WO2009018792A1 - Verspannung eines hochtemperaturbrennstoffzellenstacks - Google Patents

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WO2009018792A1
WO2009018792A1 PCT/DE2008/000821 DE2008000821W WO2009018792A1 WO 2009018792 A1 WO2009018792 A1 WO 2009018792A1 DE 2008000821 W DE2008000821 W DE 2008000821W WO 2009018792 A1 WO2009018792 A1 WO 2009018792A1
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fuel cell
cell stack
bracing
clamping
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Andreas Reinert
Christian Klahn
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Staxera Gmbh
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a clamping plate for clamping a fuel cell stack.
  • SOFC (solid oxide fuel cell) fuel cell systems consist of several components, including a reformer, an afterburner and an SOFC fuel cell stack. These components are operated at temperatures around 900 0 C.
  • SOFC fuel cell stacks are produced under a defined tension. This tension is ensured during manufacture, storage and fixation in the system by temporary or final tension. From DE 103 08 382 B3 and EP 1 394 880 Al possibilities for clamping a fuel cell stack are known. A thermally induced change in length of the stack when heating from room to operating temperature must be compensated by the tension.
  • the stress-generating components can be internal, that is, exposed to the operating temperature of the SOFC fuel cell stack, as described in EP 1 394 880 A1.
  • the necessary bracing force can be generated for example by gas-filled bellows or expansion elements made of material combinations with different expansion coefficients.
  • the disadvantage here is that for the stress of the SOFC fuel cell stack expensive materials must be used, which can withstand the high operating temperature of the SOFC fuel cell. Furthermore, creeping processes also apply to the high-temperature alloys used a loss of clamping force, which can lead to a bulging of the SOFC fuel cell stack.
  • the plates at the end of the fuel cell stack are massively designed to prevent bulging of the stack even at the low temperatures resulting from the high temperatures of the material.
  • Object of the present invention is to provide a generic clamping plate for an SOFC fuel cell stack, which at least partially overcomes the aforementioned disadvantages.
  • the clamping plate according to the invention builds on the prior art in that the clamping plate is constructed of several layers, that a first fuel cell stack facing layer and a second adjoining the first layer and on the side facing away from the fuel cell stack layer are provided and the second layer has a higher flexural rigidity than the first layer.
  • a multilayer construction of the clamping plate enables the combination of different materials and material properties in the clamping plate. This makes it possible, as needed, the bracing easier, thinner, or stiffer perform at the same thickness.
  • the high stiffness of the bracing plate is necessary to prevent bulging of the stack caused by different expansion coefficients at room temperature and to ensure a flatness of the base and cover plate at operating temperature. Thin end plates made of ferritic steels tend to deform due to the intensive creeping tendency.
  • the first and the second layer are firmly connected to each other.
  • Connection between the first and the second layer can be done for example by a screw or a soldering. Due to the firm connection of the first and the second layer, the assembly, that is to say in particular the clamping, of the fuel cell stack is facilitated.
  • the bracing plate can advantageously be further developed by having the second layer of a refractory ceramic.
  • a refractory ceramics such as Refractory bricks, refractory mastic, refractory concrete, or chamotte have a high flexural strength even at high temperatures, which is why it is well suited for the stiffening of the clamping plate.
  • Refractory ceramics can be conveniently obtained in a variety of qualities and shapes.
  • their flexural rigidity which is also present at high temperatures, is suitable for counteracting a bulging of the fuel cell stack at the operating temperature.
  • the refractory ceramic acts as an electrical and first thermal insulation layer of the fuel cell stack
  • the first layer has a thin metal sheet.
  • the thin metal sheet used is then in direct contact with the fuel cell stack, which is why certain restrictions with regard to thermal expansion, etc., have to be taken into account in the material selection.
  • the thin metal sheet has very similar mechanical properties to the fuel cell stack itself.
  • the clamping plate can be used as the end cap of the fuel cell stack, the gas-tightness of the fuel cell stack can be better ensured in the region of the clamping plate.
  • a third layer lying on the side facing away from the fuel cell stack is arranged on the clamping plate.
  • the third layer has a thin metal sheet.
  • a third layer with a thin metal sheet may serve to uniformly transfer the clamping forces through the second layer to the fuel cell stack.
