WO2011063930A1 - Brennstoffzellenanordnung - Google Patents

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WO2011063930A1
WO2011063930A1 PCT/EP2010/007087 EP2010007087W WO2011063930A1 WO 2011063930 A1 WO2011063930 A1 WO 2011063930A1 EP 2010007087 W EP2010007087 W EP 2010007087W WO 2011063930 A1 WO2011063930 A1 WO 2011063930A1
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WO
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fuel cell
end plate
seal
sealing
sealing element
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Application number
PCT/EP2010/007087
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English (en)
French (fr)
Inventor
Anton Tenkler
Wolfgang Wagner
Original Assignee
Mtu Onsite Energy Gmbh
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Priority claimed from DE102010047736A external-priority patent/DE102010047736A1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2484—Details of groupings of fuel cells characterised by external manifolds
    • H01M8/2485—Arrangements for sealing external manifolds; Arrangements for mounting external manifolds around a stack
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0276—Sealing means characterised by their form
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell assembly according to the preamble of claim 1.
  • Fuel cell assemblies of the present type are in the state of
  • Such a system usually comprises a plurality of fuel cells combined in a stack and a - for example -. per stack side one - Manifold or a gas distributor for
  • the sealing device is e.g. formed in the form of a (sealing) frame containing the sealing elements, e.g. Longitudinal sealing elements, which follow the longitudinal edge of the gas distributor and transverse sealing elements, which in particular seal against an end plate.
  • the end plates arranged longitudinally at the front ends of the cell stack and the seals move relative to each other and e.g. relative to the gas distributor. These movements are evoked, e.g. by raising the temperature from room temperature to operating temperature, i.e. about 650 ° C, by different material pairings or chemical processes. Movements can be made in the end plates
  • the present invention seeks to propose a fuel cell assembly, which overcomes the above-mentioned disadvantages and reliably enables a transverse sealing of the two gas chambers (anode gas and cathode gas) to the end plate.
  • a fuel cell arrangement with a fuel cell, an end plate arranged adjacently thereto, and a sealing device with a transverse seal and a longitudinal seal for sealing against a gas distributor are provided, wherein a flat sealing element, in particular a resilient flat sealing element, is arranged between the sealing device and the end plate.
  • a flat sealing element in particular a resilient flat sealing element, is arranged between the sealing device and the end plate. which is permanently fixed to the end plate adjacent to a first end face of the fuel cell and which extends toward the second end side of the end plate, the flat seal element being durable at a second end adjacent end with a biasing force in the direction from the end plate to the sealing device is charged.
  • 1 shows by way of example an exploded view of a fuel cell arrangement according to a possible embodiment of the invention
  • 2 shows by way of example a fuel cell arrangement with a prestressed flat sealing element according to a possible embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows by way of example a fuel cell arrangement with a relaxed Ii seal according to another possible embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows by way of example the fuel cell arrangement according to FIG. 3 with pretensioned U-seal;
  • FIG. 5 shows by way of example a further view of the fuel cell arrangement according to FIGS. 3 and 4 with a modified gap cross-section
  • Fig. 6 is a detail view of a detail of the fuel cell assembly according to
  • FIGS. 3 to 5 shows a further view of the fuel cell arrangement according to FIGS. 3 to 5;
  • FIG. 8 shows by way of example a fuel cell arrangement with a prestressed flat sealing element according to a further possible embodiment of the invention
  • FIG. 10 shows a further view of the fuel cell arrangement according to FIG. 9 with a modified gap cross-section
  • FIG. 11 shows an example of a fuel cell arrangement with a pretensioning device according to another possible embodiment of the invention.
  • FIG. 12 shows by way of example the fuel cell arrangement of FIG. 11 in an end view.
  • the directions X, Y, Z additionally depend on the orientation of the fuel cell arrangement.
  • Fig. 1 shows a fuel cell assembly according to the invention 1.
  • Fuel cell assembly 1 for example, one or more fuel cells 2, wherein a plurality of fuel cells 2 are connected, for example in a known manner to a fuel cell stack 3, for example, are braced.
  • an end plate 4 is arranged at the end faces of the fuel cell 2 or a stack 3, whereby a gas distributor (manifold) 5 extends in each case from one end plate 4 to the opposite end plate 4 (longitudinal or X direction, eg FIG. 1), for example, to supply or remove gas streams, ie for example fuel gas, oxidizing gas and exhaust gas.
  • a sealing device 6 Arranged between the gas distributor 5 and the end plate 4 and the fuel cell stack 3 (stack) is a sealing device 6, which allows an electrically non-conductive seal between the gas distributor 5 and the fuel cell stack 3 and the end plate 4, i. is provided for sealing against the gas distributor 5.
  • the sealing device 6 is, in particular as a function of the respective operating state, urged against the fuel cell stack 3 and / or the end plate 4.
  • the sealing device 6 has for this purpose e.g. ceramic sealing elements 7 (dielectrics) and / or further sealing elements 8 (eg Fig.
  • a transverse seal 9 which e.g. extending across the width B ( Figure 1) of an end plate 4 in the Z direction, i. extends transversely, i.e. in a direction perpendicular to the direction of gas distributor 5 to the end plate 4 (Y direction) and perpendicular to the direction from the fuel cell 2 to the end plate 4 (X direction), is particularly designed as a ceramic or dielectric sealing element 7, e.g. exclusively.
  • the transverse seal 9 may be made according to the invention e.g. be designed as a sealing ramp 10, i. with an inclined ramp surface (e.g., Figs. 2 and 3) facing away from the fuel cell 2 in the X direction.
  • a longitudinal seal 11 comprises a ceramic sealing element 7 and, preferably, a supporting sealing element 11a, eg sealing felt 8, arranged adjacently to the fuel cell stack 3 or to the end plate 4
  • Longitudinal seal 1 extends in the direction of the first 4 to the second 4 end plate (X-direction), in particular each to a transverse seal.
  • the invention provides, in addition to the sealing device 6 or the transverse seal 9, a flat sealing element or a flat sealing element 12, in particular a spring-elastic flat sealing element 12 to arrange on the end plate 4, which supports the transverse seal 9 in the seal.
  • the gasket element 12 is arranged according to the invention between the sealing device 6 and the end plate 4, i. the sealing device 6, the gasket member 12 and the end plate 4 form a sandwich (in the Y direction, for example, Fig. 2).
  • the flat gasket 12 is fixed adjacent to a first, the fuel cell 2 facing end face 4a of the end plate 4, in particular on the end plate 4 and further in particular via a first end 12a, wherein it extends towards the second end face 4b of the end plate 4, i. to a second end 12b thereof.
  • the flat sealing element 12 is e.g. screwed or welded or attached in another suitable manner adjacent to the fuel cell 2 adjacent first end face 4a.
  • the flat sealing element 12 is fixed exclusively at the first end 12.
  • the flat sealing element 12 extends substantially in the direction from the first 4a to the second end face 4b of the end plate 4 (X direction) outside the end plate 4, in particular adjacent to the end plate 4 (eg Fig. 2) and, for example, adjacent to for abutment with the sealing device 6 or transverse seal 9 provided side of the end plate 4 (ie an end face in the Y direction), where it has, for example, an extension in the X direction, which is substantially the end plate 4 between the first 4a and second 4b end face equivalent.
  • the end plate 4 projects beyond the second end face 4b in the X direction, for example, slightly, so that a force parallel to the end plate 4 in the Y direction can act on it in a simple manner for the purpose of bias.
  • the one-side fixed flat sealing element 12 is biased (such as a spring) (e.g., Fig. 2), in particular by elastic deformation, for which purpose e.g. is formed of spring steel sheet or other suitable resilient material.
  • the bias is e.g. mechanically by the action of force on the second end 12b of the gasket element 12 in the direction of the end plate 4 toward the gasket device 6, i.e. by applying a preload force. Due to the bias, the flat gasket element 12 now endeavors to return to the relaxed starting position or rest position and works against a further tension (amplified).
  • a biasing device 13 is provided for permanent bias.
