WO2021121779A1 - Brennstoffzelle mit einer nachstellvorrichtung zum ausgleich des setzverhaltens innerhalb des stapelaufbaus - Google Patents

Brennstoffzelle mit einer nachstellvorrichtung zum ausgleich des setzverhaltens innerhalb des stapelaufbaus Download PDF

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WO2021121779A1
WO2021121779A1 PCT/EP2020/081501 EP2020081501W WO2021121779A1 WO 2021121779 A1 WO2021121779 A1 WO 2021121779A1 EP 2020081501 W EP2020081501 W EP 2020081501W WO 2021121779 A1 WO2021121779 A1 WO 2021121779A1
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WO
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fuel cell
stack structure
plate part
tensioning
shape memory
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PCT/EP2020/081501
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Jochen Wessner
Gudrun Oehler
Eberhard Maier
Harald Bauer
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/248—Means for compression of the fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell with an adjustment device to compensate for the setting behavior within the stack structure and to a method for compensating the setting behavior within the stack structure.
  • a fuel cell with an adjustment device to compensate for the setting behavior within a stack structure of individual elements comprising at least one thermally activatable tensioning element which acts on the stack structure.
  • the solution proposed according to the invention results in a settling behavior that occurs in the stack structure during operation of the fuel cell the tensioning elements used are automatically compensated for when the temperature rises during operation, without the need to re-tension external elements, for example tie rods or screw connections or tensioning elements.
  • the at least one tensioning element is made from a shape memory material or a shape memory alloy.
  • the at least one tensioning element is arranged in such a way that it acts directly on the stack structure or, with the interposition of a pressure plate designed, for example, as a honeycomb structure, on the latter.
  • the honeycomb structure which is located above the stack structure, for example, can be equipped with a number of tensioning elements integrated into it.
  • the honeycomb structure can be designed, for example, in such a way that it comprises a first layer and at least one further layer with tensioning elements received therein.
  • the solution proposed according to the invention is designed in such a way that the at least one tensioning element or the honeycomb structure containing a plurality of tensioning elements are arranged such that a tensioning force is introduced either into a central area and / or into an outer area of the stack structure.
  • An increase in the clamping force within the stack structure is advantageous, for example, in the central area of the stack structure in order to maintain the gas tightness.
  • the at least one clamping element or the honeycomb structure with a number of clamping elements can advantageously be arranged within a free space between a first plate part and a second plate part.
  • the second plate part which is arranged above the stack structure, is displaceable relative to the first plate part.
  • a second plate part which acts as a pressure plate
  • the second plate part which is arranged movably relative to the first plate part and acts on the stack structure, can comprise a central part as well as two edge regions which can be actuated separately from one another by a number of clamping elements depending on the thermal energy supply.
  • a bracing force can be introduced into the central area of the stack structure in particular, with the edge areas of the stack structure being able to be subjected to a bracing force that differs therefrom due to the divided arrangement of the second plate part.
  • the divided second plate part can in particular have a flexible membrane with which the two edge regions and the central region are connected to one another. Due to the split design of the second plate part with or without a flexible membrane, the stack structure of the fuel cell is acted upon either from the bottom or from the top from one of the end plates.
  • the invention also relates to a method for compensating for the settling behavior of a stack structure of a fuel cell, the following process steps being carried out: a) Arranging at least one clamping element or a honeycomb structure with clamping elements made of a shape memory material or a shape memory alloy on a stack structure , b) deformation of the at least one tensioning element or the honeycomb structure with a number of tensioning elements in the cold state by a deformation AL, c) generating a tensioning force acting on the stack structure when thermal energy is supplied to the shape memory material or to the shape memory alloy of the tensioning elements or to the shape memory material or to the shape memory alloy of the Tensioning elements of the honeycomb structure when they assume their original shape.
  • the thermal energy supply taking place according to method step c) in the stack structure is given as the thermal energy inherent in this during operation; Furthermore, there is the possibility of creating the thermal energy supply by converting electrical energy into thermal energy by means of a resistor.
  • a key advantage that should be emphasized is that re-tensioning operations can be dispensed with.
  • the at least one tensioning element or the honeycomb structure with a number of tensioning elements, each made of a shape memory material or a shape memory alloy, can automatically compensate for the settling behavior within the stack structure of the fuel cell. Settling phenomena that occur depending on the individual operating temperature are also individually compensated for by the solution proposed according to the invention.
  • both a central area of the stack structure, in which the active membrane areas of the fuel cells are generally located, as well as the edge area can be acted upon in a targeted manner, in order to take account of settling phenomena that arise.
  • the thermal energy supply leads to the tensioning element or the honeycomb structure with tensioning elements being deformed from a deformed state in the cold state back into its original position.
  • the energy supply can be generated on the one hand by the increased temperature of the fuel cell that occurs during its operation, on the other hand there is the possibility of displaying the thermal energy supply by converting electrical energy into thermal energy, for example via an ohmic resistor, and converting it in this way there is a temperature increase which converts the at least one tensioning element or the honeycomb structure with tensioning elements from its deformed state to its initial state.
  • the retensioning process which is made possible by the adjusting device integrated into the fuel cell provided according to the invention, can be carried out, for example, when the vehicle is in operation. Furthermore, there is the possibility that settlement phenomena in the stack structure can also be carried out when the fuel cell is installed in the vehicle and during a service appointment. Furthermore, the adjustment device can be set during production.
