WO2021032351A1 - Vorrichtung und verfahren zur verspannung eines brennstoffzellenstapels - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur verspannung eines brennstoffzellenstapels Download PDF

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WO2021032351A1
WO2021032351A1 PCT/EP2020/068512 EP2020068512W WO2021032351A1 WO 2021032351 A1 WO2021032351 A1 WO 2021032351A1 EP 2020068512 W EP2020068512 W EP 2020068512W WO 2021032351 A1 WO2021032351 A1 WO 2021032351A1
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cell stack
clamping
cooling
shrink
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PCT/EP2020/068512
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Harald Bauer
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/248—Means for compression of the fuel cell stacks
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23P11/02—Connecting or disconnecting metal parts or objects by metal-working techniques not otherwise provided for  by first expanding and then shrinking or vice versa, e.g. by using pressure fluids; by making force fits
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    • 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 invention relates to a device for bracing a fuel cell, in particular a fuel cell stack, which has individual elements lying on top of one another, and also to a method for bracing a fuel cell and to the use of the method.
  • a shrink device for thermal clamping and releasing of tools in shrink chucks has a preferably inductive heating device for heating tool receiving sections of shrink chucks and a cooling device for active cooling of heated shrink chucks.
  • the device has several, in particular three, workstations, with both the heating of the shrink fit and active cooling of the shrink fit being possible in each of the work stations. It is possible to switch between the work stations by pivoting a column carrying the heating device. With the shrinking device, it is possible to process large numbers of tools in shrink technology in continuous operation.
  • PEM fuel cell stacks are stacked from individual elements.
  • the individual elements In order to function, the individual elements must be pressed against one another, on the one hand to minimize the electrical contact resistance between the individual elements and, on the other hand, to sufficiently press the inserted sealing elements so that the stack is gas-tight.
  • Fuel cell stacks are compressed by using screws to apply the forces in the direction of the stack. The stacks are either pressed by the screws or tensioning straps are used which are tensioned, i.e. tightened, by the screws.
  • solutions are known in which the stacks are pressed by an assembly tool and then held in this pressed position by being introduced into a housing or by fixing and bolts.
  • a screw Compared to a smooth bolt or a cylinder pin, a screw has a larger cross-section with the same load capacity. For the transmission of forces, a few threads plus the screw head must be planned. The tightening torque of different screws in a connection may differ from one another, since the frictional torque in the thread can differ. This can be remedied by pretensioning the stack and only slightly tightening the nuts or screws, which are then only subjected to force when the pretension is released. Then the thread is obsolete, but cannot be replaced by a bolt with a fixed distance in the braced position, since the tolerances when stacking the stack can cause the absolute final dimensions of the individual screw positions to differ locally.
  • a device for bracing a fuel cell in particular a fuel cell stack, made up of individual elements arranged one above the other is proposed.
  • a pre-pressing force is applied to the fuel cell stack, the fuel cell stack being arranged between end plates.
  • the end plates are either clamped against one another via a force-fit shrink-fit clamping between the bushings and cylindrical pins or the ends of the tensioning straps are inserted into heated clamping bodies, whereby these fix the tensioning straps by shrinking as they cool.
  • the solution proposed according to the invention provides a very simple, reliable, adjustable and releasable non-positive connection.
  • the principle proposed according to the invention can be used for Bolts for screw connections, tensioning straps or for tensioning screws on tensioning straps. Furthermore, a manipulation-proof possibility of tensioning individual elements of a fuel cell stack is given.
  • the sockets in the heated state are oversized with respect to the diameter of the cylindrical pins.
  • the bushing is shrunk onto the cylinder pins in the cooled state, so that a force-fit shrink connection is created.
  • the clamping bodies are provided with slots, preferably flat slots.
  • the flat slots have a width which corresponds to the width of the tensioning straps for tensioning the fuel cell stack.
  • the invention relates to a method for prestressing a fuel cell, in particular a fuel cell stack composed of individual elements arranged one above the other, the following process steps being carried out: a) stacking a number of individual elements to form a fuel cell stack and applying a prestressing force to the fuel cell stack obtained, b) Heating a bushing or a clamping body to achieve a heated state, c) joining the heated bushing onto a cylindrical pin or threading the ends of straps into a flat slot of a heated clamping body, d) cooling the bushing to produce a shrink connection on the cylindrical pin, or
  • the heating can be carried out inductively, preferably by means of a tool.
  • the cooling of the tool or compressed air cooling of the bushing or the clamping body can be brought about, so that ultimately a releasable non-positive shrink-fit connection either between the cooled bushing and the cylinder pin or between the in the slot of the clamping body threaded strap ends of the tensioning straps.
  • the invention also relates to a use of the device for bracing a fuel cell stack by means of a releasable shrink connection, such as can be used, for example, as a drive source for electrically driven vehicles.
  • the solution according to the invention makes it possible to create a simple, reliably durable, adjustable and releasable connection, in particular a force-fit shrink connection.
  • the solution proposed according to the invention can be used for bolts in screw connections, in tensioning straps or in tensioning screws on tensioning straps.
  • One advantage of the solution proposed according to the invention is that it can be made tamper-proof so that manual changes cannot be made to a fuel cell stack.
  • the screw connection is replaced by a precisely fitting bolt, for example designed as a cylindrical pin, which is joined to a socket.
  • a precisely fitting bolt for example designed as a cylindrical pin, which is joined to a socket.
  • the bushing diameter is smaller than the bolt diameter, so that after installation at the installation point of the bushing, a force-locking press fit is created on the circumference of the cylinder pin.