  • the pretensioner 13 is e.g. at the second (free) end 12b of the gasket element 12 such that by means of the biasing device 13 a force is permanently applied to the second end 12b in the direction of the transverse gasket 9, i.e. in the Y direction, is applied to the flat sealing element 12.
  • the pretensioner 13 spreads the flat gasket 12 at the second end 12b away from the end plate 4 (opposite to the relaxed state of the gasket member) so that the second end 12b is spaced from the end plate 4 in the Y direction.
  • a maximum distance between the end plate 4 and flat gasket 12 is due to the spread or bias, for example. at the longitudinal end of the end plate 4 adjacent to the second end face 4b.
  • a biasing device 13 for example, a (round) rod-shaped or tubular, in particular hollow cylindrical biasing member 13a is used, which is for example arranged at the second end 12b in the Y direction between the end plate 4 and the flat gasket 12, for example, trapped or fixed, eg is permanently arranged or fixed to the flat sealing element 12.
  • a biasing device 13 for example, a (round) rod-shaped or tubular, in particular hollow cylindrical biasing member 13a is used, which is for example arranged at the second end 12b in the Y direction between the end plate 4 and the flat gasket 12, for example, trapped or fixed, eg is permanently arranged or fixed to the flat sealing element 12.
  • other cross sections and measures for producing and maintaining a discharge are also conceivable. Stands between the end plate 4 and the second end 13b in the Y direction, for example, the second end 12b can be acted upon by a weight force.
  • the pretensioning device 13 is also made, in particular, for the pretensioning device 13 to be designed as an independent device which can be arranged on the flat sealing element 12 and which is used to form a prestressing device, e.g. cooperates with the end plate 4.
  • the gasket 12 undergoes a bend.
  • the gasket 12 is used e.g. after application (together with the end plate 4) to the sealing device 6, e.g. by arranging or introducing the biasing element 13a by means of tool engagement, which e.g. a supernatant of the second end 12b explained above relative to the end plate 4 on the second end face 4b in the X direction facilitates.
  • the pretensioned or acted upon by a biasing force flat sealing element 12 acts in particular with a provided for sealing contact surface or an active sealing surface 15 of the transverse seal 9, in particular in the form of a portion or portion of the end plate 4 opposite surface 9a of the transverse seal 9 together.
  • the prestressed flat sealing element 12 is urged against the active sealing surface 15 of the transverse seal 9 (for example the sealing ramp 10).
  • the flat sealing element 12 compensates for the movement by adaptation or corresponding change of its deflection, so that a pressing force on the active sealing surface 15 along the sealing line 14th is exercised, ie until the flat gasket element 12 can assume the original position achieved by the biasing device 13 bias position again.
  • the active sealing surface 15 is formed in particular by an outer end 15a of the transverse seal 9 or the sealing device 6 (eg FIGS. 2 and 7), which extends in the direction from the fuel cell 2 to the second end face 4b and in the direction from the transverse seal 9 to the end plate 4 forms an outer end (eg FIGS. 2 and 7).
  • an outer end 15a of the transverse seal 9 or the sealing device 6 eg FIGS. 2 and 7
  • the sealing device 6 and end plate 4 In a relative movement of the sealing device 6 and end plate 4 in the X direction and / or Y direction thus a reliable seal over the width B of the end plate 4 is possible.
  • End plate 4 with flat gasket 12 disposed thereon is e.g. arranged on the sealing device 6 so that the active sealing surface 15 of the transverse seal 9 in the X direction is preferably between the first end 12a and second end 12b of the flat sealing element 12, such that the active sealing surface 15 and the sealing line 14 even at maximum expected relative movement of the end plate 4 to the transverse seal 9 within the dimension of the end plate 4 in the X direction, in particular the dimension of the oppositely disposed flat gasket element 12 in the X direction, remains.
  • the gasket 12 and the active sealing surface 15 are substantially parallel to one another in the Z direction.
  • the active sealing surface 15 is designed such that a seal in connection with the flat sealing element 12 is possible, i. E. the
  • the active sealing surface 15 thus extends in particular transversely (Z-direction), for example, substantially transversely, and further preferably has a transverse extent, which corresponds to the transverse extent of the flat sealing element 12.
  • the flat gasket 12 extends according to the invention, for example, over the entire transverse extent of the end plate 4 (in the Z direction), so that over the entire width of the end plate 4, a sealing line can be formed.
  • the active sealing surface 15 can be formed by means of an edge, a semicircle or other suitable for forming a sealing line 14 suitable cross-section.
  • the active sealing surface 15 is preferably formed by means of a rounded or obtuse-angled surface part of the surface 9a of the transverse seal 9, which provides a wider contact surface or active sealing surface 15 when the flat sealing element 12 nestles in comparison to an edge.
  • the flat gasket 12 overlaps the sealing device 6 of the fuel cell assembly 1 in the direction from the end plate 4 to the sealing device 6 (Y direction) also in the manner described above
  • Transverse seal 9 of the sealing device 6 in turn forms an active sealing surface 15 for engagement with the flat sealing element 12.
  • the transverse seal 9 and the longitudinal seal 11 are in turn adjacent to each other, eg Fig. 3, in particular abut each other.
  • the active sealing surface 15 which e.g. as part of the surface 9a of the transverse seal 9 adjacent to the gasket element 12, e.g. as the outer end 15 a thereof, the longitudinal seal 11 of the sealing device 6 in the region of overlap by the gasket 12 towards the end plate 4.
  • the active sealing surface 15 at the urging of the end plate 4 against the sealing device 6 increasingly against the gasket element 12 act.
  • the active sealing surface 15 in particular has a shape which approximates or forms a line shape.
  • the transverse seal 9 in particular has a gable-shaped section or area 17, in particular the flat sealing element 12 in the Y-direction opposite (with the profile thus formed extending transversely ), which is formed by mutually running ramp surfaces 17a, b, Fig. 2 and 3.
  • the active sealing surface 15 which is formed in particular by means of a transversely extending sealing edge
  • the transverse seal 9 in particular has a gable-shaped section or area 17, in particular the flat sealing element 12 in the Y-direction opposite (with the profile thus formed extending transversely ), which is formed by mutually running ramp surfaces 17a, b, Fig. 2 and 3.
  • Sealing surface 15 for example, formed by a curved surface 9a of the transverse seal 9, wherein the curved surface 9a is curved in the direction of the flat sealing element 12 to the outside (not shown).
  • Other cross sections of the transverse seal 9 are conceivable for forming an active sealing surface 15 projecting beyond the longitudinal seal in the Y direction.
  • the end plate 4 adjacent to the flat sealing element 12, ie in the Y direction opposite the flat sealing element 12, has a material-reduced region 18 (eg FIGS. 8 and 9) in which the flat sealing element 12 presses against the active sealing surface 15 is submersible.
  • the material-reduced region 18 is intended to allow the flat sealing element 12 loaded by the active sealing surface 15 in addition to the applied preloading force (at the second end 12b) to move in the direction of the end plate 4
  • the flat sealing element 12 can be made e.g. already biased at the arrangement or edition of the end plate 4 to the transverse seal 9 and longitudinal seal 11 and the gas distributor 5, wherein then followed by e.g. the biasing force is applied to the second end 12b, i. the flat sealing element 12 or a seal formed therewith is finally tensioned.
  • the material-reduced region 18 is designed in such a way that it is possible to immerse the flat sealing element 12 over its entire transverse extent (in the Z direction).
  • the effective spring travel is equally increased over the entire transverse extent, i. the sealing properties further improved.
  • the material-reduced region 18 extends between the first 4a and the second 4b end side of the end plate 4 channel-shaped, in particular channel-shaped transversely (Z-direction), the extension in the direction of the first 4a to the second 4b end face preferably takes into account the movement requirement of the end plate 4 during operation of the fuel cell assembly 1, in particular is as large as possible.
  • the material-reduced region 18 is in particular as a recess or
  • the alreduced region 18 preferably does not extend as far as the first end face 4a, at least not over its entire extent in the Z direction.
