WO2001056104A2 - Zwischenelement für einen brennstoffzellenstapel und zugehöriger brennstoffzellenstapel - Google Patents

Zwischenelement für einen brennstoffzellenstapel und zugehöriger brennstoffzellenstapel Download PDF

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Peter Buchner
Georg Neumann
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an intermediate or end element of a fuel cell stack that distributes the contact pressure of a fuel cell stack in a filter press design evenly over the stack.
  • the invention also relates to the associated fuel cell stack.
  • Fuel cell systems usually contain stacked fuel cells with cooling elements in between, such a fuel cell stack being held together by pressing forces. So far, the pressing forces have been applied to such cell stacks through end plates. These end plates are connected to each other by tie rods or tension straps that absorb the required tensile forces. Since the force must be applied to the surface as evenly as possible, flat end plates are used, which are thick and solid, so that they only have a small amount of deflection when braced.
  • Fuel cell stacks known the use of pressure pads that achieve an isostatic pressure distribution of the contact pressure on the fuel cells by using a pressurized gas. A permanent pressurized gas supply is therefore necessary to use these pressure pads. Furthermore, an arrangement for clamping a stack of individual fuel elements is known from EP 0 329 161 B1, in which so-called adiabatic elements are present to compensate for higher working temperatures of the system. Such elements can alternatively be made of stretchable hollow bodies or else metal boxes, the production of which is complex.
  • the object of the invention is to provide an intermediate or end element for a fuel cell stack in filter press construction which enables isostatic pressure distribution and which overcomes the disadvantages of the prior art.
  • an intermediate or end element for a fuel cell stack held together by tie rods has a pressure distributor, by means of which the contact pressure, which acts punctually and therefore unevenly from the outside, can be converted into a uniform pressure.
  • the pressure distributor consists of at least one cavity, at least one pressure plate and at least one piston.
  • the at least one cavity is filled with an incompressible pressure medium.
  • the incompressive pressure medium with which the cavity of the intermediate element is filled is water, oil, silicone and / or another synthetic or natural medium in that an isostatic pressure distribution takes place.
  • the at least one cavity is filled with springs.
  • the springs are distributed over the surface so that there is also an isostatic pressure distribution.
  • the springs are advantageous Disc and / or rubber springs.
  • the cavity of the intermediate or end element advantageously has a structure in which the springs are positioned in a suitable manner.
  • a mixed form between the specified alternatives for realizing the invention is also possible.
  • an incompressible pressure medium and / or an arrangement of springs instead of the known solid end plates, the weight and the volume of the end plates for the fuel cell stack can be reduced because an isostatic pressure distribution takes place without deformation.
  • the power-to-weight ratio of the entire fuel cell stack is thus advantageously improved.
  • the invention is particularly for use in such
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • FIG. 1 shows a sectional view of a fuel cell stack with intermediate elements using an incompressive medium
  • FIG. 2 shows a sectional view of a fuel cell stack with intermediate element using disc springs
  • 3 shows a plan view of a fuel cell stack corresponding to FIG. 2
  • FIG. 4 shows an alternative to FIG. 2 using rubber springs.
  • 1 shows a fuel cell stack 1 with two end elements, which contain two pressure plates 2 and each have a cavity 3 with a pressure medium. The cavity 3 is delimited by the pressure plate 2 on the one hand and a piston 4, by means of which a uniform pressure can be passed on to the fuel cell stack.
  • a selective contact pressure is exerted on the piston 4 and the pressure medium located therein.
  • the pressure medium 4 is introduced via a closure 7, which is provided with a screw.
  • a seal for the piston 4, which is displaceable relative to the cavity 3, is formed by an O-ring 6. Sealing can also be done using a flat gasket. It is also possible to establish a firm connection between the piston and the pressure plate by welding and / or gluing.
  • the piston 4 is followed by an insulating plate 8 and a contact plate 9, via which the current is drawn. This is followed alternately by individual fuel cells 11 and arrangements of cooling plates 12 inserted between them.
