WO2021121778A1 - Cell stack having at least one clamping device - Google Patents

Cell stack having at least one clamping device Download PDF

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WO2021121778A1
WO2021121778A1 PCT/EP2020/081500 EP2020081500W WO2021121778A1 WO 2021121778 A1 WO2021121778 A1 WO 2021121778A1 EP 2020081500 W EP2020081500 W EP 2020081500W WO 2021121778 A1 WO2021121778 A1 WO 2021121778A1
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WO
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cell stack
clamping device
individual cells
tensioning
designed
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/081500
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German (de)
French (fr)
Inventor
Jochen Wessner
Harald Bauer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/248Means for compression of the fuel cell stacks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
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    • Y02E60/50Fuel cells
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a cell stack with at least one clamping device.
  • the oxidizing agent oxygen from the ambient air is used as a rule in order to react in the fuel cell - in the individual cells - with hydrogen to form water and thus to deliver electrical power through electrochemical conversion.
  • the cell stack according to the invention has changes in length of the cell stack which are comparatively easy to control and which are caused, for example, by thermal stress or by swelling of membranes in the individual cells.
  • the cell stack comprises a plurality of individual cells, the individual cells being clamped between two end plates by means of at least one clamping device.
  • the at least one tensioning device consists of a tensioning material, the tensioning material having a coefficient of thermal expansion less than 2.5 * 10 L -6 m / (m * K), preferably less than 1.0 * 10 L -6 m / (m * K) ), owns.
  • carbon fiber composite material is used as the tensioning material;
  • Another advantageous clamping material is Invar, an iron-nickel alloy with the material number 1.3912. The specified coefficient of thermal expansion should apply to room temperature.
  • the clamping device has a very low coefficient of thermal expansion compared to the individual cells;
  • the individual cells there can be components made of steel, for example, which have a coefficient of thermal expansion of approx. 11.5 * 10 L -6 m / (m * K).
  • the thermal expansion of the tensioning device compared to the thermal expansion of the individual cells can be virtually neglected when designing the cell stack and also when regulating the tensioning force during operation of the cell stack.
  • the tensioning material advantageously has a modulus of elasticity greater than 90,000 N / mm 2 .
  • the modulus of elasticity applies to the direction in which the force is transmitted by the clamping device.
  • the tensioning material is thus stiffer and preferably also stronger than, for example, aluminum.
  • the clamping material is therefore well suited for the function of the clamping device.
  • the tensioning material made of carbon fiber composite material which has a modulus of elasticity of> 130,000 N / mm 2 in the direction of the fibers, is particularly preferred; the fiber direction is then logically arranged in the direction of the force transmission of the tensioning device.
  • the cell stack preferably has an adjusting element. This can be a piezo actuator, for example.
  • the tension acting on the individual cells is applied there as a surface pressure in the individual elements.
  • the adjusting element or the resulting tension that is as constant as possible ensures that the functions of "electrical conductivity" and "tightness" of the cell stack are fulfilled without impairing the service life of the cell stack, which is the case with excessive surface pressure in the individual cells - and there in particular in the membranes - would be the case.
  • Mechanical re-tensioning of the tensioning device during maintenance of the cell stack can also be dispensed with.
  • the adjusting element can act, for example, directly on the clamping device or on one of the two end plates.
  • the actuating element can be designed so that the individual cells can be loaded and / or relieved. The design depends in particular on whether the tension is to be adapted primarily with regard to a setting behavior of the cell stack or a swelling of the membranes of the individual cells or a temperature load on the cell stack. The thermal expansion of the tensioning material can now be used for the corresponding calculations.
  • the adjusting element has a spacer.
  • the spacer can act both inwardly towards the individual cells and outwardly towards a housing, so that, for example, target distances are maintained even with horizontal assembly or horizontal installation; in this way, for example, electrical short circuits or excessive bending of the cell stack can be prevented.
  • the adjusting element is preferably integrated in the clamping device or in the cell stack. In this way, the tensile forces prevailing in the clamping device can be adjusted very well.
  • the actuating element particularly preferably has a greater heat transfer coefficient than the individual cells.
  • the low thermal expansion of the clamping device due to the high thermal expansion of the actuating element are compensated, so that overall an average thermal expansion, comparable to that of the individual cells, is achieved.
  • the tensioning device is designed as a tensioning strap.
  • the tensioning strap is very resilient in relation to its material cross-section in order to ensure the necessary tensioning force for the fuel cell stack.
  • the clamping device can also be designed as a tie rod or as a housing.
  • the tensioning band has a reduced cross section in an expansion area. Due to the reduced cross-section in the expansion area, sufficient travel is now available even under load, i.e. the tensioning strap can stretch so that the length of the fuel cell stack - for example due to the swelling of the membranes of the individual cells - can be absorbed without major changes in the tensioning force. As a result, the individual cells are neither compressed too much, so that, for example, perforations in the membranes are avoided, nor are the functions of “electrical conductivity” and “tightness” impaired. At the same time, the tension band retains its strength at its attachment points to the end plate, since the cross section is not reduced here.
  • the tension band cannot be weakened in the area of the fastening points, since otherwise the force application zones - or, for example, the areas for welded connections - would be weakened. A thinning of the entire tightening strap should therefore be deliberately avoided. The load-bearing capacity of the tensioning band in the area of the introduction of force at the fastening points is thus retained.
  • the reduced cross section is achieved by means of a waist.
  • the waist refers to the width of the strap.
  • the reduced cross section is achieved by means of a thinning.
  • the dilution relates to the thickness of the tensioning strap.
  • the individual cells each have a membrane with a maximum thickness of 50 ⁇ m - particularly preferably a maximum of 20 ⁇ m - and gas diffusion layers with a maximum thickness of 150 ⁇ m - particularly preferably a maximum of 100 ⁇ m.
  • Each individual cell usually has two gas diffusion layers.
  • the invention additionally comprises a motor vehicle with the cell stack according to the invention designed as a fuel cell stack.
  • the individual cells are therefore designed as fuel cells.
  • the motor vehicle has the same advantages mentioned for the cell stack.
  • a fuel cell stack that does not require any maintenance intervals to readjust the tensioning of the clamping device is of great advantage, particularly for mobile applications.
  • FIG. 1 schematically shows a cell stack known from the prior art.
  • FIG. 2 shows a cell stack according to the invention designed as a fuel cell stack in a perspective view, only the essential areas being shown.
  • FIG. 3 shows a further cell stack in a section, only the essential areas being shown.
  • FIG. 4 shows yet another cell stack in a section, only the essential areas being shown.
  • FIG. 5 shows a section through a cell stack with an adjusting element, only the essential areas being shown.
  • FIG. 1 shows schematically a cell stack 1 designed as a fuel cell stack, as is known from US5789091A.
  • the fuel cell stack 1 has a plurality of individual cells 4 designed as fuel cells, which are clamped between two end plates 2, 3.
  • the tensioning takes place by means of two tensioning devices 10 designed as tensioning straps, which extend tightly around the end plates 2, 3 and the individual cells 4, so that the fuel cell stack 1 is held and secured in its assembled state.
  • spring assemblies between one of the end plates 2, 3 and a further plate are known, for example, from EP1601041B1.
  • a contact force that is as uniform as possible is to be applied to the individual cells 4 and fluctuations in the contact force - for example as a result of thermal expansions - are to be reduced.
  • the tensioning devices 10 are now made of a tensioning material with a low heat transfer coefficient, preferably made of carbon fiber composite material.
  • the clamping devices 10 can preferably be designed both as clamping straps and as tie rods, or even be designed in the form of a housing.
  • FIG. 2 schematically shows a cell stack 1 designed as a fuel cell stack with a plurality of individual cells 4 designed as fuel cells, which are clamped between two end plates 2, 3 by means of clamping devices 10 designed as clamping bands, in a perspective view.
  • the individual cells 4 extend in the stacking direction, that is to say in the z direction, over a total height 4a.
  • each tension band 10 can of course also be attached to the upper end plate 2 and the lower end plate 3; the deflection via one of the end plates 2, 3 would then be omitted, but twice as many tensioning straps 10 and fastening points 6 would be required per fuel cell stack 1.
  • the clamping devices 10 can also be designed as tie rods or as a housing.
  • the housing is arranged surrounding the cell stack 1 and can absorb tensile forces analogously to the tensioning straps and tie rods.
  • the respective clamping device 10 consists of a carbon fiber composite material.
  • FIG. 2 shows the tensioning devices 10 designed as tensioning straps in further-developing versions.
  • the middle tensioning strap 10.1 has a constant cross section, for example.
  • the right tensioning band 10.2 has a reduced cross-section in the form of a waist over the expansion area 10a - that is, a cross-sectional tapering in its width B in the x-direction.
  • the left tensioning band 10.3 has a reduced cross-section over its expansion area 10a in the form of a thinning of the band - that is, a cross-sectional tapering in its thickness D in the y-direction.
  • the right tensioning strap 10.2 is tapered in such a way that with the same material thickness - i.e. constant thickness D, for example 1 mm - the tensioning strap 10.2 is tapered from a width B of 20 mm to 10 mm in the expansion area 10a.
  • the transitions of the taper are advantageously shaped in a load-optimized manner, that is, they are rounded.
  • the left tensioning strap 10.3 is thinned in such a way that the material thickness - that is, its thickness D - varies.
  • the tensioning band 10.3 advantageously has a thickness of, for example, 1.0 mm in the area of its fastening points 6, while it has a tapered thickness D of only 0.5 mm in the expansion area 10a. The transition from 1.0 mm to 0.5 mm can be produced particularly easily by pressing or forging.
  • the expansion area 10a of the reduced cross-section or the tapering preferably extends in its length L over the total height 4a of all individual cells 4, i.e. has almost the same length L as the height of an individual cell 4 multiplied by the number of individual cells 4 of the cell stack 1.
  • tensioning straps 10 are used which have a smaller cross-section in a direction perpendicular to the greatest extent of the strap, that is to say transverse to the main force direction z.
  • This reduced cross-section lies in the lateral area of the fuel cell stack 1, i.e. along the z direction, preferably in the area of all stacked individual cells 4. This results in a relatively large expansion of the tensioning straps 10 in the middle area of the cell stack 1 - i.e.
  • the individual cells 4 are pressed against one another.
  • the electrical contact resistance between the elements is minimized and, on the other hand, the inserted sealing elements are sufficiently compressed so that the cell stack 1 is gas-tight.
  • the dimensionally stable end plates 2, 3 at the respective end of the cell stack 1 are preferably pressed evenly against one another.
  • Elements of the individual cells 4 can be elastic, such as, for example, a polymer membrane of a membrane-electrode arrangement, a gas diffusion layer or a bipolar plate.
  • the membrane can, for example, experience an increase in thickness due to swelling behavior due to the accumulation of water.
  • sufficiently elastic elements are introduced into the power chain by the tensioning straps 10 made of the tensioning material or carbon fiber composite material with cross-sectional tapering, so that an additional spring package can be omitted.
