EP4716966A1 - Brennstoffzellenstapel - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel (1), umfassend eine Vielzahl von Brennstoffzellen (2) in gestapelter Anordnung, die zwischen zwei Endplatten (3, 4) angeordnet und mit diesen über mindestens ein U-förmig um den Brennstoffzellenstapel (1) gelegtes Spannband (5) miteinander verspannt sind, wobei zumindest ein Ende des Spannbands (5) über eine Bolzenanordnung (6) an einer weiteren Platte (7) befestigt ist, die in einem Abstand (a) zu einer Endplatte (3, 4), vorzugsweise zur unteren Endplatte (3), angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist die Bolzenanordnung (6) einen abschnittsweise in der weiteren Platte (7) aufgenommenen Bolzen (8) mit einer Längsachse (AB) auf, die in einem Winkel (α) < 90° gegenüber der weiteren Platte (7) angestellt ist.

Description

Beschreibung

Titel

Die Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 . Bevorzugter Anwendungsbereich sind mobile Brennstoffzellensysteme bzw. Brennstoffzellenfahrzeuge.

Stand der Technik

Ein Brennstoffzellenstapel, insbesondere ein Brennstoffzellenstapel für mobile Anwendungen, kann mehrere Hundert Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung umfassen. Der übliche Aufbau eines Brennstoffzellenstapels wird nachfolgend anhand der Figur 1 erläutert.

Der Figur 1 ist ein Brennstoffzellenstapel 1 mit mehreren Brennstoffzellen 2 in gestapelter Anordnung zu entnehmen, die zwischen zwei Endplatten 3, 4 angeordnet sind. Um den Brennstoffzellenstapel 1 herum ist mindestens ein Spannband 5 gelegt, mittels dessen die Brennstoffzellen 2 und die Endplatten 3, 4 miteinander verspannt sind. Das Spannband 5 ist an seinen beiden Enden jeweils mittels einer Bolzenanordnung 6 fixiert. Die Bolzenanordnung 6 weist hierzu einen Bolzen 8 auf, der abschnittsweise in einer weiteren Platte 7, auch X-Platte genannt, aufgenommen und an dieser axial abgestützt ist.

Wie beispielhaft in der Figur 1 dargestellt, sind die Bolzen 8 der Bolzenanordnungen 6 jeweils axial versetzt zum außenliegenden Spannband 5 angeordnet. Der Achsabstand Ai zwischen den Bolzen 8 ist kleiner als der Abstand A2 zwischen den beidseits des Brennstoffzellenstapels 1 angeordneten Spannbandabschnitten. Hieraus folgt, dass die Krafteinleitung von den Bolzen 8 auf das Spannband 5 zum Verspannen der Brennstoffzellen 2 und der Endplatten 3, 4 nicht querkraftfrei ist. Dies kann zur Folge haben, dass die Querkraft die axiale Kraft mindert, so dass diese ggf. unzureichend ist. Ferner kann es zu einem Verklemmen der Bolzen 8 innerhalb der X-Platte 7 kommen. Darüber hinaus steigt die Neigung zu Fressern und/oder zu einer Kaltverschweißung der Bolzen 8 innerhalb der X- Platte 7. Setzeffekte, die zu einer Veränderung des Abstands zwischen der X- Platte 7 und der nächsten Endplatte 3 führen, können dann über die Bolzen 8 nicht mehr ausgeglichen werden.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, einen Brennstoffzellenstapel der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Krafteinleitung im Bereich einer Spannbandverschraubung möglichst querkraftfrei erfolgt.

Zur Lösung der Aufgabe wird der Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Der vorgeschlagene Brennstoffzellenstapel umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung, die zwischen zwei Endplatten angeordnet und mit diesen über mindestens ein U-förmig um den Brennstoffzellenstapel gelegtes Spannband miteinander verspannt sind. Zumindest ein Ende des Spannbands ist dabei über eine Bolzenanordnung an einer weiteren Platte befestigt, die in einem Abstand a zu einer Endplatte, vorzugsweise zur unteren Endplatte, angeordnet ist. Erfindungsgemäß weist die Bolzenanordnung einen abschnittsweise in der weiteren Platte aufgenommenen Bolzen mit einer Längsachse auf, die in einem Winkel a < 90° gegenüber der weiteren Platte angestellt ist. Das heißt, dass der Bolzen gegenüber der weiteren Platte im Winkel a angestellt ist.

