenden Verbindung der Druckplatte mit wenigstens einem Spannelement und gleichzeitig einen die jeweilige Druckplatte versteifenden Träger ausbildet. Durch diesen Aufbau ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Druck bzw. Endplatten aus einem leichten Material auszubilden, ohne dass hierbei Abstriche im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit des über die Platten auf den Stapel ausgeübten Drucks hingenommen werden müssten. Die dennoch sehr einfach aufgebaute Spannvorrichtung ist zudem, wie aus dem später dargestellten Verfahren ersichtlicht wird, sehr leicht an dem von den Brennstoffzellen oder anderen elektrochemischen Zellen gebildeten Stapel montierbar.The proposed clamping device, which for clamping a stack from a plurality of electrochemical cells, preferably fuel cells, serves, consists, as is well known, from the top and bottom and optionally arranged between the cells printing plates and means for producing a stacking direction Pulling force on the printing plates. Due to the pulling force is over the planar or plan, abutting the outer surfaces of the printing plates a surface pressure exercised on the stack. The tensile force is determined by at least one tensioning element and by elements generated, the force-transmitting or the clamping elements each with at least connect two of the printing plates. In inventive manner every printing plate is over at least one substantially transverse to the stacking direction Breakthrough penetrated by at least one strut, which is an element to the force-transmitting connection the pressure plate with at least one clamping element and simultaneously forms a respective pressure plate stiffening carrier. Through this Structure, it is possible in an advantageous manner, the pressure or end plates Made of a lightweight material, without sacrificing this in terms of uniformity of the over the plates exerted on the stack Pressure would have to be accepted. The still very simple clamping device is also, like from the later illustrated method is very easy to that of the fuel cells or other electrochemical cells formed Stack mountable.

Entsprechend einer praxisrelevanten Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung weist diese zwei Spannelemente auf, die einander gegenüberliegend, an je einer äußeren Längsseite des Stapels in Stapelrichtung angeordnet sind. Diese sind, dem erfindungsgemäßen Grundprinzip folgend, mittels Streben, welche eine an der Oberseite des Stapels und eine an der Unterseite des Stapels angeordnete Druckplatte durchragen, zur Übertragung der Zugkraft mit den Druck- bzw. Endplatten verbunden. Gemäß einer möglichen und gebräuchlichen Ausbildungsform sind die Spannelemente als Spannbänder ausgeführt. Durch das Verwenden flacher Bänder ergibt sich in Verbindung mit einer geeigneten Wahl des Materials für die Druckplatten aufgrund des ansonsten einfachen, mit nur wenigen Elmenten auskommenden Aufbaus ein vergleichsweise geringes Gewicht für die Spannvorrichtung. Letztlich hängt aber die jeweils zweckmäßigste Ausbildung für die Spannelemente vom jeweiligen Einsatzfall und damit nicht zuletzt von der Größe der Brennstoffzellen und des von ihnen gebildeten Stacks ab. Im Einzelfall kann es dabei auch erforderlich sein an Stelle von Spannbändern geometrisch kompaktere Spannelemente zu verwenden.Corresponding a practice-relevant embodiment of the clamping device according to the invention has these two clamping elements, which are opposite each other, on each outer longitudinal side of the stack are arranged in the stacking direction. These are, according to the basic principle of the invention, by means of struts, which one at the top of the stack and one protrude through the printing plate arranged on the underside of the stack, for transmission the tensile force connected to the pressure or end plates. According to one potential and in use Training form the clamping elements are designed as tension bands. By using flat bands arises in conjunction with a suitable choice of material for the Printing plates due to the otherwise simple, with only a few elements auskommenden structure a comparatively low weight for the clamping device. Ultimately, it hangs but the most appropriate training for the Clamping elements of the particular application and thus not least on the size of fuel cells and the stack formed by them. In individual cases, it can Also be required in place of tension bands geometrically more compact clamping elements to use.