  • the tensioning straps 10 made of carbon fiber composite material with cross-sectional tapering meet the requirements even without the use of spring assemblies, if the individual cells 4 each have a membrane with a thickness (in the z-direction) of a maximum of 50 ⁇ m - particularly preferably a maximum of 20 ⁇ m - and two gas diffusion layers each each have a maximum thickness of 150 ⁇ m - particularly preferably a maximum of 100 ⁇ m. Then the length changes of the individual cells 4 to be compensated by the tensioning straps 10 are smaller than would be the case for thicker membranes and gas diffusion layers, in which more space would then already be available within each individual cell 4, in particular for locally varying swellings and compressions.
  • FIG. 3 shows a further cell stack 1 according to the invention in cross section in the area of a clamping device 10, only the essential areas being shown.
  • the tensioning device 10 is designed as a tensioning strap, but can alternatively also be designed as a housing or tie rod. The design as a housing can even have the same cross-section.
  • This cross section shows how the tensioning band 10 is fastened to the lower end plate 3 at two fastening points 6.
  • the tensioning band 10 forms a tab 6a each in the area of an attachment point 6, which is arranged around a bolt, which in turn is firmly connected to the end plate 3 or is made in one piece with it or is mounted on it, for example by means of a pin .
  • the tensioning strap 10 is designed in three parts, with three partial straps 10b, 10c, 10d.
  • Two sub-belts 10b, 10c, 10d are connected by means of an adjusting element 11; the adjusting element 11 is therefore integrated into the clamping device 10.
  • the adjusting element 11 is designed in further developments so that it is in the force flow of the tensioning band 10 reduced cross-section - or, equivalently, a reduced modulus of elasticity or a material with a flatter flow curve.
  • the length of the expansion region 10a then preferably results from the length of the adjusting element 11.
  • the adjusting element 11 has an adjusting device with which the pretensioning of the partial bands 10b, 10c, 10d and thus the pretensioning of the tensioning band 10 can be adjusted. Furthermore, the adjusting element 11 preferably has a spacer 11a so that, for example, the cell stack 1 does not hit a housing wall when it is mounted horizontally, or so that a defined distance between the tensioning band 10 and the individual cells 4 can be ensured.
  • the design of the actuating element 11 can now be carried out more easily with the tensioning device 10 from the tensioning material, since the thermal expansion coefficient of the tensioning material is comparatively low and thus one less unknown is present in the series connection of different thermal expansion coefficients of the cell stack 1. If the cell stack 1 is heated, it would want to expand in the z-direction, among other things. If the clamping device 10 does not expand at the same time as the cell stack 1, the surface pressures in the individual cells 4 would increase. In order to counteract this effect, the adjusting element 11 now ensures that the clamping device 10 also expands and / or that the cell stack 1 shortens in the z direction.
  • FIG. 4 schematically shows a further cell stack 1 designed as a fuel cell stack in a section, only the essential areas being shown.
  • the cell stack 1 has a plurality of individual cells 4 which are clamped between the first end plate 2 and the second end plate 3 by means of the at least one clamping device 10.
  • the individual cells 4 include - also known from the prior art - a membrane-electrode unit which is arranged between two bipolar plates, each bipolar plate almost half belonging to one of the two adjacent individual cells 4. Usually they each point to the End plates 2, 3 bordering individual cells 4 then a so-called monopolar plate.
  • the actuating element 11 is designed as a piezo actuator and is integrated into the cell stack 1, more precisely integrated into a cavity 15 of the cell stack.
  • Alternatives are hydraulic, pneumatic and electromagnetic actuating elements 11.
  • the thermally induced changes in a length of the cell stack 1 in its z-direction during operation are compensated for by the actuating element 11, since the clamping device 10, which is preferably designed as a carbon fiber composite material, has a comparatively low coefficient of thermal expansion and is therefore less than Thermal stress does not carry out any thermal expansion.
  • changes in length of the cell stack 1 are also caused by other physical effects, for example by swelling of moisture, and the cell stack 1 is also set plastically over time. Changes in length of the cell stack 1 caused in this way can thus also be compensated for by the adjusting element 11, so that ideally the tension forces acting on the individual cells 4 remain constant over the service life of the cell stack 1.
  • the adjusting element 11 can regulate the tensioning force acting on the individual cells 4 and thus also achieve optimal compression or surface pressure in the individual cells 4; the change in length of the clamping device 10 caused by the temperature load can be neglected. If, for example, a membrane of the individual cell 4 swells during operation due to changed humidity at a constant temperature, the mechanical force can be reduced via the adjusting element 11 in order to avoid excessive surface pressures and thus degradation of the individual cells 4.
  • the fluid channels can conduct ambient air, hydrogen or cooling medium, for example.
  • the fluid is passed through an inlet 8 through the lower end plate 3 into the right-hand cavity 15; from there the individual cells 4 are supplied with the fluid. From the individual cells 4, the fluid flows - consumed, unused or also reacts - further into the left cavity 15, and from there out of the cell stack 1 through an outlet 9, which also leads through the lower end plate 3.
  • FIG. 5 shows a section through a cell stack 1 with an actuating element 11 designed as a piezo actuator, only the essential areas being shown.
  • the adjusting element 11 has a piezo element 23 which is arranged in a pot 22.
  • the pot 22 is fixed to a sleeve 21 or is connected to it in one piece.
  • the pot 22 preferably has a significantly shorter length in the z direction than the sleeve 21, which extends from the first end plate 2 to the second end plate 3.
  • the sleeve 21 is fixed to the second end plate 3, in the embodiment of FIG. 5 by means of a press fit 21a.
  • the sleeve 21 is not fixed on the first end plate 2, so that the sleeve 21 and pot 22 can move relative to the first end plate 2 at least in the z-direction.
  • the piezo element 23 is supported on a bottom of the pot 22 and acts on an active element 25, which is designed as a lever arm in the embodiment of FIG first end plate 2 can act.
  • the actuating element 11 thus represents an operative connection between the first end plate 2 and the second end plate 3 in the embodiment of FIG Individual cells 4, which are clamped between the end plates 2, 3 are, and thus supports the effect of the tensioning device 10 or relieves the tensioning device 10.
  • the adjusting element 11 can also be designed in such a way that it counteracts the effect of the clamping device 10 or loads the clamping device 10.
  • the cross section of the piezo actuator is comparatively small, so that it can be pushed into a cavity 15 of the cell stack 1 without any problems, especially if its end is inserted into a sleeve 21 that can transmit the force out of the cavity 15.
  • large forces are available spatially close to one another in the vicinity of an end plate 2, 3.
  • the cavity 15 is preferably a fluid channel of the cell stack 1. If the cell stack 1 is designed as a fuel cell stack, it has fluid channels for oxygen or air and for hydrogen, and in further versions also for cooling medium. In particularly preferred embodiments, the adjusting element 11 is then arranged in a fluid channel for cooling medium, so that the adjusting element 11 is well cooled.
  • the adjusting element 11 is particularly preferably not arranged on the end plate 3 at the inlet 8 of the fluid channels, but on the opposite end plate 2.
  • Only half of the cross section is required for the fluid flowing through, since half of it is already required the individual cells 4 were supplied with fluid accordingly.
  • a piezo actuator 100 mm long which requires half the cross section of a fluid channel, can be inserted without disturbing the operation of the cell stack 1.
  • the actuating element 11 designed as a piezo actuator is intended not only to build up or adjust mechanical tension, but also to enable a greater path, its longitudinal extension is preferably translated by means of the active element 25 that can be tilted about the axis of rotation 24.
  • the active element 25 acts as a lever arm in the embodiment of FIG. 5 on the upper end plate 2 and ensures additional tensioning of the individual cells 4 when the piezo actuator expands, thus having a load on the individual cells 4 when energized and thus relieving the tensioning device 10.
  • Such an effective direction can be used, for example, to compensate for the setting behavior of the cell stack 1 in order to maintain the surface pressure required for the functionalities.
  • the individual cells 4 would then have to be relieved by the actuating element 11, for example by reducing the current flow for the structure according to FIG. 5 or by an opposing effective direction of the active element 25 on the upper end plate 2 .
  • the electrical voltage that is required to operate the piezo actuator can be tapped from a system of the cell stack 1, for example from a battery of a fuel cell system in which the cell stack 1 is arranged as a fuel cell stack.
  • the cell stack 1 has one or more tension sensors which are suitable for determining or calculating the surface pressure in the individual cells 4.
  • the tension sensor can be designed, for example, as a sensor film or as a piezo sensor.
  • the adjusting element 11 can now be activated in order to set the optimum surface pressure.
  • the adjusting element 11 can force both a shortening and an elongation of the cell stack 1.
  • the cell stack 1 can also have a moisture detector.
  • the moisture detector detects swelling of the individual cells 4 or the membranes of the individual cells 4 due to water.
  • the moisture detector can be a water detector, for example, or it can also be stored in a control unit of the cell stack 1 via a characteristic map.
  • the actuating element 11 can then be controlled as a function of the humidity of the individual cells 4 or as a function of swelling in such a way that the surface pressure in the individual cells 4 remains essentially constant or in a defined range.
  • the functioning of the cell stack 1 according to the invention is as follows:
  • a single cell 4 designed as a fuel cell usually comprises a bipolar plate and a membrane-electrode arrangement, more precisely two bipolar plate halves and a membrane-electrode arrangement.
  • an individual cell 4 designed as a fuel cell comprises a plurality of seals.
  • polymeric membranes of the membrane-electrode arrangements can be swollen and cold or swollen and warm in the moist state.
  • the cell stack 1 can also be still warm and the membranes can be drier or vice versa - such as when starting up, for example. Due to heat and sources, the cell stack 1 would experience corresponding changes in length in the stacking direction in the unpressed state.
  • the pressing of the cell stack 1 requires the application of a defined pressing for its robust function. As a rule, this is only possible to a limited extent in the prior art, since the tensioning device 10 of the cell stack 1 is also subject to thermal expansion. Although this can theoretically be taken into account computationally, in practice the restriction arises that the actual local temperature, in particular when starting up the cell stack 1 or also in transient operation, can only be predicted inadequately.
  • the cell stack 1 not only elongates in an undefined manner, the clamping device 10 also does not maintain a constant distance.
  • attempts are made to compensate for this in part by means of compensating or expansion elements as well as active elements (for example pneumatic tension) or passive elements (such as spring assemblies).
  • the tension is set as precisely as possible via the adjusting element 11, depending on the design, passively or active.
  • the cell stack 1 is clamped mechanically by the tensioning device 10, which can be, for example, a housing, several screws or tensioning straps.
  • the tensioning device 10 can be, for example, a housing, several screws or tensioning straps.
  • the axial force in the z-direction for clamping the two end plates 2, 3 of the cell stack 1 is transmitted, for example, through the carbon fiber structures of the clamping device 10.
  • the cell stack 1 can be clamped in a much more defined manner when using the clamping device 10 made of carbon fiber composite material - or from a comparable clamping material - because the local expansion of the clamping device 10 due to unknown temperatures no longer plays a role.
  • Such clamping devices 10 could thus even be used in the fluid channels, since the clamping device 10 made of carbon fiber composite material would not elongate when heated gas flows in.
