WO2021121781A1 - Brennstoffzelle mit einer nachstellvorrichtung zum ausgleich des setzverhaltens innerhalb eines stapelaufbaus - Google Patents

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

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WO2021121781A1
WO2021121781A1 PCT/EP2020/081512 EP2020081512W WO2021121781A1 WO 2021121781 A1 WO2021121781 A1 WO 2021121781A1 EP 2020081512 W EP2020081512 W EP 2020081512W WO 2021121781 A1 WO2021121781 A1 WO 2021121781A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
pressure
stack structure
plate part
pressure chamber
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/081512
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jochen Wessner
Gudrun Oehler
Eberhard Maier
Harald Bauer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—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
    • 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the 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.
  • Tensioning straps or tensioning screws can then be difficult to access if the stack structure is packed in an enclosure, for example to check for hydrogen leaks, as can be seen from DE 10 2015 118 061 A1.
  • the tensioning straps or tensioning screws or tensioning elements used in some other way are covered by the housing and are only accessible with difficulty from the outside by a tensioning tool. Presentation of the invention
  • a fuel cell which comprises an adjustment device to compensate for the setting behavior within a stack structure of individual elements.
  • the adjusting device contains at least one chemically activatable tensioning element or a pressure chamber that can be acted upon by a pressure medium, in such a way that the stack structure is acted upon via a pressure plate part with at least one latching hook.
  • the at least one chemically activatable tensioning element contains a granulate filling, the granulate being selected from the group: polyethylene oxide, polyethylene glycol, polyethylene carbonate (PEO), polyacrylic acid, which exhibit swelling behavior, especially when H2O is added.
  • a granulate filling the granulate being selected from the group: polyethylene oxide, polyethylene glycol, polyethylene carbonate (PEO), polyacrylic acid, which exhibit swelling behavior, especially when H2O is added.
  • the at least one chemically activatable clamping element which can be used is provided with a granulate filling which contains a hygroscopic material.
  • a granulate filling which contains a hygroscopic material.
  • all materials are suitable that swell by absorbing water and can only be dried thermally. These include, for example, super adsorbers for polar solvents such as water and polymer materials.
  • Water uptake causes a change in length that is between 1/4 and 1/3 of the water uptake. This means that a 1% water absorption results in an increase in length of 0.25% to 0.33%.
  • a swelling of polymer material usually takes longer than the swelling of super adsorbers.
  • materials such as PVDF and GBL (gamma-butyro-lactone) can be used as non-polar systems. These allow a more targeted addition, taking into account the prevailing air humidity and any leaks that may occur.
  • a pressure medium for example, fuel at operating pressure, in particular gaseous hydrogen, can be used, or also H2O that is already present in the fuel cell.
  • the operating pressure for gaseous hydrogen for example, is between 2 bar and 700 bar, but preferably within a pressure range between 5 bar and 20 bar.
  • the pressure plate part is designed such that it is supported on the first plate part either via a first decentralized and a further, second decentralized latching hook or via a central latching hook when it moves relative to the first plate part.
  • the two decentrally arranged latching hooks or a centrally arranged latching hook extend through openings which are provided in the first plate part, for example a first end plate above the stack structure, and are supported on the openings in the first plate part.
  • the clamping force generated by the application of pressure to the at least one chemically activatable clamping element or the pressure chamber can be maintained over the long term.
  • the pressure space is sealed within a guide section in which the pressure plate part is guided, for example by means of at least one sealing element, in particular one which is embodied all around.
  • a thermally activated clamping element or a hydraulically activated clamping element can also be used as an adjusting element for the stack structure instead of a chemically activatable clamping element, which is filled, for example, with a granulate filling made from the materials described above.
  • a thermally activatable clamping element is provided, for example, by a component made of shape memory material, which takes on different shapes at different temperatures.
  • a hydraulically activated tensioning element can be represented, for example, by a sealed pressure space or by a pressure cushion accommodated in a pressure space.
  • the pressure cushion includes a hydraulic fluid connection and is made of sheet steel, for example, in a materially bonded manner.
  • a pressure medium can alternatively be fed into a sealed pressure space above the stack structure or to one arranged in it via a valve Pressure pad are fed.
  • the application of pressure to the sealed pressure space or the pressure cushion increases the tension of the stack structure in the event of settling, so that settling movements can be compensated for with ease and with high precision.
  • a method for compensating for the setting behavior within a stack structure of a fuel cell is proposed with the following process steps: a) Activation of an adjusting device with at least one chemically activatable clamping element or with a pressure chamber above or below a stack structure that can be acted upon by a pressure medium, b) generating a relative movement of a pressure plate part in the direction of the stack structure, c) changing a clamping force acting on the stack structure by shifting the pressure plate part by a displacement path ⁇ L which is larger than the amount of the setting movements within the stack structure.
  • the pressure medium for loading the pressure chamber can be, for example, fuel under operating pressure, in particular gaseous hydrogen, or HO accumulating on the fuel cell or cooling medium from adjacent cooling circuits.
  • HO accumulating in the fuel cell can be used to swell the swellable granulate in the at least one chemically activatable clamping element and to activate it in this way with regard to a change in a clamping force acting on the stack structure to compensate for settling movements occurring in the stack structure .
  • the solution proposed according to the invention advantageously makes it possible to compensate for a loss of prestress which occurs as a result of setting movements within the stack structure by moving the pressure plate part.
  • the shifting of the pressure plate part can take place either by wetting a granulate supply with water within a chemically activatable tensioning element or by applying pressure to a pressure space between a first plate part and a pressure plate part of an end plate that can be moved relative to this.
  • fuel that is already under operating pressure in a fuel cell in particular gaseous hydrogen, can advantageously be used. This is, for example, under a supply pressure of the order of 2 bar to 20 bar.
  • HO accumulating on the fuel cell which is also under an operating pressure, can be used as a pressure medium to act on the pressure chamber.
  • the HO accumulating in the fuel cell can also be used as an alternative be used to bring swellable granules contained in at least one chemically activatable clamping element to swell.
  • the change in length produced by the application of the pressure plate part, d. H. the extension movement of the pressure plate part from the fixedly mounted first plate part of an end plate above or below the stack structure causes a change in the tension force so that the settling movements occurring in the stack structure can be compensated for during operation of the fuel cell.