  • the procedure for joining tensioning straps is such that both strap ends of the tensioning straps are threaded through an opening, for example a flat slot, of a clamping body, the clamping body also being heated, in particular inductively heated, to achieve the clamping function with a flat slot.
  • the inductive heating results in an enlargement of the slot, preferably a flat slot, while the strap ends of the tension straps are held when the clamping body is forced to cool down.
  • a particularly permanent clamping is achieved in that in the case of the flat slots that are formed in the clamping body, the long sides of the flat slot are designed in a spherical shape.
  • the solution proposed according to the invention results in a significantly reduced space requirement due to the smaller cross section of the bolts and a reduced protrusion in the area of the clamping.
  • the clamping can be integrated directly into an end plate.
  • a screw connection is relieved and possibly loosened.
  • a screw connection must therefore always be tightened with a minimum force so that it does not come loose, especially due to vibrations during ferry operation.
  • a shrink clamp on the other hand, always remains closed, even if lower tensile forces should arise on, for example, attached tensioning straps. This means that a lower safety margin has to be kept in the axial clamping forces, so that an inexpensive, lighter and smaller design can be implemented.
  • four clamps one can be specifically readjusted.
  • Figure 1 shows a conventional screw connection of a fuel cell stack
  • Figure 2 shows a first variant of a shrink clamp for bracing a fuel cell stack
  • Figure 2.1 shows a schematic representation of a sensor field
  • FIGS 3.1, 3.2, 3.3 and 3.4 a bracing of a fuel cell stack by means of tensioning straps, recorded in clamping bodies,
  • Figures 4.1 and 4.2 show a fine adjustment option for re-tensioning tensioning straps when opening a clamping area
  • Figures 5.1 and 5.2 a bracing of a fuel cell stack with cylinder pins and shrink clamping in plan view and in side view and
  • FIG. 1 shows a fuel cell stack 10 which is formed from individual elements 14 stacked on top of one another up to a stack height 12.
  • the fuel cell stack 10 is fixed by a first end plate 16 and a second end plate 18, which are braced against one another via a first screw connection or a second screw 22.
  • the first screw connection 20 and the second screw connection 22 each comprise a threaded rod 24 and two nuts 26.
  • screws Compared to bolts of smooth design, screws have a larger cross section with the same load capacity. A few threads plus the screw head must be planned for the transmission of forces.
  • the tightening torque of different screws in a connection may differ from one another, since the friction torque in the thread can differ.
  • FIG. 2 shows a first embodiment variant of the bracing of a fuel cell stack 10 proposed according to the invention by means of shrink clamping.
  • the stack height 12 of the fuel cell stack 10 is limited by the first end plate 16 and the second end plate 18.
  • the stacking height 12 results from the number of stacked individual elements 14 arranged one above the other.
  • the two end plates 16, 18 of the fuel cell stack 10 are not braced against each other by the screw connections 20 or 22 shown in FIG. 1, but by means of cylindrical pins 30, which have a smooth surface and are provided with a stop plate 36 at one end, for example.
  • a length 34 of the cylinder pins 30 is based on the stack height 12 of the fuel cell stack 10 to be braced to one another via the end plates 16, 18.
  • FIG. 2 shows that the two stop plates 36 arranged at the lower end of the cylinder pins 30 fix the second end plate 18 which is the structure of the individual elements 14.
  • the two cylinder pins 30 pass through openings in the first end plate 16 and protrude from the upper side thereof.
  • a socket 38 assumes a heated state 40 through heating, for example inductive heating.
  • the bushing 38 has an oversize 42 with respect to its inner diameter.
  • the heated bush 38 is now pushed onto the cylinder pin 30 and cools down.
  • a cooled state 44 of the socket 38 is achieved, for example, in that water cooling or compressed air cooling takes place.
  • the oversize 42, which the bush 38 assumes in the heated state 40 exceeds a diameter 32 of the cylindrical pin 30, which has a smooth surface and is designed in the length 34.
  • the shrink connection 46 produced above the first end plate 16 of the fuel cell stack 10 is maintained at the operating temperature of the fuel cell stack 10 below 120 ° C., ie the shrink clamp 46 for bracing the fuel cell stack 10 is permanent and temperature-resistant.
  • Figure 2.1 shows a schematic representation of a sensor field.
  • a sensor field 28 is received as an individual element 14 in the fuel cell stack 10.
  • the individual element 14, which contains the sensor field 28, can be arranged at any point within the fuel cell stack 10 or in the area of the first end plate 16 or in the area of the second end plate 18.
  • Several sensor fields 28 can also be used as individual elements 14 within the fuel cell stack 10 possible. Using the sensor fields 28, it is possible to determine a local surface pressure within the fuel cell stack 10.
  • FIG. 3.1 shows a further embodiment of the proposed according to the invention bracing of the fuel cell stack 10.
  • the sockets 38 and the cylinder pins 30 are omitted in the second embodiment of the solution proposed according to the invention.
  • FIG. 3.1 shows, the individual elements 14 according to FIG. 3.2 are braced between the first end plate 16 and the second end plate 18.
  • Tensioning straps 50 and 52 which are designed with a tensioning strap width 74, are used for this purpose.
  • the tensioning straps 50 and 52 loop around the fuel cell stack 10 completely and are guided through a first clamping area 54 and a second clamping area 56 on the top and bottom of the fuel cell stack 10 according to FIG. 3.3.
  • the two end plates 16 and 18 each have clamping bodies 68, as shown in FIG schematic representation of Figure 3.4 can be found.
  • the tensioning straps 50 and 52 respectively enclose the entire circumference of the fuel cell stack 10 and are guided through the individual flat slots 70 of the clamping bodies 68.