  • the compensation of the thermal changes in length of the individual cells 4 is thus taken over by the adjusting element 11, preferably completely taken over by it.
  • This can be active, for example in the case of an actuating element 11 designed as a piezo actuator, or else passive, for example in that the actuating element 11 is integrated into the clamping device 10 and has a significantly greater coefficient of thermal expansion than the individual cells 4.

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Abstract

The present invention relates to a cell stack (1), in particular a fuel cell stack. The cell stack (1) comprises several individual cells (4) which are clamped between two end plates (2, 3) by means of at least one clamping device (10). The at least one clamping device (10) consists of a carbon fiber composite material.

Description

Beschreibung description
Titel: Title:
Zellenstapel mit zumindest einer Spannvorrichtung Cell stack with at least one clamping device
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zellenstapel mit zumindest einer Spannvorrichtung. The present invention relates to a cell stack with at least one clamping device.
Stand der Technik State of the art
Bei Brennstoffzellensystemen wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle - in den Einzelzellen - mit Wasserstoff zu Wasser zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern. In fuel cell systems, the oxidizing agent oxygen from the ambient air is used as a rule in order to react in the fuel cell - in the individual cells - with hydrogen to form water and thus to deliver electrical power through electrochemical conversion.
Aus der US5789091 A ist ein Brennstoffzellenstapel bekannt, bei welchem eine Vielzahl von Einzelzellen zwischen zwei Endplatten mittels Spannbändern verspannt sind. From US5789091 A a fuel cell stack is known in which a large number of individual cells are clamped between two end plates by means of tensioning straps.
Für die Funktionen „elektrische Leitfähigkeit“ und „Dichtheit“ in dem Brennstoffzellenstapel müssen die Einzelzellen gegeneinander verpresst werden, was mit Hilfe der Spannbänder geschieht. Um die dafür erforderliche Verspannkraft auch über Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels möglichst konstant zu halten, sind beispielsweise aus der EP1601041B1 Federpakete bekannt, welche zwischen einer Endplatte und einer weiteren Platte angebracht sind. For the functions of “electrical conductivity” and “tightness” in the fuel cell stack, the individual cells must be pressed against each other, which is done with the help of the tensioning straps. In order to keep the tensioning force required for this as constant as possible even over changes in length of the fuel cell stack, spring assemblies are known from EP1601041B1, for example, which are attached between an end plate and a further plate.
Offenbarung der Erfindung Demgegenüber weist der erfindungsgemäße Zellenstapel vergleichsweise einfach zu beherrschende Längenänderungen des Zellenstapels auf, welche beispielsweise durch Temperaturbelastung oder Quellen von Membranen in den Einzelzellen hervorgerufen werden. Disclosure of the invention In contrast, the cell stack according to the invention has changes in length of the cell stack which are comparatively easy to control and which are caused, for example, by thermal stress or by swelling of membranes in the individual cells.
Dazu umfasst der Zellenstapel mehrere Einzelzellen, wobei die Einzelzellen zwischen zwei Endplatten mittels zumindest einer Spannvorrichtung verspannt sind. Die zumindest eine Spannvorrichtung besteht dabei aus einem Spannmaterial, wobei das Spannmaterial einen Wärmeausdehnungskoeffizient kleiner als 2,5* 10L-6 m/(m*K), bevorzugt kleiner als 1,0* 10L-6 m/(m*K), besitzt. Vorteilhafterweise wird dabei Kohlefaserverbundwerkstoff als Spannmaterial verwendet; ein weiteres vorteilhaftes Spannmaterial ist Invar, eine Eisen-Nickel- Legierung mit der Werkstoffnummer 1.3912. Der angegebene Wärmeausdehnungskoeffizient soll dabei für Raumtemperatur gelten. For this purpose, the cell stack comprises a plurality of individual cells, the individual cells being clamped between two end plates by means of at least one clamping device. The at least one tensioning device consists of a tensioning material, the tensioning material having a coefficient of thermal expansion less than 2.5 * 10 L -6 m / (m * K), preferably less than 1.0 * 10 L -6 m / (m * K) ), owns. Advantageously, carbon fiber composite material is used as the tensioning material; Another advantageous clamping material is Invar, an iron-nickel alloy with the material number 1.3912. The specified coefficient of thermal expansion should apply to room temperature.
Dadurch weist die Spannvorrichtung gegenüber den Einzelzellen einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf; in den Einzelzellen kann es beispielsweise Komponenten aus Stahl geben, welche einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von ca. 11,5* 10L-6 m/(m*K) haben. So kann die Wärmeausdehnung der Spannvorrichtung gegenüber der Wärmeausdehnung der Einzelzellen bei der Auslegung des Zellenstapels und auch bei einer Regelung der Verspannkraft im Betrieb des Zellenstapels quasi vernachlässigt werden. As a result, the clamping device has a very low coefficient of thermal expansion compared to the individual cells; In the individual cells there can be components made of steel, for example, which have a coefficient of thermal expansion of approx. 11.5 * 10 L -6 m / (m * K). Thus, the thermal expansion of the tensioning device compared to the thermal expansion of the individual cells can be virtually neglected when designing the cell stack and also when regulating the tensioning force during operation of the cell stack.
Vorteilhafterweise besitzt das Spannmaterial einen Elastizitätsmodul größer als 90.000 N/mm2. Der Elastizitätsmodul gilt dabei für die Richtung der Kraftübertragung der Spannvorrichtung. Damit ist das Spannmaterial steifer, und bevorzugt auch fester, als beispielsweise Aluminium. Das Spannmaterial ist somit gut geeignet für die Funktion der Spannvorrichtung. Besonders bevorzugt ist das Spannmaterial aus Kohlefaserverbundwerkstoff, welcher in Faserrichtung einen Elastizitätsmodul von > 130.000 N/mm2 aufweist; die Faserrichtung ist dann logischerweise in Richtung der Kraftübertragung der Spannvorrichtung angeordnet. Bevorzugt weist der Zellenstapel ein Stellelement auf. Dies kann beispielsweise ein Piezo-Aktor sein. Die auf die Einzelzellen wirkende Verspannung liegt dort als Flächenpressung in den einzelnen Elementen an. Durch das Stellelement bzw. der daraus resultierenden möglichst gleichbleibenden Verspannung ist gewährleistet, dass die Funktionen „elektrische Leitfähigkeit“ und „Dichtheit“ des Zellenstapels erfüllt werden, ohne dabei die Lebensdauer des Zellenstapels zu beeinträchtigen, was bei einer zu großen Flächenpressung in den Einzelzellen - und dort insbesondere in den Membranen - der Fall wäre. Auch ein mechanisches Nachspannen der Spannvorrichtung während einer Instandhaltung des Zellenstapels kann dadurch entfallen. The tensioning material advantageously has a modulus of elasticity greater than 90,000 N / mm 2 . The modulus of elasticity applies to the direction in which the force is transmitted by the clamping device. The tensioning material is thus stiffer and preferably also stronger than, for example, aluminum. The clamping material is therefore well suited for the function of the clamping device. The tensioning material made of carbon fiber composite material, which has a modulus of elasticity of> 130,000 N / mm 2 in the direction of the fibers, is particularly preferred; the fiber direction is then logically arranged in the direction of the force transmission of the tensioning device. The cell stack preferably has an adjusting element. This can be a piezo actuator, for example. The tension acting on the individual cells is applied there as a surface pressure in the individual elements. The adjusting element or the resulting tension that is as constant as possible ensures that the functions of "electrical conductivity" and "tightness" of the cell stack are fulfilled without impairing the service life of the cell stack, which is the case with excessive surface pressure in the individual cells - and there in particular in the membranes - would be the case. Mechanical re-tensioning of the tensioning device during maintenance of the cell stack can also be dispensed with.
Das Stellelement kann beispielsweise direkt auf die Spannvorrichtung oder auf eine der beiden Endplatten wirken. Das Stellelement kann die Einzelzellen belastbar und/oder entlastbar ausgebildet sein. Die Ausführung hängt dabei insbesondere davon ab, ob die Verspannung in erster Linie bezüglich eines Setzverhaltens des Zellenstapels oder eines Quellens der Membranen der Einzelzellen oder einer Temperaturbelastung des Zellenstapels angepasst werden soll. Für die entsprechenden Berechnungen dazu kann nun die Wärmeausdehnung des Spannmaterials werden. The adjusting element can act, for example, directly on the clamping device or on one of the two end plates. The actuating element can be designed so that the individual cells can be loaded and / or relieved. The design depends in particular on whether the tension is to be adapted primarily with regard to a setting behavior of the cell stack or a swelling of the membranes of the individual cells or a temperature load on the cell stack. The thermal expansion of the tensioning material can now be used for the corresponding calculations.
In vorteilhaften Weiterbildungen weist das Stellelement einen Abstandhalter auf. Der Abstandhalter kann dabei sowohl nach innen zu den Einzelzellen als auch nach außen zu einem Gehäuse wirken, so dass beispielsweise auch bei liegender Montage bzw. liegendem Einbau Sollabstände eingehalten werden; dadurch können beispielsweise elektrische Kurzschlüsse oder eine zu große Durchbiegung des Zellenstapels verhindert werden. In advantageous developments, the adjusting element has a spacer. The spacer can act both inwardly towards the individual cells and outwardly towards a housing, so that, for example, target distances are maintained even with horizontal assembly or horizontal installation; in this way, for example, electrical short circuits or excessive bending of the cell stack can be prevented.
Bevorzugt ist das Stellelement in die Spannvorrichtung oder in den Zellenstapel integriert. So können die in der Spannvorrichtung herrschenden Zugkräfte sehr gut justiert werden. The adjusting element is preferably integrated in the clamping device or in the cell stack. In this way, the tensile forces prevailing in the clamping device can be adjusted very well.
Besonders bevorzugt weist dabei das Stellelement einen größeren Wärmeübergangskoeffizienten als die Einzelzellen auf. So kann bei einer Temperaturerhöhung im Betrieb des Zellenstapels die geringe Wärmeausdehnung der Spannvorrichtung durch die starke Wärmeausdehnung des Stellelements kompensiert werden, so dass dadurch in Summe eine mittlere Wärmeausdehnung, vergleichbar der der Einzelzellen, erreicht wird. In this case, the actuating element particularly preferably has a greater heat transfer coefficient than the individual cells. Thus, in the event of a temperature increase during operation of the cell stack, the low thermal expansion of the clamping device due to the high thermal expansion of the actuating element are compensated, so that overall an average thermal expansion, comparable to that of the individual cells, is achieved.
In vorteilhaften Ausführungen ist die Spannvorrichtung als Spannband ausgeführt. Das Spannband ist bezogen auf seinen Materialquerschnitt sehr gut belastbar, um die erforderliche Verspannkraft für den Brennstoffzellenstapel zu gewährleisten. Alternativ kann die Spannvorrichtung jedoch auch als Zuganker oder als Gehäuse ausgeführt sein. In advantageous embodiments, the tensioning device is designed as a tensioning strap. The tensioning strap is very resilient in relation to its material cross-section in order to ensure the necessary tensioning force for the fuel cell stack. Alternatively, however, the clamping device can also be designed as a tie rod or as a housing.