  • it can be achieved in a particularly advantageous manner that a uniform distribution of the tensioning force can be achieved on the surface of the stack structure. In this way, high stress peaks that act on edge areas or individual other zones of the individual elements stacked on top of one another can be avoided and a very uniform application of tensioning force to the stack structure can be achieved.
  • the setting movement is achieved by changing the length of the at least one chemically activatable clamping element by moving the pressure plate part out of the first plate part.
  • the swellable granulate filling within the at least one chemically activatable tensioning element can also be returned to its original state.
  • the tensioning force can be influenced by simply adding water and freezing can be prevented when the unit is turned off.
  • the pressure plate part which can be extended from the first fixedly mounted pressure plate can advantageously be centered in the fixedly mounted first plate part by means of a guide geometry.
  • the tensioning force within the stack structure can be changed in relation to the performance data of the stack structure.
  • a medium already present in the stack structure of a fuel cell for example water already present there, can be used, for example, to swell the granulate stored in a chemically activatable clamping element and thus introduce a change in the clamping force into the stack structure.
  • the force for tensioning the stack structure is applied via the adjustment element. If an operating phase occurs during which the stack structure becomes shorter and the adjustment element continues to exert pressure, the latching of the latching hooks can engage one step further. An automatic readjustment of the tensioning of the stack structure can thus be achieved.
  • 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 clamped by tension bands
  • FIG. 3 shows a stack structure of a fuel cell with rigid structural elements
  • FIG. 4 shows a first variant of the adjustment device proposed according to the invention with at least one chemically or thermally activatable clamping element or a pressure chamber that can be hydraulically acted upon with a pressure medium
  • Figure 5 shows a further embodiment of the adjustment device proposed according to the invention with decentrally arranged latching hooks and
  • FIG. 6 shows a variant of the adjustment device proposed according to the invention with latching hooks arranged centrally in the area of an end plate.
  • 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 center 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 stack structure 12; overlying a structure 36 which bridges an intermediate space 34, the structure 36 being provided with individual openings 38.
  • FIG. 4 shows a first variant of the adjustment 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 detail in FIG.
  • the illustration according to FIG. 4 also shows that the first end plate 16 has a two-part structure.
  • the first end plate 16 comprises a first plate part 40 as well as a pressure 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. 4 via the tie rods 20 or tensioning straps 26, 28 mentioned.
  • the illustration according to FIG. 4 also shows that the pressure plate part 42 can be moved relative to the fixed first plate part 40.
  • To the pressure plate part 42 is guided within a plate guide 60 on the first plate part 40.
  • Reference numeral 44 denotes a joint which runs between the first plate part 40 and the pressure plate part 42 which can be moved relative thereto.
  • the first plate part 40 and the pressure plate part 42 together enclose a pressure space 46.
  • At least one chemically activatable tensioning element 48 is accommodated in the pressure chamber 46 by the fuel cell 10.
  • This is provided with a granulate filling 50.
  • This can be a material that swells when absorbing water and can be thermally dried.
  • suitable polymers are those which, when they absorb water, show a change in length that increases in length by 0.25 to 0.33% between a quarter and a third of the water absorption, for example with 1% water absorption. It can be materials such.
  • B. use polyethylene oxide, polyethylene glycol, polyethylene carbonate, which swell in any mixing ratio with water.
  • polyacrylic acid which is a synthetically produced high molecular weight polymer of acrylic acid and belongs to the group of polyelectrolytes. This material is hygroscopic and forms a gel when water is absorbed. Polyacrylates are usually cross-linked via hydrogen bridges. Molecules clump together tightly and assume a relatively compact state. Due to the high number of carboxylic acid groups, polyacrylic acid is very soluble in water. In the presence of water, an OH group is deprotonated or Na + is split off. The polymer now has a large number of carboxylate groups. The carboxylate groups are in close proximity in a very small space. The negatively charged functional groups repel each other. These want to assume the greatest possible distance from one another, which causes the molecule to stretch. The polymer accordingly takes up a larger space in this elongated form.
  • a switching valve 54 is actuated in such a way that water is fed to the granulate filling 50 via a liquid inlet 52 in order to cause it to swell.
  • This can be water, which is what is proposed according to the invention during operation Fuel cell 10 is obtained, or cooling water from adjacent cooling circuits.
  • a pressure medium can be applied to the pressure chamber 46, which can be, for example, gaseous hydrogen at an operating pressure.
  • the gaseous fuel used as the pressure medium is under an operating pressure which is in the range between 2 bar and 700 bar, but preferably under an operating pressure which is between 5 bar and 20 bar.
  • the water already present in the fuel cell 10 can, for example, also alternatively be used as the pressure medium.
  • This is under an operating pressure between 2 bar and 20 bar.
  • the initial supply pressure under which the water is located is of the order of 2 bar; this pressure level can be brought to a required pressure level of about 20 bar, for example with a piston pump.
  • the pressure chamber 46 is delimited by a contact surface 56 of the first plate part 40 or a contact surface 58 of the pressure plate part 42.
  • On the first plate part 40 there is a plate guide 60 in which the pressure plate part 42, which is arranged relative to the first plate part 40, is guided.
  • At least one, preferably circumferential sealing element 86 serves to seal the pressure space 46.
  • the illustration according to FIG. 4 also shows that the pressure plate part 42 has at least one first decentralized latching hook 68. The further second decentralized latching hook 76 opposite this is not shown in FIG. 4 (cf. FIG. 5 in this regard).
  • the two decentralized latching hooks 68 and 76 each extend through openings 66 which are located in the fixedly mounted first plate part 40 of the first end plate 16.
  • the two decentrally arranged latching hooks 68, 76 enable locking, the assumption of a fixed position with respect to the pressure plate part 42 with respect to the first plate part 40.
  • the stack structure 12 of superimposed individual elements 14 is subjected to a basic voltage.
  • a thermally or hydraulically activatable clamping element can also be used.
  • the thermally activatable tensioning element is given, for example, by a tensioning cross, which can be made from a shape memory alloy that assumes different shapes depending on the temperature, so that a tensioning force is built up when it is deformed.
  • a hydraulically activatable clamping element can also be used.
