WO2021219301A1 - System comprising a fuel cell stack and a clamping device, and method for clamping the system - Google Patents

System comprising a fuel cell stack and a clamping device, and method for clamping the system Download PDF

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WO2021219301A1
WO2021219301A1 PCT/EP2021/057766 EP2021057766W WO2021219301A1 WO 2021219301 A1 WO2021219301 A1 WO 2021219301A1 EP 2021057766 W EP2021057766 W EP 2021057766W WO 2021219301 A1 WO2021219301 A1 WO 2021219301A1
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WO
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end plate
fastening means
housing
fuel cell
cell stack
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/057766
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German (de)
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Inventor
Danijel NIKOLIC
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
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    • 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
    • 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
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • 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

  • a system comprising a fuel cell stack and a tensioner
  • the invention relates to a system comprising a fuel cell stack and a clamping device, the fuel cell stack comprising a first end plate, a second end plate, at least one bipolar plate and at least one membrane electron assembly (MEA) and the clamping device comprising at least one clamping element.
  • the invention also relates to a method for tensioning the system.
  • a fuel cell is an electrochemical cell that converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy.
  • a fuel cell is therefore an electrochemical energy converter.
  • hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) in particular are converted into water (H 2 O), electrical energy and heat.
  • Proton exchange membrane fuel cells have a centrally arranged membrane that is permeable to protons, i.e. hydrogen ions.
  • the oxidizing agent in particular atmospheric oxygen, is thereby spatially separated from the fuel, in particular hydrogen.
  • Solid oxide fuel cells which are also referred to as solid oxide fuel cells (SOFC).
  • SO FC fuel cells have a higher operating temperature and exhaust gas temperature than PEM fuel cells and are used in particular in stationary operation.
  • Fuel cells have an anode and a cathode. The fuel is fed to the anode of the fuel cell and is catalytically oxidized to protons, releasing electrons, which then reach the cathode. The released electrons are diverted from the fuel cell and flow to the cathode via an external circuit.
  • the oxidizing agent in particular atmospheric oxygen, is supplied to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing electrons from the external circuit and protons to form water. The resulting water is drained from the fuel cell.
  • the gross response is:
  • a voltage is applied between the anode and the cathode of the fuel cell.
  • several fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack, which is also referred to as a stack, and electrically connected in series.
  • a fuel cell stack usually has end plates which press the individual fuel cells together and give the fuel cell stack stability.
  • the end plates also serve as the positive pole or negative pole of the fuel cell stack to divert the current.
  • the electrodes that is to say the anode and the cathode, and the membrane can be structurally combined to form a membrane electrode assembly (MEA), which is also referred to as a membrane electrode assembly.
  • MEA membrane electrode assembly
  • Fuel cell stacks also have bipolar plates, which are also referred to as gas distributor plates.
  • Bipolar plates are used to evenly distribute the fuel to the anode and to distribute the oxidizing agent evenly to the cathode.
  • bipolar plates usually have a surface structure, for example channel-like structures, for distributing the fuel and the oxidizing agent to the electrodes. The channel-like structures also serve to drain off the water produced during the reaction.
  • the bipolar plates can have structures for conducting a cooling medium through the fuel cell in order to dissipate heat. In addition to the media flow with regard to oxygen, hydrogen and water, the bipolar plates ensure a flat electrical contact with the membrane.
  • a fuel cell stack typically comprises up to a few hundred individual fuel cells that are stacked in layers as so-called sandwiches.
  • the individual fuel cells have an MEA as well as a bipolar plate half on the anode side and on the cathode side.
  • a fuel cell comprises in particular an anode monopolar plate and a cathode monopolar plate, which are brought together and form a biopolar plate.
  • the size and thickness of the bipolar plates or the fuel cell stack as well as the chemical composition of the MEA can vary widely.
  • the type and design of the bracing, gas pressure, electrical resistance, corrosion and water removal represent relevant points in the manufacture of fuel cell stacks and in your company.
  • DE 102018210 165 A1 relates to a clamping system for a fuel cell stack, a first end plate being clamped to one another on one side of the fuel cell stack and a second on an opposite side of the fuel cell stack with a plurality of clamping elements.
  • the end plates are each composed of partial end plates and have rounded edges.