  • the second plate part which acts on the stack structure from the bottom or the top of the fuel cell, can be designed with a split second plate part.
  • This can include, for example, a central area and two edge areas, which can be connected to one another via a flexible membrane, for example.
  • a punctiform, defined pre-tensioning adjustment can take place, with a pre-tensioning in the central area, i. H. in the active membrane area of the individual elements can turn out differently than a change in preload in the area of the edges of the stack structure of the fuel cell.
  • Figure 1 shows a stack structure of a fuel cell according to the prior art with screw connection
  • FIG. 2 shows a fuel cell stack according to the prior art, tensioned with tensioning straps
  • FIG. 3 shows a stack structure of a fuel cell with rigid structural elements
  • FIG. 4 shows a variant of the adjustment device proposed according to the invention to compensate for the setting behavior
  • Figure 4.1 shows a variant of the adjustment device with a split pressure plate
  • Figure 4.2 shows a variant of the split printing plate according to the
  • Figure 5 shows an adjustment device with decentrally arranged latching hooks.
  • FIG. 1 shows a fuel cell 10 with a stack structure 12 made up of a number of individual elements 14.
  • the stack structure 12 is delimited at its ends by a first end plate 16 and a second end plate 18.
  • the stack structure 12 is braced by tie rods 20 which are each provided with a screw connection 22 below the respective end plates 16, 18.
  • FIG. 2 shows a fuel cell 10, which likewise has a stack structure 12 made up of a number of individual elements 14 arranged one above the other.
  • the stack structure 12 is also limited here by the first end plate 16 and the second end plate 18.
  • a central plate 24 is located within the stack structure 12.
  • the stack structure 12 of the fuel cell 10 according to FIG. 2 is fixed by a first tensioning strap 26 and a second tensioning strap 28. Both tensioning straps 26, 28 are designed with a tensioning strap width 30.
  • FIG. 3 shows a fuel cell 10 which has a stack structure 12 and also a number of individual elements 14 arranged one above the other.
  • a rigid plate 32 is located between the first end plate 16 and the top of the stacked structure 12, overlying a structure 36 which bridges an intermediate space 34, the structure 36 being provided with individual openings 38.
  • FIG. 4 shows an embodiment variant of the adjusting device proposed according to the invention to compensate for the setting behavior of a stack structure 12 of a fuel cell 10.
  • FIG. 4 shows that the fuel cell 10 has a stack structure 12 made up of a number of individual elements 14 lying one on top of the other.
  • the top of the stack structure 12 as shown in FIG. 4 is acted upon by the first end plate 16.
  • the first end plate 16 is braced by tie rods 20, which are only indicated in FIG. 4, tension straps 26, 28 and a further end plate not shown in FIG.
  • FIG. 4 shows that the first end plate 16 has a two-part structure.
  • the first end plate 16 comprises a first plate part 40 and a second plate part 42 movable relative to it.
  • the first plate part 40 of the first end plate 16 is clamped to an end plate not shown in FIG.
  • the second plate part 42 can be moved relative to the fixed first plate part 40.
  • the second plate part 42 is guided within a guide section 60 on the first plate part 40.
  • Reference numeral 44 denotes a joint which runs between the first plate part 40 and the second plate part 42.
  • the two plate parts 40 and 42 respectively enclose a free space 46 with one another.
  • at least one tensioning element 48 can be arranged within this free space 46.
  • a number of tensioning elements 48 can also be provided across the width of the free space 46 between the first plate part 40 and the second plate part 42.
  • a honeycomb structure 64 which contains a number of tensioning elements 48, can also be arranged within the free space 46.
  • the honeycomb structure 64 can have a first layer 66 with tensioning elements 48 and at least one further second layer 68 with tensioning elements 48.
  • An adjustment device to compensate for the settling behavior within the stack structure 12 comprises the first plate part 40, the second plate part 42, at least one tensioning element 48 and, alternatively, the honeycomb structure 64, which can have a number of tensioning elements 48.
  • FIG. 4 shows that a single tensioning element 48 has two tensioning struts 52, 54 connected to one another via a joint 50.
  • the two tension struts 52, 54 connected to one another via the joint 50 are supported on a contact surface 56 on the first plate part 40 or on a contact surface 58 of the second plate part 42.
  • the stack structure 12 is in a cold state.
  • the ends of the tension struts 52, 54 are transferred into a deformed state 74 by a deformation path AL 70.
  • AL 70 deformation path
  • the deformation path AL see position 70, is shown starting from an initial shape 72 of the undeformed tensioning element 48 or from its first tensioning strut 52.
  • the stack structure 12 is in operation, as shown in FIG. 4, settling phenomena occur between the individual elements 14. As a result, the stack height decreases.
  • thermal energy is supplied to the tensioning elements 48 or the honeycomb structure 64, which has tensioning elements 48 arranged in layers 66, 68, for example. Since the clamping elements 48 are made of a shape memory material or a shape memory alloy, they assume their initial shape 72 as the temperature rises.
  • the tensioning elements 48 or the honeycomb structure 64 press away from the contact surface 56 of the fixed first plate part 40 and impose a tensioning force 78 on the stacked structure 12 or the number of individual elements 14 lying one above the other.
  • the size of this clamping force 78 is individually dependent on the setting behavior that occurs at the individual temperatures that are established.
  • the adjustment device proposed according to the invention to compensate for the setting behavior can achieve a correction of the tension force 78 within the stack structure 12, so that a gas-tight contact of the individual elements 14 can be achieved, in particular within their active membrane area.