  • the granulate filling 50 can be removed from the chemically activatable clamping element 48 and this can be filled with a pressure medium, for example water from the fuel cell 10 or adjacent cooling circuits, as a hydraulic medium via the switching valve 54.
  • the pressure medium can either be introduced into a sealed pressure chamber 46 and there provide the required pressure build-up; however, a pressure cushion that can be acted upon hydraulically and manufactured from, for example, two steel sheets connected to one another in a materially bonded manner could also be used.
  • the relative movement 62 of the pressure plate part 42 relative to the fixed first plate part 40 of the first end plate 16 takes place within a guide section 64 of the plate guide 60.
  • FIG. 5 shows a further embodiment of the adjustment device proposed according to the invention to compensate for movements within the stack structure 12.
  • the first end plate 16 is also the first plate part 40 as well as the pressure plate part 42 movable relative to this.
  • the pressure chamber 46 there is at least one chemically activatable Clamping element 48.
  • the two decentrally arranged latching hooks 68, 76 are shown, each of which protrudes through openings 66 through the first plate part 40 of the first end plate 16.
  • Each of the two decentralized latching hooks 68, 76 has a number of lugs 74 which are each delimited by a bevel 72.
  • a basic tension is introduced into the stack structure 12 of individual elements 14 arranged one above the other.
  • the at least one chemically activatable tensioning element 48 which is provided in the pressure chamber 46, is activated via the switching valve 54. Due to the swelling of the granulate filling 50, there is a relative movement 62 in the direction of the stack structure 12 through the pressure plate part 42.
  • the pressure plate part 42 moves towards the stack structure 12, so that a change in the locking of the two decentrally arranged locking hooks 68, 76 in relation can occur on locking lugs 82 as soon as the relative movement 62 exceeds the spacing of the locking lug pitch.
  • latching lugs 82 are located on these, delimiting the openings 66 , in which the at least one chemically activatable tensioning element 48 is located, delimited by contact surfaces 56 and 58 of the first plate part 40 or of the pressure plate part 42 movable relative to this.
  • FIG. 6 shows a further variant of the adjustment device proposed according to the invention.
  • a central locking hook 84 is located essentially in the middle of the pressure plate part 42, which is movable relative to the first plate part 40.
  • At least one chemically activatable clamping element 48 is accommodated between the first plate part 40 or the pressure plate part 42, respectively. which extends on both sides of the central locking hook 84.
  • the pressure chamber 46 in which the at least one chemically activatable clamping element 48 is located limited by the contact surface 56 of the first plate part 40 or by the contact surface 58 of the pressure plate part 42.
  • a basic tension is introduced into the stack structure 12 of individual elements 14 arranged one above the other, analogously to the embodiment variant of the adjusting device according to FIG.
  • the at least one chemically activatable tensioning element 48 is activated, for example by adding water via the liquid inlet 52 and the switching valve 54, as shown in FIG.
  • the adjustment of setting movements 80 within the stack structure 12 is carried out by the relative movement 62 of the pressure plate part 42 in relation to the fixedly mounted first plate part 40 of the first end plate 16.
  • the change in length ⁇ L (see position 70) is greater than the setting movements 80 that occurred in the stack structure 12 While the basic tension in the stack structure 12 is maintained by the central latching hook 84 or its latching in latching lugs 82, the setting movements 80, which are associated with a reduction in the basic tension, are compensated for by the activation of the at least one chemically activatable tensioning element 48.
  • the granulate filling 50 of the at least one chemically activatable tensioning element 48 can be returned to its original state by wetting the process heat present on the fuel cell 10. This enables good control of the clamping force 78 by simply adding water and prevents it from freezing when it is switched off.
  • the fuel cell 10 proposed according to the invention together with its adjustment device, advantageously enables particularly uniform introduction of the tension force 78 into the stack structure 12 over its entire surface, so that tension peaks that could act on individual areas of the individual elements 14 arranged one above the other are avoided.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle (10) mit einer Nachstellvorrichtung (42, 46, 48, 50; 68, 76, 84) zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus (12) aus Einzelelementen (14). Die Nachstellvorrichtung (42, 46, 48, 50; 68, 76, 84) umfasst mindestens ein chemisch aktivierbares Spannelement (48) oder ein mit einem Druckmedium beaufschlagbaren Druckraum (46), das/der über ein Druckplattenteil (42) mit mindestens einem Rasthaken (68, 76; 84) den Stapelaufbau (12) beaufschlagt.

Description

Brennstoffzelle mit einer Nach Stellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines 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 2007 001 371 B4 oder aus US 7,951,502 B2. Bei beiden Lösungen wird der Stapelaufbau, umfassend eine Anzahl übereinanderliegend gestapelter Einzelelemente durch Endplatten mit einer Mindestpresskraft beaufschlagt, die entweder über Zuganker mit Verschraubungen gegeneinander verspannt oder über zwei parallel zueinander den Stapelaufbau umwickelnde Spannbänder verspannt sind. Mit den obenstehend 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. Spannbänder oder Spannschrauben können dann schwer zugänglich sein, wenn der Stapelaufbau, beispielsweise zur Überprüfung auf Wasserstoff leckagen, in eine Umhausung gepackt wird, wie aus DE 10 2015 118 061 Al hervorgeht. Durch die Umhausung sind die Spannbänder oder Spannschrauben oder anderweitig eingesetzte Spannelemente überdeckt und von der Außenseite durch ein Spannwerkzeug nur schwer zugänglich. Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die eine Nachstellvorrichtung zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus aus Einzelelementen umfasst. Die Nachstellvorrichtung enthält mindestens ein chemisch aktivierbares Spannelement oder einen mit einem Druckmedium beaufschlagbaren Druckraum, derart, dass über ein Druckplattenteil mit mindestens einem Rasthaken der Stapelaufbau beaufschlagt wird.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in vorteilhafter Weise eine sehr gleichmäßige Verteilung der Spannkraft auf die gesamte Fläche des Stapelaufbaus erreicht werden. Damit werden Spannungsspitzen innerhalb einzelner Bereiche vermieden.