  • the one flat slot width 72 of the flat slots 70 of the clamping bodies 68 preferably corresponds to the clamping band width 74 in which the first clamping band 50 and the second clamping band 52 are implemented.
  • FIG. 3.3 shows that before the tensioning straps 50 or 52 are braced, a pre-compression force 58 acts, for example, on the two end plates 16, 18.
  • the individual elements 14 within the fuel cell stack 10 are pressed against one another, so that on the one hand the electrical contact resistance between the individual elements 14 is minimized and, on the other hand, inserted sealing elements are pressed against one another so that the fuel cell stack 10 is gas-tight.
  • FIG. 3.3 shows that the respective clamping areas 54 on the upper side and 56 on the lower side, which have clamping bodies 68, each assume an open clamp 62.
  • a tensile force 60 is applied to the ends of the tensioning straps 50 and 52 and the tensioning straps 50 and 52 are pulled taut.
  • the open clamp 62 in the first clamp area 54 or in the second clamp area 56 is converted into a closed clamp 64, so that the fuel cell stack 10 is pretensioned.
  • the clamping body 68 has a flat slot 70 in each case.
  • the flat slot width 72 of the flat slot 70 corresponds to the tensioning strap width 74 of the first tensioning strap 50 and the second tensioning strap 52.
  • the flat slot 70 is advantageously formed by a first convex side 76 and a second convex side 78, each parallel to the first tensioning band 50 and the second tension band 52 extend limited.
  • the transfer of the open clamp 62 into the closed clamp 64 takes place by cooling the clamp bodies 68, so that these shrink and the convex sides 76, 78 rest against the strap ends of the tensioning straps 50 and 52 and within the respective clamp body 68 in the first clamp area 54 on the top of the first end plate 16 and in second clamping area 56 on the underside of the second end plate 18 sets a closed clamping 64.
  • a fine adjustment can be seen in FIGS. 4.1 and 4.2 to the effect that one of the closed clamps 64, i.e. H. one of the clamping bodies 68 is heated and opened either within the first clamping area 54 in the area of the first end plate 16 or at the second clamping area 56 in the area of the second clamping plate 68.
  • a readjustment 66 can now take place in such a way that one or both tensioning straps 50 or 52 are pressed in the direction of the fuel cell stack 10 while the other clamps maintain their closed state 64, so that the first tensioning strap 50 or the second tensioning strap 52 or both tensioning straps 50 or 52 can be retightened.
  • FIGS. 5.1 and 5.2 show the bracing of a fuel cell stack with a cylindrical pin and shrink clamp in a top view and a side view.
  • FIG. 5.1 shows that the fuel cell stack 10 is braced in the direction of the plane of the drawing via four cylinder pins 30, each with a socket 38.
  • the reference characters 80 designate gas channels, see illustration according to FIG. 5.2, which run through the fuel cell stack 10.
  • the fuel cell stack 10 is fixed by the first end plate 16 and the second end plate 18.
  • the cylinder pins 30, which extend parallel to the gas channels 80 through the fuel cell stack 10, have a stop plate 36 on one side, which is sunk into the second end plate 18, for example.
  • the bushing 38 and the cylindrical pin 30 are each connected to one another via a shrink connection 46.
  • FIG. 6.1 shows that a bushing 38 with a bearing surface 84 is arranged in a recess in the first end plate 16.
  • the cold state is shown in FIG. 6.1, ie the initial shape that the bush 38 has.
  • Figure 6.1 also shows that the bore of the bush 38 is designed to be slightly convex.
  • Figure 6.2 shows that a clamping area is heated by an assembly coil 82. The bore passing through the bushing 38 is widened.
  • the bush 38 is supported with its bearing surface 84 on the bottom of an opening in the first end plate 16 even during the heating. From FIG. 6.3 it can be seen that in the heated state of the bushing 38 according to FIG. 6.2, the cylindrical pin 30 is inserted into the bushing 38. While the cylinder pin 30 is being inserted, the bushing 38 is still heated via the assembly coil 82.
  • the assembly coil 82 has been removed so that the socket 38 cools down.
  • the area of the passage opening of the bushing 38 which is convex in accordance with FIG. 6.1, nestles against the outer circumference of the cylindrical pin 30 and forms the shrink connection 46 there.
  • the fuel cell stack 10 is connected via four cylinder pins 30, each with four sockets 38, via shrink connections 46 in the area of the first end plate 16.
  • the clamping area in the area of the shrink connection 46 is surrounded directly by a coil, for example the assembly coil 82.
  • the current for heating the assembly coil 82 either comes from the fuel cell system itself or a plug is plugged in through which the current flows through the assembly coil 82.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verspannung einer Brennstoffzelle, insbesondere eines Brennstoffzellenstapels (10) mit übereinanderliegend angeordneten Einzelelementen (14), die mit einer Vorpressungskraft (58) beaufschlagt sind. Der Brennstoffzellenstapel (10) ist zwischen zwei Endplatten (16, 18) angeordnet. Die Endplatten (16, 18) sind entweder durch kraftschlüssige Schraubverbindungen (46) zwischen Buchsen (38) und Zylinderstift (30) gegeneinander verspannt, oder Bandenden von Spannbändern (50, 52) sind in erwärmte Klemmkörper (68) eingeführt, die beim Abkühlen schrumpfen.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR VERSPANNUNG EINES BRENNSTOFFZELLENSTAPELS
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verspannung einer Brennstoffzelle, insbesondere eines Brennstoffzellenstapels, der übereinanderliegende Einzelelemente aufweist, ferner auf ein Verfahren zur Verspannung einer Brennstoffzelle sowie auf die Verwendung des Verfahrens.