  • the thin metal sheet can be used lig or be multi-part, that is a complete sheet metal or have individual large metal washers in the field of Verspannschrauben. This may also be advantageous in terms of the stability of the refractory ceramic, since a break is avoided by punctually acting clamping forces.
  • the second and the third layer are firmly connected to each other.
  • the firm connection between the second and the third layer can be produced for example by a screw connection or a soldering. In particular, it facilitates the assembly of the SOFC fuel cell stack by simplifying the clamping.
  • means for clamping the fuel cell stack are arranged in the region of the second layer.
  • the means used for clamping the fuel cell stack can be, for example, simple clamping screws which, in conjunction with tie rods and the clamping plate, prevent the fuel cell stack from bulging.
  • the means for clamping comprise at least one ceramic leaf spring and at least one ceramic pull rod.
  • the means for clamping comprise at least one ceramic leaf spring and at least one ceramic pull rod.
  • all means for bracing the fuel cell stack which transfer clamping forces to the fuel cell stack, are made of ceramic materials. In this way, a loss of clamping force due to creeping processes in high-temperature-resistant alloys can be avoided, as a result of which the stress of the fuel cell stack remains constant even after repeated temperature changes between the room temperature and the operating temperature.
  • the device according to the invention for bracing a fuel cell stack builds on the prior art in that the at least one bracing plate is constructed of several layers, that a first fuel cell stack facing layer and a second adjacent to the first layer and facing away from the fuel cell stack Side layer are provided and that the second layer has a higher bending stiffness than the first layer.
  • Figure 1 is a schematic representation of a clamping plate according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of another clamping plate according to the invention.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of the clamping plate shown in FIG. 1 in the firmly assembled state.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a bracing plate 10 according to the invention.
  • the bracing plate 10 comprises a first layer 20, a second layer 40 and a Third layer 30. Furthermore, bracing screws 50 are shown, which are connected to tie rods 60.
  • the tie rods 60 are shown penetrating as a fuel cell stack 70. It is also conceivable that the tie rods do not penetrate the fuel cell itself but penetrate the area of the reagent feed and discharge lines or that the tie rods are guided outside the actual stack through an insulation surrounding the stack. A possibility for fixing the tie rods 60 is usually provided at the end of the fuel cell stack 70 opposite the illustrated bracing plate 10.
  • a further clamping plate 10 may be provided on the other side of the fuel cell stack 70, but a less expensive construction on the non-illustrated side of the fuel cell stack 70 is conceivable since the bulging of the fuel cell stack 70 takes place mainly in one direction.
  • the first layer 20 and the third layer 30 each have a thin metal sheet, while the second layer 40 comprises a refractory ceramic.
  • the bracing plate 10 shown in FIG. 1 is not yet completely mounted on the fuel cell stack 70, which can be recognized at the gap between the first layer 20 and the fuel cell stack 70.
  • the bracing screws 50 are screwed onto the tie rods 30 through the third layer 30 and, at room temperature, uniformly transfer the tensioning force via the third layer 30 to the second layer 40, the first layer 20 and the fuel cell stack 70.
  • the bracing plate 10 prevents bulging of the fuel cell stack 70 caused by different coefficients of expansion 1 shown tension of the fuel cell stack 70 is sufficient only at room temperature. Essentially, the elastic elements that can compensate for the different coefficients of thermal expansion of the fuel cell stack 70 and the chuck when heated are missing.
  • the fuel cell stack 70 can be mounted with the illustrated tension, it should receive a final tension before startup. This can optionally be carried out temperature-resistant within an insulation or not be carried out temperature-resistant outside the insulation of the fuel cell stack.
  • the tensioning force exerted on the bracing plate 10 by the final tension acts on the third layer 30 comprising a metal sheet. As a result, the selectively applied clamping force is distributed uniformly over the clamping plate 10 and thus prevents plastic deformation of the fuel cell stack 70 by the clamping force.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of another bracing plate 10 according to the invention.
  • Bracing plate 10 again comprises a first layer 20, which has a thin metal sheet, and a second layer 40, which is again a rigid refractory ceramic, such as, for example, lightweight refractory material , Refractory concrete or chamotte. If desired, the second layer 40 may be further reinforced by metal fibers or corundum rods or other reinforcing materials.