Im Falle einer Ausbildung in Form von Spannbändern hat sich gezeigt, dass eine Verwendung Federstahl in vielen als günstig anzusehen ist. Aber auch die Verwendung elektrisch isolierender Materialien, wie beispielsweise Kunststoffe, kommt, wiederum abhängig vom Einsatzzweck, in Betracht. Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung einer mit Spannbändern realisierten Variante der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung, sind die Spannbänder durch ein entsprechendes Profil als Wellenfeder gestaltet. Hierdurch ist es möglich über die jeweilige Geometrie der wellenförmigen Spannbänder und des für ihre Fertigung verwendeten Materials eine Wellenfeder mit definierter Federkonstante auszubilden und auf diese Weise die bei der Verspannung eines Zellenstapels wirksam werdende Vorspannung optimal einzustellen.in the Case of training in the form of straps has been shown that a use spring steel in many is considered favorable. But also the use of electrically insulating materials, such as Plastics, in turn, depends of purpose, into consideration. In a particularly advantageous Continuing one with tension bands realized variant of the clamping device according to the invention are the tension bands designed by a corresponding profile as a wave spring. hereby is it possible over the respective geometry of the wavy straps and of for their manufacturing material used a wave spring with defined Form spring constant and in this way the in the tension to optimally adjust the bias of a cell stack.

Auch für die konkrete Ausbildung der die Platten durchragenden und diese mit den Spannelementen kraftübertragend verbindenden Streben sind, abhängig vom Einsatzfall, unterschiedliche Möglichkeiten gegeben. Vorzugsweise sind die Streben als metallische Zylinderstifte ausgebildet, wobei selbstverständlich durch die Wahl der Materialien für die Druckplatten, die Zylinderstifte und die Spannelemente sichergestellt werden muss, dass zwischen zwei auf gegenüberliegenden Seiten des Stapel bzw. zwischen einer als Grund- oder Deckplatte und einer zwischen den Zellen angeordneten Druckplatte kein elektrischer Kurzschluss entsteht. Insoweit kommt auch eine Ausbildung der Zylinderstifte aus einem elektrisch isolierenden Material in Betracht, wobei es sich, im Hinblick auf die aufzunehmenden Kräfte, vorzugsweise um einen faserverstärkten Kunststoff handeln könnte.Also for the concrete training of the plates towering and this with force-transmitting the clamping elements connecting aspirations are dependent of the application, given different possibilities. Preferably the struts are designed as metallic cylindrical pins, wherein Of course through the choice of materials for the pressure plates, the cylindrical pins and the clamping elements ensured Must be that between two on opposite sides of the stack or between as a base or cover plate and an intermediate the cells arranged pressure plate no electrical short circuit arises. In that regard, an education of the cylindrical pins made of an electrically insulating material, it being possible, with regard to the forces to be absorbed, preferably one fiber reinforced Plastic could act.

Eine ebenfalls sehr vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist gegeben, wenn die Durchbrüche in den Druckplatten und die Längsachsen der sie durchragenden Streben einen gekrümmten Verlauf aufweisen, wobei sie gegenüber der planaren, am Stapel anliegenden Außenfläche der jeweiligen Druckplatte gekrümmt sind. Durch diese Maßnahme kann ebenfalls die durch die Druckplatte auf den Stapel wirkende Vorspannung beeinflusst werden. Dabei wird die vor der Monatage zunächst spannungsfreie Druckplatte als Teil einer am Stapel montierten Spannvorrichtung zu einem elastisch vorgespannten Element. Bei einer praxisgerechten Ausführungsform der Erfindung weist jede, der zumindest an der Oberseite und an der Unterseite des Stapels angeordneten Druckplatten zwei Durchbrüche mit einem kreisförmigen Querschnitt auf. Jeder Durchbruch ist von jeweils einem Zylinderstift durchragt. Die axialen Enden der Zylinderstifte sind zur Verspannung eines Stapels mit Spannelementen, vorzugsweise Spannbändern, in Eingriff gebracht, die in einer Doppel-T-Form ausgebildet sind und in den Querbalken der Doppel-T-Form entsprechende, über die Zylinderstifte zu schiebende Bohrungen aufweisen. Vorzugsweise sind dabei die in den Spannelementen angeordneten Bohrungen zur Vereinfachung der Montage mit einer Lochleibung versehen.A likewise very advantageous development of the invention is given when the openings in the pressure plates and the longitudinal axes of the struts projecting through them have a curved course, wherein they are curved relative to the planar, abutting the outer surface of the respective pressure plate. This measure can also be influenced by the pressure plate acting on the stack bias. In this case, the tension-free pressure plate, which is initially tension-free before the saturation, becomes an elastically prestressed element as part of a tensioning device mounted on the stack. In a practical embodiment of the invention, each of the at least on the top and on the bottom of the stack arranged pressure plates on two openings with a circular cross-section. Each breakthrough is penetrated by one cylindrical pin. The axial ends of the cylindrical pins are for clamping a stack with clamping elements, preferably clamping bands, engaged in a dop pel-T shape are formed and in the crossbars of the double-T-shape corresponding to have to be pushed over the cylinder pins holes. Preferably, the arranged in the clamping elements bores are provided to simplify the installation with a Lochleibung.