In Weiterführung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung enthält das mindestens eine chemisch aktivierbare Spannelement eine Granulatfüllung, wobei das Granulat ausgewählt ist aus der Gruppe: Polyethylenoxid, Polyethylenglykol, Polyethylencarbonat (PEO), Polyacrylsäure, die insbesondere bei Zugabe von H2O ein Quellverhalten aufweisen.
In Weiterbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist das beispielsweise einsetzbare mindestens eine chemisch aktivierbare Spannelement mit einer Granulatfüllung versehen, die ein hygroskopisches Material enthält. Im Allgemeinen sind alle Stoffe geeignet, die unter Aufnahme von Wasser quellen und sich nur thermisch trocknen lassen. Dazu zu zählen sind beispielsweise Superadsorber für polare Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser sowie Polymermaterialien. Eine Wasseraufnahme verursacht eine Längenänderung, die zwischen 1/4 und 1/3 der Wasseraufnahme liegt. Dies bedeutet, dass eine 1-prozentige Wasseraufnahme einen Längenzuwachs von 0,25 % bis 0,33 % zur Folge hat.
Ein Aufquellen von Polymermaterial dauert in der Regel länger als das Aufquellen von Superadsorbern. Es lassen sich beispielsweise Materialien wie PVDF und GBL (Gamma-Butyro-Lactone) als unpolare Systeme einsetzen. Diese erlauben eine gezieltere Zugabe unter Berücksichtigung der herrschenden Luftfeuchtigkeit und eventuell auftretender Leckagen.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle besteht alternativ die Möglichkeit, den Druckraum mit einem Druckmedium zu beaufschlagen. Dazu kann beispielsweise unter einem Betriebsdruck stehender Brennstoff, insbesondere gasförmiger Wasserstoff eingesetzt werden oder auch bereits an der Brennstoffzelle vorhandenes H2O.
Bei der Beaufschlagung des Druckraumes mit dem Druckmedium liegt der Betriebsdruck beispielsweise für gasförmigen Wasserstoff zwischen 2 bar und 700 bar, bevorzugt jedoch innerhalb eines Druckbereichs, der zwischen 5 bar und 20 bar liegt.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle ist in einer vorteilhaften Weiterbildung das Druckplattenteil so ausgeführt, dass dieser sich bei einer Relativbewegung zum ersten Plattenteil an diesem entweder über einen ersten dezentralen und einen weiteren, zweiten dezentralen Rasthaken oder aber über einen zentralen Rasthaken abstützt. Durch diese Lösung kann ein mittels des mindestens einen chemischen Spannelementes oder mittels der Druckbeaufschlagung des Druckraums erzeugter Spannkraftaufbau beibehalten werden, auch wenn es zu einer Rücknahme der Druckbeaufschlagung des Druckraums oder zu einer Rücknahme des Aktivierens des beispielsweise mindestens einen chemischen Spannelements kommt, da die Rasthaken sich am fixierten ersten Plattenteil einer Endplatte oberhalb des Stapelaufbaus abstützen.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung erstrecken sich beispielsweise die beiden dezentral angeordneten Rasthaken oder ein zentral angeordneter Rasthaken durch Öffnungen, die im ersten Plattenteil beispielsweise einer ersten Endplatte oberhalb des Stapelaufbaus vorgesehen sind und stützen sich an den Öffnungen im ersten Plattenteil ab. Durch diese Lösung kann - wie obenstehend bereits angedeutet - eine dauerhafte Aufrechterhaltung der durch die Druckbeaufschlagung des mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelementes oder des Druckraumes erzeugte Spannkraft beibehalten werden. Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle ist der Druckraum innerhalb eines Führungsabschnittes, in dem das Druckplattenteil geführt ist, beispielsweise mittels mindestens eines insbesondere umlaufend ausgeführten Dichtelementes abgedichtet.
In vorteilhafter Weise kann bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung anstelle eines chemisch aktivierbaren Spannelements, welches beispielsweise mit einer Granulatfüllung aus den obenstehend beschriebenen Materialien befüllt ist, auch ein thermisch aktiviertes Spannelement oder ein hydraulisch aktiviertes Spanneiement als Nachstellelement für den Stapelaufbau eingesetzt werden. Ein thermisch aktivierbares Spannelement ist beispielsweise durch ein Bauteil aus Formgedächtnismaterial gegeben, welches bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche Gestalt annimmt. Ein hydraulisch aktiviertes Spannelement kann beispielsweise durch einen abgedichteten Druckraum oder durch ein in einem Druckraum aufgenommenes Druckkissen dargestellt sein. Das Druckkissen umfasst einen Hydraulikfluidanschluss und ist beispielsweise aus Stahlblechen stoffschlüssig gefügt. Während bei einem chemisch aktivierbaren Spannelement über ein Ventil und einen Zulauf Wasser in das Spannelement gefördert wird und ein Quellen des dort bevorrateten Granulatmaterials nach sich zieht, kann über ein Ventil alternativ ein Druckmedium entweder in einen abgedichteten Druckraum oberhalb des Stapelaufbaus oder zu einem in diesem angeordneten Druckkissen zugeführt werden. In den letztgenannten Fällen wird über die Druckbeaufschlagung des abgedichteten Druckraums oder des Druckkissens eine Erhöhung der Verspannung des Stapelaufbaus bei Setzerscheinungen erreicht, sodass sich Setzbewegungen problemlos und hochgenau kompensieren lassen.
Darüber hinaus wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus einer Brennstoffzelle mit nachfolgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen: a) Aktivierung einer Nachstellvorrichtung mit mindestens einem chemisch aktivierbaren Spannelement oder mit einem durch ein Druckmedium beaufschlagbaren Druckraum oberhalb oder unterhalb eines Stapelaufbaus, b) Erzeugen einer Relativbewegung eines Druckplattenteils in Richtung auf den Stapelaufbau, c) Verändern einer auf den Stapelaufbau einwirkenden Spannkraft durch eine Verschiebung des Druckplattenteils um einen Verschiebungsweg ÄL, welcher größer bemessen ist als der Betrag der Setzbewegungen innerhalb des Stapelaufbaus.
In vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann es sich bei dem Druckmedium zur Beaufschlagung des Druckraumes beispielsweise um unter Betriebsdruck stehenden Brennstoff, insbesondere gasförmigen Wasserstoff, oder um an der Brennstoffzelle anfallendes H O oder um Kühlmedium aus benachbarten Kühlkreisläufen handeln. Des Weiteren kann an der Brennstoffzelle anfallendes H O dazu eingesetzt werden, das in dem mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelement quellfähige Granulat zum Quellen zu bringen und dieses auf diese Weise zu aktivieren hinsichtlich einer Änderung einer auf den Stapelaufbau wirkenden Spannkraft zum Ausgleich von sich im Stapelaufbau einstellenden Setzbewegungen.
Vorteile der Erfindung
In vorteilhafter Weise kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erreicht werden, dass ein sich durch Setzbewegungen innerhalb des Stapelaufbaus einstellender Vorspannungsverlust durch ein Verschieben des Druckplattenteils ausgeglichen werden kann. Die Verschiebung des Druckplattenteils kann entweder durch eine Benetzung eines Granulatvorrats mit Wasser innerhalb eines chemisch aktivierbaren Spannelementes erfolgen oder durch eine Druckbeaufschlagung eines Druckraumes zwischen einem ersten Plattenteil und einem relativ zu diesem bewegbaren Druckplattenteil einer Endplatte. Bei dem Druckmedium, mit welchem der Druckraum beaufschlagt werden kann, lässt sich in vorteilhafter Weise bereits in einer Brennstoffzelle unter Betriebsdruck stehender Brennstoff, insbesondere gasförmiger Wasserstoff verwenden. Dieser steht beispielsweise unter einem Versorgungsdruck in der Größenordnung von 2 bar bis 20 bar. Des Weiteren kann als Druckmedium zur Beaufschlagung des Druckraumes an der Brennstoffzelle anfallendes H O eingesetzt werden, welches ebenfalls unter einem Betriebsdruck steht. Das an der Brennstoffzelle anfallende H O kann darüber hinaus alternativ dazu eingesetzt werden, in dem mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelement enthaltenes quellfähiges Granulat zum Quellen zu bringen.
Die durch die Beaufschlagung des Druckplattenteils erzeugte Längenänderung, d. h. die Ausfahrbewegung des Druckplattenteils aus dem fix montierten ersten Plattenteil einer Endplatte oberhalb oder unterhalb des Stapelaufbaus bewirkt eine Verspannungskraftänderung, so dass die sich im Stapelaufbau einstellenden Setzbewegungen während des Betriebs der Brennstoffzelle ausgeglichen werden können. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann in besonders vorteilhafter Weise erreicht werden, dass eine gleichmäßige Verspannungskraftverteilung auf die Fläche des Stapelaufbaus erzielt werden kann. So können hohe Spannungsspitzen, die auf Randbereiche oder einzelne andere Zonen der in Stapelform übereinandergestapelten Einzelelemente wirken, vermieden werden und es lässt sich eine sehr gleichmäßige Verspannungskraftbeaufschlagung des Stapelaufbaus erzielen.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird die Setzbewegung durch die Längenänderung des mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelementes durch eine Ausfahrbewegung des Druckplattenteils aus dem ersten Plattenteil erreicht. Sobald die Rasthaken, seien sie dezentral im Randbereich, seien sie zentral geordnet im fix montierten Plattenteil der Endplatte in Rasten, ist eine Grundspannung der Verspannungskraft des Stapelaufbaus gegeben.
In vorteilhafter Weise kann durch Ausnutzung der in der Brennstoffzelle vorhandenen Prozesswärme beispielsweise die quellfähige Granulatfüllung innerhalb des mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelementes auch wieder in den Ursprungszustand überführt werden. Dadurch kann eine Beeinflussung der Verspannungskraft durch einfache Zugabe von Wasser erreicht werden und beim Abstellen ein Einfrieren verhindert werden. Das aus der ersten fix montierten Druckplatte ausfahrbare Druckplattenteil kann in vorteilhafter Weise mittels einer Führungsgeometrie im fix montierten ersten Plattenteil zentriert werden. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann eine Nachstellung der Verspannungskraft innerhalb des Stapelaufbaus während des Betriebs erreicht werden. Ferner ist eine Beeinflussung der Verspannungskraft bei bereits montiertem Stapelaufbau beispielsweise in der Fertigung möglich, um sich einstellenden Setzerscheinungen innerhalb des Stapelaufbaus Rechnung zu tragen. Des Weiteren kann eine Veränderung der Verspannungskraft innerhalb des Stapelaufbaus in Bezug auf die Leistungsdaten des Stapelaufbaus erfolgen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann ein bereits im Stapelaufbau einer Brennstoffzelle vorhandenes Medium, beispielsweise dort bereits vorhandenes Wasser, eingesetzt werden, um beispielsweise das in einem chemisch aktivierbaren Spannelement bevorratete Granulat zum Aufquellen zu bringen und damit eine Veränderung der Verspannungskraft in den Stapelaufbau einzutragen.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung können Längenänderungen kompensiert werden oder es können Nachstellungen vorgenommen werden. Ist der gesamte Weg, um den sich der Stapelaufbau setzen könnte, mit einem einzigen Nachstellelement nachzustellen, muss dieses unter Umständen sehr groß ausgelegt werden. Durch den Einsatz von Rasthaken besteht der Vorteil, dass eine Längenänderung, die im Betrieb auftritt, beispielsweise bedingt durch Temperatur und Feuchte, zwar die Flächenpressung leicht variieren lässt, die Kraft und den Weg jedoch im Nachstellelement nicht so groß sind, dass der Stapelaufbau zusammengedrückt wird. Erst wenn sich die Setzbewegungen innerhalb des Stapelaufbaus komplett ausgebildet haben und das Nachstellelement, sei es ein thermisches, ein chemisch aktivierbares oder ein hydraulisches, nach wie vor die Verspannungskraft ausübt, kann der Rasthaken in eine nächstgelegene Rastung einschnappen. Während der Stapelaufbau seine Stapellänge im Betrieb ändert, wird die Kraft für die Verspannung des Stapelaufbaus über das Nachstellelement aufgebracht. Tritt eine Betriebsphase auf, während der der Stapelaufbau kürzer wird und das Nachstellelement weiterhin einen Druck ausübt, so kann die Verrastung der Rasthaken eine Stufe weiter einrasten. So kann eine selbsttätige Nachjustierung der Verspannung des Stapelaufbaus erreicht werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 einen Stapelaufbau einer Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik mit Verschraubung,
Figur 2 einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik verspannt durch Spannbänder,
Figur 3 einen Stapelaufbau einer Brennstoffzelle mit starren Strukturelementen,
Figur 4 eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung mit mindestens einem chemisch oder thermisch aktivierbaren Spannelement oder einen mit einem Druckmedium hydraulisch beaufschlagbaren Druckraum,
Figur 5 eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung mit dezentral angeordneten Rasthaken und
Figur 6 eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung mit zentral im Bereich einer Endplatte 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 Standes 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 übereinanderliegend 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 erste 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 näher dargestellten weiteren Endplatte verspannt.