  • tensioning straps are used as tensioning elements. Disclosure of the invention
  • a system comprising a fuel cell stack and a clamping device
  • the fuel cell stack comprising a first end plate, a second end plate, at least one bipolar plate and at least one membrane electrode assembly (MEA)
  • the clamping device comprising a housing, at least one clamping element, at least one comprises first fastening means and at least one second fastening means, wherein the housing has an open side and a closed side, the at least one clamping element is arranged in the housing such that the at least one clamping element extends up to the open side or beyond the open side , and the clamping device is arranged on the first end plate of the fuel cell stack so that the open side of the housing faces the first end plate, and wherein the first end plate and the housing can be connected to one another with the at least one first fastening means, and the second end plate and the housing can be connected to one another with the at least one second fastening means.
  • MEA membrane electrode assembly
  • a method for tensioning the system comprising the following steps: a. Fixing the at least one first fastening means so that the first end plate is in a first position and the at least one clamping element is compressed in the housing between the closed side and the first end plate of the fuel cell stack, b. Stacking the at least one bipolar plate and the at least one MEA between the first end plate and the second end plate, c. Fixing the at least one second fastening means and d. Releasing the at least one first fastening means, so that the at least one tensioning element expands and the first end plate moves from the first position in the direction of the second end plate into a second position.
  • the system preferably comprises the following elements, which are further preferably arranged as layers in the specified order: second end plate, stack comprising the at least one bipolar plate and the at least one MEA, first end plate, a first part of the at least one clamping element and the housing comprising a second part of the at least one clamping element.
  • the MEA comprises a polymer electrolyte membrane.
  • the at least one tensioning element exerts a tensioning force, in particular a compressive force, on the first end plate, wherein the tensioning force can be adjusted by means of the at least one first fastening means.
  • the at least one tensioning element is preferably tightened with a torque in a range from 2 Nm to 3 Nm, for example 2.5 Nm.
  • the at least one first fastening means preferably extends at least from the first end plate up to the housing, in particular up to at least the closed side of the housing.
  • the at least one second fastening means preferably extends at least from the second end plate to the housing, in particular at least to the closed side of the housing.
  • first end plate and the housing are connected to one another with the at least one first fastening means and the second end plate and the housing are in particular connected to one another with the at least one second fastening means.
  • the at least one first fastening means can be firmly and / or rigidly connected to the first end plate.
  • the at least one first fastening means and / or the at least one second fastening means are preferably each screws.
  • the at least one first fastening means can also be referred to as a fixing screw and the at least one second fastening means can also be referred to as a retaining screw.
  • the clamping device preferably comprises exactly one first fastening means, furthermore the clamping device comprises at least two second fastening means, more preferably 2 to 20 second fastening means, more preferably 5 to 10 second fastening means.
  • the at least one first fastening means and / or the at least one second fastening means preferably each have a closure element, especially a first mother.
  • the closure element is preferably located outside the housing, more preferably on an outside of the closed side of the housing.
  • the at least one second fastening means can each have a second closure element, in particular a second nut, which is preferably located on an outside of the second end plate.
  • a first distance between the first end plate and the housing can be set by means of the at least one first fastening means.
  • a second distance between the second end plate and the housing can preferably be set by means of the at least one second fastening means.
  • the first distance and / or the second distance are in particular related to the closed side of the housing. In the first position, the first end plate preferably rests against the housing, so that the first distance is zero.
  • the magnitude of the clamping force which acts on the assembled fuel cell stack by the at least one clamping element can be adjusted.
  • the closed side can have openings, which can also be referred to as holes, for passing through the at least one first fastening means and / or the at least one second fastening means.
  • the closed side is preferably arranged opposite the open side of the housing.
  • the housing can have further closed sides, so that the housing preferably has a total of at least one closed side, for example five closed sides.
  • the housing preferably has essentially the same dimensions in terms of length and width as the first end plate. Essentially the same means that the dimensions differ by less than 50%, preferably less than 30% and more preferably less than 10% with respect to an overall length or overall width of the first end plate.
  • the at least one tensioning element is preferably a spring.
  • the at least one tensioning element is preferably connected to the housing, more preferably permanently or rigidly connected.
  • the clamping device preferably comprises at least two clamping elements.
  • the clamping device more preferably comprises 2 to 20, in particular 5 to 10 clamping elements.
  • the at least two clamping elements can be arranged symmetrically, for example in two rows, in the housing.
  • the clamping force of all clamping elements is preferably the same. More preferably, a length of all tensioning elements is the same. This is to be understood to the effect that the tensioning force of each tensioning element does not differ by more than 20%, preferably not more than 10%, from a tensioning force of another tensioning element.