In vorteilhaften Weiterbildungen weist das Spannband in einem Dehnbereich einen verringerten Querschnitt auf. Durch den im Dehnbereich verringerten Querschnitt ist nun auch unter Belastung ausreichend Weg verfügbar, das heißt das Spannband kann sich dehnen, so dass eine Längenäderung des Brennstoffzellenstapels - beispielsweise durch Aufquellen der Membranen der Einzelzellen - ohne starke Veränderung der Verspannkraft aufgenommen werden kann. Dadurch werden die Einzelzellen weder zu stark verpresst, so dass beispielsweise Perforationen in den Membranen vermieden werden, noch werden die Funktionen „elektrische Leitfähigkeit“ und „Dichtheit“ beeinträchtigt. Gleichzeitig behält das Spannband seine Festigkeit an seinen Befestigungspunkten zu der Endplatte, da hier der Querschnitt nicht verringert ist. Das Spannband kann nämlich im Bereich der Befestigungspunkte nicht geschwächt werden, da andernfalls die Krafteinleitzonen - oder beispielsweise auch die Bereiche für Schweißverbindungen - geschwächt würden. Eine Verdünnung des gesamten Spannbandes soll also bewusst vermieden werden. Die Belastbarkeit des Spannbandes im Bereich der Krafteinleitung an den Befestigungspunkten bleibt somit erhalten. In advantageous developments, the tensioning band has a reduced cross section in an expansion area. Due to the reduced cross-section in the expansion area, sufficient travel is now available even under load, i.e. the tensioning strap can stretch so that the length of the fuel cell stack - for example due to the swelling of the membranes of the individual cells - can be absorbed without major changes in the tensioning force. As a result, the individual cells are neither compressed too much, so that, for example, perforations in the membranes are avoided, nor are the functions of “electrical conductivity” and “tightness” impaired. At the same time, the tension band retains its strength at its attachment points to the end plate, since the cross section is not reduced here. The tension band cannot be weakened in the area of the fastening points, since otherwise the force application zones - or, for example, the areas for welded connections - would be weakened. A thinning of the entire tightening strap should therefore be deliberately avoided. The load-bearing capacity of the tensioning band in the area of the introduction of force at the fastening points is thus retained.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der verringerte Querschnitt mittels einer Taillierung erzielt. Die Taillierung bezieht sich dabei auf eine Breite des Spannbandes. In an advantageous embodiment, the reduced cross section is achieved by means of a waist. The waist refers to the width of the strap.
In einer alternativen Ausführungsform ist der verringerte Querschnitt mittels einer Verdünnung erzielt. Die Verdünnung bezieht sich dabei auf eine Dicke des Spannbandes. In bevorzugten Weiterbildungen weisen die Einzelzellen jeweils eine Membran mit einer Dicke von maximal 50 pm - besonders bevorzugt von maximal 20 pm - und Gasdiffusionslagen mit einer Dicke von maximal 150 pm - besonders bevorzugt von maximal 100 pm - auf. Üblicherweise weist jede Einzelzelle dabei zwei Gasdiffusionslagen auf. Für diese vergleichsweise dünne Bauweise der Einzelzellen ist es besonders vorteilhaft die Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels über Querschnittsverjüngungen der Spannbänder aufzunehmen ohne dabei auf weitere Hilfsmittel wie Federpakete zuzugreifen, da für diese Bauweise die absoluten Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels vergleichsweise gering sind. In an alternative embodiment, the reduced cross section is achieved by means of a thinning. The dilution relates to the thickness of the tensioning strap. In preferred developments, the individual cells each have a membrane with a maximum thickness of 50 μm - particularly preferably a maximum of 20 μm - and gas diffusion layers with a maximum thickness of 150 μm - particularly preferably a maximum of 100 μm. Each individual cell usually has two gas diffusion layers. For this comparatively thin design of the individual cells, it is particularly advantageous to absorb the changes in length of the fuel cell stack via cross-sectional tapering of the tensioning straps without having to use additional aids such as spring assemblies, since the absolute changes in length of the fuel cell stack are comparatively small for this design.
Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel. Die Einzelzellen sind demzufolge als Brennstoffzellen ausgeführt. Das Kraftfahrzeug weist dabei die gleichen zu dem Zellenstapel genannten Vorteile auf. Insbesondere für mobile Anwendungen ist ein Brennstoffzellenstapel, welcher keine Wartungsintervalle zum Nachjustieren der Verspannung der Spannvorrichtung bedarf, von großem Vorteil. The invention additionally comprises a motor vehicle with the cell stack according to the invention designed as a fuel cell stack. The individual cells are therefore designed as fuel cells. The motor vehicle has the same advantages mentioned for the cell stack. A fuel cell stack that does not require any maintenance intervals to readjust the tensioning of the clamping device is of great advantage, particularly for mobile applications.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt: Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and explained in more detail in the description below. It shows:
Figur 1 schematisch einen aus dem Stand der Technik bekannten Zellenstapel. FIG. 1 schematically shows a cell stack known from the prior art.
Figur 2 einen erfindungsgemäßen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel in perspektivischer Ansicht, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. FIG. 2 shows a cell stack according to the invention designed as a fuel cell stack in a perspective view, only the essential areas being shown.
Figur 3 einen weiteren Zellenstapel in einem Schnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. FIG. 3 shows a further cell stack in a section, only the essential areas being shown.
Figur 4 einen noch weiteren Zellenstapel in einem Schnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Figur 5 einen Schnitt durch einen Zellenstapel mit einem Stellelement, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. FIG. 4 shows yet another cell stack in a section, only the essential areas being shown. FIG. 5 shows a section through a cell stack with an adjusting element, only the essential areas being shown.
Figur 1 zeigt schematisch einen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel 1, wie er aus der US5789091A bekannt ist. Der Brennstoffzellenstapel 1 weist eine Mehrzahl von als Brennstoffzellen ausgeführten Einzelzellen 4 auf, welche zwischen zwei Endplatten 2, 3 verspannt sind. Die Verspannung erfolgt mittels zweier als Spannbänder ausgeführter Spannvorrichtungen 10, die sich eng um die Endplatten 2, 3 und die Einzelzellen 4 herum erstrecken, so dass der Brennstoffzellenstapel 1 in seinem zusammengebauten Zustand gehalten und gesichert ist. FIG. 1 shows schematically a cell stack 1 designed as a fuel cell stack, as is known from US5789091A. The fuel cell stack 1 has a plurality of individual cells 4 designed as fuel cells, which are clamped between two end plates 2, 3. The tensioning takes place by means of two tensioning devices 10 designed as tensioning straps, which extend tightly around the end plates 2, 3 and the individual cells 4, so that the fuel cell stack 1 is held and secured in its assembled state.
Um eine Vorspannkraft auf die Einzelzellen 4 aufrechtzuerhalten sind beispielsweise aus der EP1601041B1 Federpakete zwischen einer der Endplatten 2, 3 und einer weiteren Platte bekannt. Dadurch soll eine möglichst gleichmäßige Anpresskraft an die Einzelzellen 4 angelegt werden und eine Schwankung der Anpresskraft - beispielsweise in Folge thermischer Ausdehnungen - verringert werden. In order to maintain a pretensioning force on the individual cells 4, spring assemblies between one of the end plates 2, 3 and a further plate are known, for example, from EP1601041B1. As a result, a contact force that is as uniform as possible is to be applied to the individual cells 4 and fluctuations in the contact force - for example as a result of thermal expansions - are to be reduced.
Erfindungsgemäß sind die Spannvorrichtungen 10 nun aus einem Spannmaterial mit niedrigem Wärmeübergangskoeffizienten, bevorzugt aus Kohlefaserverbundwerkstoff, ausgeführt. Dabei können die Spannvorrichtungen 10 vorzugsweise sowohl als Spannbänder als auch als Zuganker ausgeführt sein, oder sogar in Form eines Gehäuses ausgeführt sein. According to the invention, the tensioning devices 10 are now made of a tensioning material with a low heat transfer coefficient, preferably made of carbon fiber composite material. In this case, the clamping devices 10 can preferably be designed both as clamping straps and as tie rods, or even be designed in the form of a housing.
Figur 2 zeigt schematisch einen als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel 1 mit einer Mehrzahl von als Brennstoffzellen ausgeführten Einzelzellen 4, welche mittels als Spannbänder ausgeführter Spannvorrichtungen 10 zwischen zwei Endplatten 2, 3 verspannt sind in perspektivischer Ansicht. Die Einzelzellen 4 erstrecken sich dabei in Stapelrichtung, also in z-Richtung, über eine Gesamthöhe 4a. FIG. 2 schematically shows a cell stack 1 designed as a fuel cell stack with a plurality of individual cells 4 designed as fuel cells, which are clamped between two end plates 2, 3 by means of clamping devices 10 designed as clamping bands, in a perspective view. The individual cells 4 extend in the stacking direction, that is to say in the z direction, over a total height 4a.
Die Spannbänder 10 sind in dieser Ausführung mittels je zweier Befestigungspunkte 6 an der oberen Endplatte 2 befestigt. In alternativen Ausführungen kann jedes Spannband 10 natürlich auch an der oberen Endplatte 2 und der unteren Endplatte 3 befestigt sein; die Umlenkung über eine der Endplatten 2, 3 würde dann entfallen, es wären jedoch doppelt so viele Spannbänder 10 und Befestigungspunkte 6 pro Brennstoffzellenstapel 1 nötig. In this embodiment, the tensioning straps 10 are fastened to the upper end plate 2 by means of two fastening points 6 each. In alternative In embodiments, each tension band 10 can of course also be attached to the upper end plate 2 and the lower end plate 3; the deflection via one of the end plates 2, 3 would then be omitted, but twice as many tensioning straps 10 and fastening points 6 would be required per fuel cell stack 1.
Alternativ können die Spannvorrichtungen 10 auch als Zuganker oder als Gehäuse ausgeführt sein. Das Gehäuse ist dabei den Zellenstapel 1 umgebend angeordnet und kann analog zu den Spannbändern und Zugankern Zugkräfte aufnehmen. Die jeweilige Spannvorrichtung 10 besteht aus einem Kohlefaserverbundwerkstoff. Die Figur 2 zeigt dabei die als Spannbänder ausgeführten Spannvorrichtungen 10 in weiterbildenden Ausführungen. Alternatively, the clamping devices 10 can also be designed as tie rods or as a housing. The housing is arranged surrounding the cell stack 1 and can absorb tensile forces analogously to the tensioning straps and tie rods. The respective clamping device 10 consists of a carbon fiber composite material. FIG. 2 shows the tensioning devices 10 designed as tensioning straps in further-developing versions.