Da der Bolzen gegenüber der weiteren Platte in einem Winkel a < 90° angestellt, verläuft die Längsachse des Bolzens nicht wie sonst üblich senkrecht, sondern schräg zur weiteren Platte. Die Schrägstellung dient dem Ausgleich des axialen Versatzes zwischen dem Bolzen und dem Spannband. Die Krafteinleitung über den Bolzen in das Spannband kann auf diese Weise querkraftfrei oder zumindest annähernd querkraftfrei realisiert werden.

Der Winkel a wird zwischen der Längsachse des Bolzens und einer Ebene gemessen, die durch die weitere Platte bzw. die Hauptausrichtung der weiteren Platte definiert ist Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der weiteren Platte verläuft die Ebene parallel zu den Brennstoffzellen sowie zu den beiden Endplatten bzw. der durch sie definierten Ebenen.

Bevorzugt weist die weitere Platte eine Bolzenaufnahme mit einer Längsachse auf, die in einem Winkel ß < 90° gegenüber der weiteren Platte angestellt ist. Der Winkel ß kann gleich groß wie der Winkel a sein, so dass der Bolzen mit Einsetzen in die Bolzenaufnahme zugleich ausgerichtet wird. Die Anstellung des Bolzens wird dann durch die Anstellung der Bolzenaufnahme vorgegeben. Der Winkel ß und der Winkel a hängen dann im Wesentlichen vom axialen Versatz zwischen der Bolzenaufnahme und dem Spannband sowie vom Abstand a zwischen der weiteren Platte und der Endplatte ab.

Da sich der Abstand a zwischen der weiteren Platte und der Endplatte durch Setzeffekte ändern kann, ist es von Vorteil, wenn die Bolzenaufnahme größer als der Bolzen selbst ausgebildet ist, so dass dieser sich neu ausrichten kann, Der Winkel a ist dann nicht mehr gleich dem Winkel ß.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die weitere Platte eine sphärisch und/oder konisch ausgeführte Stützfläche aufweist, an welcher der Bolzen über einen sphärisch und/oder konisch geformten Abschnitt axial abgestützt ist. Die Stützfläche und der besagte Bolzenabschnitt wirken dann ein Gelenk ausbildend zusammen, das ein selbständiges Ausrichten des Bolzens ermöglicht. Das Gelenk ist vorzugsweise nach Art eines Kugelgelenks ausgebildet, so dass sich der Bolzen optimal ausrichten kann. Die sphärisch und/oder konisch ausgeführte Stützfläche der weiteren Platte ist vorzugsweise innerhalb der Bolzenaufnahme ausgebildet. Die beidseits an die Stützfläche anschließenden Abschnitte der Bolzenaufnahme sind derart dimensioniert, dass der Bolzen ausreichend Bewegungsraum zum selbständigen Ausrichten hat.

Vorteilhafterweise bildet zumindest ein Ende des Spannbands eine Schlaufe aus, in der ein mit dem Bolzen verbundenes, vorzugsweise verschraubtes, Riegelelement aufgenommen ist. Über das Riegelelement erfolgt die Krafteinleitung vom Bolzen in das Spannband. Bevorzugt ist das Riegelelement zylinderförmig ausgeführt, so dass keine Kante auf das Spannband im Bereich der Schlaufe drückt. Zur Verbindung, vorzugsweise Verschraubung, mit dem Bolzen kann das Riegelelement eine Querbohrung aufweisen, in welcher der Bolzen abschnittsweise aufgenommen ist Zur Verschraubung kann die Querbohrung ein Innengewinde und der entsprechende Bolzenabschnitt ein Außengewinde aufweisen. Die Schraubverbindung zwischen dem Riegelelement und dem Bolzen weist den Vorteil auf, dass bei einem Nachlassen der Spannkraft aufgrund von Setzeffekten der Bolzen weiter angezogen werden kann.