Stand der Technik
DE 100 25 007 Al bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Spannen und Entspannen von Werkzeugen. Ein Schrumpfgerät zum thermischen Spannen und Entspannen von Werkzeugen in Schrumpffuttern hat eine vorzugsweise induktiv arbeitende Erwärmungseinrichtung zur Erwärmung von Werkzeugaufnahmeabschnitten von Schrumpffuttern sowie eine Kühleinrichtung zur aktiven Kühlung erwärmter Schrumpffutter. Das Gerät hat mehrere, insbesondere drei Arbeitsstationen, wobei in jeder der Arbeitsstationen sowohl eine Erwärmung des Schrumpffutters als auch eine aktive Kühlung des aufgenommenen Schrumpffutters möglich ist. Durch Verschwenken einer die Erwärmungseinrichtung tragenden Säule kann zwischen den Arbeitsstationen gewechselt werden. Mit der Schrumpfvorrichtung ist es möglich, im Dauerbetrieb große Stückzahlen von Werkzeugen in Schrumpftechnik zu verarbeiten.
PEM-Brennstoffzellenstapel werden aus einzelnen Elementen gestapelt. Für die Funktion müssen die einzelnen Elemente gegeneinander verpresst werden, um zum einen den elektrischen Übergangswiderstand zwischen den Einzelelementen zu minimieren und zum anderen, um eingelegte Dichtungselemente ausreichend zu verpressen, damit der Stapel gasdicht ist. Brennstoffzellenstapel werden verpresst, indem Schrauben für das Aufbringen der Kräfte in Stapelrichtung eingesetzt werden. Dabei werden durch die Schrauben die Stapel entweder gedrückt oder es werden Spannbänder verwendet, die durch die Schrauben gespannt, also angezogen werden. Des Weiteren sind Lösungen bekannt, bei denen die Stapel durch ein Montagewerkzeug gedrückt und dann in dieser gepressten Position durch Einbringen in ein Gehäuse oder durch Fixieren und Bolzen gehalten werden.
Eine Schraube weist, verglichen mit einem glatten Bolzen oder einem Zylinderstift, bei gleicher Belastbarkeit einen größeren Querschnitt auf. Zur Übertragung von Kräften müssen einige Gewindegänge zuzüglich des Schraubenkopfes eingeplant werden. Das Anzugsmoment verschiedener Schrauben in einer Verbindung weicht gegebenenfalls voneinander ab, da sich das Reibmoment im Gewinde unterscheiden kann. Abhilfe kann hier durch das Vorspannen des Stapels geschaffen werden und das nur leichte Anziehen der Muttern bzw. Schrauben, die dann erst beim Lösen der Vorspannung mit Kraft beaufschlagt werden. Dann ist das Gewinde obsolet, kann jedoch nicht durch einen Bolzen mit feststehendem Abstand in der Verspannposition ersetzt werden, da durch die Toleranzen beim Stapeln des Stacks das absolute Endmaß der einzelnen Schraubenpositionen lokal unterschiedlich sein kann.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Verspannung einer Brennstoffzelle, insbesondere eines Brennstoffzellenstapels aus übereinanderliegend angeordneten Einzelelementen vorgeschlagen. Der Brennstoffzellenstapel ist mit einer Vorpressungskraft beaufschlagt, wobei der Brennstoffzellenstapel zwischen Endplatten angeordnet ist. Die Endplatten sind entweder über eine kraftschlüssige Schrumpfklemmung zwischen Buchsen und Zylinderstiften gegeneinander verspannt oder Bandenden von Spannbändern sind in erwärmte Klemmkörper eingeführt, wobei diese beim Abkühlen die Spannbänder durch Schrumpfung fixieren.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist eine sehr einfache, zuverlässige, einstellbare und wieder lösbare kraftschlüssige Verbindung gegeben. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Prinzip ist verwendbar für Bolzen bei Schraubverbindungen, Spannbänder beziehungsweise für Spannschrauben an Spannbändern. Des Weiteren ist eine manipulationssichere Verspannungsmöglichkeit von Einzelelementen eines Brennstoffzellenstapels gegeben.
In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung weisen die Buchsen in erwärmtem Zustand ein Übermaß in Bezug auf den Durchmesser der Zylinderstifte auf.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird im abgekühlten Zustand die Buchse auf die Zylinderstifte aufgeschrumpft, so dass eine kraftschlüssige Schrumpfverbindung entsteht.
In einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung sind die Klemmkörper mit Schlitzen, bevorzugt Flachschlitzen versehen. Idealerweise weisen die Flachschlitze eine Breite auf, die der Breite der Spannbänder zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels entspricht. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Vorspannung einer Brennstoffzelle, insbesondere eines Brennstoffzellenstapels aus übereinanderliegend angeordneten Einzelelementen, wobei die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Aufstapeln einer Anzahl von Einzelelementen zu einem Brennstoffzellenstapel und Beaufschlagen des erhaltenen Brennstoffzellenstapels mit einer Vorpressungskraft, b) Erwärmen einer Buchse oder eines Klemmkörpers zum Erreichen eines erwärmten Zustandes, c) Fügen der erwärmten Buchse auf einen Zylinderstift oder Einfädeln von Bandenden von Spannbändern in einen Flachschlitz eines erwärmten Klemmkörpers, d) Abkühlen der Buchse zur Erzeugung einer Schrumpfverbindung an dem Zylinderstift, oder
Abkühlen des Klemmkörpers zur Fixierung der Bandenden der Spannbänder im Klemmkörper. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann das Erwärmen auf induktivem Wege, vorzugsweise mittels eines Werkzeugs vorgenommen werden.