Der Darstellung gemäß Figur 4 ist des Weiteren zu entnehmen, dass die erste Endplatte 16 einen zweiteiligen Aufbau aufweist. Die erste Endplatte 16 umfasst ein erstes Plattenteil 40 sowie ein relativ zu diesem bewegbares Druckplattenteil 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 der Darstellung gemäß Figur 4 geht des Weiteren hervor, dass das Druckplattenteil 42 relativ zum fixierten ersten Plattenteil 40 bewegbar ist. Dazu ist das Druckplattenteil 42 innerhalb einer Plattenführung 60 am ersten Plattenteil 40 geführt. Mit Bezugszeichen 44 ist eine Fuge bezeichnet, die zwischen dem ersten Plattenteil 40 und dem relativ zu diesem bewegbaren Druckplattenteil 42 verläuft. Das erste Plattenteil 40 und das Druckplattenteil 42 schließen miteinander einen Druckraum 46 ein.
Im Druckraum 46 ist in einer ersten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung durch die Brennstoffzelle 10 beispielsweise mindestens ein chemisch aktivierbares Spannelement 48 aufgenommen. Dieses ist mit einer Granulatfüllung 50 versehen. Dabei kann es sich um ein Material handeln, welches unter Wasseraufnahme quillt und sich auf thermischem Wege trocknen lässt. Prinzipiell geeignet sind Polymere, die bei einer Aufnahme von Wasser eine Längenänderung aufweisen, die zwischen einem Viertel und einem Drittel der Wasseraufnahme, so zum Beispiel bei 1 % Wasseraufnahme hinsichtlich ihrer Länge um 0,25 bis 0,33 % wachsen. Es lassen sich Materialien, wie z. B. Polyethylenoxid, Polyethylenglykol, Polyethylencarbonat einsetzen, die in jedem Mischungsverhältnis mit Wasser quellen. Des Weiteren kann beispielsweise auch Polyacrylsäure eingesetzt werden, welche ein synthetisch hergestelltes hochmolekulares Polymer der Acrylsäure darstellt und zur Gruppe der Polyelektrolyte zählt. Dieses Material ist hygroskopisch und bildet bei Wasseraufnahme ein Gel. Polyacrylate sind in der Regel über Wasserstoffbrücken vernetzt. Moleküle ballen sich eng zusammen und nehmen dabei einen relativ kompakten Zustand ein. Aufgrund der hohen Anzahl an Carbonsäuregruppen ist Polyacrylsäure sehr gut wasserlöslich. In Anwesenheit von Wasser wird eine OH-Gruppe deprotoniert beziehungsweise Na+ abgespalten. Das Polymer besitzt nun eine große Anzahl an Carboxylatgruppen. Die Carboxylatgruppen befinden sich in direkter Nachbarschaft auf engstem Raum. Die negativ geladenen funktionellen Gruppen stoßen einander ab. Diese wollen den größtmöglichen Abstand voneinander annehmen, wodurch sich das Molekül streckt. Das Polymer nimmt demnach in dieser gestreckten Form einen größeren Raum ein.
Um bei dem mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelement 48 ein Quellen der Granulatfüllung 50 zu bewirken, erfolgt die Betätigung eines Schaltventiles 54, derart, dass über einen Flüssigkeitszulauf 52 Wasser zur Granulatfüllung 50 geleitet wird, um deren Quellen zu bewirken. Dabei kann es sich um Wasser handeln, was im Betrieb der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle 10 anfällt, oder um Kühlwasser aus angrenzenden Kühlkreisläufen. Des Weiteren kann in einer zweiten Ausführungsvariante der Druckraum 46 mit einem Druckmedium beaufschlagt werden, bei dem es sich beispielsweise um unter einem Betriebsdruck stehenden gasförmigen Wasserstoff handeln kann. Der als Druckmedium eingesetzte gasförmige Brennstoff steht unter einem Betriebsdruck, der im Bereich zwischen 2 bar und 700 bar liegt, bevorzugt jedoch unter einem Betriebsdruck, der zwischen 5 bar und 20 bar liegt.
Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Brennstoffzelle 10 kann als Druckmedium beispielsweise auch alternativ das in der Brennstoffzelle 10 bereits vorhandene Wasser eingesetzt werden. Dies steht unter einem Betriebsdruck, der zwischen 2 bar und 20 bar liegt. Der Ausgangsversorgungsdruck, unter dem das Wasser steht, liegt in der Größenordnung von 2 bar; dieses Druckniveau kann beispielsweise mit einer Kolbenpumpe auf ein erforderliches Druckniveau von etwa 20 bar gebracht werden.
Des Weiteren geht aus Figur 4 hervor, dass der Druckraum 46 durch eine Anlagefläche 56 des ersten Plattenteils 40 beziehungsweise einer Anlagefläche 58 des Druckplattenteils 42 begrenzt ist. Am ersten Plattenteil 40 befindet sich eine Plattenführung 60, in der der Druckplattenteil 42, der relativ zum ersten Plattenteil 40 angeordnet ist, geführt wird. Zur Abdichtung des Druckraumes 46 dient mindestens ein, vorzugsweise umlaufend ausgeführtes Dichtelement 86. Aus der Darstellung gemäß Figur 4 geht des Weiteren hervor, dass das Druckplattenteil 42 zumindest einen ersten dezentralen Rasthaken 68 aufweist. Der diesem gegenüberliegende weitere zweite dezentrale Rasthaken 76 ist in Figur 4 nicht dargestellt (vgl. hierzu Figur 5). Die beiden dezentralen Rasthaken 68 beziehungsweise 76 erstrecken sich jeweils durch Öffnungen 66, die sich im fixiert montierten ersten Plattenteil 40 der ersten Endplatte 16 befinden. Die beiden dezentral angeordneten Rasthaken 68, 76 ermöglichen ein Verrasten, die Einnahme einer festen Position bezüglich des Druckplattenteils 42 in Bezug auf das erste Plattenteil 40. Dadurch wird der Stapelaufbau 12 aus übereinanderliegend angeordneten Einzelelementen 14 mit einer Grundspannung beaufschlagt.