  • the at least one clamping element is preferably aligned in a stacking direction of the fuel cell stack, so that the clamping force acts essentially parallel to the stacking direction of the fuel cell stack.
  • Essentially parallel is understood to mean that a direction of the tension force and the stacking direction of the fuel cell stack enclose an angle of less than 30 °, more preferably less than 10 ° and particularly preferably less than 5 °.
  • the at least one first fastening means and / or the at least one second fastening means are preferably aligned in the stacking direction of the fuel cell stack, so that the at least one first fastening means and / or the at least one second fastening means run essentially parallel to the stacking direction of the fuel cell stack.
  • the first fastening means is preferably arranged centrally in the housing.
  • the at least two second fastening means are preferably arranged symmetrically, for example in two rows in the housing.
  • a second fastening element is preferably arranged between two clamping elements.
  • the housing is preferably formed by a trough, in particular a metal trough.
  • the housing preferably has a height which is not higher than a length of the at least one tensioning element in a compressed state. Furthermore, the height of the housing is preferably not less than 50% of the length of the at least one tensioning element in the compressed state.
  • the compressed state of the at least one tensioning element is in particular in the first position of the first end plate.
  • the at least one tensioning element In the second position of the first end plate, the at least one tensioning element is preferably in an expanded or expanded state, in which, however, the tensioning force is still exerted by the at least one tensioning element on the first end plate.
  • the tensioning elements By releasing the at least one first fastening means, in particular the first closure element, the tensioning elements expand and the tensioning force acts on the fuel cell stack, in particular on the at least one bipolar plate and the at least one membrane-electrode arrangement.
  • the fixed at least one first fastening means counteracts in particular the tensioning force of the at least one tensioning element between the first end plate and the housing.
  • the at least one second fastening means counteracts in particular the tensioning force of the at least one tensioning element between the second end plate and the housing.
  • the system according to the invention and the method according to the invention achieve a uniform pressure distribution in the fuel cell stack, which leads to a higher degree of efficiency.
  • the assembly of the fuel cell stack is accelerated and simplified, and additional machines such as presses can be dispensed with.
  • Figure 1 shows a fuel cell stack according to the prior art
  • Figure 2 is a plan view of a clamping device
  • Figure 3 is a side view of the clamping device
  • FIG. 4 shows a system comprising a fuel cell stack and the clamping device.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a fuel cell stack 3 with a plurality of fuel cells 49 and a stacking direction 38.
  • Each fuel cell 49 has a membrane 35, two gas diffusion layers 37, an anode 39 and a cathode 41.
  • the individual fuel cells 49 are delimited from one another by bipolar plates 27, which can include a cooling plate 43.
  • the fuel cell stack 3, to which hydrogen and oxygen as well as a cooling medium are supplied, is closed by two end plates 45 and has current collectors 47.
  • FIG. 2 shows a plan view of parts of a clamping device 5.
  • the clamping device 5 shown here comprises a housing 13 and eight clamping elements 15 in the form of springs.
  • the eight clamping elements 15 are arranged in two rows.
  • the housing 13 has an open side 21, through which the clamping elements 15 are visible in this illustration, as well as an opposite closed side 23.
  • the housing 13 shown here has four further closed sides 29.
  • the closed side 23 has a first opening 31 for passing through a first fastening means 17 and eight second openings 33 for passing through a second fastening means 19 in each case.
  • FIG. 3 shows a side view of the tensioning device 5 according to FIG. 2, which has been supplemented in FIG.
  • the clamping elements 15 extend from the closed side 23 of the housing 13 beyond the open side 21 to the first end plate 7.
  • the first fastening means 17 can be used to compress the clamping elements 15 between the first end plate 7 and the closed side 23 of the housing 13 .
  • a clamping force 25 of the clamping elements 15 acts in the direction of the first end plate 7 and orthogonally to the first end plate 7.
  • FIG. 4 shows a system 1 which comprises the clamping device 5 and a fuel cell stack 3.
  • the clamping device 5 shown in Figure 3 was according to Figure 4 around a stack structure, comprising a plurality of bipolar plates 27 and a plurality of membrane electrode assemblies 11, a second end plate 9 and eight second fastening means 19, each with a nut as a second locking element 52 and four of which are shown in Figure 4, added.
  • the tensioning elements 15, the first fastening means 17 and the second fastening means 19 are each aligned parallel to one another and in a stacking direction 38 of the fuel cell stack 3.