  • a cavity 100 is further provided which can be closed by a closure piece 90. Inside the cavity 100, a ceramic leaf spring 80 is arranged, which is coupled via clamping screws 110 with ceramic tie rods 60 and so can exert clamping forces on a fuel cell stack 70.
  • a cavity 100 for receiving the leaf spring 80 is not mandatory.
  • a corresponding structuring of the ceramic material is sufficient.
  • the illustrated bracing plate 10 is shown in a not yet completely assembled state analogous to the bracing plate shown in FIG. 1, as can be seen at the gap between the first layer 20 and the fuel cell stack 70. Also, the opposite side of the fuel cell stack 70 is not shown as in Figure 1. However, analogous arguments apply to FIG. 1, and on the opposite side of the fuel cell stack 70, a further, at least simple possibility for clamping the fuel cell stack 70 must be provided.
  • Buckling or deformation of the fuel cell stack 70 can be prevented not only at room temperature but also at the operating temperature of the fuel cell stack 70. This is made possible by the use of ceramic materials for clamping the fuel cell stack 70, which have no loss of clamping force even when heated, and the ceramic leaf spring 80 as an elastic element.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the clamping plate 10 shown in FIG. 1 in the firmly assembled state. There is no longer any gap between the first layer 20 and the fuel cell stack 70 and the clamping force applied by the clamping screws 50 is referred to as transfer even pressure. Furthermore, an upper part of the fuel cell stack 70 is shown, wherein the individual fuel cells are indicated by parallel rails within the stack. The parallel lines are at the same time layers of the various materials from which the individual cells are constructed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verspannplatte (10) zur Verspannung eines Brennstoffzellenstapels (70). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Verspannplatte (10) aus mehreren Schichten (20, 40) aufgebaut ist, wobei eine erste dem Brennstoffzellenstapel zugewandte Schicht (20) und eine zweite an die erste Schicht anschließende und an der dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite liegende Schicht (40) vorgesehen sind, wobei die zweite Schicht (40) eine höhere Biegesteifigkeit als die erste Schicht (20) aufweist.

Description

VERSPANNUNG EINES HOCHTEMPERATURBRENNSTOFFZELLENSTACKS
Die Erfindung betrifft eine Verspannplatte zur Verspannung eines Brennstoffzellenstapels .
SOFC-BrennstoffZeilensysteme (SOFC = "solid oxide fuel cell") bestehen aus mehreren Komponenten, wozu unter anderem ein Reformer, ein Nachbrenner sowie ein SOFC-Brennstoffzel- lenstapel gehören. Diese Komponenten werden bei Temperaturen um 900 0C betrieben.
Bekanntermaßen werden SOFC-Brennstoffzellenstapel unter ei- ner definierten Verspannung hergestellt. Diese Verspannung wird während der Fertigung, der Lagerung sowie der Fixierung im System durch temporäre oder endgültige Verspannungen gewährleistet. Aus der DE 103 08 382 B3 und der EP 1 394 880 Al sind Möglichkeiten zur Verspannung eines Brennstoffzel- lenstapels bekannt. Eine thermisch bedingte Längenänderung des Stapels bei Erwärmung von Raum- auf Betriebstemperatur muss durch die Verspannung ausgeglichen werden.
Die die Verspannung erzeugenden Bauteile können dabei intern sein, das heißt der Betriebstemperatur des SOFC-Brennstoff- zellenstapels ausgesetzt, wie in der EP 1 394 880 Al. Die notwendige Verspannkraft kann beispielsweise durch gasgefüllte Balge oder Dehnelemente aus Werkstoffpaarungen mit verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten erzeugt werden.
Nachteilig hierbei ist, dass für die Verspannung des SOFC- Brennstoffzellenstapels teure Materialien eingesetzt werden müssen, die der hohen Betriebstemperatur der SOFC-Brennstoffzelle standhalten. Weiterhin kommt es auch bei den ein- gesetzten Hochtemperaturlegierungen durch Kriechvorgänge zu einem Spannkraftverlust, der zu einem Aufwölben des SOFC- Brennstoffzellenstapels führen kann.