Weiterhin kann beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren gemäß Verfahrensschritt d) durch eine Wasserkühlung eines Werkzeugs oder durch eine Druckluftkühlung der Buchse oder des Klemmkörpers dessen Abkühlung herbeigeführt werden, so dass schlussendlich eine wiederlösbare kraftschlüssige Schrumpfverbindung entweder zwischen der abgekühlten Buchse und dem Zylinderstift oder zwischen den in den Schlitz des Klemmkörpers eingefädelten Bandenden der Spannbänder entsteht.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auch auf eine Verwendung der Vorrichtung zur Verspannung eines Brennstoffzellenstapels mittels einer lösbaren Schrumpfverbindung, wie er beispielsweise als Antriebsquelle für elektrisch angetriebene Fahrzeuge eingesetzt werden kann.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäße Lösung kann eine einfache zuverlässig haltbare, einstellbare und wieder lösbare Verbindung, insbesondere eine kraftschlüssige Schrumpfverbindung, geschaffen werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist einsetzbar für Bolzen bei Schraubverbindungen, bei Spannbändern beziehungsweise bei Spannschrauben an Spannbändern. Ein Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist darin zu sehen, dass diese manipulationssicher ausgeführt werden kann, so dass handwerkliche Veränderungen an einem Brennstoffzellenstapel nicht durchgeführt werden können.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung tritt an die Stelle der Schraubverbindung ein passgenauer Bolzen, beispielsweise ausgeführt als Zylinderstift, der mit einer Buchse gefügt wird. Diese ist bei der Montage auf thermischem Wege, d. h. erwärmt aufgeweitet; bei Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels hingegen ist der Buchsendurchmesser kleiner als der Bolzendurchmesser, so dass nach der Montage an der Montagestelle der Buchse am Umfang des Zylinderstifts eine kraftschlüssige Presspassung entsteht. Alternativ kann beim Fügen von Spannbändern so vorgegangen werden, dass beide Bandenden der Spannbänder durch eine Öffnung, beispielsweise einen Flachschlitz, eines Klemmkörpers gefädelt werden, wobei der Klemmkörper zum Erreichen der Klemmfunktion mit einem Flachschlitz ebenfalls erwärmt, insbesondere induktiv erwärmt ist. Durch die induktive Erwärmung erfolgt eine Vergrößerung des Schlitzes, vorzugsweise eines Flachschlitzes, während bei einer zwangsweise herbeigeführten Erkaltung des Klemmkörpers die Bandenden der Spannbänder gehalten werden. Eine besonders dauerhafte Klemmung wird dadurch erreicht, dass bei den Flachschlitzen, die im Klemmkörper ausgebildet sind, die langen Seiten des Flachschlitzes in einer balligen Form ausgeführt werden.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ergibt sich ein deutlich reduzierter Platzbedarf aufgrund des kleineren Querschnittes der Bolzen sowie eines verringerten Überstandes im Bereich der Klemmung. Insgesamt gesehen werden weniger Bauteile eingesetzt, so zum Beispiel kann die Klemmung direkt in eine Endplatte integriert sein. Bei Längenänderungen, die im Stapelaufbau durch Quellen oder Schrumpfen der Membranmaterialien, beispielsweise durch Feuchteänderung oder Temperaturwechsel auftreten, wird eine Schraubverbindung entlastet und gegebenenfalls locker. Daher ist eine Schraubverbindung stets mit einer Mindestkraft anzuziehen, damit sich diese insbesondere durch Vibrationen beim Fährbetrieb nicht löst. Eine Schrumpfklemmung bleibt hingegen stets geschlossen, auch wenn sich an beispielsweise angesetzten Spannbändern geringere Zugkräfte einstellen sollten. Dies bedeutet, dass ein geringerer Sicherheitsaufschlag in den axialen Spannkräften vorzuhalten ist, so dass eine preiswerte, leichtere und kleinere Ausführung realisiert werden kann. Des Weiteren ist beispielsweise bei vier Klemmungen eine gezielt nachstellbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 eine konventionelle Verschraubung eines Brennstoffzellenstapels,
Figur 2 eine erste Ausführungsvariante einer Schrumpfklemmung zur Verspannung eines Brennstoffzellenstapels,
Figur 2.1 eine schematische Darstellung eines Sensorfeldes,
Figuren 3.1, 3.2, 3.3 und 3.4 eine Verspannung eines Brennstoffzellenstapels mittels Spannbändern, aufgenommen in Klemmkörpern,
Figuren 4.1 und 4.2 eine Feinjustagemöglichkeit zur Nachspannung von Spannbändern bei Öffnung eines Klemmbereiches,
Figuren 5.1 und 5.2 eine Verspannung eines Brennstoffzellenstapels mit Zylinderstiften und Schrumpfklemmung in Draufsicht und in Seitenansicht und
Figuren 6.1 bis 6.4 Montageschritte zur Herstellung einer
Schrumpfklemmung zwischen einer Buchse und einem Zylinderstift.