  • the relative movement of the second plate part 42 with respect to the fixedly mounted first plate part 40 is indicated by reference numeral 62.
  • FIG. 4 shows that, depending on the arrangement of the tensioning element (s) 48 or the size of the honeycomb structure 64, which are arranged in the free space 46, either a central area 82 can be acted upon with a varied tensioning force 78 or the tensioning force can be increased 78 can be introduced into outer areas 80 next to the central area 82.
  • the increase in the clamping force 78 takes place through the return deformation, i. H.
  • the tensioning force 78 is compensated and adjusted due to settling phenomena in the stack structure 12 without re-tensioning the elements bracing the fixed first plate part 40, d. H. of the tie rod 20 and possibly the tensioning straps 26, 28 is required.
  • the proposed invention also discloses a method for compensating for the settling behavior within a stack structure 12 of a fuel cell 10, with at least the following method steps being carried out: a) Arranging at least one tensioning element 48 or a honeycomb structure 64 with tensioning elements 48 made of a shape memory material or a shape memory alloy are made on a stack structure 12, b) deformation of the at least one clamping element 48 or the honeycomb structure 64 with a number of clamping elements 48 in the cold state by a deformation AL 70, c) generating a clamping force 78 acting on the stack structure 12 when thermal energy is supplied to the Shape memory material or for the shape memory alloy of the clamping elements 48 or for the shape memory material or for the shape memory alloy of the clamping elements 48 of the honeycomb structure 64 when they assume their original initial shape 72.
  • the deformation of the shape memory material or the shape memory alloy can be performed Clamping elements 48 are used from a cold state to an original state with thermal energy supply to adapt the clamping force 78 which is introduced into the stack structure 12.
  • the thermal energy supply according to method step c) can either result from the temperature increase of the stack structure 12 during operation of the fuel cell 10 or can also be generated, for example, by converting electrical energy in an ohmic resistance into a temperature increase, ie a thermal energy supply.
  • Figure 4.1 shows a variant of the adjustment device with a split pressure plate.
  • the free space 46 in the embodiment variant according to FIG. 4.1 is delimited by the first plate part 40 and a divided second plate part 84.
  • the divided second plate part 84 comprises a first edge part 86 and a second edge part 88 between which a central part 90 is implemented.
  • the clamping elements 48 which are manufactured from a shape memory material or a shape memory alloy, different clamping forces 78 can be introduced into the stack structure 12 through the divided second plate part 84.
  • the clamping force 78 which is introduced into the central area 82 of the stack structure 12 via the central part 90, can be higher than the clamping forces 78 which are created in the outer areas 80 of the stack structure 12 by the first edge part 86 and the second edge part 88 can be initiated.
  • FIG. 4.2 shows the variant embodiment according to FIG. 4.1, the individual parts of the divided second plate part 84 being connected to one another by a flexible membrane element 92.
  • this variant there is the possibility of using the individual components, i. H. to connect the first edge part 86, the second edge part 88 and the central part 90 to one another by means of the flexible membrane 92.
  • Both embodiment variants of FIGS. 4.1 and 4.2 have in common that a punctiform, defined adaptation of the clamping force 78 can be initiated depending on the location within the stack structure 12.
  • the tension forces 78 that can be introduced into the outer regions 80 of the stack structure 12, may differ from the tension force 78 which is introduced into the central region 82 of the stack structure 12.
  • each of the two decentrally arranged latching hooks 96, 98 are shown, each of which protrudes through openings 38 through the first plate part 40 of the first end plate 16.
  • Each of the two decentralized latching hooks 96, 98 has a number of lugs 102 which are each delimited by a slope 100.
  • a basic tension is introduced into the stack structure 12 of individual elements 14 arranged one above the other. As soon as this basic tension decreases due to the occurrence of settling movements, the at least one tensioning element 48, which is arranged in the free space 46, is activated.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle (10) mit einer Nachstellvorrichtung (40, 42, 48, 64) zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus (12). Die Nachstellvorrichtung (40, 42, 48, 64) umfasst mindestens ein thermisch aktivierbares Spannelement (48), welches auf den Stapelaufbau (12) einwirkt. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Ausgleich des Setzverhaltens eines Stapelaufbaus (12) einer Brennstoffzelle (10).