Das mittlere Spannband 10.1 weist exemplarisch einen konstanten Querschnitt auf. Das rechte Spannband 10.2 weist über den Dehnbereich 10a einen verringerten Querschnitt in Form einer Taillierung auf - also eine Querschnittverjüngung in seiner Breite B in x-Richtung. Das linke Spannband 10.3 weist über seinen Dehnbereich 10a einen verringerten Querschnitt in Form einer Verdünnung des Bandes auf - also eine Querschnittsverjüngung in seiner Dicke D in y-Richtung. The middle tensioning strap 10.1 has a constant cross section, for example. The right tensioning band 10.2 has a reduced cross-section in the form of a waist over the expansion area 10a - that is, a cross-sectional tapering in its width B in the x-direction. The left tensioning band 10.3 has a reduced cross-section over its expansion area 10a in the form of a thinning of the band - that is, a cross-sectional tapering in its thickness D in the y-direction.
Das rechte Spannband 10.2 ist in besonders bevorzugter Ausführung derart tailliert, dass bei gleichbleibender Materialstärke - also konstanter Dicke D, von beispielsweise 1 mm - das Spannband 10.2 von einer Breite B von 20 mm auf 10 mm im Dehnbereich 10a verjüngt ist. Die Übergänge der Verjüngung sind vorteilhafterweise belastungsoptimiert ausgeformt, also verrundet ausgeführt. In a particularly preferred embodiment, the right tensioning strap 10.2 is tapered in such a way that with the same material thickness - i.e. constant thickness D, for example 1 mm - the tensioning strap 10.2 is tapered from a width B of 20 mm to 10 mm in the expansion area 10a. The transitions of the taper are advantageously shaped in a load-optimized manner, that is, they are rounded.
Das linke Spannband 10.3 ist in besonders bevorzugter Ausführung derart verdünnt, dass die Materialstärke - also seine Dicke D - variiert. Vorteilhafterweise weist das Spannband 10.3 bei einer gleichbleibenden Breite B von 20 mm im Bereich seiner Befestigungspunkte 6 eine Dicke von beispielsweise 1,0 mm auf, während es im Dehnbereich 10a eine verjüngte Dicke D von nur noch 0,5 mm aufweist. Der Übergang von 1,0 mm auf 0,5 mm kann dabei besonders einfach durch Pressen oder Schmieden hergestellt werden.In a particularly preferred embodiment, the left tensioning strap 10.3 is thinned in such a way that the material thickness - that is, its thickness D - varies. With a constant width B of 20 mm, the tensioning band 10.3 advantageously has a thickness of, for example, 1.0 mm in the area of its fastening points 6, while it has a tapered thickness D of only 0.5 mm in the expansion area 10a. The transition from 1.0 mm to 0.5 mm can be produced particularly easily by pressing or forging.
Wird hierfür eine Rolle verwendet, ergibt sich durch die Herstellung ein verrundeter und damit belastungsoptimierter Übergang der Materialdicken. Bevorzugt erstreckt sich der Dehnbereich 10a des verringerten Querschnitts bzw. der Verjüngung in seiner Länge L über die Gesamthöhe 4a aller Einzelzellen 4, weist also nahezu die gleiche Länge L auf wie die Höhe einer Einzelzelle 4 multipliziert mit der Anzahl der Einzelzellen 4 des Zellenstapels 1. If a roller is used for this, the production results in a rounded and thus load-optimized transition of the material thicknesses. The expansion area 10a of the reduced cross-section or the tapering preferably extends in its length L over the total height 4a of all individual cells 4, i.e. has almost the same length L as the height of an individual cell 4 multiplied by the number of individual cells 4 of the cell stack 1.
Dadurch werden also Spannbänder 10 verwendet, die in einer Richtung senkrecht zur größten Ausdehnung des Bandes, also quer zur Krafthauptrichtung z, einen geringeren Querschnitt aufweisen. Dieser verminderte Querschnitt liegt im seitlichen Bereich des Brennstoffzellenstapels 1, also entlang der z- Richtung, vorzugsweise im Bereich aller gestapelter Einzelzellen 4. Hierdurch ergibt sich im Mittenbereich des Zellenstapels 1 - also im Dehnbereich 10a - eine relativ große Dehnung der Spannbänder 10 - aber eben keine lokal zu große Dehnung - mit der Fähigkeit Lastschwankungen im Betrieb und/oder Geometrieschwankungen bei der Montage bzw. Unterschiede im Setzverhalten „weich“ aufzunehmen; gleichzeitig bleibt eine vergleichsweise große Belastbarkeit der Spannbänder 10 im Bereich der Krafteinleitung an den Befestigungspunkten 6 erhalten. As a result, tensioning straps 10 are used which have a smaller cross-section in a direction perpendicular to the greatest extent of the strap, that is to say transverse to the main force direction z. This reduced cross-section lies in the lateral area of the fuel cell stack 1, i.e. along the z direction, preferably in the area of all stacked individual cells 4. This results in a relatively large expansion of the tensioning straps 10 in the middle area of the cell stack 1 - i.e. in the expansion area 10a - but flat no local elongation that is too great - with the ability to "softly" absorb load fluctuations during operation and / or geometrical fluctuations during assembly or differences in setting behavior; at the same time, a comparatively high load-bearing capacity of the tensioning straps 10 in the area of the introduction of force at the fastening points 6 is retained.
Zusätzliche Federpakete, wie aus dem Stand der Technik bekannt, können dadurch in bevorzugter Ausgestaltung entfallen; der gesamte Zellenstapel 1 kann kompakter, leichter und kostengünstiger gebaut werden. Additional spring assemblies, as known from the prior art, can thereby be dispensed with in a preferred embodiment; the entire cell stack 1 can be built more compact, lighter and cheaper.
Um ihre Funktion sicherstellen zu können, werden die Einzelzellen 4 gegeneinander verpresst. Dadurch werden zum einen die elektrischen Übergangswiderstände zwischen den Elementen minimiert und zum anderen die eingelegten Dichtungselemente ausreichend verpresst, so dass der Zellenstapel 1 gasdicht ist. Bevorzugt werden dazu die formstabilen Endplatten 2, 3 am jeweiligen Ende des Zellenstapels 1 gleichmäßig gegeneinandergedrückt. In order to be able to ensure their function, the individual cells 4 are pressed against one another. As a result, on the one hand, the electrical contact resistance between the elements is minimized and, on the other hand, the inserted sealing elements are sufficiently compressed so that the cell stack 1 is gas-tight. For this purpose, the dimensionally stable end plates 2, 3 at the respective end of the cell stack 1 are preferably pressed evenly against one another.
Elemente der Einzelzellen 4 können elastisch sein, wie beispielsweise eine polymere Membran einer Membran-Elektroden-Anordnung, eine Gasdiffusionslage oder eine Bipolarplatte. Die Membran kann beispielsweise eine Dickenzunahme durch Quellverhalten aufgrund Wasseransammlung erfahren. Um trotz dieses Quellverhaltens, oder auch trotz des üblichen Setzverhaltens, eine für die Funktionen ausreichende Verpressung aufrecht zu halten, werden durch die Spannbänder 10 aus dem Spannmaterial bzw. aus Kohlefaserverbundwerkstoff mit Querschnittsverjüngungen ausreichend elastische Elemente in die Kraftkette eingebracht, so dass ein zusätzliches Federpaket entfallen kann. Elements of the individual cells 4 can be elastic, such as, for example, a polymer membrane of a membrane-electrode arrangement, a gas diffusion layer or a bipolar plate. The membrane can, for example, experience an increase in thickness due to swelling behavior due to the accumulation of water. In order to maintain sufficient compression for the functions in spite of this swelling behavior, or in spite of the usual settling behavior hold, sufficiently elastic elements are introduced into the power chain by the tensioning straps 10 made of the tensioning material or carbon fiber composite material with cross-sectional tapering, so that an additional spring package can be omitted.
Insbesondere genügen die Spannbänder 10 aus Kohlefaserverbundwerkstoff mit Querschnittsverjüngungen den Anforderungen auch ohne Verwendung von Federpaketen, wenn die Einzelzellen 4 jeweils eine Membran mit einer Dicke (in z-Richtung) von maximal 50 pm - besonders bevorzug von maximal 20 pm - und je zwei Gasdiffusionslagen mit je einer Dicke von maximal 150 pm - besonders bevorzugt maximal 100 pm - aufweisen. Dann sind nämlich die von den Spannbändern 10 auszugleichenden Längenänderungen der Einzelzellen 4 geringer als dies der Fall für dickere Membranen und Gasdiffusionslagen wäre, bei denen dann bereits innerhalb jeder Einzelzelle 4 mehr Raum, insbesondere für lokal variierende Quellungen und Stauchungen vorhanden wäre. In particular, the tensioning straps 10 made of carbon fiber composite material with cross-sectional tapering meet the requirements even without the use of spring assemblies, if the individual cells 4 each have a membrane with a thickness (in the z-direction) of a maximum of 50 μm - particularly preferably a maximum of 20 μm - and two gas diffusion layers each each have a maximum thickness of 150 μm - particularly preferably a maximum of 100 μm. Then the length changes of the individual cells 4 to be compensated by the tensioning straps 10 are smaller than would be the case for thicker membranes and gas diffusion layers, in which more space would then already be available within each individual cell 4, in particular for locally varying swellings and compressions.
Figur 3 zeigt einen weiteren erfindungsgemäßen Zellenstapel 1 im Querschnitt im Bereich einer Spannvorrichtung 10, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. In der Ausführung der Figur 3 ist die Spannvorrichtung 10 als Spannband ausgeführt, kann alternativ aber auch als Gehäuse oder Zuganker ausgeführt sein. In der Ausführung als Gehäuse kann sich sogar der gleiche Querschnitt ergeben. FIG. 3 shows a further cell stack 1 according to the invention in cross section in the area of a clamping device 10, only the essential areas being shown. In the embodiment of FIG. 3, the tensioning device 10 is designed as a tensioning strap, but can alternatively also be designed as a housing or tie rod. The design as a housing can even have the same cross-section.
In diesem Querschnitt ist zu sehen, wie das Spannband 10 an der unteren Endplatte 3 an zwei Befestigungspunkten 6 befestigt ist. Dazu formt das Spannband 10 im Bereich eines Befestigungspunktes 6 je eine Lasche 6a aus, welche um einen Bolzen angeordnet ist, der wiederum fest mit der Endplatte 3 verbunden ist bzw. einstückig mit dieser ausgeführt ist bzw. an dieser gelagert ist, beispielsweise mittels eines Stifts. This cross section shows how the tensioning band 10 is fastened to the lower end plate 3 at two fastening points 6. For this purpose, the tensioning band 10 forms a tab 6a each in the area of an attachment point 6, which is arranged around a bolt, which in turn is firmly connected to the end plate 3 or is made in one piece with it or is mounted on it, for example by means of a pin .