Figur 1 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 10, welcher aus einzelnen, übereinander gestapelten Einzelelementen 14 bis zu einer Stapelhöhe 12 gebildet ist. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist durch eine erste Endplatte 16 und eine zweite Endplatte 18 fixiert, die miteinander über eine erste Verschraubung beziehungsweise eine zweite Verschrauben 22 gegeneinander verspannt sind. In der Darstellung gemäß Figur 1 umfassen die erste Verschraubung 20 sowie die zweite Verschraubung 22 jeweils eine Gewindestange 24 sowie zwei Muttern 26. Verglichen mit glatt ausgebildeten Bolzen weisen Schrauben bei gleicher Belastbarkeit einen größeren Querschnitt auf. Zur Übertragung von Kräften sind einige Gewindegänge zuzüglich des Schraubenkopfes einzuplanen. Das Anzugsmoment verschiedener Schrauben in einer Verbindung weist gegebenenfalls voneinander ab, da sich das Reibmoment im Gewinde unterscheiden kann. Abhilfe kann dadurch geschaffen werden, dass der Brennstoffzellenstapel 10 vorgespannt wird und nur ein leichtes Anziehen der Muttern beziehungsweise Schrauben erfolgt, die dann erst beim Lösen der Vorspannung mit Kraft beaufschlagt werden. Dann ist das Gewinde zwar obsolet, kann jedoch nicht durch einen Bolzen mit feststehendem Abstand in der vorverspannten Position ersetzt werden, da durch die Toleranzen beim Stapeln des Brennstoffzellenstapels 10 das absolute Endmaß der einzelnen Schraubenpositionen lokal unterschiedlich ausfallen kann.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verspannung eines Brennstoffzellenstapels 10 durch Schrumpfklemmung.
Auch in der Darstellung gemäß Figur 2 wird der Brennstoffzellenstapel 10 in seiner Stapelhöhe 12 durch die erste Endplatte 16 und die zweite Endplatte 18 begrenzt. Die Stapelhöhe 12 ergibt sich aus der Anzahl übereinander angeordneter, gestapelter Einzelelemente 14.
Im Unterschied erfolgt die Verspannung der beiden Endplatten 16, 18 des Brennstoffzellenstapels 10 gegeneinander nicht durch die in Figur 1 dargestellten Verschraubungen 20 beziehungsweise 22, sondern über Zylinderstifte 30, die eine glatte Oberfläche aufweisen und an einem Ende beispielsweise mit einem Anschlagteller 36 versehen sind. Eine Länge 34 der Zylinderstifte 30 orientiert sich an der Stapelhöhe 12 des zueinander über die Endplatten 16, 18 zu verspannenden Brennstoffzellenstapels 10. Aus Figur 2 geht hervor, dass die beiden am unteren Ende der Zylinderstifte 30 angeordneten Anschlagteller 36 die zweite Endplatte 18 fixieren, auf der sich der Aufbau der Einzelelemente 14 befindet. Die beiden Zylinderstifte 30 durchsetzen Öffnungen in der ersten Endplatte 16 und stehen über deren obere Seite hervor. Die Verspannung des Brennstoffzellenstapels 10 gemäß der Darstellung in Figur 2 erfolgt nun dadurch, dass eine Buchse 38 durch eine Erwärmung, beispielsweise eine induktive Erwärmung, einen erwärmten Zustand 40 annimmt. Im erwärmten Zustand 40 weist die Buchse 38 in Bezug auf ihren Innendurchmesser ein Übermaß 42 auf. Die erwärmte Buchse 38 wird nun auf den Zylinderstift 30 aufgeschoben und kühlt ab. Ein abgekühlter Zustand 44 der Buchse 38 wird beispielsweise dadurch erreicht, dass eine Wasserkühlung oder eine Druckluftkühlung erfolgt. Mit der Abkühlung der Buchse 38 schrumpft diese auf den Umfang des eine glatte Oberfläche aufweisenden Zylinderstiftes 30 auf, so dass sich eine Schrumpfverbindung 46, nämlich eine Schrumpfklemmung ergibt. Das Übermaß 42, welches die Buchse 38 im erwärmten Zustand 40 annimmt, übersteigt einen Durchmesser 32 des eine glatte Oberfläche aufweisenden Zylinderstiftes 30, der in der Länge 34 ausgebildet ist. Die oberhalb der ersten Endplatte 16 des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugte Schrumpfverbindung 46 bleibt bei Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 unterhalb von 120° C aufrechterhalten, d. h. die Schrumpfklemmung 46 zur Verspannung des Brennstoffzellenstapels 10 ist dauerhaft und temperaturfest.
Figur 2.1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorfeldes. Ein Sensorfeld 28 ist als Einzelelement 14 im Brennstoffzellenstapel 10 aufgenommen. Dabei kann das Einzelelement 14, welches das Sensorfeld 28 enthält, an beliebiger Stelle innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet sein oder im Bereich der ersten Endplatte 16 oder im Bereich der zweiten Endplatte 18. Auch die Verwendung mehrerer Sensorfelder 28 als Einzelelemente 14 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 ist möglich. Mittels der Sensorfelder 28 ist die Ermittlung einer lokalen Flächenpressung innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 möglich.