Description

Brennstoffzelle mit einer Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb des Stapelaufbaus
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit einer Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb des Stapelaufbaus sowie auf ein Verfahren zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb des Stapelaufbaus.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Brennstoffzellen, insbesondere deren Stapelaufbau, mit Spannelementen zu versehen, beispielsweise aus DE 11 2007001371 B4 oder US 7,951,502 B2. Bei beiden Lösungen wird der Stapelaufbau, umfassend eine Anzahl übereinander gestapelter Einzelelemente durch Endplatten beaufschlagt, die entweder über Zuganker mit Verschraubungen gegeneinander verspannt oder über zwei parallel zueinander den Stapelaufbau umwickelnde Spannbänder verspannt sind. Mit den oben stehend genannten Lösungen ist ein Nachspannen des Stapelaufbaus bei sich beispielsweise im Betrieb von Brennstoffzellen einsetzendem Setzverhalten durch Nachziehen der Verschraubungen beziehungsweise Nachspannen der Spannbänder möglich.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Brennstoffzelle mit einer Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus aus Einzelelementen vorgeschlagen, wobei die Nachstellvorrichtung mindestens ein thermisch aktivierbares Spannelement umfasst, welches auf den Stapelaufbau einwirkt.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird ein sich im Stapelaufbau bei Betrieb der Brennstoffzelle einstellendes Setzverhalten durch die eingesetzten Spannelemente bei sich im Betrieb einstellender steigender Temperatur automatisch ausgeglichen, ohne dass es des Nachspannens äußerer Elemente, beispielsweise von Zugankern oder Verschraubungen oder Spannelementen, bedarf. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist das mindestens eine Spannelement aus einem Formgedächtnismaterial oder einer Formgedächtnislegierung gefertigt.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle ist das mindestens eine Spannelement so angeordnet, dass es unmittelbar auf den Stapelaufbau oder unter Zwischenschaltung einer beispielsweise als Wabenstruktur ausgebildeten Druckplatte auf diesen einwirkt.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann die Wabenstruktur, die sich beispielsweise oberhalb des Stapelaufbaus befindet, mit einer Anzahl von in diese integrierten Spannelementen ausgestattet sein. Die Wabenstruktur kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass diese eine erste Schicht und mindestens eine weitere Schicht mit darin aufgenommenen Spannelementen umfasst.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist derart ausgestaltet, dass das mindestens eine Spannelement oder die mehrere Spannelemente enthaltende Wabenstruktur derart angeordnet sind, dass eine Spannkraft entweder in einen zentralen Bereich und/oder in einen Außenbereich des Stapelaufbaus eingeleitet wird. Eine Erhöhung der Spannkraft innerhalb des Stapelaufbaus ist beispielsweise im zentralen Bereich des Stapelaufbaus vorteilhaft, um die Gasdichtigkeit beizubehalten.
In vorteilhafter Weise kann bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle das mindestens eine Spannelement oder die Wabenstruktur mit einer Anzahl von Spannelementen innerhalb eines Freiraums zwischen einem ersten Plattenteil und einem zweiten Plattenteil angeordnet werden. Bei dieser Ausführungsvariante ist das zweite Plattenteil, welches oberhalb des Stapelaufbaus angeordnet ist, relativ zum ersten Plattenteil verschieblich.
In einer Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle mit einer Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens kann ein zweites Plattenteil, das als Druckplatte wirkt, geteilt ausgeführt sein. Das relativ zum ersten Plattenteil bewegbar angeordnete, den Stapelaufbau beaufschlagende, zweite Plattenteil kann ein zentrales Teil sowie zwei Randbereiche umfassen, die durch eine Anzahl von Spannelementen je nach thermischer Energiezufuhr getrennt voneinander betätigbar sind. Somit kann eine Verspannkraft insbesondere in den zentralen Bereich des Stapelaufbaus eingeleitet werden, wobei die Randbereiche des Stapelaufbaus aufgrund der geteilten Anordnung des zweiten Plattenteils mit einer davon abweichenden Verspannkraft beaufschlagt werden können. Das geteilt ausgebildete zweite Plattenteil kann insbesondere eine nachgiebige Membran aufweisen, mit welcher die beiden Randbereiche und der zentrale Bereich miteinander verbunden sind. Durch die geteilte Ausführung des zweiten Plattenteils mit oder ohne nachgiebiger Membran wird der Stapelaufbau der Brennstoffzelle entweder von der Unterseite oder von der Oberseite her von einer der Endplatten aus beaufschlagt.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Ausgleich des Setzverhaltens eines Stapelaufbaus einer Brennstoffzelle, wobei die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Anordnen mindestens eines Spannelements oder einer Wabenstruktur mit Spannelementen, die aus einem Formgedächtnismaterial oder einer Formgedächtnislegierung gefertigt sind, an einem Stapelaufbau, b) Verformung des mindestens einen Spannelements oder der Wabenstruktur mit einer Anzahl von Spannelementen im kalten Zustand um eine Verformung AL, c) Erzeugen einer auf den Stapelaufbau wirkenden Spannkraft bei thermischer Energiezufuhr zum Formgedächtnismaterial oder zur Formgedächtnislegierung der Spannelemente oder zum Formgedächtnismaterial oder zur Formgedächtnislegierung der Spannelemente der Wabenstruktur bei deren Annahme ihrer ursprünglichen Ausgangsform.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann ein automatischer Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb des Stapelaufbaus bei thermischer Energiezufuhr erreicht werden, ohne dass es zu manuell durchführbaren Nachspannoperationen an Spannbändern oder Verschraubungen oder dergleichen kommen müsste. Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren ist insbesondere die gemäß Verfahrensschritt c) erfolgende thermische Energiezufuhr im Stapelaufbau als die diesem innewohnende thermische Energie bei Betrieb gegeben; des Weiteren besteht die Möglichkeit, die thermische Energiezufuhr dadurch zu kreieren, dass elektrische Energie mittels eines Widerstands in thermische Energie umgewandelt wird.