Die Druckplatten können zur Erreichung eines geringen Gewichts eines mit der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung verspannten Stacks aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff oder einer Leichtmetalllegierung bestehen. Im letztgenannten Fall sind die Druckplatten bei Verwendung metallischer Spannelemente und/oder Streben gegen diese elektrisch zu isolieren, wobei die Durchbrüche zur Isolierung gegen die metallischen Streben eine Innenhülse aus einem entsprechenden isolierenden Material aufweisen.The Printing plates can to achieve a low weight of one with the tensioning device according to the invention strained stacks of an electrically insulating plastic or a light metal alloy. In the latter case are the printing plates when using metallic clamping elements and / or struts to electrically isolate them, the breakthroughs for insulation against the metallic struts an inner sleeve have a corresponding insulating material.

Die Montage der Spannvorrichtung erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, dass der Stapel mit den an seiner Ober- und Unterseite und gegebenenfalls zwischen den elektrochemischen Zellen angeordneten Druckplatten mittels einer externen Pressvorrichtung verpresst und gehalten wird. Bei gespannter Pressvorrichtung können nun die Spannelemente, respektive Spannbänder mit den vor oder nach dem Einbringen des Stapels in die externe Pressvorrichtung in die Durchbrüche der Druckplatten eingeführten Streben in Eingriff gebracht werden. Danach wird die externe Pressvorrichtung entspannt, wobei der Stapel auf die durch die Beschaffenheit der Spannelemente bestimmte Solllänge gebracht und entsprechend vorgespannt wird. Vorzugsweise wird das Aufschieben der Spannelemente auf die die Druckplatten durchragenden Streben durch die bereits erwähnten Lochleibungen der in die Spannelemente eingebrachten Bohrungen unterstützt.The Assembly of the clamping device is carried out according to the invention in that the stack with those at its top and bottom and optionally between the electrochemical cells arranged printing plates is pressed and held by means of an external pressing device. With a tensioned pressing device, the clamping elements, respectively tension bands with the before or after the introduction of the stack in the external pressing device into the breakthroughs the printing plates introduced Striving to be engaged. Thereafter, the external pressing device relaxed, the stack on the by the nature of the clamping elements certain nominal length brought and biased accordingly. Preferably, the Sliding the clamping elements on the pressure plates protruding Strive through the already mentioned Supporting holes in the holes introduced into the clamping elements.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen nochmals näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The Invention will be explained in more detail below with reference to embodiments. In the associated Drawings show:

1: Eine grundsätzliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung 1 : A basic embodiment of the tensioning device according to the invention

2: Teile der Spannvorrichtung gemäß 1 2 : Parts of the tensioner according to 1

3: Die Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellenstacks mit einer Spannvorrichtung gemäß 1 3 : The exploded view of a fuel cell stack with a clamping device according to 1

4: Die schematische Darstellung einer Druckplatte bzw. Endplatte mit einem Durchbruch 4 : The schematic representation of a printing plate or end plate with a breakthrough

5: Die schematische Darstellung einer möglichen Ausbildung eines Spannelementes 5 : The schematic representation of a possible design of a clamping element