  • the tension force 25 acts parallel to the stacking direction 38 of the fuel cell stack 3.
  • the housing 13 and the first end plate 7 are arranged at a first distance 54 from one another.
  • the first distance 54, and thus the tension force 25, can be adjusted by the position of the first closure element 50 on the first fastening means 17.
  • All clamping elements 15 have the same length and the same clamping force 25.
  • the first fastening means 17 is first fixed, i.e. the first closure element 50 is arranged such that the first end plate 7 is in a first position, the tensioning elements 15 in the housing 13 between the closed side 23 and the first End plate 7 are pressed together. In the first position, not shown here, the first end plate 7 rests on the open side 21 of the housing 13 and the clamping elements 15 are completely surrounded by the further closed sides 29.
  • the fuel cell stack 3 is then built up on the first end plate 7 by stacking the bipolar plates 27 and the membrane electrode assemblies 11 on the first end plate 7 and covering them with the second end plate 9.
  • the second fastening means 19 are then fixed and the first fastening means 17 released, so that the first end plate 7 moves from the first position in the direction of the second end plate 9 into a second position shown here.
  • the clamping elements 15 expand and the clamping force 25 acts on the fuel cell stack 3, in particular on the bipolar plates 27 and the membrane electrode assemblies 11. In the second position, the clamping elements 15 are only partially removed from the other closed sides 29 of the housing 13 surrounded.

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a system (1) comprising a fuel cell stack (3) and a clamping device (5), wherein the fuel cell stack (3) comprises a first end plate (7), a second end plate (9), at least one bipolar plate (27) and at least one membrane electrode arrangement (11) and the clamping device (5) comprises a housing (13), at least one clamping element (15), at least one first fastening means (17) and at least one second fastening means (19), wherein the housing (13) has an open side (21) and a closed side (23). The at least one clamping element (15) is arranged in the housing (13) such that the at least one clamping element (15) extends as far as the open side (21) or beyond the open side (21), and the clamping device (5) is arranged on the first end plate (7) of the fuel cell stack (3) such that the open side (21) of the housing (13) points towards the first end plate (7). The first end plate (7) and the housing (13) are connectable to one another by means of the at least one first fastening means (17) and the second end plate (9) and the housing (13) are connectable to one another by means of the at least one second fastening means (19). The invention also relates to a method for clamping the system (1).

Description

System umfassend einen Brennstoffzellenstapel und eine Spannvorrichtung undA system comprising a fuel cell stack and a tensioner and
Verfahren zum Spannen des Systems Procedure for tensioning the system
Die Erfindung betrifft ein System umfassend einen Brennstoffzellenstapel und eine Spannvorrichtung, wobei der Brennstoffzellenstapel eine erste Endplatte, eine zweite Endplatte, mindestens eine Bipolarplatte und mindestens eine Membran- Elektronenanordnung (MEA) umfasst und die Spannvorrichtung mindestens ein Spannelement umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Spannen des Systems. The invention relates to a system comprising a fuel cell stack and a clamping device, the fuel cell stack comprising a first end plate, a second end plate, at least one bipolar plate and at least one membrane electron assembly (MEA) and the clamping device comprising at least one clamping element. The invention also relates to a method for tensioning the system.
Stand der Technik State of the art
Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Zelle, die die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Eine Brennstoffzelle ist also ein elektrochemischer Energiewandler. Bei bekannten Brennstoffzellen werden insbesondere Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) in Wasser (H2O), elektrische Energie und Wärme gewandelt. A fuel cell is an electrochemical cell that converts the chemical reaction energy of a continuously supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy. A fuel cell is therefore an electrochemical energy converter. In known fuel cells, hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) in particular are converted into water (H 2 O), electrical energy and heat.
Unter anderem sind Protonenaustauschmembran(Proton Exchange Membrane = PEM)-Brennstoffzellen bekannt. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen weisen eine zentral angeordnete Membran auf, die für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, ist dadurch räumlich von dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, getrennt. Among other things, proton exchange membrane (PEM) fuel cells are known. Proton exchange membrane fuel cells have a centrally arranged membrane that is permeable to protons, i.e. hydrogen ions. The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is thereby spatially separated from the fuel, in particular hydrogen.