Bevorzugt weist das Riegelelement eine Längsachse AR auf, auf der sich die Längsachse des Bolzens sowie eine Längsachse des Spannbands, vorzugsweise des an die Schlaufe anschließenden Abschnitts des Spannbands, schneiden. Der Schnittpunkt bildet zugleich einen Umlenkpunkt aus, über den die querkraftfreie Krafteinleitung erfolgt. Denn der Umlenkpunkt liegt in Verlängerung des Spannbands.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Endplatte im Bereich des anliegenden Spannbands gerundet ausgeführt ist. Das heißt, dass die zur Anlage des Spannbands vorgesehene Fläche mindestens einer Endplatte kantenfrei sind, so dass beim Spannen des Spannbands keine Kante gegen das Spannband drückt. Vorzugsweise sind beide Endplatten im Bereich des anliegenden Spannbands gerundet ausgeführt.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die im Abstand a zur weiteren Platte angeordnete Endplatte, vorzugsweise die untere Endplatte, in einem Kantenbereich, über den das Spannband hinweggeführt ist, gerundet ausgeführt ist. Der gerundete Kantenbereich erweitert die kantenfreie Anlagefläche des Spannbands, so dass sich selbst dann keine Kante gegen das Spannband drückt, wenn die Ausrichtung des Bolzens, beispielsweise aufgrund von Setzeffekten, nicht ganz optimal ist.

Bevorzugt sind beide Enden des mindestens einen Spannbands jeweils über eine Bolzenanordnung an der weiteren Platte befestigt, so dass das Spannband an beiden Enden nachgespannt werden kann. Die Längsachsen der Bolzen der beiden Bolzenanordnungen sind dabei jeweils um den Winkel a gegenüber der weiteren Platte angestellt. Die Anstellung ist jedoch gegenläufig. Das heißt, dass die Ausrichtung der Bolzen gespiegelt ist.

Ferner bevorzugt sind mehrere Spannbänder in vorzugsweise regelmäßigen Abständen jeweils U-förmig um den Brennstoffzellenstapel gelegt. Die über die Spannbänder zum Verspannen eingeleitete Kraft wird auf diese Weise möglichst gleichmäßig verteilt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch einen ersten erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel im Bereich einer Bolzenanordnung zur Befestigung eines Spannbands und

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch einen zweiten erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel im Bereich einer Bolzenanordnung zur Befestigung eines Spannbands.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Hinsichtlich der Figur 1 , die den üblichen Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 1 zeigt, wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Beschreibungseinleitung verwiesen. Da der Achsabstand Ai zwischen den beiden Bolzen 8 kleiner als der Abstand A2 zwischen den beidseits des Brennstoffzellenstapels 1 angeordneten Spannbandabschnitten ist, kommt es jeweils zu einem axialen Versatz zwischen den Bolzen 8 und dem Spannband 5. Die Krafteinleitung von den Bolzen 8 in das Spannband 5 ist demzufolge nicht querkraftfrei.

Bei dem Brennstoffzellenstapel 1 der Figur 2 ist die Krafteinleitung zumindest annähernd querkraftfrei, da die Bolzen 8 in einem Winkel a < 90° angestellt sind.

Das heißt, dass die Bolzenlängsachsen AB in Bezug auf die weitere Platte 7 nicht senkrecht, sondern schräg dazu ausgerichtet sind. Die Schrägstellung gleicht jeweils den axialen Versatz zwischen den Bolzen 8 und dem Spannband 5 aus.

Das heißt, dass die beiden Bolzen 8 gegenläufig angestellt sind (nicht dargestellt, da der Ausschnitt der Figur 2 nur einen Bolzen 8 zeigt). Die Bolzen 8 sind in Bolzenaufnahmen 9 der weiteren Platte 7 aufgenommen, deren Längsachsen ABA jeweils in einem Winkel ß gegenüber der weiteren Platte 7 angestellt sind, wobei der Winkel ß im Wesentlichen dem Winkel a entspricht. Die Bolzenaufnahmen 9 weisen ein gewisses Spiel auf, damit sich der hierin aufgenommene Bolzen 8 ggf. neu ausrichten kann. Dies kann beispielsweise erforderlich sein, um Setzeffekte auszugleichen. Beim Setzen ändert sich der Abstand a zwischen der weiteren Platte 7 und der Endplatte 3, so dass idealerweise die Anstellung der Bolzen 8 entsprechend angepasst wird. Dies ist nur möglich, wenn der Bolzen 8 in der Bolzenaufnahme 9 einen gewissen Bewegungsraum aufweist. Dieser muss über die gesamte Länge der Bolzenaufnahme 9 gegeben sein.