In der Ausführung der Figur 3 ist das Spannband 10 dreiteilig ausgeführt, mit drei Teilbändern 10b, 10c, lOd. Je zwei Teilbänder 10b, 10c, lOd sind dabei mittels eines Stellelements 11 verbunden, das Stellelement 11 ist also in die Spannvorrichtung 10 integriert. Das Stellelement 11 ist dabei in weiterbildenden Ausführungen so ausgeführt, dass es im Kraftfluss des Spannbands 10 den verringerten Querschnitt - oder äquivalent dazu einen verringerten Elastizitätsmodul bzw. ein Material mit einer flacheren Fließkurve - aufweist. Bevorzugt ergibt sich dann die Länge des Dehnbereichs 10a aus der Länge des Stellelements 11. In the embodiment of FIG. 3, the tensioning strap 10 is designed in three parts, with three partial straps 10b, 10c, 10d. Two sub-belts 10b, 10c, 10d are connected by means of an adjusting element 11; the adjusting element 11 is therefore integrated into the clamping device 10. The adjusting element 11 is designed in further developments so that it is in the force flow of the tensioning band 10 reduced cross-section - or, equivalently, a reduced modulus of elasticity or a material with a flatter flow curve. The length of the expansion region 10a then preferably results from the length of the adjusting element 11.
Das Stellelement 11 weist eine Nachstellvorrichtung auf, mit welcher die Vorspannung der Teilbänder 10b, 10c, lOd und damit die Vorspannung des Spannbandes 10 eingestellt werden kann. Weiterhin vorzugsweise weist das Stellelement 11 einen Abstandshalter 11a auf, so dass beispielsweise der Zellenstapel 1 bei liegender Montage nicht an eine Gehäusewand stößt, oder so dass ein definierter Abstand des Spannbandes 10 zu den Einzelzellen 4 sichergestellt werden kann. The adjusting element 11 has an adjusting device with which the pretensioning of the partial bands 10b, 10c, 10d and thus the pretensioning of the tensioning band 10 can be adjusted. Furthermore, the adjusting element 11 preferably has a spacer 11a so that, for example, the cell stack 1 does not hit a housing wall when it is mounted horizontally, or so that a defined distance between the tensioning band 10 and the individual cells 4 can be ensured.
Die Auslegung des Stellelements 11 kann mit der Spannvorrichtung 10 aus dem Spannmaterial nun einfacher vorgenommen werden, da der Wärmeausdehnungskoeffizient des Spannmaterials vergleichsweise gering ist und somit quasi eine Unbekannte weniger in der Reihenschaltung unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten des Zellenstapels 1 vorhanden ist. Erfolgt eine Erhitzung des Zellstapels 1, so würde sich dieser unter anderem in z-Richtung ausdehnen wollen. Dehnt sich die Spannvorrichtung 10 nicht zeitgleich mit dem Zellstapel 1 aus, so würden sich die Flächenpressungen in den Einzelzellen 4 erhöhen. Um diesem Effekt entgegen zu wirken, sorgt nun das Stellelement 11 dafür, dass sich auch die Spannvorrichtung 10 ausdehnt und/oder dass sich der Zellenstapel 1 in z- Richtung verkürzt. The design of the actuating element 11 can now be carried out more easily with the tensioning device 10 from the tensioning material, since the thermal expansion coefficient of the tensioning material is comparatively low and thus one less unknown is present in the series connection of different thermal expansion coefficients of the cell stack 1. If the cell stack 1 is heated, it would want to expand in the z-direction, among other things. If the clamping device 10 does not expand at the same time as the cell stack 1, the surface pressures in the individual cells 4 would increase. In order to counteract this effect, the adjusting element 11 now ensures that the clamping device 10 also expands and / or that the cell stack 1 shortens in the z direction.
Figur 4 zeigt schematisch einen weiteren als Brennstoffzellenstapel ausgeführten Zellenstapel 1 in einem Schnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Der Zellenstapel 1 weist, wie aus dem Stand der Technik bekannt, mehrere Einzelzellen 4 auf, welche zwischen der ersten Endplatte 2 und der zweiten Endplatte 3 mittels der zumindest einen Spannvorrichtung 10 verspannt sind. Die Einzelzellen 4 umfassen - ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt - eine Membran- Elektroden- Einheit, welche zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet ist, wobei jede Bipolarplatte quasi hälftig zu einer der beiden jeweils benachbarten Einzelzellen 4 gehört. Üblicherweise weisen die jeweils an die Endplatten 2, 3 grenzenden Einzelzellen 4 dann eine sogenannte Monopolarplatte auf. FIG. 4 schematically shows a further cell stack 1 designed as a fuel cell stack in a section, only the essential areas being shown. As is known from the prior art, the cell stack 1 has a plurality of individual cells 4 which are clamped between the first end plate 2 and the second end plate 3 by means of the at least one clamping device 10. The individual cells 4 include - also known from the prior art - a membrane-electrode unit which is arranged between two bipolar plates, each bipolar plate almost half belonging to one of the two adjacent individual cells 4. Usually they each point to the End plates 2, 3 bordering individual cells 4 then a so-called monopolar plate.
In der Ausführung der Figur 4 ist das Stellelement 11 als Piezo-Aktor ausgeführt und in den Zellenstapel 1 integriert, genauer in einen Hohlraum 15 des Zellenstapels integriert. Alternativen sind hydraulische, pneumatische und elektromagnetische Stellelemente 11. Vorzugsweise werden die thermisch hervorgerufenen Änderungen einer Länge des Zellenstapels 1 in seiner z- Richtung im Betrieb durch das Stellelement 11 kompensiert, da die bevorzugt als Kohlefaserverbundwerkstoff ausgeführte Spannvorrichtung 10 einen vergleichsweise geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat und somit unter Temperaturbelastung keine Wärmeausdehnungen vollzieht. Somit ist für die Auslegung des Zellenstapels 1 eine Unbekannte - nämlich die Längenänderung der Spannvorrichtung 10 durch Temperaturbelastung - eliminiert; dies ist eine Unbekannte, weil im Betrieb des Zellenstapels 1 die Temperaturverteilung im Zellenstapel 1, insbesondere in der Spannvorrichtung 10, nicht genau ermittelt werden kann, insbesondere nicht beim Startvorgang des Zellenstapels 1. In the embodiment of FIG. 4, the actuating element 11 is designed as a piezo actuator and is integrated into the cell stack 1, more precisely integrated into a cavity 15 of the cell stack. Alternatives are hydraulic, pneumatic and electromagnetic actuating elements 11. Preferably, the thermally induced changes in a length of the cell stack 1 in its z-direction during operation are compensated for by the actuating element 11, since the clamping device 10, which is preferably designed as a carbon fiber composite material, has a comparatively low coefficient of thermal expansion and is therefore less than Thermal stress does not carry out any thermal expansion. Thus, for the design of the cell stack 1, an unknown - namely the change in length of the clamping device 10 due to thermal stress - is eliminated; this is an unknown, because during the operation of the cell stack 1 the temperature distribution in the cell stack 1, in particular in the clamping device 10, cannot be determined precisely, in particular not during the starting process of the cell stack 1.
Weiterhin werden Längenänderungen des Zellenstapels 1 auch durch andere physikalische Effekte, beispielsweise durch Feuchtigkeitsquellung hervorgerufen, und es erfolgt auch ein plastisches Setzen des Zellenstapels 1 über die Zeit. Derartig hervorgerufene Längenänderungen des Zellenstapels 1 können somit ebenfalls durch das Stellelement 11 ausgeglichen werden, so dass idealerweise die auf die Einzelzellen 4 wirkenden Spannkräfte über die Lebensdauer des Zellenstapels 1 konstant bleiben. Furthermore, changes in length of the cell stack 1 are also caused by other physical effects, for example by swelling of moisture, and the cell stack 1 is also set plastically over time. Changes in length of the cell stack 1 caused in this way can thus also be compensated for by the adjusting element 11, so that ideally the tension forces acting on the individual cells 4 remain constant over the service life of the cell stack 1.
Im Betrieb des Zellenstapels 1 kann somit durch das Stellelement 11 die auf die Einzelzellen 4 wirkende Verspannungskraft reguliert werden und damit auch eine optimale Verpressung bzw. Flächenpressung in den Einzelzellen 4 erreicht werden; die durch Temperaturbelastung hervorgerufene Längenveränderung der Spannvorrichtung 10 kann dabei vernachlässigt werden. Quillt beispielsweise im Betrieb eine Membran der Einzelzelle 4 durch geänderte Feuchtigkeit bei konstanter Temperatur, dann kann über das Stellelement 11 die mechanische Kraft reduziert werden, um zu hohe Flächenpressungen und damit Degradation der Einzelzellen 4 vermeiden. In bevorzugten Weiterbildungen ist das Stellelement 11, insbesondere wenn es als Piezo-Aktor ausgebildet ist, in dem Hohlraum 15 des Zellenstapels 1 angeordnet, insbesondere in einem als Fluidkanal ausgeführten Hohlraum 15. Dadurch bleibt der Zellenstapel 1 kompakt gebaut. In der Ausführung der Figur 4 sind zwei als Fluidkanäle ausgebildete Hohlräume gezeigt. Die Fluidkanäle können beispielsweise Umgebungsluft, Wasserstoff oder Kühlmedium leiten. In der Ausführung der Figur 4 wird das Fluid durch einen Eingang 8 durch die untere Endplatte 3 in den rechten Hohlraum 15 geleitet; von dort werden die Einzelzellen 4 mit dem Fluid versorgt. Aus den Einzelzellen 4 strömt das Fluid - verbraucht, unverbraucht oder auch reagiert - weiter in den linken Hohlraum 15, und von dort durch einen Ausgang 9, welcher ebenfalls durch die untere Endplatte 3 führt, aus dem Zellenstapel 1 heraus. When the cell stack 1 is in operation, the adjusting element 11 can regulate the tensioning force acting on the individual cells 4 and thus also achieve optimal compression or surface pressure in the individual cells 4; the change in length of the clamping device 10 caused by the temperature load can be neglected. If, for example, a membrane of the individual cell 4 swells during operation due to changed humidity at a constant temperature, the mechanical force can be reduced via the adjusting element 11 in order to avoid excessive surface pressures and thus degradation of the individual cells 4. In preferred developments, the actuating element 11, especially if it is designed as a piezo actuator, is arranged in the cavity 15 of the cell stack 1, in particular in a cavity 15 designed as a fluid channel. As a result, the cell stack 1 remains compact. In the embodiment of FIG. 4, two cavities designed as fluid channels are shown. The fluid channels can conduct ambient air, hydrogen or cooling medium, for example. In the embodiment of FIG. 4, the fluid is passed through an inlet 8 through the lower end plate 3 into the right-hand cavity 15; from there the individual cells 4 are supplied with the fluid. From the individual cells 4, the fluid flows - consumed, unused or also reacts - further into the left cavity 15, and from there out of the cell stack 1 through an outlet 9, which also leads through the lower end plate 3.