  • the stack thus formed is held together by a threaded rod 10, which connects the two end elements 2, and defines a complete fuel cell stack 1.
  • the cavity 3 is filled with an incompressible medium 30, for example water or oil. But it comes e.g. silicone, which also has incompressible properties as a gel, is also an option.
  • incompressible media achieve an isostatic pressure distribution on the piston 4 and thus on the contact plate 8 and the adjoining fuel cells 11 and cooling plates 12.
  • FIG. 2 shows an embodiment with disc springs that is modified compared to FIG. 1.
  • a fuel cell stack 1 made up of individual fuel cells can be seen again 11 with cooling plates 12 in between and the pressure plates 2.
  • the pressure plate 2 In the pressure plate 2 there are recesses 31 which, together with the cavity 3, form a structure.
  • Bolts 130 are arranged in the cutouts 31, the respective bolt head being embedded in the associated thread 41 of the piston 4.
  • Prestressed disk springs 13, which fill the free space of the structure 31, are introduced under preload on the bolts 130.
  • the pressure exerted on the pressure plate 2 at points is taken up by the plate springs 13 embedded in the cavities 31 and passed on to the piston 4, which comprises an insulating plate 8 and a contact plate 9, in a uniform manner.
  • FIG. 3 shows that the recesses 31 with the bolts 130 for receiving pressure transmission elements are evenly distributed over the entire surface of the pressure plate 2.
  • the arrangement of the plate springs 13 described with reference to FIG. 2 achieves an isostatic pressure distribution on the piston 4.
  • a pressure distributor is also formed, with which non-uniform contact pressures can be converted into a uniform pressure.
  • FIG. 4 largely corresponds to FIG. 2, with the plate springs 13 from FIG. 2 being replaced by rubber springs 14 here. If necessary, it is also possible to supplement or replace the rubber springs 14 arranged in a surface-tight manner by a coherent rubber plate. With a suitable choice of material, an isostatic pressure distribution can result. With the help of the present invention, the use of space- and weight-saving end plates is possible without there being a loss of force in the contact pressure. By using an incompressible pressure medium and / or an arrangement of springs instead of the known solid end plates, the weight and volume of the stack can be reduced because an isostatic pressure distribution is achieved with these means.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zwischen- oder Endelement eines Brennstoffzellenstacks das den Anpressdruck eines Brennstoff-zellenstapels in der Filterpressenbauweise gleichmässig auf den Stapel verteilt. Die Erfindung bedient sich dabei eines Druckverteilers, wie einem inkompressiblen Medium oder Federn od. dgl.. Durch den Einsatz eines inkompressiblen Druckmedi-ums (30) und/oder einer Anordnung von Federn (13, 14) anstel-le der bekannten massiven Endplatten wird Gewicht und Volumen des Stapels reduziert, weil eine isostatische Druckverteilung stattfindet.

Description

Beschreibung
Zwischenelement für einen BrennstoffZellenstapel und zugehöriger Brennstoffzellenstapel
Die Erfindung zieht sich auf ein Zwischen- oder Endelement eines BrennstoffZeilenstacks das den Anpressdruck eines Brennstoffzellenstapels in Filterpressenbauweise gleichmäßig auf den Stapel verteilt. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf den zugehörigen Brennstoffzellenstapel .
BrennstoffZellenanlagen enthalten üblicherweise aufeinander- gestapelte Brennstoffzellen mit dazwischenliegenden Kühlelementen, wobei ein solcher Brennstoffzellenstapel durch Press- kräfte zusammengehalten wird. Bisher werden die Presskräfte auf derartige Zellstapel durch Endplatten aufgebracht. Diese Endplatten sind durch Zuganker oder Spannbänder, die die erforderlichen Zugkräfte aufnehmen, miteinander verbunden. Da die Kraft möglichst auf die Fläche gleichverteilt aufgebracht werden muss, werden ebene Endplatten verwendet, die dick und massiv ausgebildet sind, damit sie beim Verspannen nur eine geringe Durchbiegung haben.