Der in der Figur 2 dargestellte Bolzen 8 ist in ein Riegelelement 12 eingeschraubt, das quer zum Bolzen 8 verläuft und in einer endseitigen Schlaufe 11 des Spannbands 5 aufgenommen ist. Idealerweise schneiden sich die Längsachse AB des Bolzens 8, eine Längsachse AR des Riegelelements 12 sowie eine Längsachse As des Spannbands 5 in einem gemeinsamen Punkt. Auf diese Weise ist eine querkraftfreie Krafteinleitung sichergestellt. Da sich dieser Zustand, beispielsweise aufgrund von Setzeffekten, über die Zeit ändern kann, weist die Endplatte 3 einen Kantenbereich 13 auf, über den das Spannband 5 verläuft, der gerundet ausgeführt ist. Auf diese Weise wird vermieden, dass sich eine scharfe Kante in das Spannband 5 drückt.

Der Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels 1 zu entnehmen. Dieser unterscheidet sich von dem der Figur 2 im Wesentlichen dadurch, dass die Bolzenaufnahme 9 in der weiteren Platte 7 keine angestellte Längsachse ABA aufweist, dafür aber eine konisch ausgeführte Stützfläche 14, über die der Bolzen 8 axial abgestützt ist. Der Bolzen 8 weist zudem einen Abschnitt 10 auf, der sphärisch geformt ist und gemeinsam mit der konischen Stützfläche 14 ein Gelenk ausbildend zusammenwirkt. Über das Gelenk ist sichergestellt, dass sich der Bolzen 8 optimal selbst ausrichten kann. Die Bolzenaufnahme 9 ist wiederum ausreichend groß dimensioniert, um den notwendigen Bewegungsraum zur Verfügung zu stellen.

Claims

Ansprüche

1. Brennstoffzellenstapel (1), umfassend eine Vielzahl von Brennstoffzellen (2) in gestapelter Anordnung, die zwischen zwei Endplatten (3, 4) angeordnet und mit diesen über mindestens ein U-förmig um den Brennstoffzellenstapel (1) gelegtes Spannband (5) miteinander verspannt sind, wobei zumindest ein Ende des Spannbands (5) über eine Bolzenanordnung (6) an einer weiteren Platte (7) befestigt ist, die in einem Abstand (a) zu einer Endplatte (3, 4), vorzugsweise zur unteren Endplatte (3), angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzenanordnung (6) einen abschnittsweise in der weiteren Platte (7) aufgenommenen Bolzen (8) mit einer Längsachse (AB) aufweist, wobei die Längsachse (AB) in einem Winkel (a) < 90° gegenüber der weiteren Platte (7) angestellt ist.

2. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Platte (7) eine Bolzenaufnahme (9) mit einer Längsachse (ABA) aufweist, die in einem Winkel (ß) < 90° gegenüber der weiteren Platte (7) angestellt ist.

3. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Platte (7) eine sphärisch und/oder konisch ausgeführte Stützfläche (14) aufweist, an welcher der Bolzen (8) über einen sphärisch und/oder konisch geformten Abschnitt (10) axial abgestützt ist.

4. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ende des Spannbands (5) eine Schlaufe (11) ausbildet, in der ein mit dem Bolzen (8) verbundenes, vorzugsweise verschraubtes, Riegelelement (12) aufgenommen ist.

5. Brennstoffzellenstapel (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Riegelelement (12) eine Längsachse (AR) aufweist, auf der sich die Längsachse (AB) des Bolzens (8) sowie eine Längsachse (As) des Spannbands (5), vorzugsweise des an die Schlaufe (11) anschließenden Abschnitts des Spannbands (5), schneiden.

6. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Endplatte (3, 4) im Bereich des anliegenden Spannbands (5) gerundet ausgeführt ist.

7. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Abstand (a) zur weiteren Platte (7) angeordnete Endplatte (3, 4), vorzugsweise die untere Endplatte (3), in einem Kantenbereich (13), über den das Spannband (5) hinweggeführt ist, gerundet ausgeführt ist.

8. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Enden des mindestens einen Spannbands (5) jeweils über eine Bolzenanordnung (6) an der weiteren Platte (7) befestigt sind, wobei die Längsachsen (AB) der Bolzen (8) der beiden Bolzenanordnungen (6) jeweils um den Winkel (a) gegenüber der weiteren Platte (7) angestellt sind, die Anstellung jedoch gegenläufig ist.

9. Brennstoffzellenstapel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spannbänder (5) in vorzugsweise regelmäßigen Abständen jeweils U-förmig um den Brennstoffzellenstapel (1) gelegt sind.