  • the thus formed end plate 4 thus forms adjacent to the first end face 4a a projection 4d, which extends in the Y direction and preferably continues in the Z direction, in particular over the entire extension of the end plate 4 in the Z direction.
  • the thus formed projection 4d which has, for example, strip shape, forms a contact surface 4e in the Y direction, which can act as a (lever) support for the flat sealing element 12 or a seal formed therewith of a different cross section.
  • the material-reduced region 18 may optionally extend from the second end face 4b of the end plate 4 in the direction of the first end face 4a or between the first 4a and second end face 4b, this being e.g. not material reduced.
  • the material-reduced region 19 has e.g. has a substantially rectangular cross-section, but may also have a semicircular or another cross-section.
  • the effective travel of the gasket element 12 can already be achieved in the initial phase of operation, e.g. Fig. 9, the fuel cell assembly 1, in which a greater spring travel is required, are increased, with a spring travel reserve is available even after a long time or at the end of use, for.
  • the area of use of the flat sealing element 12 described above can be considerably improved with little additional effort.
  • a seal 19 is formed by means of the flat sealing element 12, which has in particular U-shaped cross-section, ie. a U-seal 19, e.g. 1, 3, 4, 5, 7, 9, 10, 11, 12.
  • the flat sealing element 12 in this case forms a web element 19a of the U-seal 19.
  • the U-seal 19 also has a first U-leg 19b and a second U-legs 19c, which together with the U-web element 19a and the flat sealing element 12 form the U-shaped cross section.
  • the first U-limb 19b is provided in particular between the first end face 4a of the end plate 4 and the combustion chamber adjacent thereto.
  • material cell 2 for example, the fuel cell stack 3, in particular to fix.
  • the flat sealing element 12 can thus also be fixed, for example exclusively or additionally, for example indirectly, ie at the first end 12a.
  • the first U-leg 19b is fixed eg in the Y-direction in a receptacle for aligned arrangement on the end plate 4, wherein the U-leg 19b does not affect the arrangement of the adjacent fuel cell 2.
  • Fig. 3 shows the U-seal 19 in the relaxed (not biased) state.
  • the first U-leg 19b may be used for fixing e.g. clamped between end plate 4 and fuel cell 2 or suitably e.g. be positively, positively or materially secured, in particular permanently.
  • the first U-leg 19b is connected to the U-web element 19a in the form of the flat sealing element 12, in particular integrally, e.g. by its lower end (proximal end), connected e.g. formed at the first end 12 a thereof.
  • the first U-leg 19b protrudes e.g. substantially perpendicularly from the gasket 12 in the Y direction.
  • the flat sealing element 12 has its second end 12b.
  • the second end 12b does not have its own storage or fixation, e.g. on the end plate 4, and is insofar a free end.
  • the second U-leg 19c projects from the U-web element 19a or flat sealing element 12, e.g. essentially vertical.
  • the second U-leg 19c is e.g. shorter than the first U-leg 19b (in the Y direction).
  • the pretensioner device 13 may in this case be e.g. formed integrally with the second leg 19c, e.g. form the second U-leg 19c. It is conceivable that the second leg 19c is supported with its flat sealing element 12 opposite end (distal end) in the Y direction on the end plate 4.
  • a (round) rod-shaped or tubular shaped, in particular hollow-cylindrical biasing element 13a is used, which is arranged eg at the second end 12b in the Y-direction between end plate 4 and flat sealing element 12, eg by means of the second U-leg 19c, the end plate 4 as well as the flat sealing element 12 is caught or fixed, for example, is fixed by positionally stable by clamping.
  • Conceivable are again other cross sections and measures for producing and maintaining a distance between the end plate 4 and the second end 12b in the Y direction.
  • the flat sealing element 12 arranged on the end plate 4 in the relaxed state projects beyond the end plate 4 on the second end face 4b in the X-direction, e.g. slightly so that the second leg 19c in the relaxed state e.g. protrudes adjacent to the second end face 4b.
  • the second U-leg 19c in the relaxed state of the U-seal 11, for example, spaced from the second end face 4b and overlaps it in the longitudinal direction.
  • the flat sealing element 12 it is also conceivable to design the flat sealing element 12 with a shorter longitudinal extent such that it does not protrude beyond the end plate 4 in the longitudinal direction to the second end face 4b and allows no arrangement in the relaxed state on the end plate 4.
  • a prestressing device 13 in several parts, for example such that an independent holding device 20 guides the pretensioning element 13a, eg on both sides of the end plate 4 or against the flat sealing element 12, eg also indirectly, eg by means of a respective guide bearing 21 of the holding device 20
  • the holding device 20 is attached to the fuel cell assembly 1 such that a relative movement of the end plate 4, gasket 12 and biasing member 13a to the holding device 20 is possible, for example on a gas distributor 5.
  • the holding device 20, for example, holder 22, each in Z direction adjacent to the end plate 4 can be fixed to the gas distributor 5.
  • holes 23 in the form of, for example, oblong holes are provided, by means of which the holders 22 in each case cooperate with the pretensioning element 3a in the X direction and Y direction can be suitably adjusted and bolted to the gas distributor 5 or otherwise secured.
  • the biasing element 13a in this case projects beyond e.g. the end plate 4 in the Z direction and can be caught due to the supernatant of its ends 24 with one end 24 in a respective guide bearing 21 of the holding device 20 and a holder 22, so that by means of the holding device 20 and the ends 24 trapped therein a biasing force can be exerted on the flat sealing element 12.
  • the biasing element 13a is e.g. formed substantially plate-shaped and e.g. arranged adjacent to the second end face 4b.
  • the biasing member 13a Upon movement of the end plate 4 in the X direction and / or Y direction, the biasing member 13a is forced due to the fixed arrangement of the gas distributor 5 and the attached holder 22 to move relative thereto along the guide plane 25, wherein the bias voltage is predetermined ,

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Abstract

Brennstoffzellenanordnung (1) mit einer Brennstoffzelle (2), einer dazu benachbart angeordneten Endplatte (4) sowie einer Dichtungsvorrichtung (6) mit einer Querdichtung (9) und einer Längsdichtung (11) zur Abdichtung gegenüber einem Gasverteiler (5), wobei zwischen der Dichtungsvorrichtung (6) und der Endplatte (4) ein Flachdichtungselement (12), insbesondere ein federelastisches Flachdichtungselement (12), angeordnet ist, welches an der Endplatte (4) benachbart zu einer ersten, der Brennstoffzelle (2) zugewandten Stirnseite (4a) derselben dauerhaft fixiert ist und welches sich in Richtung zur zweiten Stirnseite (4b) der Endplatte (4) erstreckt, wobei das Flachdichtungselement (12) an einem zur zweiten Stirnseite (4b) benachbarten Ende (12b) mit einer Vorspannkraft in Richtung von der Endplatte (4) zur Dichtungsvorrichtung (6) dauerhaft beaufschlagt ist.

Description

Brennstoffzellenanordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Brennstoffzellenanordnungen der vorliegenden Art sind im Stand der
Technik bekannt, z.B. aus der Druckschrift WO 2008/110292. Eine solche um- fasst meist mehrere zu einem Stapel zusammengefasste Brennstoffzellen sowie ein - z.B. je Stapellängsseite ein - Manifold bzw. einen Gasverteiler zum
Zuführen und Abführen der Gasströme. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Gasverteiler ist regelmäßig eine Dichtungsvorrichtung angeordnet. Die Dichtungsvorrichtung ist z.B. in Form eines (Dichtungs-)Rahmens gebildet, welcher die Dichtungselemente enthält, z.B. Längsdichtungselemente, welche dem Längsrand des Gasverteilers folgen und Querdichtungselemente, welche insbesondere gegen eine Endplatte abdichten.
Während des Betriebes bewegen sich dabei die in Längsrichtung an stirnseitigen Enden des Zellstapels angeordneten Endplatten sowie die Dichtungen relativ zueinander und z.B. relativ zum Gasverteiler. Hervorgerufen werden diese Bewegungen z.B. durch Temperaturerhöhung von Raumtemperatur auf Betriebstemperatur, i.e. ca. 650°C, durch unterschiedliche Werkstoffpaarungen oder chemische Prozesse. An den Endplatten können dabei Bewegungen in
Längsrichtung der Zellstapelachse, in vertikaler Richtung, in Querrichtung der
Zellstapelachse sowie Dreh- bzw. aus Einzelbewegungen kombinierte Bewegungen auftreten.