In der 1 ist eine mögliche Ausbildung der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung beispielhaft dargestellt. In der Darstellung ist die Spannvorrichtung ohne den von ihr verspannten Stapel 1 elektrochemischer Zellen 2 gezeigt. Die Spannvorrichtung besteht gemäß dem Beispiel aus zwei Druck- bzw. Endplatten 3, 3', welche oberhalb und unterhalb eines Stapels 1 gemäß 3 von beispielsweise Brennstoffzellen 2 angeordnet werden, mehreren die Druckplatten 3, 3' durchragenden Zylinderstiften 5, 5', 5'', 5''' und, im Beispiel, zwei Spannbändern 4, 4'. Zur Montage wird ein mit der Spannvorrichtung zu verspannender Stapel 1 bei der Fertigung zunächst mittels einer externen Pressvorrichtung zusammengedrückt. Dann werden die Zylinderstifte 5, 5', 5'', 5''' in die dafür in den Druckplatten 3, 3' vorgesehenen Durchbrüche 6, 6', 6'', 6''' in den Druckplatten 3, 3' eingeführt. Die in der Form eines Doppel-T ausgebildeten Spannbänder 4, 4' werden mit ihren Bohrungen 8 auf die die Druckplatten 3, 3' durchragenden Zylinderstifte 5, 5', 5'', 5''' aufgeschoben. Schließlich wird die externe Pressvorrichtung entfernt und somit der Stapel 1 durch die von den Spannbändern 4, 4' über die Zylinderstifte 5, 5', 5'', 5''' auf die Druckplatten 3, 3' ausgeübte Zugkraft in der vorgesehenen Solllage verspannt. Die in die Durchbrüche 6, 6', 6'', 6''' eingeführten Streben, respektive Zylinderstifte 5, 5', 5'', 5''' wirken dabei quasi als Zuganker für die Spannbänder 4, 4'. In besonders vorteilhafter Weise können die Druckplatten 3, 3' aus einem leichten Material, beispielsweise einem Kunststoff, gefertigt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass sie sich in der Gebrauchslage der Spannvorrichtung verziehen. Insoweit wirken die die Druckplatten 3, 3' durchragenden Zylinderstifte 5, 5', 5'', 5''' nicht nur als Zuganker, sondern gleichzeitig auch als Versteifung für die jeweilige Druckplatte 3, 3'. Durch diese Versteifung werden die Druckplatten 3, 3' gegen ein Verbiegen stabilisiert, so dass eine besonders gleichmäßige Flächenpressung auf den Stapel 1 erreicht wird. Form und Anzahl der Streben 5, 5', 5'', 5''' hängen beispielsweise von der Art des Materials der Druckplatten 4, 4', von der Querschnittsfläche des Stapels 1 oder aber von der Form der Spannelemente 3, 3' ab. In dem dargestellten Beispiel, mit Spannbändern 4, 4' in Doppel-T-Form, welche an ihren axialen Enden bzw. den Querträgern des ,Doppel-T' jeweils zwei Bohrungen 8 aufweisen, wird jede Druckplatte 3, 3' von zwei Zylinderstiften 5, 5', 5'', 5''' durchragt. Zur Vereinfachung der Montage weisen die Bohrungen 8 der Spannbänder 4, 4' vorzugsweise eine, in der Fig. nicht erkennbare Lochleibung auf.In the 1 a possible embodiment of the clamping device according to the invention is exemplified. In the illustration, the jig without the strained from her stack 1 electrochemical cells 2 shown. The clamping device consists according to the example of two pressure or end plates 3 . 3 ' which are above and below a stack 1 according to 3 from, for example, fuel cells 2 be arranged, several of the printing plates 3 . 3 ' piercing cylindrical pins 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' and, in the example, two straps 4 . 4 ' , For mounting, a stack to be clamped with the clamping device 1 initially compressed during manufacture by means of an external pressing device. Then the cylinder pins 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' in the for in the printing plates 3 . 3 ' provided breakthroughs 6 . 6 ' . 6 '' . 6 ''' in the printing plates 3 . 3 ' introduced. The tensioning bands designed in the form of a double-T 4 . 4 ' be with their holes 8th on the printing plates 3 . 3 ' piercing cylindrical pins 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' postponed. Finally, the external pressing device is removed and thus the stack 1 through the straps 4 . 4 ' over the cylinder pins 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' on the printing plates 3 . 3 ' exerted tensile force braced in the intended nominal position. The in the breakthroughs 6 . 6 ' . 6 '' . 6 ''' introduced struts, respectively cylindrical pins 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' act as a tie rod for the tension bands 4 . 4 ' , In a particularly advantageous manner, the printing plates 3 . 3 ' be made of a lightweight material, such as a plastic, without the risk that they warp in the position of use of the tensioning device. In that regard, the pressure plates act 3 . 3 ' piercing cylindrical pins 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' Not only as a tie rod, but at the same time as a stiffener for the respective pressure plate 3 . 3 ' , This stiffening makes the printing plates 3 . 3 ' stabilized against bending, allowing a particularly uniform surface pressure on the stack 1 is reached. Shape and number of struts 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' depend, for example, on the type of material of the printing plates 4 . 4 ' , from the cross-sectional area of the stack 1 or on the shape of the clamping elements 3 . 3 ' from. In the example shown, with straps 4 . 4 ' in double T-shape, which at its axial ends or the cross members of the 'double T' two holes 8th have, every pressure plate 3 . 3 ' of two cylindrical pins 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' projects through. To simplify the installation, the holes 8th the tension bands 4 . 4 ' preferably one, in the figure not recognizable bearing hole.