Alternativ ist auch bekannt die Verspannung extern anzuord- nen, das heißt außerhalb einer den SOFC-Brennstoffzellensta- pel umgebenden Isolierung. Eine solche Lösung ist beispielsweise aus der DE 103 08 382 B3 bekannt, wobei die Verspannung über die Isolation auf den Brennstoffzellenstapel wirkt .
Nachteilig bei dieser Anordnung sind Probleme die durch das Schwinden der Dämmung entstehen. Weiterhin ist es schwierig, mit an der Dämmung vorbeiwirkenden Verspannungseinrichtungen den Brennstoffzellenstapel zu erreichen, um die notwendigen Verspannungskräfte zu übertragen.
Um den Zusammenhalt des Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten und ein Aufwölben des Stapels zu vermeiden, ist eine axiale Verspannkraft über den ganzen Temperaturbereich zwi- sehen Raum- und Betriebstemperatur hinweg notwendig.
Im Allgemeinen sind die Platten am Ende des Brennstoffzellenstapels deshalb massiv ausgelegt, um auch bei den durch die hohen Temperaturen resultierenden geringen Festigkeiten des Materials ein Aufwölben des Stapels zu vermeiden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungs- gemäße Verspannplatte für einen SOFC-Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, die die vorgenannten Nachteile zumindest teilweise überwindet.
Diese Aufgabe wird durch die Verspannplatte gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich auch den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Verspannplatte baut auf den Stand der Technik dadurch auf, dass die Verspannplatte aus mehreren Schichten aufgebaut ist, dass eine erste dem Brennstoffzel- lenstapel zugewandte Schicht und eine zweite an die erste Schicht anschließende und an der den Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite liegenden Schicht vorgesehen sind und dass die zweite Schicht eine höhere Biegesteifigkeit als die erste Schicht aufweist. Ein mehrschichtiger Aufbau der Verspannplatte ermöglicht die Kombination unterschiedlicher Materialien und Materialeigenschaften in der Verspannplatte. Dadurch wird es möglich je nach Bedarf die Verspannplatte leichter, dünner, oder bei gleicher Dicke steifer auszuführen. Die hohe Steifigkeit der Verspannungsplatte ist notwendig, um ein durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten bei Raumtemperatur hervorgerufenes Aufwölben des Stapels zu verhindern und eine Ebenheit von Grund- und Deckplatte bei Betriebstemperatur zu gewährleisten. Dünne Endplatten aus ferritischen Stählen neigen durch die intensive Kriechneigung zur Verformung.
Nützlicherweise kann vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Schicht miteinander fest verbunden sind. Die feste
Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Schicht kann beispielsweise durch eine Verschraubung oder einer Verlötung erfolgen. Durch die feste Verbindung der ersten und der zweiten Schicht wird die Montage, das heißt insbesondere das Verspannen, des Brennstoffzellenstapels erleichtert.
Die Verspannplatte kann vorteilhafterweise dadurch weiterentwickelt werden, dass die zweite Schicht einer Feuerfestkeramik aufweist. Eine Feuerfestkeramik, wie zum Beispiel Feuerleichtstein, Feuerfeststampfmasse, Feuerfestbeton, oder Schamotte weisen auch bei hohen Temperaturen eine hohe Biegesteifigkeit auf, weshalb sie gut für die Versteifung der Verspannplatte geeignet ist . Feuerfestkeramik kann in einfa- eher Weise günstig in verschiedenen Qualitäten und Formen bezogen werden. Weiterhin ist ihre auch bei hohen Temperaturen vorhandene Biegesteifigkeit geeignet einem Aufwölben des Brennstoffzellenstapels bei Betriebstemperatur entgegenzuwirken. Auch wirkt die Feuerfestkeramik als eine elektrische und erste thermische Isolationsschicht des Brennstoffzellenstapels
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die erste Schicht ein dünnes Metallblech aufweist. Das verwendete dünne Metall- blech steht dann in direktem Kontakt mit dem Brennstoffzellenstapel, weshalb bei der Materialauswahl gewisse Einschränkungen hinsichtlich der Wärmeausdehnung etc. zu berücksichtigen sind. Üblicherweise weist das dünne Metall- blech ganz ähnliche mechanische Eigenschaften wie der Brenn- stoffzellenstapel selbst auf. Beispielsweise kann die Verspannplatte als Abschlussdeckel des Brennstoffzellenstapels verwendet werden, wobei die Gasdichtheit des Brennstoffzellenstapels im Bereich der Verspannplatte so besser gewährleistet werden kann.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass an der Verspannplatte eine dritte an der dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite liegende Schicht angeordnet ist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die dritte Schicht ein dünnes Metallblech aufweist. Eine solche dritte Schicht mit einem dünnen Metallblech kann zum gleichmäßigen Übertragen der Verspannkräfte durch die zweite Schicht auf den Brennstoffzellenstapel dienen. Das dünne Metallblech kann eintei- lig oder auch mehrteilig sein, das heißt ein komplettes Blech sein oder einzelne große Unterlegscheiben aus Metall im Bereich der Verspannschrauben aufweisen. Dies kann auch hinsichtlich der Stabilität der Feuerfestkeramik vorteilhaft sein, da ein Bruch durch punktuell wirkende Verspannkräfte vermieden wird.