Figur 5 zeigt einen Schnitt durch einen Zellenstapel 1 mit einem als Piezo-Aktor ausgeführten Stellelement 11, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Das Stellelement 11 weist ein Piezoelement 23 auf, welches in einem Topf 22 angeordnet ist. Der Topf 22 ist an einer Hülse 21 fixiert bzw. mit dieser einstückig verbunden. Vorzugsweise weist der Topf 22 in z-Richtung dabei eine deutlich geringere Länge auf als die Hülse 21, welche sich von der ersten Endplatte 2 zur zweiten Endplatte 3 erstreckt. Die Hülse 21 ist an der zweiten Endplatte 3 fixiert, in der Ausführung der Figur 5 mittels eines Pressverbands 21a. Die Hülse 21 ist nicht an der ersten Endplatte 2 fixiert, so dass sich Hülse 21 und Topf 22 relativ zur ersten Endplatte 2 zumindest in z-Richtung verschieben können. FIG. 5 shows a section through a cell stack 1 with an actuating element 11 designed as a piezo actuator, only the essential areas being shown. The adjusting element 11 has a piezo element 23 which is arranged in a pot 22. The pot 22 is fixed to a sleeve 21 or is connected to it in one piece. The pot 22 preferably has a significantly shorter length in the z direction than the sleeve 21, which extends from the first end plate 2 to the second end plate 3. The sleeve 21 is fixed to the second end plate 3, in the embodiment of FIG. 5 by means of a press fit 21a. The sleeve 21 is not fixed on the first end plate 2, so that the sleeve 21 and pot 22 can move relative to the first end plate 2 at least in the z-direction.
Das Piezoelement 23 stützt sich an einem Boden des Topfes 22 ab und wirkt auf ein Wirkelement 25, welches in der Ausführung der Figur 5 als Hebelarm ausgebildet ist und um eine Drehachse 24 kippbar gelagert ist, so dass es mit einer Übersetzung oder auch Untersetzung auf die erste Endplatte 2 wirken kann. Das Stellelement 11 stellt also in der Ausführung der Figur 5 eine Wirkverbindung zwischen der ersten Endplatte 2 und der zweiten Endplatte 3 dar. Bei Bestromung des Piezoelements 23 dehnt sich dieses aus und übt dadurch in der Ausführung der Figur 5 mittelbar eine Druckkraft auf die nicht dargestellten Einzelzellen 4 aus, welche zwischen den Endplatten 2, 3 verspannt sind, und unterstützt somit die Wirkung der Spannvorrichtung 10 bzw. entlastet die Spannvorrichtung 10. The piezo element 23 is supported on a bottom of the pot 22 and acts on an active element 25, which is designed as a lever arm in the embodiment of FIG first end plate 2 can act. The actuating element 11 thus represents an operative connection between the first end plate 2 and the second end plate 3 in the embodiment of FIG Individual cells 4, which are clamped between the end plates 2, 3 are, and thus supports the effect of the tensioning device 10 or relieves the tensioning device 10.
In alternativen Ausführungen kann das Stellelement 11 jedoch auch so ausgeführt sein, dass es der Wirkung der Spannvorrichtung 10 entgegenwirkt bzw. die Spannvorrichtung 10 belastet. In alternative embodiments, however, the adjusting element 11 can also be designed in such a way that it counteracts the effect of the clamping device 10 or loads the clamping device 10.
Der Querschnitt des Piezo-Aktors ist vergleichsweise gering, so dass er problemlos in einen Hohlraum 15 des Zellenstapels 1 eingeschoben werden kann, insbesondere wenn sein Ende in einer Hülse 21 steck, die die Kraft aus dem Hohlraum 15 heraus übertragen kann. Im Bereich des vergleichsweise kleinen Piezoelements 23 stehen in der Umgebung einer Endplatte 2, 3 räumlich eng beieinander große Kräfte zur Verfügung. The cross section of the piezo actuator is comparatively small, so that it can be pushed into a cavity 15 of the cell stack 1 without any problems, especially if its end is inserted into a sleeve 21 that can transmit the force out of the cavity 15. In the area of the comparatively small piezo element 23, large forces are available spatially close to one another in the vicinity of an end plate 2, 3.
Der Hohlraum 15 ist dabei bevorzugt ein Fluidkanal des Zellenstapels 1. Ist der Zellenstapel 1 als Brennstoffzellenstapel ausgebildet, weist er Fluidkanäle für Sauerstoff bzw. Luft und für Wasserstoff auf, in weiterbildenden Ausführungen auch für Kühlmedium. In besonders bevorzugten Ausführungen ist das Stellelement 11 dann in einem Fluidkanal für Kühlmedium angeordnet, so dass eine gute Kühlung des Stellelements 11 vorliegt. The cavity 15 is preferably a fluid channel of the cell stack 1. If the cell stack 1 is designed as a fuel cell stack, it has fluid channels for oxygen or air and for hydrogen, and in further versions also for cooling medium. In particularly preferred embodiments, the adjusting element 11 is then arranged in a fluid channel for cooling medium, so that the adjusting element 11 is well cooled.
Besonders bevorzugt ist das Stellelement 11 nicht an der Endplatte 3 beim Eingang 8 der Fluidkanäle angeordnet, sondern an der gegenüberliegenden Endplatte 2. Schon auf halbem Durchströmungsweg eines Fluidkanals wird nämlich für das durchströmende Fluid nur noch die Hälfte des Querschnitts benötigt, da ja schon die Hälfte der Einzelzellen 4 entsprechend mit Fluid versorgt wurden. Damit kann beispielsweise im letzten Drittel eines 300 mm hohen Zellenstapels 1 ein Piezo-Aktor mit 100 mm Länge, der die Hälfte des Querschnitts eines Fluidkanales benötigt ohne Störung für den Betrieb des Zellenstapels 1 eingeschoben werden. The adjusting element 11 is particularly preferably not arranged on the end plate 3 at the inlet 8 of the fluid channels, but on the opposite end plate 2. Already halfway through a fluid channel, only half of the cross section is required for the fluid flowing through, since half of it is already required the individual cells 4 were supplied with fluid accordingly. In this way, for example, in the last third of a 300 mm high cell stack 1, a piezo actuator 100 mm long, which requires half the cross section of a fluid channel, can be inserted without disturbing the operation of the cell stack 1.
Soll das als Piezo-Aktor ausgeführte Stellelement 11 nicht nur mechanische Spannung aufbauen oder justieren, sondern auch einen größeren Weg ermöglichen, so wird seine Längsausdehnung bevorzugt mittels des um die Drehachse 24 kippbaren Wirkelements 25 übersetzt. Das Wirkelement 25 wirkt als Hebelarm in der Ausführung der Figur 5 auf die obere Endplatte 2 und sorgt bei Ausdehnung des Piezo-Aktors für eine zusätzliche Verspannung der Einzelzellen 4, wirkt also bei Bestromung die Einzelzellen 4 belastend und damit die Spannvorrichtung 10 entlastend. Eine derartige Wirkrichtung kann zum Beispiel zum Ausgleich des Setzverhaltens des Zellenstapels 1 verwendet werden, um die für die Funktionalitäten benötigte Flächenpressung aufrecht zu erhalten. Für einen Ausgleich des Quellens der Membranen im Betrieb des Zellenstapels 1 wäre dann eine Entlastung der Einzelzellen 4 durch das Stellelement 11 erforderlich, beispielsweise durch eine Verringerung der Bestromung für den Aufbau nach Figur 5 oder eine entgegen gerichtete Wirkrichtung des Wirkelements 25 auf die obere Endplatte 2. If the actuating element 11 designed as a piezo actuator is intended not only to build up or adjust mechanical tension, but also to enable a greater path, its longitudinal extension is preferably translated by means of the active element 25 that can be tilted about the axis of rotation 24. The active element 25 acts as a lever arm in the embodiment of FIG. 5 on the upper end plate 2 and ensures additional tensioning of the individual cells 4 when the piezo actuator expands, thus having a load on the individual cells 4 when energized and thus relieving the tensioning device 10. Such an effective direction can be used, for example, to compensate for the setting behavior of the cell stack 1 in order to maintain the surface pressure required for the functionalities. To compensate for the swelling of the membranes during operation of the cell stack 1, the individual cells 4 would then have to be relieved by the actuating element 11, for example by reducing the current flow for the structure according to FIG. 5 or by an opposing effective direction of the active element 25 on the upper end plate 2 .
Die elektrische Spannung, welche zum Betreiben des Piezo-Aktors erforderlich ist, kann von einem System des Zellenstapels 1 abgegriffen werden, beispielsweise von einer Batterie eines Brennstoffzellensystems, in welchem der Zellenstapel 1 als Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. The electrical voltage that is required to operate the piezo actuator can be tapped from a system of the cell stack 1, for example from a battery of a fuel cell system in which the cell stack 1 is arranged as a fuel cell stack.
In weiterbildenden Ausführungen weist der Zellenstapel 1 einen oder mehrere Verspannungssensoren auf, welche dazu geeignet sind die Flächenpressung in den Einzelzellen 4 zu ermitteln bzw. zu berechnen. Der Verspannungssensor kann dabei beispielsweise als Sensorfolie oder als Piezosensor ausgeführt sein. In Abhängigkeit der durch den Verspannungssensor ermittelten Flächenpressung in den Einzelzellen 4 kann nun das Stellelement 11 angesteuert werden, um die optimale Flächenpressung einzustellen. Das Stellelement 11 kann dabei sowohl eine Verkürzung als auch eine Verlängerung des Zellenstapels 1 erzwingen. In further embodiments, the cell stack 1 has one or more tension sensors which are suitable for determining or calculating the surface pressure in the individual cells 4. The tension sensor can be designed, for example, as a sensor film or as a piezo sensor. As a function of the surface pressure determined by the tension sensor in the individual cells 4, the adjusting element 11 can now be activated in order to set the optimum surface pressure. The adjusting element 11 can force both a shortening and an elongation of the cell stack 1.