In der 2 ist nochmals ein Teil der Spannvorrichtung nach 1 dargestellt. Die Figur zeigt eine Druckplatte 3 mit den Durchbrüchen 6, 6' sowie zwei in diese Durchbrüche bei der Montage einzuführende Zylinderstifte 5, 5'. Zur möglichen Form dieser Zylinderstifte 5, 5', 5'', 5''' und dem möglichen Verlauf der Durchbrüche 6, 6', 6'', 6''' in den Druckplatten 3, 3' sei an dieser Stelle auf die Erläuterungen zur 4 verwiesen.In the 2 is again a part of the jig after 1 shown. The figure shows a printing plate 3 with the breakthroughs 6 . 6 ' and two cylinder pins to be inserted in these openings during assembly 5 . 5 ' , On the possible shape of these cylindrical pins 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' and the possible course of the breakthroughs 6 . 6 ' . 6 '' . 6 ''' in the printing plates 3 . 3 ' At this point, I would like to refer to the comments on 4 directed.

Aus der 3 wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung nochmals gut erkennbar. Die Figur zeigt einen Brennstoffzellenstack 1 mit der zugehörigen Spannvorrichtung in einer Explosionsdarstellung. Zu erkennen ist der von den Brennstoffzellen 2 und ihren Elementen, nämlich jeweils einer von den Separatorplatten umgebenden Membran, gebildete Stapel 1. Auf den Stapel 1 werden bei der Montage unter- und oberseitig die Druck- bzw. Endplatten 3, 3' aufgesetzt. Der Stapel 1 wird dann in der schon beschriebenen Weise mittels der Streben 5, 5', 5'', 5''' und der Spannbänder 4, 4' verspannt, wobei die Spannbänder 4, 4' gemäß dem Beispiel an den schmalen Längsseiten des Stapels 1 zur Anlage gelangen. Abhängig von der Größe der Brennstoffzellen 2 und des sich bei ihrer seriellen Verschaltung ergebenden Stapels 1 können die Spannstreben ganz unterschiedliche Formen aufweisen. Abgesehen davon, dass sie massiv oder wie im Beispiel als Bänder ausgebildet seien können, sind beispielsweise I-, T- oder Doppel-T-Elemente denkbar.From the 3 the operation of the clamping device according to the invention is again clearly visible. The figure shows a fuel cell stack 1 with the associated clamping device in an exploded view. You can see it from the fuel cells 2 and their elements, namely a respective stack of membranes surrounding the separator plates 1 , On the pile 1 During installation, under- and upper side, the printing or end plates 3 . 3 ' placed. The stack 1 is then in the manner already described by means of the struts 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' and the straps 4 . 4 ' braced, with the tension bands 4 . 4 ' according to the example on the narrow longitudinal sides of the stack 1 get to the plant. Depending on the size of the fuel cell 2 and the stack resulting from their serial interconnection 1 The tension struts can have very different shapes. Apart from the fact that they can be solid or as in the example formed as bands, for example, I, T or double-T elements are conceivable.