Um bei einer Bewegung der Dichtungsvorrichtung bzw. der Endplatte infolge einer Bewegung des Brennstoffzellenstapels die Trennung der Gasräume (Anodengas und Kathodengas) sicherzustellen und eine Bewegung auszugleichen, wurden bisher z.B. einfache Flachdichtungen und M-Dichtungen zusätzlich zu den Querdichtungen verwendet. Diese decken jedoch die Relativbewegung zwischen den Dichtungspartnern insbesondere stirnseitig an den Endplatten nicht ausreichend ab, so dass bei Relativbewegung in vertikaler Richtung und/oder in Längsrichtung im Bereich der Querdichtung Undichtigkeiten auftreten.
Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenanordnung vorzuschlagen, welche oben genannte Nachteile überwindet und eine Querabdichtung der beiden Gasräume (Anodengas und Kathodengas) an der Endplatte zuverlässig ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle, einer dazu benachbart angeordneten Endplatte sowie einer Dichtungsvorrichtung mit einer Querdichtung und einer Längsdichtung zur Abdichtung gegenüber einem Gasverteiler, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Dichtungsvorrichtung und der Endplatte ein Flachdichtungselement, insbesondere ein federelastisches Flachdichtungselement, angeordnet ist, welches an der Endplatte benachbart zu einer ersten, der Brennstoffzelle zugewandten Stirnseite derselben dauerhaft fixiert ist und welches sich in Richtung zur zweiten Stirnseite der Endplatte erstreckt, wobei das Flachdichtungselement an einem zur zweiten Stirnseite benachbarten Ende mit einer Vorspannkraft in Richtung von der Endplatte zur Dichtungsvorrichtung dauerhaft beaufschlagt ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 exemplarisch eine explodierte Ansicht einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 exemplarisch eine Brennstoffzellenanordnung mit einem vorgespannten Flachdichtungselement gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 exemplarisch eine Brennstoffzellenanordnung mit einer entspannten Ii- Dichtung gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 exemplarisch die Brennstoffzellenanordnung gemäß Fig. 3 mit vorgespannter U-Dichtung;
Fig. 5 exemplarisch eine weitere Ansicht der Brennstoffzellenanordnung gemäß Fig. 3 und 4 mit verändertem Spaltquerschnitt;
Fig. 6 eine Detailansicht eines Details der Brennstoffzellenanordnung gemäß
Fig. 4;
Fig. 7 eine weitere Ansicht der Brennstoffzellenanordnung gemäß Fig. 3 bis 5;
Fig. 8 exemplarisch eine Brennstoffzellenanordnung mit einem vorgespannten Flachdichtungselement gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 9 exemplarisch eine Brennstoffzellenanordnung mit einer vorgespannten U-Dichtung gemäß noch einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 10 eine weitere Ansicht der Brennstoffzellenanordnung gemäß Fig. 9 mit verändertem Spaltquerschnitt;
Fig. 1 1 exemplarisch eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Vorspannvorrichtung gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 12 exemplarisch die Brennstoffzellenanordnung von Fig. 1 1 in einer Stirnansicht.
In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die Richtungen X, Y, Z zudem jeweils von der Ausrichtung der Brennstoffzellenanordnung abhängig.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung 1. Die
Brennstoffzellenanordnung 1 weist zum Beispiel eine oder mehrere Brennstoffzellen 2 auf, wobei mehrere Brennstoffzellen 2 z.B. auf bekannte Weise zu einem Brennstoffzellenstapel 3 verbunden sind, z.B. verspannt sind. An den Stirnseiten der Brennstoffzelle 2 bzw. eines Stapels 3 ist jeweils eine Endplatte 4 angeordnet, wobei sich ein Gasverteiler (Manifold) 5 z.B. jeweils von einer Endplatte 4 zur gegenüberliegenden Endplatte 4 (Längs- bzw. X-Richtung, z.B. Fig. 1) erstreckt, um z.B. Gasströme zu- bzw. abzuführen, d.h. z.B. Brenngas, Oxidationsgas und Abgas.
Zwischen dem Gasverteiler 5 und der Endplatte 4 sowie dem Brennstoffzellenstapel 3 (Stack) angeordnet ist eine Dichtungsvorrichtung 6, welche zwischen dem Gasverteiler 5 und dem Brennstoffzellenstapel 3 sowie der Endplatte 4 eine elektrisch nicht leitende Abdichtung ermöglicht, d.h. zur Abdichtung gegenüber dem Gasverteiler 5 vorgesehen ist. Die Dichtungsvorrichtung 6 ist, insbesondere in Abhängigkeit des jeweiligen Betriebszustands, gegen den Brennstoffzellenstapel 3 und/oder die Endplatte 4 gedrängt. Die Dichtungsvorrichtung 6 weist dazu z.B. keramische Dichtelemente 7 (dielectrics) und/oder weitere Dichtelemente 8 (z.B. Fig. 1 , 2) auf (z.B. Dichtfilz), welche den Brennstoffzellenstapel 3 (der im Betrieb eine Gleichspannung liefert), auf Abstand zum Gasverteiler 5 halten (welcher auf Masse liegt) und eine Abdichtung auf bekannte Weise mittels in Rahmenform angeordneter Längs- und Querdich- tungselemente ermöglichen.
Eine Querdichtung 9, welche sich z.B. über die Breite B (Fig. 1) einer Endplatte 4 in Z-Richtung erstreckt, d.h. quer erstreckt, i.e. in einer Richtung senkrecht zur Richtung von Gasverteiler 5 zur Endplatte 4 (Y-Richtung) und senkrecht zur Richtung von der Brennstoffzelle 2 zur Endplatte 4 (X-Richtung), ist insbesondere als keramisches bzw. dielektrisches Dichtelement 7 ausgeführt, z.B. ausschließlich. Insbesondere kann die Querdichtung 9 erfindungsgemäß z.B. als Dichtrampe 10 ausgeführt sein, d.h. mit einer in X-Richtung von der Brennstoffzelle 2 weg weisenden, geneigten Rampenfläche (z.B. Fig. 2 und 3).
Eine Längsdichtung 11 umfasst ein keramisches Dichtelement 7 sowie vorzugsweise ein daran benachbart zum Brennstoffzellstapel 3 bzw. zur Endplatte 4 angeordnetes unterstützendes Dichtelement 11a, z.B. Dichtfilz 8. Die Längsdichtung 1 erstreckt sich in Richtung von der ersten 4 zur zweiten 4 Endplatte (X-Richtung), insbesondere jeweils bis zu einer Querdichtung 9.
Um eine Relativbewegung von Endplatte 4 und Dichtungsvorrichtung 6 in X- Richtung und/oder Y-Richtung auszugleichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, zusätzlich zu der Dichtungsvorrichtung 6 bzw. der Querdichtung 9 ein flaches Dichtungselement bzw. ein Flachdichtungselement 12, insbesondere ein federelastisch ausgebildetes Flachdichtungselement 12 an der Endplatte 4 anzuordnen, welches die Querdichtung 9 bei der Abdichtung unterstützt. Das Flachdichtungselement 12 ist erfindungsgemäß zwischen der Dichtungsvorrichtung 6 und der Endplatte 4 angeordnet, d.h. die Dichtungsvorrichtung 6, das Flachdichtungselement 12 sowie die Endplatte 4 bilden eine Sandwichanordnung (in Y-Richtung, z.B. Fig. 2).