Alternativ oder ergänzend dazu kann der Zellenstapel 1 auch einen Feuchtigkeitsdetektor aufweisen. Der Feuchtigkeitsdetektor detektiert ein Aufquellen der Einzelzellen 4 bzw. der Membranen der Einzelzellen 4 durch Wasser. Der Feuchtigkeitsdetektor kann dabei beispielsweise ein Wasserdetektor sein oder auch über ein Kennfeld in einem Steuergerät des Zellenstapels 1 hinterlegt sein. Das Stellelement 11 kann dann in Abhängigkeit der Feuchtigkeit der Einzelzellen 4 bzw. in Abhängigkeit eines Quellens so angesteuert werden, dass die Flächenpressung in den Einzelzellen 4 im Wesentlichen konstant bzw. in einem definierten Bereich bleibt. Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Zellenstapels 1 ist wie folgt: As an alternative or in addition to this, the cell stack 1 can also have a moisture detector. The moisture detector detects swelling of the individual cells 4 or the membranes of the individual cells 4 due to water. The moisture detector can be a water detector, for example, or it can also be stored in a control unit of the cell stack 1 via a characteristic map. The actuating element 11 can then be controlled as a function of the humidity of the individual cells 4 or as a function of swelling in such a way that the surface pressure in the individual cells 4 remains essentially constant or in a defined range. The functioning of the cell stack 1 according to the invention is as follows:
Üblicherweise umfasst eine als Brennstoffzelle ausgeführte Einzelzelle 4 eine Bipolarplatte und eine Membran- Elektroden-Anordnung, genau genommen zwei Bipolarplattenhälften und eine Membran-Elektroden-Anordnung. Weiterhin umfasst eine als Brennstoffzelle ausgeführte Einzelzelle 4 mehrere Dichtungen. Durch das Stapeln der metallischen Bipolarplatten, Membran- Elektroden- Anordnungen und Dichtungen, sowie weiteren Strukturen - wie graphitischen Gasdiffusionslagen - entsteht in Stapelrichtung eine örtlich unterschiedliche Reihenschaltung von Materialien und deren Wärmeausdehnungskoeffizienten. Zudem können beispielsweise polymere Membranen der Membran- Elektroden- Anordnungen in feuchtem Zustand gequollen und kalt, oder gequollen und warm sein. Auch kann der Zellenstapel 1 noch warm sein und die Membranen schon trockener oder umgekehrt - wie beispielsweise beim Anfahren. Aufgrund von Wärme und Quellen würde der Zellenstapel 1 im unverpressten Zustand also dementsprechende Längenänderungen in Stapelrichtung erfahren. A single cell 4 designed as a fuel cell usually comprises a bipolar plate and a membrane-electrode arrangement, more precisely two bipolar plate halves and a membrane-electrode arrangement. Furthermore, an individual cell 4 designed as a fuel cell comprises a plurality of seals. By stacking the metallic bipolar plates, membrane-electrode arrangements and seals, as well as other structures - such as graphitic gas diffusion layers - a spatially different series connection of materials and their coefficients of thermal expansion is created in the stacking direction. In addition, for example, polymeric membranes of the membrane-electrode arrangements can be swollen and cold or swollen and warm in the moist state. The cell stack 1 can also be still warm and the membranes can be drier or vice versa - such as when starting up, for example. Due to heat and sources, the cell stack 1 would experience corresponding changes in length in the stacking direction in the unpressed state.
Das Verpressen des Zellenstapels 1 erfordert für seine robuste Funktion das Aufbringen einer definierten Verpressung. Dies ist in der Regel im Stand der Technik nur eingeschränkt möglich, da auch die Spannvorrichtung 10 des Zellenstapels 1 der Wärmedehnung unterliegt. Dies kann zwar theoretisch rechnerisch berücksichtigt werden, in der Praxis tritt jedoch die Einschränkung auf, dass die tatsächliche lokale Temperatur, insbesondere beim Anfahren des Zellenstapels 1 oder auch im instationären Betrieb nur unzureichend vorhergesagt werden können. The pressing of the cell stack 1 requires the application of a defined pressing for its robust function. As a rule, this is only possible to a limited extent in the prior art, since the tensioning device 10 of the cell stack 1 is also subject to thermal expansion. Although this can theoretically be taken into account computationally, in practice the restriction arises that the actual local temperature, in particular when starting up the cell stack 1 or also in transient operation, can only be predicted inadequately.
Im Stand der Technik längt sich der Zellenstapel 1 nicht nur Undefiniert, auch die Spannvorrichtung 10 hält keinen konstanten Abstand. Dies versucht man im Stand der Technik teilweise durch Ausgleichs- oder Dehnelemente sowie aktive Elemente (beispielsweise pneumatische Spannung) oder passive Elemente (wie Federpakete) auszugleichen. In the prior art, the cell stack 1 not only elongates in an undefined manner, the clamping device 10 also does not maintain a constant distance. In the prior art, attempts are made to compensate for this in part by means of compensating or expansion elements as well as active elements (for example pneumatic tension) or passive elements (such as spring assemblies).
Bei dem erfindungsgemäßen Zellenstapel 1 wird die Verspannung jedoch möglichst exakt über das Stellelement 11 eingestellt, je nach Ausführung passiv oder aktiv. Der Zellenstapel 1 wird mechanisch geklammert durch die Spannvorrichtung 10, welche beispielsweise ein Gehäuse, mehrere Schrauben oder Spannbänder sein können. Dabei wird die axiale Kraft in z-Richtung zum Verspannen der beiden Endplatten 2, 3 des Zellenstapels 1 beispielsweise durch die Kohlefaserstrukturen der Spannvorrichtung 10 übertragen. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient von Stahl - welches der typische Werkstoff für die Bipolarplatten der Einzelzellen 4 ist - mit -11,5 * 10L-6 m/(m*K) gegenüber einem Kohlefaserverbundwerkstoff mit -0,2 * 10L-6 m/(m*K) vergleichsweise groß ist, kann der Zellenstapel 1 bei der Verwendung der Spannvorrichtung 10 aus Kohlefaserverbundwerkstoff - bzw. aus einem vergleichbaren Spannmaterial - deutlich definierter gespannt werden, weil die lokale Ausdehnung der Spannvorrichtung 10 durch unbekannte Temperaturen keine Rolle mehr spielt. Damit könnten solche Spannvorrichtungen 10 sogar in den Fluidkanälen eingesetzt werden, da sich die Spannvorrichtung 10 aus Kohlefaserverbundwerkstoff beim Einströmen von erwärmtem Gas nicht längen würde. In the case of the cell stack 1 according to the invention, however, the tension is set as precisely as possible via the adjusting element 11, depending on the design, passively or active. The cell stack 1 is clamped mechanically by the tensioning device 10, which can be, for example, a housing, several screws or tensioning straps. In this case, the axial force in the z-direction for clamping the two end plates 2, 3 of the cell stack 1 is transmitted, for example, through the carbon fiber structures of the clamping device 10. Since the coefficient of thermal expansion of steel - which is the typical material for the bipolar plates of the individual cells 4 - is -11.5 * 10 L -6 m / (m * K) compared to a carbon fiber composite material with -0.2 * 10 L -6 m / (m * K) is comparatively large, the cell stack 1 can be clamped in a much more defined manner when using the clamping device 10 made of carbon fiber composite material - or from a comparable clamping material - because the local expansion of the clamping device 10 due to unknown temperatures no longer plays a role. Such clamping devices 10 could thus even be used in the fluid channels, since the clamping device 10 made of carbon fiber composite material would not elongate when heated gas flows in.
Der Ausgleich der thermischen Längenänderungen der Einzelzellen 4 wird somit von dem Stellelement 11 übernommen, bevorzugt von ihm komplett übernommen. Dies kann dabei aktiv, wie beispielweise bei einem als Piezo-Aktor ausgebildeten Stellelement 11 sein, oder auch passiv, indem beispielsweise das Stellelement 11 in die Spannvorrichtung 10 integriert ist und einen deutlich größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Einzelzellen 4 aufweist. The compensation of the thermal changes in length of the individual cells 4 is thus taken over by the adjusting element 11, preferably completely taken over by it. This can be active, for example in the case of an actuating element 11 designed as a piezo actuator, or else passive, for example in that the actuating element 11 is integrated into the clamping device 10 and has a significantly greater coefficient of thermal expansion than the individual cells 4.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Zellenstapel (1) mit mehreren Einzelzellen (4), wobei die Einzelzellen (4) zwischen zwei Endplatten (2, 3) mittels zumindest einer Spannvorrichtung (10) verspannt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Spannvorrichtung (10) aus einem Spannmaterial besteht, wobei das Spannmaterial einen Wärmeausdehnungskoeffizient < 2,5* 10L-6 m/(m*K) besitzt. 1. Cell stack (1) with several individual cells (4), the individual cells (4) being clamped between two end plates (2, 3) by means of at least one clamping device (10), characterized in that the at least one clamping device (10) consists of a Tensioning material, whereby the tensioning material has a coefficient of thermal expansion <2.5 * 10 L -6 m / (m * K).
2. Zellenstapel (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Spannmaterial einen Elastizitätsmodul > 90.000 N/mm2 besitzt. 2. cell stack (1) according to claim 1, characterized in that the tensioning material has a modulus of elasticity> 90,000 N / mm 2 .
3. Zellenstapel (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Spannmaterial als Kohlefaserverbundwerkstoff ausgeführt ist. 3. cell stack (1) according to claim 2, characterized in that the tensioning material is designed as a carbon fiber composite material.
4. Zellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Spannvorrichtung (10) als Zuganker ausgeführt ist. 4. cell stack (1) according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the at least one clamping device (10) is designed as a tie rod.
5. Zellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Spannvorrichtung (10) als Gehäuse ausgeführt ist. 5. cell stack (1) according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the at least one clamping device (10) is designed as a housing.
6. Zellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Spannvorrichtung (10) als Spannband ausgeführt ist. 6. cell stack (1) according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the at least one clamping device (10) is designed as a clamping band.
7. Zellenstapel (1) nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Spannvorrichtung (10) in einem Dehnbereich (10a) einen verringerten Querschnitt aufweist. 7. cell stack (1) according to claim 6, characterized in that the at least one clamping device (10) has a reduced cross section in an expansion region (10a).
8. Zellenstapel (1) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass der verringerte Querschnitt mittels einer Taillierung erzielt ist. 8. cell stack (1) according to claim 7, characterized in that the reduced cross section is achieved by means of a waist.
9. Zellenstapel (1) nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass der verringerte Querschnitt mittels einer Verdünnung erzielt ist. 9. cell stack (1) according to claim 7 or 8, characterized in that the reduced cross section is achieved by means of a thinning.
10. Zellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Zellenstapel (1) ein Stellelement (11) aufweist. 10. cell stack (1) according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the cell stack (1) has an adjusting element (11).
11. Zellenstapel (1) nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (11) als Piezo-Aktor ausgeführt ist. 11. cell stack (1) according to claim 10, characterized in that the adjusting element (11) is designed as a piezo actuator.
12. Zellenstapel (1) nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (11) einen Abstandhalter (11a) aufweist. 12. cell stack (1) according to claim 10 or 11, characterized in that the adjusting element (11) has a spacer (11a).
13. Zellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (11) in die Spannvorrichtung (10) integriert ist. 13. cell stack (1) according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the adjusting element (11) is integrated in the clamping device (10).
14. Zellenstapel (1) nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (11) einen größeren Wärmeübergangskoeffizienten als die Einzelzellen (4) aufweist. 14. cell stack (1) according to claim 13, characterized in that the adjusting element (11) has a greater heat transfer coefficient than the individual cells (4).
15. Zellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (11) in den Zellenstapel (1) integriert ist. 15. cell stack (1) according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the adjusting element (11) is integrated in the cell stack (1).
16. Zellenstapel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, dass der Zellenstapel (1) einen Fluidkanal (15) zum Zuführen eines Fluids zu den Einzelzellen (4) aufweist, wobei die Spannvorrichtung (10) zumindest teilweise in dem Fluidkanal (15) angeordnet ist. 16. cell stack (1) according to any one of claims 1 to 15, characterized in that the cell stack (1) has a fluid channel (15) for supplying a fluid to the individual cells (4), wherein the Clamping device (10) is arranged at least partially in the fluid channel (15).
17. Kraftfahrzeug mit einem als Brennstoffzellenstapel ausgeführtem Zellenstapel (1) nach einem der vorherigen Ansprüche. 17. Motor vehicle with a cell stack (1) designed as a fuel cell stack according to one of the preceding claims.
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