Vorteile der Erfindung
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist als schlagender Vorteil hervorzuheben, dass auf Nachspannoperationen verzichtet werden kann. Durch das mindestens eine Spannelement beziehungsweise die Wabenstruktur mit einer Anzahl aus Spannelementen, die jeweils aus einem Formgedächtnismaterial oder einer Formgedächtnislegierung gefertigt sind, kann ein automatischer Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb des Stapelaufbaus der Brennstoffzelle erfolgen. Sich je nach individueller Betriebstemperatur einstellende Setzerscheinungen werden durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung auch individuell ausgeglichen. Dabei kann es je nach Anordnung der Spannelemente beziehungsweise einer Spannelemente umfassenden, auch mehrschichtig ausgebildeten, Wabenstruktur dazu kommen, dass sowohl ein zentraler Bereich des Stapelaufbaus, in dem sich im Allgemeinen die aktiven Membranbereiche der Brennstoffzellen befinden, sowie auch der Randbereich gezielt beaufschlagt werden kann, um Setzerscheinungen, die sich einstellen, Rechnung zu tragen.
Die thermische Energiezufuhr führt dazu, dass sich das Spannelement beziehungsweise die Wabenstruktur mit Spannelementen von einem verformten Zustand in kaltem Zustand wieder in seine beziehungsweise ihre Ausgangslage rückdeformiert. Die Energiezufuhr kann einerseits durch die erhöhte Temperatur der Brennstoffzelle erzeugt werden, die sich bei deren Betrieb einstellt, andererseits besteht die Möglichkeit, die thermische Energiezufuhr auch dadurch darzustellen, dass elektrische Energie beispielsweise über einen ohmschen Widerstand in thermische Energie umgewandelt wird und es auf diesem Wege zu einer Temperaturerhöhung kommt, die das mindestens eine Spannelement beziehungsweise die Wabenstruktur mit Spannelementen von ihrem verformten Zustand in ihren Ausgangszustand überführt. Der Nachspannvorgang, der durch die erfindungsgemäß vorgesehene in die Brennstoffzelle integrierte Nachstellvorrichtung möglich ist, kann beispielsweise bei Betrieb des Fahrzeugs vorgenommen werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass der Ausgleich von Setzerscheinungen im Stapelaufbau auch bei im eingebauten Zustand der Brennstoffzelle in das Fahrzeug vorgenommen werden kann sowie während eines Service-Termins. Des Weiteren kann die Nachstellvorrichtung bereits innerhalb der Fertigung eingestellt werden.
Als vorteilhafte Ausführungsvariante kann das zweite Plattenteil, welches den Stapelaufbau von der Unterseite oder der Oberseite der Brennstoffzelle her beaufschlagt mit einem geteilt ausgebildeten zweiten Plattenteil ausgeführt sein. Dieses kann beispielsweise einen zentralen Bereich sowie zwei Randbereiche umfassen, die beispielsweise über eine nachgiebige Membran miteinander verbunden sein können. In dieser Ausführungsvariante kann eine punktuelle definierte Vorspannungsanpassung erfolgen, wobei eine Vorspannung im zentralen Bereich, d. h. im aktiven Membranbereich der Einzelelemente anders ausfallen kann als eine Vorspannungsänderung im Bereich der Ränder des Stapelaufbaus der Brennstoffzelle.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
Figur 1 einen Stapelaufbau einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik mit Verschraubung,
Figur 2 einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik, verspannt mit Spannbändern,
Figur 3 einen Stapelaufbau einer Brennstoffzelle mit starren Strukturelementen, Figur 4 eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens,
Figur 4.1 eine Ausführungsvariante der Nachstellvorrichtung mit geteilter Druckplatte,
Figur 4.2 eine Ausführungsvariante der geteilten Druckplatte gemäß der
Darstellung in Figur 4.1 und einem nachgiebigen Membranelement und
Figur 5 eine Nachstellvorrichtung mit dezentral angeordneten Rasthaken.
Figur 1 zeigt eine Brennstoffzelle 10 mit einem Stapelaufbau 12 aus einer Anzahl von Einzelelementen 14. Der Stapelaufbau 12 ist an seinen Enden durch eine erste Endplatte 16 und eine zweite Endplatte 18 begrenzt. Gemäß der in Figur 1 dargestellten Ausführungsvariante des Stands der Technik erfolgt eine Verspannung des Stapelaufbaus 12 durch Zuganker 20, die unterhalb der jeweiligen Endplatten 16, 18 jeweils mit einer Verschraubung 22 versehen sind.
Figur 2 zeigt eine Brennstoffzelle 10, die ebenfalls einen Stapelaufbau 12 aus einer Anzahl von übereinanderliegend angeordneten Einzelelementen 14 aufweist. Der Stapelaufbau 12 ist auch hier durch die erste Endplatte 16 und die zweite Endplatte 18 begrenzt. Innerhalb des Stapelaufbaus 12 befindet sich bei der Lösung gemäß Figur 2 eine Mittelplatte 24. Der Stapelaufbau 12 der Brennstoffzelle 10 gemäß Figur 2 wird durch ein erstes Spannband 26 sowie ein zweites Spannband 28 fixiert. Beide Spannbänder 26, 28 sind in einer Spannbandbreite 30 ausgebildet.
Figur 3 zeigt eine Brennstoffzelle 10, die einen Stapelaufbau 12 und ebenfalls eine Anzahl übereinander liegend angeordneter Einzelelemente 14 aufweist. Zwischen der ersten Endplatte 16 und der Oberseite des Stapelaufbaus 12 befindet sich eine starre Platte 32, darüber liegend eine Struktur 36, die einen Zwischenraum 34 überbrückt, wobei die Struktur 36 mit einzelnen Öffnungen 38 versehen ist.
Ausführungsformen der Erfindung In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Der Darstellung gemäß Figur 4 ist eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens eines Stapelaufbaus 12 einer Brennstoffzelle 10 zu entnehmen.