Die Figuren 3.1, 3.2, 3.3 und 3.4 zeigen eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verspannung des Brennstoffzellenstapels 10. Im Unterschied zur Darstellung gemäß Figur 2 sind bei der zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung die Buchsen 38 und die Zylinderstifte 30 entfallen. Wie Figur 3.1 zeigt, erfolgt eine Verspannung der Einzelelemente 14 gemäß Figur 3.2 zwischen der ersten Endplatte 16 und der zweiten Endplatte 18. Dazu dienen Spannbänder 50 beziehungsweise 52, die in einer Spannbandbreite 74 ausgeführt sind. Die Spannbänder 50 beziehungsweise 52 umschlingen den Brennstoffzellenstapel 10 zur Gänze und sind durch einen ersten Klemmbereich 54 und einen zweiten Klemmbereich 56 an der Ober- beziehungsweise Unterseite des Brennstoffzellenstapels 10 gemäß Figur 3.3 geführt. Die beiden Endplatten 16 beziehungsweise 18 weisen jeweils Klemmkörper 68 auf, wie sie in schematischer Darstellung der Figur 3.4 zu entnehmen sind. Die Spannbänder 50 beziehungsweise 52 umschließen den gesamten Umfang des Brennstoffzellenstapels 10 und sind durch die einzelnen Flachschlitze 70 der Klemmkörper 68 geführt. Die eine Flachschlitzbreite 72 der Flachschlitze 70 der Klemmkörper 68 entspricht bevorzugt der Spannbandbreite 74, in der das erste Spannband 50 und das zweite Spannband 52 ausgeführt sind. Figur 3.3 zeigt, dass vor dem Verspannen der Spannbänder 50 beziehungsweise 52 eine Vorverpressungskraft 58 beispielsweise auf die beiden Endplatten 16, 18 einwirkt. Dadurch werden die Einzelelemente 14 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 gegeneinander gedrückt, so dass einerseits der elektrische Übergangswiderstand zwischen den Einzelelementen 14 minimiert wird und andererseits eingelegte Dichtungselemente gegeneinander verpresst werden, damit der Brennstoffzellenstapel 10 gasdicht ist.
Figur 3.3 zeigt, dass die jeweiligen Klemmbereiche 54 an der Oberseite beziehungsweise 56 an der Unterseite, die Klemmkörper 68 aufweisen, jeweils eine offene Klemmung 62 annehmen. In diesem Zustand wird eine Zugkraft 60 an den Enden der Spannbänder 50 beziehungsweise 52 aufgebracht und die Spannbänder 50 beziehungsweise 52 straff gezogen. Nach dem Straffziehen der Spannbänder 50 beziehungsweise 52 wird die offene Klemmung 62 im ersten Klemmbereich 54 beziehungsweise im zweiten Klemmbereich 56 in eine geschlossene Klemmung 64 überführt, so dass der Brennstoffzellenstapel 10 vorgespannt ist.
Aus Figur 3.4 geht hervor, dass der Klemmkörper 68 jeweils einen Flachschlitz 70 aufweist. Die Flachschlitzbreite 72 des Flachschlitzes 70 entspricht der Spannbandbreite 74 des ersten Spannbandes 50 und des zweiten Spannbandes 52. In vorteilhafter Weise ist der Flachschlitz 70 durch eine erste ballige Seite 76 und eine zweite ballige Seite 78, die sich jeweils parallel zu dem ersten Spannband 50 und dem zweiten Spannband 52 erstrecken, begrenzt.
Die Überführung der offenen Klemmung 62 in die geschlossene Klemmung 64 erfolgt durch Abkühlen der Klemmkörper 68, so dass diese schrumpfen und sich die balligen Seiten 76, 78 an die Bandenden der Spannbänder 50 beziehungsweise 52 anlegen und sich innerhalb der jeweiligen Klemmkörper 68 im ersten Klemmbereich 54 an der Oberseite der ersten Endplatte 16 sowie im zweiten Klemmbereich 56 an der Unterseite der zweiten Endplatte 18 eine geschlossene Klemmung 64 einstellt.
Den Figuren 4.1 und 4.2 ist eine Feinjustage dahingehend zu entnehmen, dass eine der geschlossenen Klemmungen 64, d. h. einer der Klemmkörper 68 entweder innerhalb des ersten Klemmbereiches 54 im Bereich der ersten Endplatte 16 oder am zweiten Klemmbereich 56 im Bereich der zweiten Klemmplatte 68 erwärmt wird und geöffnet wird. Eine Nachjustage 66 kann nun derart erfolgen, dass eines oder beide Spannbänder 50 beziehungsweise 52 in Richtung auf den Brennstoffzellenstapel 10 gedrückt wird, während die anderen Klemmungen ihren geschlossenen Zustand 64 beibehalten, so dass das erste Spannband 50 beziehungsweise das zweite Spannband 52 oder beide Spannbänder 50 beziehungsweise 52 nachgespannt werden können.
Den Figuren 5.1 und 5.2 ist die Verspannung eines Brennstoffzellenstapels mit Zylinderstift und Schrumpfklemmung in Draufsicht und in Seitenansicht zu entnehmen.
Figur 5.1 zeigt, dass der Brennstoffzellenstapel 10 über vier Zylinderstifte 30 mit jeweils einer Buchse 38 in Richtung der Zeichenebene verspannt ist. Die Bezugszeichen 80 bezeichnen Gaskanäle, vgl. Darstellung gemäß Figur 5.2, die den Brennstoffzellenstapel 10 durchziehen.
Figur 5.2 ist zu entnehmen, dass der Brennstoffzellenstapel 10 durch die erste Endplatte 16 und die zweite Endplatte 18 fixiert ist. Die Zylinderstifte 30, die sich parallel zu den Gaskanälen 80 durch den Brennstoffzellenstapel 10 erstrecken, weisen an einer Seite einen Anschlagteller 36 auf, der beispielsweise in der zweiten Endplatte 18 versenkt ist. Im Bereich der ersten Endplatte 16 sind die Buchse 38 und der Zylinderstift 30 jeweils über eine Schrumpfverbindung 46 miteinander verbunden.