Sobald innerhalb des Stapelaufbaus 12 aus Einzelelementen 14 Setzbewegungen 80 auftreten, nimmt die Grundspannung, die im Stapelaufbau 12 aufrechterhalten wird, ab. Dann erfolgt entweder durch Betätigung des Schaltventiles 54 eine Zugabe von H2O in die Granulatfüllung 50 des mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelementes 48, so dass dieses aufquillt, sein Volumen ändert und damit auch seine in Bezug auf die Orientierung des Stapelaufbaus 12 wirksame Länge ÄL, eine Längenänderung in Richtung des Stapelaufbaus 12. Oder es erfolgt bei Betätigung des Schaltventiles 54 eine hydraulische Beaufschlagung des Druckraumes 46 mit einem Druckmedium, sei es mit unter Betriebsdruck stehendem gasförmigem Wasserstoff oder mit im Betrieb der Brennstoffzelle 10 anfallendem Wasser, was ebenfalls unter einem Betriebsdruck steht. Anstelle eines chemisch aktivierbaren Spannelements 48 kann auch ein thermisch oder hydraulisch aktivierbares Spannelement eingesetzt werden. Das thermisch aktivierbare Spannelement ist beispielsweise durch ein Spannkreuz gegeben, welches aus einer Formgedächtnislegierung gefertigt sein kann, die abhängig von der Temperatur unterschiedliche Gestalt einnimmt, sodass bei einer Verformung eine Verspannungskraft aufgebaut wird. Anstelle des chemisch aktivierbaren Spannelements 48 kann auch ein hydraulisch aktivierbares Spannelement Verwendung finden. So kann beispielsweise die Granulatfüllung 50 aus dem chemisch aktivierbaren Spannelement 48 entfernt werden und dieses über das Schaltventil 54 beispielsweise mit einem Druckmedium, so zum Beispiel Wasser aus der Brennstoffzelle 10 oder angrenzenden Kühlkreisläufen, als hydraulisches Medium befüllt werden. Das Druckmedium kann entweder in einen abgedichteten Druckraum 46 eingeleitet werden und dort den erforderlichen Druckaufbau leisten; es könnte jedoch auch ein hydraulisch beaufschlagbares Druckkissen, gefertigt aus beispielsweise zwei stoffschlüssig miteinander verbundenen Stahlblechen zum Einsatz kommen.
Die Relativbewegung 62 des Druckplattenteils 42 relativ zum fixierten ersten Plattenteil 40 der ersten Endplatte 16 erfolgt innerhalb eines Führungsabschnittes 64 der Plattenführung 60.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung zum Ausgleich von Bewegungen innerhalb des Stapelaufbaus 12. Aus der Darstellung gemäß Figur 5 geht hervor, dass in dieser Ausführungsvariante oberhalb des Stapelaufbaus 12 aus Einzelelementen 14 der Brennstoffzelle 10 die erste Endplatte 16 ebenfalls das erste Plattenteil 40 sowie das relativ zu diesem bewegbare Druckplattenteil 42 aufweist. Im Druckraum 46 befindet sich mindestens ein chemisch aktivierbares Spannelement 48. In der Darstellung gemäß Figur 5 sind die beiden dezentral angeordneten Rasthaken 68, 76 dargestellt, die jeweils durch Öffnungen 66 durch das erste Plattenteil 40 der ersten Endplatte 16 hindurchragen. Ein jeder der beiden dezentralen Rasthaken 68, 76 weist eine Anzahl von Nasen 74 auf, die jeweils durch eine Schräge 72 begrenzt sind. Entsprechend der Verrastung des Druckplattenteils 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 80 abnimmt, erfolgt über das Schaltventil 54 ein Aktivieren des mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelementes 48, das im Druckraum 46 vorgesehen ist. Es kommt aufgrund von Quellerscheinungen der Granulatfüllung 50 zu einer Relativbewegung 62 in Richtung des Stapelaufbaus 12 durch das Druckplattenteil 42. Dementsprechend fährt das Druckplattenteil 42 auf den Stapelaufbau 12 zu, so dass auch eine Änderung der Verrastung der beiden dezentral angeordneten Rasthaken 68, 76 in Bezug auf Rastnasen 82 auftreten kann, sobald die Relativbewegung 62 den Abstand der Rastnasenteilung übersteigt. Zur Verrastung der beiden dezentralen Rasthaken 68, 76 im ersten Plattenteil 40 befinden sich an diesen, die Öffnungen 66 begrenzend, jeweils Rastnasen 82. In der in Figur 5 dargestellten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung zum Ausgleich von Setzbewegungen 80 am Stapelaufbau 12 ist der Druckraum 46, in dem sich das mindestens eine chemisch aktivierbare Spannelement 48 befindet, durch Anlageflächen 56 beziehungsweise 58 des ersten Plattenteiles 40 beziehungsweise des relativ zu diesem bewegbaren Druckplattenteils 42 begrenzt.
Figur 6 ist eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Nachstellvorrichtung zu entnehmen.