Nützlicherweise kann vorgesehen sein, dass die zweite und die dritte Schicht miteinander fest verbunden sind. Die fes- te Verbindung zwischen der zweiten und der dritten Schicht kann beispielsweise durch eine Verschraubung oder eine Verlötung hergestellt werden. Sie erleichtert insbesondere die Montage des SOFC-Brennstoffzellenstapels durch Vereinfachung der Verspannung.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass im Bereich der zweiten Schicht Mittel zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind. Die verwendeten Mittel zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels können beispielsweise einfache Ver- Spannschrauben sein, die in Verbindung mit Zugstangen und der Verspannplatte ein Aufwölben des Brennstoffzellenstapels verhindern.
Nützlicherweise kann vorgesehen sein, dass die Mittel zum Verspannen mindestens eine keramische Blattfeder und mindestens eine keramische Zugstange umfassen. Üblicherweise tritt bei Erwärmung des Brennstoffzellenstapels ein Spann- kraftverlust der Verspanneinrichtung auf, durch die Verwendung hochtemperaturbeständiger Legierungen auf . Dadurch kön- nen Undichtigkeiten entstehen, die eventuell die Funktionalität des Brennstoffzellenstapels gefährden. Zu diesem Zweck werden alle auf den Brennstoffzellenstapel Verspan- nungskräfte übertragenden Mittel zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels aus keramischen Werkstoffen gefertigt. Auf diese Weise lässt sich ein Spannkraftverlust durch Kriechvorgänge bei hochtemperaturbeständigen Legierungen vermeiden, wodurch die Verspannung des Brennstoffzellensta- pels auch nach wiederholten Temperaturwechseln zwischen Raum- und Betriebstemperatur beständig bleibt .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verspannen eines BrennstoffZellenstapels baut auf den Stand der Technik dadurch auf, dass die mindestens eine Verspannplatte aus mehreren Schichten aufgebaut ist, dass eine erste dem Brennstoffzel- lenstapel zugewandte Schicht und eine zweite an die erste Schicht anschließende und an der dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite liegende Schicht vorgesehen sind und dass die zweite Schicht eine höhere Biegesteifigkeit als die ers- te Schicht aufweist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungs- gemäßen Verspannplatte ;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Verspannplatte und
Figur 3 eine schematische Darstellung der in Figur 1 dargestellten Verspannplatte im fest monierten Zu- stand.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verspannplatte 10. Die Verspannplatte 10 um- fasst eine erste Schicht 20, eine zweite Schicht 40 und eine dritte Schicht 30. Weiterhin sind Verspannschrauben 50 dargestellt, die mit Zugstangen 60 verbunden sind. Die Zugstangen 60 sind als einen Brennstoffzellenstapel 70 durchdringend dargestellt. Es ist auch denkbar, dass die Zugstan- gen nicht die Brennstoffzelle selbst durchdringen, sondern den Bereich der Reaktionsmittelzu- und -abführungen durchdringen oder dass die Zugstangen außerhalb des eigentlichen Stapels durch eine den Stapel umgebende Isolierung geführt werden. An dem der dargestellten Verspannplatte 10 gegenü- berliegenden Ende des Brennstoffzellenstapels 70 ist üblicherweise eine Möglichkeit zur Fixierung der Zugstangen 60 vorgesehen. Beispielsweise kann eine weitere Verspannplatte 10 auf der anderen Seite des Brennstoffzellenstapels 70 vorgesehen sein, jedoch ist auch eine weniger aufwendige Kon- struktion auf der nicht dargestellten Seite des Brennstoffzellenstapels 70 denkbar, da die Aufwölbung des Brennstoffzellenstapels 70 hauptsächlich in einer Richtung stattfindet. Die erste Schicht 20 und die dritte Schicht 30 weisen jeweils ein dünnes Metallblech auf, während die zweite Schicht 40 eine Feuerfestkeramik aufweist.