Das Flachdichtungselement 12 ist dabei benachbart zu einer ersten, der Brennstoffzelle 2 zugewandten Stirnseite 4a der Endplatte 4 fixiert, insbesondere an der Endplatte 4 und weiterhin insbesondere via eines ersten Endes 12a, wobei es sich in Richtung zur zweiten Stirnseite 4b der Endplatte 4 erstreckt, i.e. bis zu einem zweiten Ende 12b desselben. Zur Fixierung ist das Flachdichtungselement 12 z.B. benachbart zu der der Brennstoffzelle 2 benachbarten ersten Stirnseite 4a verschraubt oder verschweißt oder auf andere geeignete Weise befestigt. Insbesondere ist das Flachdichtungselement 12 ausschließlich am ersten Ende 12 fixiert.
Das Flachdichtungselement 12 erstreckt sich mit anderen Worten im Wesentlichen in Richtung von der ersten 4a zur zweiten Stirnseite 4b der Endplatte 4 (X- Richtung) außerhalb der Endplatte 4, insbesondere benachbart zur Endplatte 4 (z.B. Fig. 2) und z.B. insbesondere benachbart zu der zur Anlage an der Dichtungsvorrichtung 6 bzw. Querdichtung 9 vorgesehenen Seite der Endplatte 4 (i.e. eine Stirnseite in Y-Richtung), wobei es z.B. eine Erstreckung in X-Richtung aufweist, die im Wesentlichen der der Endplatte 4 zwischen erster 4a und zweiter 4b Stirnseite entspricht. Vorgesehen ist auch, dass das an der Endplatte 4 angeordnete Flachdichtungselement 12 im entspannten Zustand die Endplatte 4 an der zweiten Stirnseite 4b in X-Richtung überragt, z.B. geringfügig, so dass eine Kraft parallel zur Endplatte 4 in Y-Richtung darauf auf einfache Weise zum Zwecke einer Vorspannung einwirken kann.
Um eine erfindungsgemäße Abdichtung erzielen zu können, wird das einseitig fixierte Flachdichtungselement 12 (wie eine Feder) vorgespannt (z.B. Fig. 2), insbesondere durch elastische Verformung, wobei es zu diesem Zweck z.B. aus Federblech oder einem anderen geeigneten federelastischen Material gebildet ist. Die Vorspannung erfolgt z.B. mechanisch durch Krafteinwirkung am zweiten Ende 12b des Flachdichtungselements 12 in Richtung von der Endplatte 4 hin zur Dichtungsvorrichtung 6, i.e. durch Beaufschlagung mit einer Vorspannkraft. Durch die Vorspannung ist das Flachdichtungselement 12 nunmehr bestrebt, in die entspannte Ausgangsposition bzw. Ruhelage zurückzukehren und arbeitet einer weiteren Verspannung (verstärkt) entgegen.
Zur dauerhaften Vorspannung ist erfindungsgemäß eine Vorspannvorrichtung 13 vorgesehen. Die Vorspannvorrichtung 13 wird z.B. am zweiten (freien) Ende 12b des Flachdichtungselements 12 angeordnet, derart, dass mittels der Vorspannvorrichtung 13 dauerhaft eine Kraft am zweiten Ende 12b in Richtung zur Querdichtung 9, i.e. in Y-Richtung, auf das Flachdichtungselement 12 ausgeübt wird. Anders ausgedrückt spreizt die Vorspannvorrichtung 13 das Flachdichtungselement 12 am zweiten Ende 12b von der Endplatte 4 (gegenüber dem entspannten Zustand des Flachdichtungselements) ab, so dass das zweite Ende 12b von der Endplatte 4 in Y- Richtung beabstandet ist. Ein maximaler Abstand zwischen Endplatte 4 und Flachdichtungselement 12 stellt sich infolge der Abspreizung bzw. Vorspannung z.B. am zur zweiten Stirnseite 4b benachbarten Längsende der Endplatte 4 ein.
Als Vorspannvorrichtung 13 wird z.B. ein (rund-)stab- oder rohrförmiges, insbesondere hohlzylindrisches Vorspannelement 13a verwendet, welches z.B. am zweiten Ende 12b in Y-Richtung zwischen der Endplatte 4 und dem Flachdichtungselement 12 angeordnet ist, z.B. gefangen bzw. fixiert ist, z.B. dauerhaft an dem Flachdichtungselement 12 angeordnet oder fixiert ist. Denkbar sind jedoch auch andere Querschnitte und Maßnahmen zur Herstellung und Aufrechterhaltung eines Ab- Stands zwischen Endplatte 4 und dem zweiten Ende 13b in Y-Richtung, z.B. kann das zweite Ende 12b mit einer Gewichtskraft beaufschlagt werden.
Vorgesehen ist dabei erfindungsgemäß insbesondere auch, die Vorspannvorrichtung 13 als eigenständige Vorrichtung auszubilden, welche an dem Flachdichtungselement 12 anordenbar ist, und welche zur Ausbildung einer Vorspannung z.B. mit der Endplatte 4 zusammenwirkt.
Infolge der Vorspannung erfährt das Flachdichtungselement 12 eine Biegung. Das Flachdichtungselement 12 wird z.B. nach Anlage (zusammen mit der Endplatte 4) an der Dichtungsvorrichtung 6 vorgespannt, z.B. durch Anordnen oder Einbringen des Vorspannelements 13a mittels Werkzeugeingriffs, welchen z.B. ein wie oben erläuterter Überstand des zweiten Endes 12b relativ zur Endplatte 4 an der zweiten Stirnseite 4b in X-Richtung erleichtert.
Zur Abdichtung bzw. Ausbildung einer Dichtlinie 14 wirkt das vorgespannte bzw. mit einer Vorspannkraft beaufschlagte Flachdichtungselement 12 insbesondere mit einer zur Abdichtung vorgesehenen Anlagefläche bzw. einer aktiven Dichtfläche 15 der Querdichtung 9, insbesondere in Form eines Teils bzw. Abschnitts der der Endplatte 4 gegenüberliegenden Oberfläche 9a der Querdichtung 9 zusammen. Hierbei wird das vorgespannte Flachdichtungselement 12 erfindungsgemäß gegen die aktive Dichtfläche 15 der Querdichtung 9 (z.B. der Dichtrampe 10) zur Anlage gedrängt.
Infolge des Drucks der aktiven Dichtfläche 15 gegen das vorgespannte Flachdichtungselement 12, welches nunmehr eine weitere Verspannung erfährt und dessen Bestreben, einer solchen weiteren Verspannung entgegen zu wirken, kann eine abzudichtende, sich infolge z.B. einer Bewegung des Brennstoffzellenstapels 3 bildende Spaltöffnung 16, z.B. Fig. 5 und Fig. 10, zwischen der Endplatte 4 und der Querdichtung 9 bzw. der Dichtungsvorrichtung 6 verschlossen werden (in X-Richtung und Y-Richtung), so dass entlang der somit durch die aktive Dichtfläche 15 und das Flachdichtungselement 12 gebildeten Dichtlinie 14 zuverlässig eine Abdichtung erzielbar ist. Bei einer Bewegung der Querdichtung 9 in X-Richtung und/oder Y-Richtung relativ zu dem Flachdichtungselement 12 gleicht das Flachdichtungselement 12 die Bewegung durch Anpassung bzw. korrespondierende Änderung seiner Durchbiegung aus, so dass eine Andruckkraft auf die aktive Dichtfläche 15 entlang der Dichtlinie 14 ausgeübt wird, i.e. solange, bis das Flachdichtungselement 12 die originär mittels der Vorspannvorrichtung 13 erzielte Vorspannstellung wieder einnehmen kann.
Die aktive Dichtfläche 15 wird insbesondere durch ein Außenende 15a der Querdichtung 9 bzw. der Dichtungsvorrichtung 6 gebildet (z.B. Fig. 2 und Fig. 7), welches in Richtung von der Brennstoffzelle 2 zur zweiten Stirnseite 4b sowie in Richtung von der Querdichtung 9 zur Endplatte 4 ein Außenende bildet (z.B. Fig. 2 und 7). Bei einer Relativbewegung von Dichtungsvorrichtung 6 und Endplatte 4 in X- Richtung und/oder Y-Richtung ist somit eine zuverlässige Abdichtung über die Breite B der Endplatte 4 möglich.