Figuren 6.1 bis 6.4 zeigen Montageschritte, die durchlaufen werden, um eine Schrumpfklemmung zwischen einer Buchse und einem Zylinderstift herzustellen. Figur 6.1 zeigt, dass eine Buchse 38 mit Auflagerfläche 84 in einer Ausnehmung der ersten Endplatte 16 angeordnet ist. In Figur 6.1 ist der kalte Zustand dargestellt, d. h. die Ausgangsform, die die Buchse 38 aufweist. Figur 6.1 zeigt darüber hinaus, dass die Bohrung der Buchse 38 leicht ballig ausgeführt ist. Figur 6.2 ist zu entnehmen, dass ein Klemmbereich durch eine Montagespule 82 erwärmt wird. Die die Buchse 38 durchziehende Bohrung wird aufgeweitet. Nach wie vor stützt sich die Buchse 38 auch während der Erwärmung mit ihrer Auflagerfläche 84 am Boden einer Öffnung der ersten Endplatte 16 ab. Figur 6.3 ist zu entnehmen, dass im gemäß Figur 6.2 erwärmten Zustand der Buchse 38 der Zylinderstift 30 in die Buchse 38 eingeführt wird. Während des Einführens des Zylinderstiftes 30 wird die Buchse 38 über die Montagespule 82 nach wie vor erwärmt.
Gemäß Figur 6.4 ist die Montagespule 82 entfernt, so dass sich die Buchse 38 abkühlt. Dabei schmiegt sich der gemäß Figur 6.1 ballig ausgebildete Bereich der Durchgangsöffnung der Buchse 38 auf dem Außenumfang des Zylinderstiftes 30 an und bildet dort die Schrumpfverbindung 46 aus. Im Zustand gemäß Figur 6.4 liegt eine kalte Presspassung zwischen der Buchse 38 und dem Zylinderstift 30 vor. Gemäß Figur 5.2 ist der Brennstoffzellenstapel 10 über vier Zylinderstifte 30 mit jeweils vier Buchsen 38 über Schrumpfverbindungen 46 im Bereich der ersten Endplatte 16 verbunden.
Im Zusammenhang mit der Ausbildung der Schrumpfverbindung 46 besteht die Möglichkeit, Induktionsspulen in Spannfutter zu integrieren. Dies bedeutet, dass der Klemmbereich im Bereich der Schrumpfverbindung 46 direkt von einer Spule, beispielsweise der Montagespule 82, umgeben ist. Der Strom für die Beheizung der Montagespule 82 kommt entweder aus dem Brennstoffzellensystem selbst oder es wird ein Stecker eingesteckt, über den der Strom durch die Montagespule 82 fließt.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Verspannung einer Brennstoffzelle, insbesondere eines Brennstoffzellenstapels (10), der übereinanderliegende Einzelelemente (14) aufweist, die mit einer Verpressungskraft (58) beaufschlagt sind, wobei der Brennstoffzellenstapel (10) zwischen Endplatten (16, 18) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten (16, 18) gegeneinander verpresst sind und die Presskraft über Zylinderstifte (30) oder Spannbänder (50, 52) aufgebracht wird und eine Fixierung der Zylinderstifte (30) oder der Spannbänder (50, 52) an wenigstens einer Endplatte (16, 18) über eine kraftschlüssige Schrumpfverbindung (46) entweder zwischen Buchsen (38) und Zylinderstiften (30) oder zwischen Klemmkörpern (68) und Spannbändern (50, 52) erzeugt wird und die Schrumpfverbindung (46) in erwärmtem Zustand gefügt und in erkaltetem Zustand nach dem Abkühlen durch Schrumpfung fixiert ist.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchsen (38) in erwärmtem Zustand (40) ein Übermaß (42) in Bezug auf den Durchmesser (32) der Zylinderstifte (30) aufweisen.
3. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im abgekühlten Zustand (44) die Buchse (38) auf die Zylinderstifte (30) aufgeschrumpft ist.
4. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper (68) mit Schlitzen, bevorzugt Flachschlitzen (70) versehen sind.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachschlitze (74) die Spannbänder (50, 52) fixierende ballige Seiten (76, 78) aufweisen.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannbandbreite (74) im Wesentlichen einer Schlitzbreite (72) des Schlitzes (70), insbesondere des Flachschlitzes (70), entspricht.
7. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Brennstoffzellenstapel (10) ein Sensorfeld (28) oder Einzelsensoren zur Ermittlung einer lokalen Flächenpressung im Brennstoffzellenstapel (10) enthalten sind.
8. Verfahren zur Vorspannung einer Brennstoffzelle, insbesondere eines Brennstoffzellenstapels (10) aus übereinanderliegend angeordneten Einzelelementen (14) mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Aufstapeln einer Anzahl von Einzelelementen (14) zu einem Brennstoffzellenstapel (10) und Beaufschlagen des erhaltenen Brennstoffzellenstapels (10) mit einer Vorpressungskraft (58), b) Erwärmen einer Buchse (38) oder eines Klemmkörpers (68) zur Erreichung eines erwärmten Zustandes (40), c) Fügen der erwärmten Buchse (38) auf dem Zylinderstift (30) oder Einfädeln von Bandenden von Spannbändern (50, 52) in einen Flachschlitz (70) eines erwärmten Klemmkörpers (68), d) Abkühlen der Buchse (38) zur Erzeugung einer Schrumpfverbindung (46) an den Zylinderstift (30), oder e) Abkühlen des Klemmkörpers (68) zur Fixierung der Bandenden der Spannbänder (50,52) im Klemmkörper (68).
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt b) das Erwärmen induktiv, vorzugsweise mittels eines Werkzeugs erfolgt.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt d) (die Abkühlung?) durch eine Wasserkühlung eines Werkzeugs oder durch eine Druckluftkühlung der Buchse (38) oder des Klemmkörpers (68) erfolgt.
11. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Verspannung eines Brennstoffzellenstapels (10) mittels einer lösbaren Schrumpfverbindung (46).
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