Die in Figur 1 dargestellte Verspannplatte 10 ist noch nicht vollständig an dem Brennstoffzellenstapel 70 montiert, was an dem Spalt zwischen der ersten Schicht 20 und dem Brenn- stoffzellenstapel 70 erkennbar ist. Die Verspannschrauben 50 werden durch die dritte Schicht 30 auf die Zugstangen 30 aufgeschraubt und übertragen bei Raumtemperatur die Ver- spannkraft über die dritte Schicht 30 gleichmäßig auf die zweite Schicht 40, die erste Schicht 20 und den Brennstoff- zellenstapel 70.
Bei Raumtemperatur verhindert die Verspannplatte 10 ein durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufenes Aufwölben des Brennstoffzellenstapels 70. Die in Figur 1 dargestellte Verspannung des Brennstoffzellenstapels 70 ist nur bei Raumtemperatur ausreichend. Im Wesentlichen fehlen die elastischen Elemente, die die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten des Brennstoffzellenstapels 70 und der Verspanneinrichtung bei Erwärmung kompensieren können. Der Brennstoffzellenstapel 70 kann mit der dargestellten Verspannung zwar montiert werden, sollte vor Inbetriebnahme jedoch eine endgültige Verspannung erhalten. Diese kann wahlweise temperaturbeständig innerhalb einer Iso- lierung ausgeführt sein beziehungsweise nicht temperaturbeständig außerhalb der Isolierung des Brennstoffzellenstapels ausgeführt werden. Die von der endgültigen Verspannung auf die Verspannplatte 10 ausgeübte Verspannkraft wirkt auf die dritte Schicht 30, die ein Metallblech aufweist. Dadurch wird die punktuell angelegte Verspannkraft gleichmäßig über die Verspannplatte 10 verteilt und somit eine plastische Verformung des Brennstoffzellenstapels 70 durch die Verspannkraft verhindert.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Verspannplatte 10. Die Verspannplatte 10 umfasst wieder eine erste Schicht 20, die ein dünnes Metall- blech aufweist, und eine zweite Schicht 40, die wieder eine biegesteife Feuerfestkeramik, wie zum Beispiel Feuerleicht- stein, Feuerfeststampfmasse, Feuerfestbeton oder Schamotte aufweist. Falls erwünscht kann die zweite Schicht 40 durch Metallfasern oder Korundstäbchen oder andere verstärkende Materialien weiter verstärkt werden. Im Bereich der zweiten Schicht 40, ist weiterhin ein Hohlraum 100 vorgesehen, der durch ein Verschlussstück 90 verschließbar ist. Im Inneren des Hohlraums 100 ist eine keramische Blattfeder 80 angeordnet, die über Verspannschrauben 110 mit keramischen Zugstangen 60 gekoppelt ist und so Verspannkräfte auf einen Brennstoffzellenstapel 70 ausüben kann. Durch Variation der An- Ordnung der Blattfeder 80 oder das Vorsehen mehrere Blattfedern lässt sich auch eine Anpassung an unterschiedliche Geometrien des Brennstoffzellenstapels erreichen. Ein Hohlraum 100 zur Aufnahme der Blattfeder 80 ist nicht zwingend erforderlich. Eine entsprechende Strukturierung des keramischen Materials ist ausreichend.