Die Endplatte 4 mit daran angeordnetem Flachdichtungselement 12 wird z.B. an der Dichtungsvorrichtung 6 so angeordnet, dass sich die aktive Dichtfläehe 15 der Querdichtung 9 in X-Richtung vorzugsweise zwischen erstem Ende 12a und zweitem Ende 12b des Flachdichtungselements 12 befindet, derart, dass die aktive Dichtfläche 15 bzw. die Dichtlinie 14 auch bei maximal zu erwartender Relativbewegung der Endplatte 4 zur Querdichtung 9 innerhalb der Abmessung der Endplatte 4 in X- Richtung, insbesondere der Abmessung des gegenüberliegend angeordneten Flachdichtungselements 12 in X-Richtung, verbleibt. Bei der vorgesehenen Anordnung verlaufen das Flachdichtungselement 12 und die aktive Dichtfläche 15 (z.B. im Ruhezustand der Brennstoffzellenanordnung 1) im Wesentlichen parallel zueinander in Z-Richtung.
Die aktive Dichtfläche 15 ist dabei derart ausgebildet, dass eine Abdichtung in Verbindung mit dem Flachdichtungselement 12 möglich ist, d.h. das
Flachdichtungselement 12 z.B. über die gesamte Breite B der Endplatte 4 ununterbrochen kontaktierend zur Anlage gelangen kann, folglich im gesamten ab- zudichtenden Bereich ein Druck auf das Flachdichtungselement 12 ausgeübt werden kann. Die aktive Dichtfläche 15 erstreckt sich insofern insbesondere quer (Z-Richtung), z.B. im Wesentlichen quer, und weist weiterhin vorzugsweise eine Quererstreckung auf, welche mit der Quererstreckung des Flachdichtungselements 12 korrespondiert. Das Flachdichtungselement 12 erstreckt sich erfindungsgemäß z.B. über die gesamte Quererstreckung der Endplatte 4 (in Z- Richtung), so dass über die gesamte Breite der Endplatte 4 eine Dichtlinie bildbar ist. Die aktive Dichtfläche 15 kann dabei mittels einer Kante, einem Halbrund oder mit anderem zur Ausbildung einer Dichtlinie 14 geeigneten Querschnitt gebildet sein.
Vorzugsweise ist die aktive Dichtfläche 15 mittels eines abgerundeten oder eines stumpfwinkligen Oberflächenteils der Oberfläche 9a der Querdichtung 9 gebildet, welcher eine im Vergleich zu einer Kante breitere Anlagefläche bzw. aktive Dichtfläche 15 bei Anschmiegen des Flachdichtungselements 12 zur Verfügung stellt. In Richtung zur zweiten Stirnseite 4b ist in X-Richtung benachbart zu der aktiven Dichtfläche 15, z.B. gebildet durch das Außenende 15a, insbesondere ein Freiraum vorgesehen, in welchen das abgespreizte zweite Ende 12b des vorgespannten Flachdichtungselements 12 eintauchen kann, wobei der Freiraum z.B. mittels der Dichtrampe 10 bildbar ist.
Mittels des erfindungsgemäßen, vorgespannten Flachdichtungselements 12 lassen sich somit unterschiedliche Spaltquerschnitte eines Spalts 16 abdichten. Um Spaltquerschnitte mit einer großen Erstreckung in Y-Richtung abzudichten, ist erfindungsgemäß z.B. vorgesehen, eine große Vorspannkraft auf das Flachdichtungselement 12 auszuüben, z.B. durch Wahl eines Vorspannelements 13a großen
Durchmessers, welches eine große Auslenkung des Flachdichtungselements 12 am z.B. zweiten Ende 12b ermöglicht. Einher geht damit ggf. eine höhere Beanspruchung des Flachdichtungselements 12. Um verschiedene zu erwartende Erstreckun- gen des Spaltquerschnitts des Spalts 16 in X-Richtung abdecken zu können, können z.B. unterschiedliche Längen des Flachdichtungselements 12 notwendig sein, wobei vorzugsweise eine Länge gewählt wird, die z.B. im Wesentlichen der der Erstreckung der Endplatte 4 in X-Richtung entspricht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoff- zellenanordnuhg 1 , welche eine weiter verbesserte Dichtwirkung ermöglicht, überlappt das Flachdichtungselement 12 die Dichtungsvorrichtung 6 der Brennstoffzellenanordnung 1 in Richtung von der Endplatte 4 zur Dichtungsvorrichtung 6 (Y- Richtung) ebenfalls auf oben beschriebene Weise, wobei die Querdichtung 9 der Dichtungsvorrichtung 6 wiederum eine aktive Dichtfläche 15 zur Anlage an dem Flachdichtungselement 12 ausbildet. Im Überlappungsbereich sind die Querdichtung 9 und die Längsdichtung 11 wiederum zueinander benachbart, z.B. Fig. 3, stoßen insbesondere aneinander.
Bei der bevorzugten Ausführungsform überragt die aktive Dichtfläche 15, welche z.B. als Teil der zum Flachdichtungselement 12 benachbarten Oberfläche 9a der Querdichtung 9, z.B. als Außenende 15a derselben, gebildet ist, die Längsdichtung 11 der Dichtungsvorrichtung 6 im Bereich der Überlappung durch das Flachdichtungselement 12 in Richtung zur Endplatte 4. Derart kann die aktive Dichtfläche 15 bei Drängen der Endplatte 4 gegen die Dichtungsvorrichtung 6 vermehrt gegen das Flachdichtungselement 12 wirken. Dazu weist die aktive Dichtfläche 15 insbesondere eine Form auf, welche sich einer Linienform annähert oder eine solche ausbildet.
Zur Bildung der aktiven Dichtfläche 15, welche insbesondere mittels einer sich quer erstreckenden Dichtkante gebildet ist, weist die Querdichtung 9 insbesondere einen giebelförmigen Abschnitt bzw. Bereich 17 auf, insbesondere dem Flachdichtungselement 12 in Y-Richtung gegenüberliegend (wobei sich das derart gebildete Profil quer erstreckt), welcher durch aufeinander zu laufende Rampenflächen 17a, b gebildet ist, Fig. 2 und 3. Alternativ ist die aktive
Dichtfläche 15 z.B. durch eine gekrümmte Oberfläche 9a der Querdichtung 9 gebildet, wobei die gekrümmte Oberfläche 9a in Richtung zum Flachdichtungselement 12 nach außen gewölbt ist (nicht gezeigt). Auch andere Querschnitte der Querdichtung 9 sind zur Bildung einer die Längsdichtung in Y-Richtung ü- berragenden aktiven Dichtfläche 15 denkbar. Erfindungsgemäß weist die Endplatte 4 bei der bevorzugten Ausführungsform benachbart zum Flachdichtungselement 12, i.e. in Y-Richtung dem Flachdichtungselement 12 gegenüberliegend, einen materialreduzierten Bereich 18 auf (z.B. Fig. 8 und 9), in welchen das Flachdichtungselement 12 bei Drängen gegen die aktive Dichtfläche 15 eintauchbar ist. Der materialreduzierte Bereich 18 ist dazu vorgesehen, ein Ausweichen des durch die aktive Dichtfläche 15 zusätzlich zur beaufschlagten Vorspannkraft (am zweiten Ende 12b) belasteten Flachdichtungselements 12 in Richtung zur Endplatte 4 zu ermöglichen, so
dass der wirksame Federweg einer damit gebildeten Dichtung erhöht werden kann. Durch den materialreduzierten Bereich 18 kann das Flachdichtungselement 12 z.B. bereits bei Anordnung bzw. Auflage der Endplatte 4 an der Querdichtung 9 bzw. Längsdichtung 11 bzw. am Gasverteiler 5 vorgespannt werden, wobei anschließend z.B. die Vorspannkraft am zweiten Ende 12b beaufschlagt wird, i.e. das Flachdichtungselement 12 bzw. eine damit gebildete Dichtung abschließend gespannt wird.
Der materialreduzierte Bereich 18 ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, dass ein Eintauchen des Flachdichtungselements 12, über dessen gesamte Quererstreckung (in Z-Richtung) ermöglicht ist. Somit ist der wirksame Federweg über die gesamte Quererstreckung gleichermaßen vergrößert, i.e. die Dichteigenschaften weiter verbessert.