Figur 4 zeigt, dass die Brennstoffzelle 10 einen Stapelaufbau 12 aus einer Anzahl übereinanderliegender Einzelelemente 14 aufweist. Der Stapelaufbau 12 gemäß der Darstellung in Figur 4 ist an seiner Oberseite von der ersten Endplatte 16 beaufschlagt. Die erste Endplatte 16 ist durch in Figur 4 nur angedeutete Zuganker 20, Spannbänder 26, 28 und einer in Figur 4 nicht dargestellten weiteren Endplatte verspannt.
Figur 4 zeigt, dass die erste Endplatte 16 einen zweiteiligen Aufbau aufweist. Die erste Endplatte 16 umfasst ein erstes Plattenteil 40 sowie ein relativ zu diesem bewegbares zweites Plattenteil 42. Das erste Plattenteil 40 der ersten Endplatte 16 ist über die erwähnten Zuganker 20 beziehungsweise Spannbänder 26, 28 mit einer in Figur 4 nicht weiter dargestellten Endplatte verspannt.
Aus Figur 4 geht hervor, dass das zweite Plattenteil 42 relativ zum fixierten ersten Plattenteil 40 bewegbar ist. Dazu ist das zweite Plattenteil 42 innerhalb eines Führungsabschnitts 60 am ersten Plattenteil 40 geführt. Mit Bezugszeichen 44 ist eine Fuge bezeichnet, die zwischen dem ersten Plattenteil 40 und dem zweiten Plattenteil 42 verläuft. Die beiden Plattenteile 40 beziehungsweise 42 schließen miteinander einen Freiraum 46 ein. Innerhalb dieses Freiraums 46 kann, wie in Figur 4 dargestellt, mindestens ein Spannelement 48 angeordnet sein. Es kann über die Breite des Freiraums 46 zwischen dem ersten Plattenteil 40 und dem zweiten Plattenteil 42 auch eine Anzahl von Spannelementen 48 vorgesehen sein. Des Weiteren kann ebenfalls wie in Figur 4 angedeutet innerhalb des Freiraums 46 eine Wabenstruktur 64 angeordnet sein, die eine Anzahl von Spannelementen 48 enthält. Die Wabenstruktur 64 kann eine erste Schicht 66 mit Spannelementen 48 sowie mindestens eine weitere zweite Schicht 68 mit Spannelementen 48 aufweisen. Eine Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb des Stapelaufbaus 12 umfasst das erste Plattenteil 40, das zweite Plattenteil 42, mindestens ein Spannelement 48 sowie alternativ die Wabenstruktur 64, die eine Anzahl von Spannelementen 48 aufweisen kann.
Aus der Darstellung gemäß Figur 4 geht hervor, dass ein einzelnes Spannelement 48 zwei über ein Gelenk 50 miteinander verbundene Spannstreben 52, 54 aufweist. Die beiden über das Gelenk 50 miteinander verbundenen Spannstreben 52, 54 stützen sich an einer Anlagefläche 56 am ersten Plattenteil 40 beziehungsweise an einer Anlagefläche 58 des zweiten Plattenteils 42 ab. Bei der Montage des oder der Spannelemente 48 oder der Wabenstruktur 64 mit Spannelementen 48 innerhalb des Freiraums 46 liegt ein kalter Zustand des Stapelaufbaus 12 vor. Bei der Montage in diesem Zustand werden die Enden der Spannstreben 52, 54 um einen Verformungsweg AL 70 in einen verformten Zustand 74 überführt. Wie aus Figur 4 hervorgeht ist der Verformungsweg AL, vgl. Position 70, ausgehend von einer Ausgangsform 72 des unverformten Spannelements 48 beziehungsweise von dessen erster Spannstrebe 52 dargestellt. Im Betrieb des Stapelaufbaus 12 gemäß der Darstellung in Figur 4 kommt es zu Setzerscheinungen zwischen den Einzelelementen 14. Dadurch sinkt die Stapelhöhe. Bei ansteigender Temperatur kommt es zu einer thermischen Energiezufuhr in die Spannelemente 48 beziehungsweise die Wabenstruktur 64, die beispielsweise in Schichten 66, 68 angeordnete Spannelemente 48 aufweist. Da die Spannelemente 48 aus einem Formgedächtnismaterial oder einer Formgedächtnislegierung gefertigt sind, nehmen diese bei steigender Temperatur ihre Ausgangsform 72 an. Dadurch drücken sich die Spannelemente 48 beziehungsweise die Wabenstruktur 64 von der Anlagefläche 56 des fixierten ersten Plattenteils 40 ab und prägen dem Stapelaufbau 12 beziehungsweise der Anzahl übereinanderliegender Einzelelemente 14 desselben eine Spannkraft 78 auf. Die Größe dieser Spannkraft 78 ist individuell abhängig vom sich einstellenden Setzverhalten bei sich einstellenden individuellen Temperaturen. Dadurch kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens eine Korrektur der Spannkraft 78 innerhalb des Stapelaufbaus 12 erreicht werden, sodass eine gasdichte Anlage der Einzelelemente 14 insbesondere innerhalb deren aktiven Membranbereichs erreicht werden kann. Mit Bezugszeichen 62 ist die Relativbewegung des zweiten Plattenteils 42 in Bezug auf das fixiert montierte erste Plattenteil 40 angedeutet.