Die dargestellte Verspannplatte 10 ist analog zu der in Figur 1 dargestellten Verspannplatte in noch nicht vollständig montiertem Zustand dargestellt, wie an dem Spalt zwischen der ersten Schicht 20 und dem Brennstoffzellenstapel 70 erkennbar ist . Auch ist die gegenüberliegende Seite des Brennstoffzellenstapels 70 wie schon in Figur 1 nicht dargestellt. Jedoch gelten zur Figur 1 analoge Argumente und auf der gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels 70 muss eine weitere zumindest einfache Möglichkeit zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels 70 vorgesehen sein.
Im Gegensatz zu der in Figur 1 dargestellten Verspannplatte kann mit der in Figur 2 dargestellten Verspannplatte 10 eine
Aufwölbung beziehungsweise Verformung des Brennstoffzellenstapels 70 nicht nur bei Zimmertemperatur sondern auch bei Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 70 verhindert werden. Dies wird durch die Verwendung keramischer Materia- lien zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels 70, die auch bei Erwärmung keinen Spannkraftverlust aufweisen und die keramische Blattfeder 80 als elastisches Element möglich.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der in Figur 1 dargestellten Verspannplatte 10 im fest monierten Zustand. Es ist kein Spalt mehr zwischen der ersten Schicht 20 und dem Brennstoffzellenstapel 70 vorhanden und die von den Ver- spannschrauben 50 aufgebrachte Verspannkraft wird als gleichmäßiger Druck übertragen. Weiterhin ist von dem Brennstoffzellenstapel 70 ein oberer Teil dargestellt, wobei die einzelnen Brennstoffzellen durch parallele Lienen innerhalb des Stapels angedeutet sind. Die parallelen Linien sind da- bei gleichzeitig Schichtungen der verschiedenen Materialien aus denen die einzelnen Zellen aufgebaut sind.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste :
10 Verspannplatte
20 erste Schicht 30 dritte Schicht
40 zweite Schicht
50 Verspannschrauben
60 Zugstangen
70 Brennstoffzellenstapel 80 keramische Blattfeder
90 Verschlussstück
100 Hohlraum
110 Verspannschrauben

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verspannplatte (10) zur Verspannung eines Brennstoff - zellenstapels (70) , dadurch gekennzeichnet,
dass die Verspannplatte (10) aus mehreren Schichten (20, 40) aufgebaut ist,
dass eine erste dem Brennstoffzellenstapel zugewandte Schicht (20) und eine zweite an die erste Schicht anschließende und an der dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite liegende Schicht (40) vorgesehen sind und
dass die zweite Schicht (40) eine höhere Biegesteifig- keit als die erste Schicht (20) aufweist.
2. Verspannplatte (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (20) und die zweite Schicht (40) miteinander fest verbunden sind.
3. Verspannplatte (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (40) eine Feuerfestkeramik aufweist.
4. Verspannplatte (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (20) ein dünnes Metallblech aufweist.
5. Verspannplatte (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Verspannplatte (10) eine dritte an der dem Brennstoffzellenstapel (70) abgewandten Seite liegende Schicht (30) angeordnet ist.
6. Verspannplatte (10) gemäß einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht
(30) ein dünnes Metallblech aufweist.
7. Verspannplatte (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (40) und die dritte Schicht (30) miteinander fest verbunden sind.
8. Verspannplatte (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der zweiten Schicht (40) Mittel zum Verspannen des BrennstoffZellenstapels (80) angeordnet sind.
9. Verspannplatte (10) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Verspannen mindestens eine keramische Blattfeder (80) und mindestens eine keramische Zugstange (60) umfassen.
10. Vorrichtung zum Verspannen eines Brennstoffzellensta- pels (70) mit mindestens einer Verspannplatte (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die mindestens eine Verspannplatte (10) aus mehreren Schichten (20, 40) aufgebaut ist,
- dass eine erste dem Brennstoffzellenstapel (70) zugewandte Schicht (20) und eine zweite an die erste Schicht anschließende und an der dem Brennstoffzellenstapel (70) abgewandten Seite liegende Schicht (40) vorgesehen sind und dass die zweite Schicht (40) eine höhere Biegesteifig- keit als die erste Schicht (20) aufweist.
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