Eine Durchbiegung der Endplatte hätte einen ungleichmäßigen Druck auf den Stapel zur Folge. Das Gewicht und das Volumen der Endplatten wirkt sich aber nachteilig auf das Leistungsgewicht und -volumen des Brennstoffzellensystems bzw. der kompletten BrennstoffZellenanlage aus.
Aus der DE 27 29 640 Cl und der DE 19 30 116 Cl ist bei
Brennstoffzellenstapeln die Verwendung von Druckkissen bekannt, die eine isostatische Druckverteilung des Anpressdrucks auf die Brennstoffzellen durch Verwendung eines Pressgases erreichen. Zum Einsatz dieser Druckkissen ist daher ei- ne ständige Pressgasversorgung notwendig. Weiterhin ist aus der EP 0 329 161 Bl eine Anordnung zum Zusammenspannen eines Stapels von einzelnen Brennstoffelementen bekannt, bei der zum Ausgleich bei höheren Arbeitstemperaturen des Systems sog. adiabatische Elemente vorhanden sind. Solche Elemente können dort alternativ aus dehnbaren Hohlkörpern oder aber Metallkisten sein, deren Herstellung aufwendig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Zwischen- oder Endelement für einen Brennstoffzellenstapel in Filterpressenbauweise zu schaffen, das eine isostatische Druckverteilung ermöglicht und das die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Ein zugehöriger Brennstoffzellenstapel unter Verwendung eines derartigen Zwischenelementes ist Gegenstand des Patentanspruches 11.
Bei der Erfindung hat ein Zwischen- oder Endelement für einen durch Zuganker zusammengehaltenen Brennstoffzellenstapel ei- nen Druckverteiler, durch den der von außen punktuell und daher ungleichmäßig wirkende Anpressdruck in einen gleichmäßigen Druck umwandelbar ist. Der Druckverteiler besteht nach der Erfindung aus zumindest einem Hohlraum, zumindest einer Druckplatte und zumindest einem Kolben.
In erster Realisierung der Erfindung ist der zumindest eine Hohlraum mit einem inkompressiblen Druckmedium gefüllt. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das inkompressive Druckmedium, mit dem der Hohlraum des Zwischenelements ge- füllt ist, Wasser, Öl, Silikon und/oder ein anderes synthetisches oder natürliches Medium, indem eine isostatische Druckverteilung stattfindet.
In zweiter Realisierung der Erfindung ist der zumindest eine Hohlraum mit Federn gefüllt. Dabei sind die Federn so über die Fläche verteilt, dass sich ebenfalls eine isostatische Druckverteilung ergibt. Vorteilhafterweise sind die Federn Teller- und/oder Gummifedern. Dazu weist der Hohlraum des Zwischen- oder Endelements vorteilhafterweise eine Struktur auf, in der die Federn in geeigneter Weise positioniert sind.
Es ist auch eine Mischform zwischen den angegebenen Alternativen zur Realisierung der Erfindung möglich. Durch den Einsatz eines inkompressiblen Druckmediums und/oder einer Anordnung von Federn anstelle der bekannten massiven Endplatten kann das Gewicht und das Volumen der Endplatten für den Brennstoffzellenstapel reduziert werden, weil eine isostatische Druckverteilung ohne Verformung stattfindet. Damit wird in vorteilhafter Weise das Leistungsgewicht des gesamten Brennstoffzellenstapels verbessert .
Die Erfindung ist insbesondere zur Verwendung bei solchen
Brennstoffzellenstapeln geeignet, bei denen die Arbeitstemperaturen unter 300°C liegen. Dies ist insbesondere bei PEM (Polymer Electrolyte Membrane) -BrennstoffZellen der Fall, wobei speziell die sog. HT-PEM-Brennstoffzellen vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 120 und 200°C arbeiten.