Des Weiteren ist in Figur 4 dargestellt, dass je nach Anordnung des oder der Spannelemente 48 beziehungsweise der Größe der Wabenstruktur 64, die in dem Freiraum 46 angeordnet sind, entweder ein zentraler Bereich 82 mit einer variierten Spannkraft 78 beaufschlagt werden kann oder die Erhöhung der Spannkraft 78 in Außenbereiche 80 neben den zentralen Bereich 82 eingeleitet werden kann. Die Erhöhung der Spannkraft 78 erfolgt durch die Rückverformung, d. h. den Übergang des oder der Spannelemente 48 von ihrem verformten Zustand 74 in ihre Ausgangsform 72. Durch das Ausfahren des zweiten Plattenteils 42 in die mit Bezugszeichen 62 angedeutete Richtung wird die Spannkraft 78 aufgrund sich einstellender Setzerscheinungen im Stapelaufbau 12 kompensiert und angepasst, ohne dass ein Nachspannen der das fixierte erste Plattenteil 40 verspannenden Elemente, d. h. des Zugankers 20 sowie gegebenenfalls der Spannbänder 26, 28 erforderlich wird.
Die vorgeschlagene Erfindung offenbart darüber hinaus ein Verfahren zum Ausgleichen des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus 12 einer Brennstoffzelle 10, wobei zumindest die nachfolgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden: a) Anordnen mindestens eines Spannelements 48 oder einer Wabenstruktur 64 mit Spannelementen 48, die aus einem Formgedächtnismaterial oder einer Formgedächtnislegierung gefertigt sind, an einem Stapelaufbau 12, b) Verformung des mindestens einen Spannelements 48 oder der Wabenstruktur 64 mit einer Anzahl von Spannelementen 48 im kalten Zustand um eine Verformung AL 70, c) Erzeugen einer auf den Stapelaufbau 12 wirkenden Spannkraft 78 bei thermischer Energiezufuhr zum Formgedächtnismaterial oder zur Formgedächtnislegierung der Spannelemente 48 oder zum Formgedächtnismaterial oder zur Formgedächtnislegierung der Spannelemente 48 der Wabenstruktur 64 bei deren Annahme ihrer ursprünglichen Ausgangsform 72.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann die Rückverformung des Formgedächtnismaterials oder der Formgedächtnislegierung der Spannelemente 48 von einem kalten Zustand in einen Ursprungszustand bei thermischer Energiezufuhr dazu ausgenutzt werden, die Spannkraft 78, die in den Stapelaufbau 12 eingeleitet wird, anzupassen. Die thermische Energiezufuhr gemäß Verfahrensschritt c) kann entweder aus der Temperaturerhöhung des Stapelaufbaus 12 bei Betrieb der Brennstoffzelle 10 hervorgehen oder auch beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass elektrische Energie in einem ohmschen Widerstand in eine Temperaturerhöhung, d. h. eine thermische Energiezufuhr umgewandelt werden kann.
Figur 4.1 zeigt eine Ausführungsvariante der Nachstellvorrichtung mit geteilter Druckplatte.
Analog zur Darstellung gemäß Figur 4, bei der der Freiraum 46 durch das erste Plattenteil 40 sowie das zweite Plattenteil 42 begrenzt ist, ist der Freiraum 46 in der Ausführungsvariante gemäß Figur 4.1 durch das erste Plattenteil 40 sowie ein geteiltes zweites Plattenteil 84 begrenzt. Das geteilte zweite Plattenteil 84 umfasst ein erstes Randteil 86, und ein zweites Randteil 88 zwischen denen ein Zentralteil 90 ausgeführt ist. Je nach Auslenkung der Spannelemente 48, die aus einem Formgedächtnismaterial oder einer Formgedächtnislegierung gefertigt sind, lassen sich durch das geteilte zweite Plattenteil 84 unterschiedliche Spannkräfte 78 in den Stapelaufbau 12 einleiten. So kann beispielsweise die Spannkraft 78, die über das Zentralteil 90 in den zentralen Bereich 82 des Stapelaufbaus 12 eingeleitet wird, höher sein, als die Spannkräfte 78, die jeweils in den Außenbereichen 80 des Stapelaufbaus 12 durch das erste Randteil 86 und das zweite Randteil 88 eingeleitet werden können.
Figur 4.2 zeigt die Ausführungsvariante gemäß der Figur 4.1, wobei die einzelnen Teile des geteilten zweiten Plattenteils 84 durch ein nachgiebiges Membranelement 92 miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausführungsvariante besteht die Möglichkeit, die einzelnen Komponenten, d. h. das erste Randteil 86, das zweite Randteil 88 sowie das Zentralteil 90 durch die nachgiebige Membran 92 miteinander zu verbinden.
Beiden Ausführungsvarianten der Figuren 4.1 und 4.2 ist gemeinsam, dass eine punktuelle definierte Anpassung der Spannkraft 78 abhängig von der Lokalität innerhalb des Stapelaufbaus 12 eingeleitet werden kann. Die Spannkräfte 78, die in die Außenbereiche 80 des Stapelaufbaus 12 eingeleitet werden können, können sich von der Spannkraft 78 unterscheiden, die in den zentralen Bereich 82 des Stapelaufbaus 12 eingeleitet wird.