Bei der in den Fig. 2 und 3 gezeigten beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich der materialreduzierte Bereich 18 zwischen der ersten 4a und der zweiten 4b Stirnseite der Endplatte 4 kanalförmig, insbesondere kanalförmig quer (Z-Richtung), wobei die Erstreckung in Richtung von der ersten 4a zur zweiten 4b Stirnseite vorzugsweise den Bewegungsbedarf der Endplatte 4 bei Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 1 berücksichtigt, insbesondere möglichst groß ist.
Der materialreduzierte Bereich 18 ist insbesondere als Aussparung bzw.
Freimachung und weiterhin insbesondere in X-Richtung benachbart zur ersten Stirnseite 4a in der Endplatte 4 gebildet, i.e. in einem in Y-Richtung benachbart zum Flachdichtungselement 12 angeordneten Endbereich 4c der Endplatte 4. Der materi- alreduzierte Bereich 18 erstreckt sich dabei vorzugsweise nicht bis zur ersten Stirnseite 4a, zumindest nicht über deren gesamte Erstreckung in Z-Richtung. Die derart ausgebildete Endplatte 4 bildet somit benachbart zur ersten Stirnseite 4a einen Vorsprung 4d, welcher sich in Y-Richtung erstreckt und sich vorzugsweise in Z-Richtung fortsetzt, insbesondere über die gesamte Erstreckung der Endplatte 4 in Z-Richtung. Der derart gebildete Vorsprung 4d, welcher z.B. Leistenform aufweist, bildet eine Anlagefläche 4e in Y-Richtung, welche als (Hebel-)Stütze für das Flachdichtungselement 12 bzw. eine damit gebildete Dichtung anderen Querschnitts wirken kann.
Der materialreduzierte Bereich 18 kann sich ggf. von der zweiten Stirnseite 4b der Endplatte 4 in Richtung zur ersten Stirnseite 4a erstrecken oder zwischen erster 4a und zweiter Stirnseite 4b, wobei diese z.B. nicht materialreduziert sind. Der materialreduzierte Bereich 19 weist z.B. im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, kann jedoch auch halbrundförmigen oder einen anderen Querschnitt aufweisen.
Durch eine derartige Anordnung kann der wirksame Federweg des Flachdichtungselements 12 bereits in der anfänglichen Betriebsphase, z.B. Fig. 9, der Brennstoffzellenanordnung 1 , in welcher ein größerer Federweg benötigt wird, erhöht werden, wobei auch nach langer Laufzeit bzw. zum Einsatzende eine Federweg-Reserve zur Verfügung steht, z.B. Fig. 10. Somit lässt sich der Einsatzbereich des eingangs beschriebenen Flachdichtungselements 12 mit geringem Mehraufwand erheblich verbessern.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mittels des Flachdichtungselements 12 eine Dichtung 19 gebildet, welche insbesondere U- förmigen Querschnitt aufweist, i.e. eine U-Dichtung 19, z.B. Fig. 1 , 3, 4, 5, 7, 9, 10, 11 , 12. Das Flachdichtungselement 12 bildet hierbei ein Stegelement 19a der U- Dichtung 19. Die U-Dichtung 19 weist ferner einen ersten U-Schenkel 19b und einen zweiten U-Schenkel 19c auf, welche zusammen mit dem U-Stegelement 19a bzw. dem Flachdichtungselement 12 den U-förmigen Querschnitt ausbilden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den ersten U-Schenkel 19b insbesondere zwischen der ersten Stirnseite 4a der Endplatte 4 und der dazu benachbarten Brenn- stoffzelle 2 z.B. des Brennstoffzellenstapels 3 anzuordnen, insbesondere zu fixieren. Mittels des fixierten ersten U-Schenkels 19b kann das Flachdichtungselement 12 somit ebenfalls fixiert werden, z.B. ausschließlich oder zusätzlich, z.B. mittelbar, i.e. am ersten Ende 12a. Der erste U-Schenkel 19b ist z.B. in Y-Richtung in einer Aufnahme zur fluchtenden Anordnung an der Endplatte 4 fixiert, wobei der U-Schenkel 19b die Anordnung der benachbarten Brennstoffzelle 2 nicht beeinträchtigt. Fig. 3 zeigt dabei die U-Dichtung 19 im entspannten (nicht vorgespannten) Zustand.
Der erste U-Schenkel 19b kann zur Fixierung z.B. zwischen Endplatte 4 und Brennstoffzelle 2 geklemmt oder auf geeignete Weise z.B. kraft-, form- oder stoffschlüssig befestigt sein, insbesondere dauerhaft. Der erste U-Schenkel 19b ist mit dem U-Stegelement 19a in Form des Flachdichtungselements 12, insbesondere integral, z.B. mittels seines unteren Endes (proximales Ende), verbunden, z.B. an dem ersten Ende 12a desselben gebildet. Der erste U-Schenkel 19b ragt z.B. im Wesentlichen senkrecht von dem Flachdichtungselement 12 in Y-Richtung hervor.
An der dem (unteren Ende des) ersten U-Schenkel(s) 12b gegenüberliegenden Seite weist das Flachdichtungselement 12 sein zweites Ende 12b auf. Das zweite Ende 12b weist wie oben beschrieben keine eigene Lagerung bzw. Fixierung, z.B. an der Endplatte 4, auf und ist insofern ein freies Ende. Am zweiten Ende 2b ragt der zweite U-Schenkel 19c vom U-Stegelement 19a bzw. Flachdichtungselement 12 auf, z.B. im Wesentlichen senkrecht. Der zweite U-Schenkel 19c ist z.B. kürzer als der erste U-Schenkel 19b (in Y-Richtung).
Die Vorspannvorrichtung 13 kann hierbei z.B. integral mit dem zweiten Schenkel 19c gebildet sein, z.B. den zweiten U-Schenkel 19c bilden. Denkbar ist dabei, dass sich der zweite Schenkel 19c mit seinem dem Flachdichtungselement 12 gegenüber liegenden Ende (distales Ende) in Y-Richtung an der Endplatte 4 abstützt.
Als Vorspannvorrichtung 3 wird z.B. wiederum ein (rund-)stab- oder rohrför- miges, insbesondere hohlzylindrisches Vorspannelement 13a verwendet, welches z.B. am zweiten Ende 12b in Y-Richtung zwischen Endplatte 4 und Flachdichtungselement 12 angeordnet ist, z.B. mittels des zweiten U-Schenkels 19c, der Endplatte 4 sowie dem Flachdichtungselement 12 gefangen bzw. fixiert ist, z.B. durch Klemmung positionstreu fixiert ist. Denkbar sind jedoch wiederum auch andere Querschnitte und Maßnahmen zur Herstellung und Aufrechterhaltung eines Abstands zwischen Endplatte 4 und dem zweiten Ende 12b in Y-Richtung.
Bei den in z.B. Fig. 3, 4, 9, 10, 11 gezeigten Ausführungsformen überragt das an der Endplatte 4 angeordnete Flachdichtungselement 12 im entspannten Zustand die Endplatte 4 an der zweiten Stirnseite 4b in X-Richtung, z.B. geringfügig, so dass der zweite Schenkel 19c im entspannten Zustand z.B. benachbart zur zweiten Stirnseite 4b aufragt. Dabei ist der zweite U-Schenkel 19c im entspannten Zustand der U- Dichtung 11 zum Beispiel von der zweiten Stirnseite 4b beabstandet und überlappt diese in Längsrichtung. Es ist jedoch auch denkbar, das Flachdichtungselement 12 mit kürzerer Längserstreckung auszubilden, derart, dass es die Endplatte 4 in Längsrichtung zur zweiten Stirnseite 4b nicht überragt und keine Anordnung im entspannten Zustand an der Endplatte 4 zulässt.
Erfindungsgemäß wird die U-Dichtung 19 wie oben für das Flachdichtungselement 12 beschrieben, mit ihrem U-Stegelement 19a bzw. dem Flaehdichtungs- element 12 zur Abdichtung gegen die aktive Dichtfläche 15 gedrängt.
Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, eine Vorspannvorrichtung 13 mehrteilig auszubilden, z.B. derart, dass eine eigenständige Haltevorrichtung 20 das Vorspannelement 13a, z.B. beidseitig der Endplatte 4 führt bzw. gegen das Flachdichtungselement 12 drängt, z.B. auch mittelbar, z.B. mittels je eines Führungslagers 21 der Haltevorrichtung 20. Dazu ist die Haltevorrichtung 20 an der Brennstoffzellenanordnung 1 derart befestigt, dass eine Relativbewegung von Endplatte 4, Flachdichtungselement 12 und Vorspannelement 13a zur Haltevorrichtung 20 möglich ist, z.B. an einem Gasverteiler 5. Dazu weist die Haltevorrichtung 20 z.B. Halter 22 auf, die jeweils in Z-Richtung benachbart zu der Endplatte 4 am Gasverteiler 5 fixiert werden können. Zur Fixierung sind z.B. Bohrungen 23 in Form von z.B. Langlöchern vorgesehen, mittels derer die Halter 22 jeweils zum Zusammenwirken mit dem Vorspannelement 3a in X-Richtung und Y-Richtung geeignet eingestellt und mit dem Gasverteiler 5 verschraubt oder anderweitig befestigt werden können.
Das Vorspannelement 13a überragt in diesem Fall z.B. die Endplatte 4 in Z- Richtung und kann aufgrund des Überstands seiner Enden 24 mit je einem Ende 24 in je einem Führungslager 21 der Haltevorrichtung 20 bzw. eines Halters 22 gefangen werden, so dass mittels der Haltevorrichtung 20 und der darin gefangenen Enden 24 eine Vorspannkraft auf das Flachdichtungselement 12 ausgeübt werden kann. Das Vorspannelement 13a ist dabei z.B. im Wesentlichen plattenförmig gebildet und z.B. benachbart zur zweiten Stirnseite 4b angeordnet.
Ein Führungslager 21 , welches zur Potentialtrennung zum Beispiel aus einem elektrisch schlecht leitenden Material, z.B. Keramik, besteht, ist zum Bespiel jeweils in einem Halter 22 der Haltevorrichtung 20 angeordnet, und weist zum Beispiel jeweils eine Führungsebene 25 zur beweglichen, z.B. gleitbaren Führung der in der Haltevorrichtung 20 gefangenen Enden 24 des Vorspannelements 13a auf, wobei mittels der Steigung der Führungsebene 25 der Wert und der Verlauf der Vorspannung während der Lebensdauer vorgegeben werden. Es ist folglich vorgesehen, die Führungsebene 25 mit einstellbarer Steigung auszubilden.
Bei einer Bewegung der Endplatte 4 in X-Richtung und/oder Y-Richtung wird das Vorspannelement 13a aufgrund der feststehenden Anordnung des Gasverteilers 5 und des daran befestigten Halters 22 gezwungen, sich relativ dazu entlang der Führungsebene 25 zu bewegen, wobei die Vorspannung vorgegeben wird.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellenanordnung (1) mit einer Brennstoffzelle (2), einer dazu benachbart angeordneten Endplatte (4) sowie einer Dichtungsvorrichtung (6) mit einer Querdichtung (9) und einer Längsdichtung (11) zur Abdichtung gegenüber einem Gasverteiler (5), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Dichtungsvorrichtung (6) und der Endplatte (4) ein Flachdichtungselement (12), insbesondere ein federelastisches Flachdichtungselement (12), angeordnet ist, welches an der Endplatte (4) benachbart zu einer ersten, der Brennstoffzelle (2) zugewandten Stirnseite (4a) derselben dauerhaft fixiert ist und welches sich in Richtung zur zweiten Stirnseite (4b) der Endplatte (4) erstreckt, wobei das Flachdichtungselement (12) an einem zur zweiten Stirnseite (4b) benachbarten Ende (12b) mit einer Vorspannkraft in Richtung von der Endplatte (4) zur Dichtungsvorrichtung (6) dauerhaft beaufschlagt ist.
2. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zur Beaufschlagung mit einer Vorspannkraft eine Vorspannvorrichtung (13) vorgesehen ist.
3. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung mittels der Vorspannvorrichtung (13) variierbar ist.
4. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannvorrichtung (13) ein zylindrisches Vorspannelement (13a) aufweist.
5. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachdichtungselement (12) bei einer Abdichtung mit einer aktiven Dichtfläche (15) der Querdichtung (6) zusammenwirkt, insbesondere mit einem Außenende (15a) der Querdichtung (9) und weiterhin insbesondere mit einer Dichtrampe (10).
6. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querdichtung (9) der Dichtungsvorrichtung (6) eine aktive Dichtfläche (15) zur Anlage an dem Flachdichtungselement (13) ausbildet, welche die Längsdichtung (11) der Dichtungsvorrichtung (6) im Bereich einer Überlappung durch das Flachdichtungselement (12) in Richtung zur Endplatte (4) überragt, wobei die Endplatte (4) benachbart zum Flachdichtungselement (12) einen materialreduzierten Bereich (18) aufweist, in welchen das Flachdichtungselement (12) bei Drängen gegen die aktive Dichtfläche (15) eintauchbar ist.
7. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Querdichtung (9) zur Ausbildung der aktiven Dichtfläche (15) aufeinander zu laufende Rampenflächen (17a, 17b) oder eine gekrümmte Oberfläche (9a) aufweist.
8. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die aktive Dichtfläche (15) im Wesentlichen quer erstreckt, insbesondere mittels einer Dichtkante gebildet ist
9. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachdichtungselement (12) über seine gesamte Que- rersteckung an der aktiven Dichtfläche (15) anliegt.
10. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Flachdichtungselement (12) über die gesamte Quererstreckung der Endplatte (4) erstreckt.
11. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der materialreduzierte Bereich (18) ein Eintauchen des Flachdichtungselements (12) über dessen gesamte Quererstreckung ermöglicht.
12. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der materialreduzierte Bereich (18) als Aussparung bzw. Freimachung gebildet ist, welche insbesondere in Richtung von der ersten (4a) zur zweiten (4b) Stirnseite der Endplatte (4) benachbart zur ersten Stirnseite (4a) in der Endplatte (4) gebildet ist.
13. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der materialreduzierte Bereich (18) zwischen den Stirnseiten (4a, 4b) der Endplatte (4) sich kanalförmig erstreckend, insbesondere quererstreckend, gebildet ist.
14. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Dichtfläche (15) mittels eines starren, insbesondere keramischen Materials gebildet ist.
15. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachdichtung (12) bei Eintauchen in den materialreduzierten Bereich (18) entgegen der Richtung der zur zweiten Stirnseite (4b) der Endplatte (4) benachbart beaufschlagten Vorspannkraft belastet wird.
16. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flachdichtungselement (12) ein U- Stegelement (19a) einer U-förmigen Dichtung (U-Dichtung) (19) bildet, wobei ein erster U-Schenkel (19b) der U-Dichtung (19) zwischen Endplatte (4) und benachbarter Brennstoffzelle (2) benachbart zu einer ersten Stirnseite (4a) der Endplatte (4) fixiert ist, das U-Stegelement (19a) der U-Dichtung (19) sich von der ersten (4a) in Richtung zur zweiten Stirnseite (4b) der Endplatte (4) außerhalb der Endplatte (4) benachbart zu dieser erstreckt, wobei die U-Dichtung (19) an einem dem ersten U- Schenkel (19b) gegenüberliegenden Ende (12b) des U-Stegelements (19a) mit einer Vorspannkraft in Richtung von der Endplatte (4) zum U-Stegelement (19a) dauerhaft beaufschlagt ist, insbesondere mittels einer Vorspannvorrichtung (13).
17. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorspannelement (13a) von dem zweiten U-Schenkel (14) gefangen ist, insbesondere in Verbindung mit der Endplatte (4) und/oder dem U-Stegelement (19a).
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