Die 4 zeigt eine Druck- bzw. Endplatte 3 in einer schematischen Darstellung. Die Druckplatte weist in der Längsrichtung einen Durchbruch 6 auf. In dem dargestellten Beispiel weist der in seinem Querschnitt kreisförmige Durchbruch 6 eine Wölbung gegenüber der Längsachse der Endplatte 3 auf. Zur Verdeutlichung ist die Wölbung in der schematischen Darstellung etwas übertrieben dargestellt. Dem Fachmann wird allerdings klar, dass durch die Einführung eines Zylinderstiftes 5 in einen derart gewölbten Durchbruch 6 und das anschließende Verspannen dieser Druckplatte 3 mittels der Spannelemente 4, 4' eine Vorspannung des Stapels 1 mit einer gezielt beeinflussbaren Druckverteilung bewirkt werden kann.The 4 shows a printing or end plate 3 in a schematic representation. The pressure plate has a breakthrough in the longitudinal direction 6 on. In the illustrated example, the circular in cross-section breakthrough 6 a curvature relative to the longitudinal axis of the end plate 3 on. To clarify the curvature is shown somewhat exaggerated in the schematic representation. The skilled person will, however, be clear that by the introduction of a cylinder pin 5 in such a vaulted breakthrough 6 and then tightening this pressure plate 3 by means of the clamping elements 4 . 4 ' a bias of the stack 1 can be effected with a targeted influenceable pressure distribution.

Gemäß einer durch die 5 dargestellten Ausführungsform ist es außerdem möglich, die auf den Stapel 1 ausgeübte Anpresskraft, außer durch die Wahl des Materials für die Spannbänder 4, 4', durch deren Formgebung zu beeinflussen.According to one by the 5 In addition, it is possible to use the embodiment shown on the stack 1 applied contact pressure, except by the choice of material for the tension bands 4 . 4 ' to influence through their shaping.

Entsprechend dem in der Figur schematisch gezeigten Beispiel ist dies in vorteilhafter Weise durch eine gewellte Ausformung der Spannbänder 4, 4' möglich.According to the example shown schematically in the figure, this is advantageously by a corrugated shape of the clamping bands 4 . 4 ' possible.

Über die konkrete Geometrie dieser Wellenform kann dabei eine geeignete Federkostante eingestellt werden, welche eine Kraftwirkung in Richtung der angetragenen Pfeile verursacht.About the concrete geometry of this waveform can be a suitable Fedostostante be set, which is a force acting in the direction of Arrows caused.

Liste der verwendeten Bezugszeichenlist of used reference numerals

11: Stapelstack
22: (Brennstoff-) Zellen(Fuel-) cell
3, 3'3, 3 ': Druck- bzw. EndplattePrint- or end plate
4, 4'4, 4 ': Spannelement, SpannbandClamping element, strap
5, 5', 5'', 5'''5, 5 ', 5' ', 5' '': Strebe, ZylinderstiftStrut, straight pin
6, 6', 6'', 6'''6 6 ', 6' ', 6' '': Durchbruchbreakthrough
7, 7'7, 7 ': planare bzw. plane Außenflächeplanar or plane outer surface
88th: Bohrungdrilling

Claims

Clamping device for a stack ( 1 ) from a plurality of electrochemical cells ( 2 ), preferably fuel cells, consisting of at the top and bottom and optionally between the cells ( 2 ) arranged pressure plates ( 3 . 3 ' ) and funds ( 4 . 4 ' . 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) for generating a tensile force acting in the stacking direction on the printing plates ( 3 . 3 ' ), wherein by this tensile force on planar, abutting the outer surfaces ( 7 . 7 ' ) of the printing plates ( 3 . 3 ' ) a surface pressure on the stack ( 1 ) and the resources ( 4 . 4 ' . 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) for generating the tensile force around at least one tensioning element ( 4 . 4 ' ) and elements ( 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) to the force-transmitting connection of the clamping element ( 4 . 4 ' ) with at least two of the printing plates ( 3 . 3 ' ), characterized in that each pressure plate ( 3 . 3 ' ) over at least one substantially transverse to the stacking direction breakthrough ( 6 . 6 ' . 6 '' . 6 ''' ) is penetrated by at least one strut, which is an element ( 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) to the force-transmitting connection of the pressure plate ( 3 . 3 ' ) with at least one tensioning element ( 4 . 4 ' ) and at the same time a respective printing plate ( 3 . 3 ' ) stiffening carrier trains.