In der Darstellung gemäß Figur 5 sind die beiden dezentral angeordneten Rasthaken 96, 98 dargestellt, die jeweils durch Öffnungen 38 durch das erste Plattenteil 40 der ersten Endplatte 16 hindurchragen. Ein jeder der beiden dezentralen Rasthaken 96, 98 weist eine Anzahl von Nasen 102 auf, die jeweils durch eine Schräge 100 begrenzt sind. Entsprechend der Verrastung des zweiten Plattenteiles 42 am ersten durch Zuganker 20 beziehungsweise Spannbänder 26, 28 fixierten ersten Plattenteil 40 der ersten Endplatte 16, wird eine Grundspannung in dem Stapelaufbau 12 aus übereinanderliegend angeordneten Einzelelementen 14 eingeleitet. Sobald diese Grundspannung durch Auftreten von Setzbewegungen abnimmt, erfolgt eine Aktivierung des mindestens einen Spannelementes 48, das im Freiraum 46 angeordnet ist. Es kommt zu einer Relativbewegung 62 in Richtung des Stapelaufbaus 12 durch das zweite Plattenteil 42. Dementsprechend fährt das zweite Plattenteil 42 auf den Stapelaufbau 12 zu, so dass eine Änderung der Verrastung der beiden dezentral angeordneten Rasthaken 96, 98 in Bezug auf Rastnasen 104 auftreten kann, sobald die Relativbewegung 62 den Abstand der Rastnasenteilung übersteigt. Zur Verrastung der beiden dezentralen Rasthaken 96, 98 am ersten Plattenteil 40 befinden sich an diesem, die Öffnungen 38 begrenzend, jeweils Rastnasen 104. In der in Figur 5 dargestellten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung zum Ausgleich von Setzbewegungen am Stapelaufbau 12 ist der Freiraum 46, in dem sich das mindestens eine Spannelement 48 befindet, durch Anlageflächen 56 beziehungsweise 58 des ersten Plattenteiles 40 beziehungsweise des relativ zu diesem bewegbaren zweiten Plattenteils 42 begrenzt.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzelle (10) mit einer Nachstellvorrichtung (40, 42, 48, 64) zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus (12) aus Einzelelementen (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Nachstellvorrichtung (40, 42, 48, 64) mindestens ein thermisch aktivierbares Spannelement (48) umfasst, welches auf den Stapelaufbau (12) einwirkt.
2. Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Spannelement (48) aus einem Formgedächtnismaterial oder einer Formgedächtnislegierung gefertigt ist.
3. Brennstoffzelle (10) gemäß der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Spannelement (48) unmittelbar auf den Stapelaufbau (12) oder unter Zwischenschaltung einer als Wabenstruktur (64) ausgebildeten Druckplatte auf den Stapelaufbau (12) einwirkt.
4. Brennstoffzelle (10) gemäß der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenstruktur (64) mehrere in diese integrierte Spannelemente (48) umfasst.
5. Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenstruktur (64) eine erste Schicht (66) und mindestens eine weitere Schicht (68) mit Spannelementen (48) umfasst.
6. Brennstoffzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Spannelement (48) oder die Wabenstruktur (64) derart angeordnet sind, dass eine Spannkraft (78) entweder in einen zentralen Bereich (82) oder in einen Außenbereich (80) des Stapelaufbaus (12) eingeleitet wird.
7. Brennstoffzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Spannelement (48) oder die Wabenstruktur (64) in einen Freiraum (46) zwischen einem ersten Plattenteil (40) und einem zum ersten Plattenteil (40) relativ verschiebbaren zweiten Plattenteil (42) angeordnet ist.
8. Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Plattenteil (42) innerhalb eines Führungsabschnitts (60) am ersten Plattenteil (40) geführt ist.
9. Brennstoffzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachstellvorrichtung ein geteiltes zweites Plattenteil (84) umfasst, mit einem ersten Randteil (86), einem zweiten Randteil (88) und einem Zentralteil (90).
10. Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Randteil (86), das zweite Randteil (88) und das Zentralteil (90) über eine nachgiebige Membran (92) miteinander verbunden sind.
11. Brennstoffzelle (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachstellvorrichtung (40, 42, 48, 64) zusätzlich dezentrale Rasthaken (96, 98) oder einen zentralen Rasthaken aufweist, die sich bei einer Relativbewegung (62) des zweiten Plattenteils (42) zum ersten Plattenteil (40) an diesem abstützen.
12. Verfahren zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus (12) einer Brennstoffzelle (10) mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Anordnen mindestens eines Spannelements (48) oder einer Wabenstruktur (64) mit Spannelementen (48), die aus einem Formgedächtnismaterial oder einer Formgedächtnislegierung gefertigt sind, an einem Stapelaufbau (12), b) Verformung des mindestens einen Spannelements (48) oder der Wabenstruktur (64) mit einer Anzahl von Spannelementen (48) im kalten Zustand um eine Verformung AL (70), c) Erzeugen einer auf den Stapelaufbau (12) wirkenden Spannkraft (78) bei thermischer Energiezufuhr zum Formgedächtnismaterial oder zur Formgedächtnislegierung der Spannelemente (48) oder zum Formgedächtnismaterial oder zur Formgedächtnislegierung der Spannelemente (48) der Wabenstruktur (64) bei deren Annahme ihrer ursprünglichen Ausgangsform (72).
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Verfahrensschritt c) als thermische Energiezufuhr, die im Stapelaufbau (12) vorhandene thermische Energie genutzt wird oder elektrische Energie mittels eines Widerstands in thermische Energie umgewandelt wird.
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