Ferner sind Festoxidbrennstoffzellen, die auch als solid oxide fuel cells (SOFC) bezeichnet werden, bekannt. SO FC- Brennstoffzellen besitzen eine höhere Betriebstemperatur und Abgastemperatur als PEM-Brennstoffzellen und finden insbesondere im stationären Betrieb Anwendung. Brennstoffzellen weisen eine Anode und eine Kathode auf. Der Brennstoff wird an der Anode der Brennstoffzelle zugeführt und katalytisch unter Abgabe von Elektronen zu Protonen oxidiert, die zur Kathode gelangen. Die abgegebenen Elektronen werden aus der Brennstoffzelle abgeleitet und fließen über einen externen Stromkreis zur Kathode. Solid oxide fuel cells, which are also referred to as solid oxide fuel cells (SOFC), are also known. SO FC fuel cells have a higher operating temperature and exhaust gas temperature than PEM fuel cells and are used in particular in stationary operation. Fuel cells have an anode and a cathode. The fuel is fed to the anode of the fuel cell and is catalytically oxidized to protons, releasing electrons, which then reach the cathode. The released electrons are diverted from the fuel cell and flow to the cathode via an external circuit.
Das Oxidationsmittel, insbesondere Luftsauerstoff, wird an der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt und reagiert durch Aufnahme der Elektronen aus dem externen Stromkreis und Protonen zu Wasser. Das so entstandene Wasser wird aus der Brennstoffzelle abgeleitet. Die Bruttoreaktion lautet: The oxidizing agent, in particular atmospheric oxygen, is supplied to the cathode of the fuel cell and reacts by absorbing electrons from the external circuit and protons to form water. The resulting water is drained from the fuel cell. The gross response is:
0 + 4H+ + 4e - 2H20 0 + 4H + + 4e - 2H 2 0
Zwischen der Anode und der Kathode der Brennstoffzelle liegt dabei eine Spannung an. Zur Erhöhung der Spannung können mehrere Brennstoffzellen mechanisch hintereinander zu einem Brennstoffzellenstapel, der auch als Stack bezeichnet wird, angeordnet und elektrisch in Reihe geschaltet werden. A voltage is applied between the anode and the cathode of the fuel cell. To increase the voltage, several fuel cells can be arranged mechanically one behind the other to form a fuel cell stack, which is also referred to as a stack, and electrically connected in series.
Ein Brennstoffzellenstapel weist üblicherweise Endplatten auf, die die einzelnen Brennstoffzellen miteinander verpressen und dem Brennstoffzellenstapel Stabilität verleihen. Die Endplatten dienen auch als Pluspol beziehungsweise Minuspol des Brennstoffzellenstapels zum Ableiten des Stroms. A fuel cell stack usually has end plates which press the individual fuel cells together and give the fuel cell stack stability. The end plates also serve as the positive pole or negative pole of the fuel cell stack to divert the current.
Die Elektroden, also die Anode und die Kathode, und die Membran können konstruktiv zu einer Membran- Elektroden- Anordnung (MEA) zusammengefasst sein, die auch als Membrane Electrode Assembly bezeichnet wird. The electrodes, that is to say the anode and the cathode, and the membrane can be structurally combined to form a membrane electrode assembly (MEA), which is also referred to as a membrane electrode assembly.
Brennstoffzellenstapel weisen ferner Bipolarplatten auf, die auch als Gasverteilerplatten bezeichnet werden. Bipolarplatten dienen zur gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffs an die Anode sowie zur gleichmäßigen Verteilung des Oxidationsmittels an die Kathode. Weiterhin weisen Bipolarplatten üblicherweise eine Oberflächenstruktur, beispielsweise kanalartige Strukturen, zur Verteilung des Brennstoffs sowie des Oxidationsmittels an die Elektroden auf. Die kanalartigen Strukturen dienen auch zur Ableitung des bei der Reaktion entstandenen Wassers. Zusätzlich können die Bipolarplatten Strukturen zur Durchleitung eines Kühlmediums durch die Brennstoffzelle zur Abführung von Wärme aufweisen. Neben der Medienführung bezüglich Sauerstoff, Wasserstoff und Wasser gewährleisten die Bipolarplatten einen flächigen elektrischen Kontakt zur Membran. Fuel cell stacks also have bipolar plates, which are also referred to as gas distributor plates. Bipolar plates are used to evenly distribute the fuel to the anode and to distribute the oxidizing agent evenly to the cathode. Furthermore, bipolar plates usually have a surface structure, for example channel-like structures, for distributing the fuel and the oxidizing agent to the electrodes. The channel-like structures also serve to drain off the water produced during the reaction. In addition, the bipolar plates can have structures for conducting a cooling medium through the fuel cell in order to dissipate heat. In addition to the media flow with regard to oxygen, hydrogen and water, the bipolar plates ensure a flat electrical contact with the membrane.