Clamping device according to claim 1, characterized in that these two clamping elements ( 4 . 4 ' ), which are opposite each other, on each outer longitudinal side of the stack ( 1 ) arranged in the stacking direction and by means of the struts ( 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) each with one at the top of the stack ( 1 ) and one at the bottom of the stack ( 1 ) arranged pressure plate ( 3 . 3 ' ) are connected in a force-transmitting manner.

Clamping device according to claim 1 or 2, characterized in that the clamping elements ( 4 . 4 ' ) are designed as tension bands.

Clamping device according to claim 3, characterized in that the clamping bands ( 4 . 4 ' ) consist of spring steel.

Clamping device according to claim 3, characterized in that the clamping bands ( 4 . 4 ' ) from egg consist of electrically insulating material.

Clamping device according to claim 4 or 5, characterized in that the clamping bands ( 4 . 4 ' ) have a wave-shaped profile, so that they form a wave spring, by the material and geometry of a spring constant and thus the on the stack ( 1 ) acting bias can be fixed.

Clamping device according to claim 1 or 3, characterized in that the struts ( 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) are designed as metallic cylinder pins.

Clamping device according to claim 1 or 3, characterized in that the struts ( 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) are formed as cylindrical pins made of an electrically insulating material, preferably of a fiber-reinforced plastic.

Clamping device according to one of claims 1, 3, 7 or 8, characterized in that the openings ( 6 . 6 ' . 6 '' . 6 ''' ) in the printing plates ( 3 . 3 ' ) and the longitudinal axes of the struts ( 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) one opposite the planar, at the stack ( 1 ) adjacent outer surfaces of the printing plates ( 3 . 3 ' ) have a curved course.

Clamping device according to one of claims 7, 8 or 9, characterized in that each pressure plate ( 3 . 3 ' ) two breakthroughs ( 6 . 6 ' ) respectively. ( 6 '' . 6 ''' ), which in each case by a cylindrical pin ( 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) and that the clamping elements ( 4 . 4 ' ) formed in a double-T-shape and for clamping the stack ( 1 ) via holes provided in the crossbeams of this double-T-shape ( 8th ) with the ends of the printing plates ( 3 . 3 '' ) projecting cylindrical pins ( 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) are engaged.

Clamping device according to claim 10, characterized in that the bores ( 8th ) over which the clamping elements ( 4 . 4 ' ) with the cylindrical pins ( 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) for bracing the stack ( 1 ) are engaged, have a Lochlebibung.

Clamping device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the pressure plates ( 3 . 3 ' ) consist of an electrically insulating plastic.

Clamping device according to one of claims 1 to 11, characterized in that the pressure plates ( 3 . 3 ' ) consist of a light metal alloy, whereby they are supported against any metallic tension bands ( 4 . 4 ' ) are electrically isolated on the side surfaces and their struts ( 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) receiving breakthroughs ( 6 . 6 ' . 6 '' . 6 ''' ), in the case of forming the struts of an electrically conductive material, by an inner sleeve against the struts ( 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) are electrically isolated.

Method for assembling the tensioning device according to claim 1, characterized in that the stack ( 1 ) with those at its top and bottom and optionally between the electrochemical cells ( 2 ) arranged pressure plates ( 3 . 3 ' ) is pressed and held by means of an external pressing device, the clamping elements ( 4 . 4 ' ) with the before or after the introduction of the stack ( 1 ) in the external pressing device in the openings ( 6 . 6 ' . 6 '' . 6 ''' ) of the printing plates ( 3 . 3 ' ) ( 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) and then the external pressing device is relaxed, the stack ( 1 ) due to the nature of the clamping elements ( 4 . 4 ' ) is brought certain predetermined length and biased accordingly.

A method according to claim 14, characterized in that the tensioning straps designed as clamping elements ( 4 . 4 ' ) prior to relaxing the external pressing device via holes provided with bearing holes for ease of assembly ( 8th ) on the cylindrical, the pressure plates ( 3 . 3 ' ) striving ( 5 . 5 ' . 5 '' . 5 ''' ) be deferred.