Nachfolgend wird die Erfindung im Einzelnen anhand bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen
Figur 1 in Schnittdarstellung einen Brennstoffzellenstapel mit Zwischenelementen unter Verwendung eines in- kompressiven Mediums, Figur 2 in Schnittdarstellung einen Brennstoffzellenstapel mit Zwischenelement unter Verwendung von Tellerfedern. Figur 3 eine Draufsicht auf einen Brennstoffzellenstapel entsprechend Figur 2 und Figur 4 eine Alternative zu Figur 2 unter Verwendung von Gum- mifedern. In Figur 1 ist ein Brennstoffzellenstapel 1 mit zwei Endelementen dargestellt, die zwei Druckplatten 2 und jeweils einen Hohlraum 3 mit einem Druckmedium enthalten. Der Hohlraum 3 wird von der Druckplatte 2 einerseits und einem Kolben 4, über den ein vergleichmäßigter Druck an den Brennstoffzellenstapel weitergegeben werden kann, begrenzt.
Über die Druckplatte 2, an der sich die Zuganker 5 befinden, wird ein punktueller Anpressdruck auf den Kolben 4 und das darin befindliche Druckmedium ausgeübt. Das Druckmedium 4 wird über einen Verschluss 7, der mit einer Schraube versehen ist, eingebracht. Eine Dichtung für den gegenüber dem Hohlraum 3 verschiebbaren Kolben 4 wird durch einen O-Ring 6 gebildet. Die Abdichtung kann auch über eine Flachdichtung er- folgen. Es ist auch möglich, durch Verschweißen und/oder Verkleben eine feste Verbindung von Kolben und Druckplatte herzustellen.
Dem Kolben 4 schließt sich eine Isolierplatte 8 und eine Kon- taktplatte 9, über die der Strom abgenommen wird, an. Daran folgen abwechselnd einzelne Brennstoffzellen 11 und dazwischen eingebrachte Anordnungen von Kühlblechen 12. Der so gebildete Stapel wird über eine Gewindestange 10, welche die beiden Endelemente 2 miteinander verbindet, zusammengehalten und definiert einen kompletten Brennstoffzellenstapel 1.
In Figur 1 ist der Hohlraum 3 mit einem inkompressiblen Medium 30, beispielsweise Wasser oder Öl, gefüllt. Es kommt aber z.B. auch Silikon, das als Gel ebenfalls inkompressible Ei- genschaften hat, in Frage. Durch derartige inkompressible Medien wird eine isostatische Druckverteilung auf den Kolben 4 und somit auf die Kontaktplatte 8 und die sich anschließenden Brennstoffzellen 11 und Kühlbleche 12 erzielt.
In Figur 2 ist eine gegenüber Figur 1 abgewandelte Ausführungsform mit Tellerfedern dargestellt. Zu sehen ist wieder ein Brennstoffzellenstapel 1 aus einzelnen Brennstoffzellen 11 mit dazwischenliegenden Kühlblechen 12 und den Druckplatten 2. In der Druckplatte 2 sind Aussparungen 31 vorhanden, die zusammen mit dem Hohlraum 3 eine Struktur bilden. In den Aussparungen 31 sind Bolzen 130 angeordnet, wobei der jewei- lige Bolzenkopf in zugehörige Gewinde 41 des Kolbens 4 eingelassen ist. Auf den Bolzen 130 sind vorgespannte Tellerfedern 13, die den freien Raum der Struktur 31 ausfüllen, unter Vorspannung eingebracht.
Bei der Anordnung gemäß Figur 2 wird der auf die Druckplatte 2 punktuell ausgeübte Druck von den in den Hohlräumen 31 eingelagerten Tellerfedern 13 aufgenommen und an den Kolben 4, der eine Isolierplatte 8 und eine Kontaktplatte 9 umfasst, vergleichmäßigt weitergegeben.