In der in Figur 6 nur teilweise wiedergegebenen Darstellung der Nachstellvorrichtung befindet sich ein zentraler Rasthaken 84 im Wesentlichen in der Mitte des relativ zum ersten Plattenteil 40 bewegbaren Druckplattenteils 42. Zwischen dem ersten Plattenteil 40 beziehungsweise dem Druckplattenteil 42 ist mindestens ein chemisch aktivierbares Spannelement 48 aufgenommen, welches sich beidseits des zentralen Rasthakens 84 erstreckt. Auch in dieser Ausführungsvariante ist der Druckraum 46, in dem sich das mindestens eine chemisch aktivierbare Spannelement 48 befindet, durch die Anlagefläche 56 des ersten Plattenteils 40 beziehungsweise durch die Anlagefläche 58 des Druckplattenteils 42 begrenzt. Durch den zentralen Rasthaken 84 wird analog zur Ausführungsvariante der Nachstellvorrichtung gemäß Figur 5 eine Grundspannung in den Stapelaufbau 12 aus übereinanderliegend angeordneten Einzelelementen 14 eingeleitet. Sobald die Grundspannung aufgrund des Auftretens von Setzbewegungen 80 innerhalb des Stapelaufbaus 12 abnimmt, erfolgt eine Aktivierung des mindestens eine chemisch aktivierbaren Spannelementes 48 beispielsweise durch die Zugabe von Wasser über den Flüssigkeitszulauf 52 und das Schaltventil 54, wie sie in Figur 5 dargestellt sind. Der Abgleich von Setzbewegungen 80 innerhalb des Stapelaufbaus 12 erfolgt durch die Relativbewegung 62 des Druckplattenteils 42 in Bezug auf das fixiert montierte erste Plattenteil 40 der ersten Endplatte 16. Die Längenänderung ÄL (vgl. Position 70) ist größer als die im Stapelaufbau 12 aufgetretenen Setzbewegungen 80. Während die Grundspannung im Stapelaufbau 12 durch den zentralen Rasthaken 84 beziehungsweise dessen Verrastung in Rastnasen 82 aufrechterhalten wird, werden die Setzbewegungen 80, die mit einem Abbau der Grundspannung einhergehen, durch die Aktivierung des mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelementes 48 ausgeglichen. In vorteilhafter Weise kann durch ein Ausnetzen der an der Brennstoffzelle 10 vorhandenen Prozesswärme die Granulatfüllung 50 des mindestens einen chemisch aktivierbaren Spannelementes 48 wieder in den Ursprungszustand überführt werden. Dies ermöglicht eine gute Kontrolle der Spannkraft 78 durch eine einfache Zugabe von Wasser und verhindert beim Abstellen ein Einfrieren.
Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäß vorgeschlagene Brennstoffzelle 10 mitsamt ihrer Nachstellvorrichtung eine in vorteilhafter Weise besonders gleichmäßige Einleitung der Spannkraft 78 in den Stapelaufbau 12, auf dessen gesamter Fläche, so dass Spannungsspitzen, die auf einzelne Bereiche der übereinanderliegend angeordneten Einzelelemente 14 wirken könnten, vermieden werden.
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 (42, 46, 48, 50; 68,
76, 84) zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus (12) aus Einzelelementen (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Nachstellvorrichtung (42, 46, 48, 50; 68, 76, 84) mindestens ein chemisch aktivierbares Spannelement (48) oder einen mit einem Druckmedium beaufschlagbaren Druckraum (46) umfasst, das/der über ein Druckplattenteil (42) mit mindestens einem Rasthaken (68, 76, 84) den Stapelaufbau (12) beaufschlagt.
2. Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine chemisch aktivierbare Spannelement (48) eine Granulatfüllung (50) enthält, wobei das Granulat ausgewählt ist aus der Gruppe: Polyethylenoxid, Polyethylenglykol, Polyethylencarbonat (PEO), Polyacrylsäure, welche bei Zugabe von H O quellen.
3. Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine chemisch aktivierbare Spannelement (48) eine Granulatfüllung (50) aus hygroskopischem Material enthält.
4. Brennstoffzelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckmedium zur Beaufschlagung des Druckraumes (46) unter einem Betriebsdruck stehender Brennstoff, insbesondere gasförmiges H oder an der Brennstoffzelle (10) vorhandenes H O eingesetzt wird.
5. Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsdruck in einem Bereich von 2 bar bis 700 bar, insbesondere in einem Bereich zwischen 5 bar und 20 bar, liegt.
6. Brennstoffzelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Druckplattenteil (42) bei einer Relativbewegung (62) zum ersten Plattenteil (40) an diesem entweder über einen ersten und einen weiteren, zweiten dezentralen Rasthaken (68, 76) oder über einen zentralen Rasthaken (84) abstützt.
7. Brennstoffzelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dezentralen Rasthaken (68, 76) oder der zentrale Rasthaken (84) durch Öffnungen (66) im ersten Plattenteil (40) hindurchreichen und sich an die die Öffnungen (66) begrenzenden Rastnasen (82) abstützen.
8. Brennstoffzelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (46) innerhalb eines Führungsabschnittes (64) mittels mindestens eines, insbesondere umlaufend ausgeführten Dichtelementes (86) abgedichtet ist.
9. Brennstoffzelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachstellvorrichtung (42, 46, 48, 50; 68, 76, 84) ein thermisch aktivierbares Nachstellelement umfasst.
10. Brennstoffzelle (10) gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachstellvorrichtung (42, 46, 48, 50; 68, 76, 84) ein hydraulisch aktivierbares Spannelement umfasst.
11. Verfahren zum Ausgleich des Setzverhaltens innerhalb eines Stapelaufbaus (12) einer Brennstoffzelle (10) mit nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Aktivierung einer Nachstellvorrichtung (42, 46, 48, 50; 68, 76, 84) mit mindestens einem chemisch oder thermisch aktivierbaren Spannelement oder mit einem durch ein Druckmedium hydraulisch beaufschlagbaren Druckraum (46) oberhalb oder unterhalb eines Stapelaufbaus (12), b) Erzeugen einer Relativbewegung (62) eines Druckplattenteils (42) in Richtung auf den Stapelaufbau (12), c) Verändern einer auf den Stapelaufbau (12) einwirkenden Spannkraft (78) durch eine Verschiebung des Druckplattenteils (42) um ÄL (70), welche Verschiebung größer ist als der Betrag von Setzbewegungen (80) innerhalb des Stapelaufbaus (12).
12. Verfahren zum Ausgleich des Setzverhaltens nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckmedium zur Beaufschlagung des Druckraumes 46 unter Betriebsdruck stehender Brennstoff, insbesondere gasförmiger Wasserstoff, oder an der Brennstoffzelle (10) anfallendes H2O oder Kühlmedium aus an die Brennstoffzelle (10) angrenzenden Kühlkreisläufen eingesetzt wird.
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