Aus der Draufsicht der Figur 3 ergibt sich, dass die Ausnehmungen 31 mit den Bolzen 130 zur Aufnahme von Druckübertragungselementen über die gesamte Fläche der Druckplatte 2 gleichmäßig verteilt sind. Dadurch wird durch die anhand Fi- gur 2 beschriebene Anordnung der Tellerfedern 13 eine isostatische Druckverteilung auf den Kolben 4 erreicht. Es ist also ebenfalls ein Druckverteiler gebildet, mit dem ungleichmäßige Anpressdrücke in einen gleichmäßigen Druck umwandelbar sind.
Wesentlich ist also bei letzterer Anordnung, dass die Federn mit einer Führung gehalten und in geeigneter Weise über die gesamte Fläche der Platte 4 verteilt sind. Dadurch wird der von außen punktuell angreifende Anpressdruck vergleichmäßigt.
Figur 4 entspricht weitestgehend der Figur 2, wobei hier die Tellerfedern 13 aus Figur 2 durch Gummifedern 14 ersetzt sind. Gegebenenfalls ist es auch möglich, die flächendicht angeordneten Gummifedern 14 durch eine zusammenhängende Gummiplatte zu ergänzen oder zu ersetzen. Bei geeigneter Materi- alwahl kann sich eine isostatische Druckverteilung ergeben. Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wird der Einsatz von platz- und gewichtssparenden Endplatten möglich, ohne dass es zu einem Kraftverlust des Anpressdrucks kommt. Durch den Einsatz eines inkompressiblen Druckmediums und/oder einer Anordnung von Federn anstelle der bekannten massiven Endplatten kann Gewicht und Volumen des Stapels reduziert werden, weil mit diesen Mitteln eine isostatische Druckverteilung erreicht wird.

Claims

Patentansprüche
1. Zwischen- oder Endelement für einen durch Zuganker zusammengehaltenen Brennstoffzellenstapel, das einen Druckvertei- 1er hat, durch den der von außen punktuell und daher ungleichmäßig wirkende Anpressdruck in einen gleichmäßigen Druck umwandelbar ist.
2. Zwischen- oder Endelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Druckverteiler zumindest eine Druckplatte (2), zumindest einen Hohlraum (3) und zumindest einen Kolben (4) umfasst, wobei zumindest ein Hohlraum (4) von zumindest einem Kolben (3) einerseits und von zumindest einer Druckplatte (2) andererseits begrenzt wird.
3. Zwischen- oder Endelement nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest ein Hohlraum (3) mit einem inkompressiblen Druckmedium (30) gefüllt ist.
4. Zwischen- oder Endelement nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das inkompressible Druckmedium Wasser, Öl, Silikon und/oder ein anderes synthetisches oder natürliches Medium ist.
5. Zwischen- oder Endelement nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest ein Hohlraum (3) mit zumindest einer Feder (13, 14) gefüllt ist.
6. Zwischen- oder Endelement nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Hohlraum (3) Strukturen (31) zur Aufnahme der Federn (13, 14) aufweist.
7. Zwischen- oder Endelement nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in den Strukturen (31) Bolzen (130) als Träger von Druckübertragungselementen angeordnet sind.
8. Zwischen- oder Endelement nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Bolzen (130) mit dem Kolben (4) verbunden, beispielsweise mittels eines Gewindes (41) eingeschraubt, sind.
9. Zwischen- oder Endelement nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zumindest eine Feder Tellerfedern (13) sind.
10. Zwischen- oder Endelement nach einem der Ansprüche 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zumindest eine Feder Gummifedern (14) sind.
11. Brennstoffzellenstapel aus abwechselnd aufeinandergesta- pelten BrennstoffZeileneinheiten (11) und Kühlblechen (12), wobei zumindest ein Zwischen- oder Endelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10 vorhanden ist.
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