Ein Brennstoffzellenstapel umfasst typischerweise bis zu einigen Hundert einzelne Brennstoffzellen, die lagenweise als sogenannte Sandwiches aufeinandergestapelt werden. Die einzelnen Brennstoffzellen weisen eine MEA sowie jeweils eine Bipolarplattenhälfte auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite auf. Eine Brennstoffzelle umfasst insbesondere eine Anoden- Monopolar-Platte und eine Kathoden-Monopolar-Platte, die zusammengeführt werden und eine Biopolarplatte bilden. A fuel cell stack typically comprises up to a few hundred individual fuel cells that are stacked in layers as so-called sandwiches. The individual fuel cells have an MEA as well as a bipolar plate half on the anode side and on the cathode side. A fuel cell comprises in particular an anode monopolar plate and a cathode monopolar plate, which are brought together and form a biopolar plate.
Größe und Dicke der Bipolarplatten beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels sowie die chemische Zusammensetzung der MEA können stark variieren. Die Art und Ausführung der Verspannung, Gasdruck, elektrischer Widerstand, Korrosion und Wasserabtransport stellen relevante Punkte bei der Herstellung von Brennstoffzellenstapeln und in Ihrem Betrieb dar. The size and thickness of the bipolar plates or the fuel cell stack as well as the chemical composition of the MEA can vary widely. The type and design of the bracing, gas pressure, electrical resistance, corrosion and water removal represent relevant points in the manufacture of fuel cell stacks and in your company.
Beim Zusammenbau oder der Montage von Brennstoffzellen ist insbesondere das Konzept zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels und der einzelnen Zellen in dem Stapel miteinander von Bedeutung. Zum Verspannen können Pressen eingesetzt werden, was jedoch zu einem kostenintensiven und zeitintensiven Verfahren führt. Alternativ können mit einem Drehmomentschlüssel verschiedene Schrauben des Brennstoffzellenstapels nacheinander angezogen werden, wodurch jedoch eine Neigung der Endplatten zueinander entstehen kann, was zu einer ungleichmäßigen Druckverteilung im Brennstoffzellenstapel führt. When assembling or assembling fuel cells, the concept of bracing the fuel cell stack and the individual cells in the stack with one another is particularly important. Presses can be used for clamping, but this leads to a cost-intensive and time-consuming process. Alternatively, different screws of the fuel cell stack can be tightened one after the other with a torque wrench, but this can cause the end plates to incline towards one another, which leads to an uneven pressure distribution in the fuel cell stack.
DE 102018210 165 Al hat ein Spannsystem für einen Brennstoffzellenstapel zum Gegenstand, wobei eine erste Endplatte auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels und eine zweite auf einer gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels mit einer Mehrzahl von Spannelementen miteinander verspannt werden. Die Endplatten sind jeweils aus Teilendplatten zusammengesetzt und weisen abgerundete Kanten auf. Als Spannelemente werden insbesondere Spannbänder eingesetzt. Offenbarung der Erfindung DE 102018210 165 A1 relates to a clamping system for a fuel cell stack, a first end plate being clamped to one another on one side of the fuel cell stack and a second on an opposite side of the fuel cell stack with a plurality of clamping elements. The end plates are each composed of partial end plates and have rounded edges. In particular, tensioning straps are used as tensioning elements. Disclosure of the invention
Es wird ein System umfassend einen Brennstoffzellenstapel und eine Spannvorrichtung vorgeschlagen, wobei der Brennstoffzellenstapel eine erste Endplatte, eine zweite Endplatte, mindestens eine Bipolarplatte und mindestens eine Membran- Elektroden-Anordnung (MEA) umfasst und die Spannvorrichtung ein Gehäuse, mindestens ein Spannelement, mindestens ein erstes Befestigungsmittel und mindestens ein zweites Befestigungsmittel umfasst, wobei das Gehäuse eine offene Seite und eine geschlossene Seite aufweist, das mindestens eine Spannelement so in dem Gehäuse angeordnet ist, dass sich das mindestens eine Spannelement bis zu der offenen Seite oder über die offene Seite hinaus erstreckt, und die Spannvorrichtung so an der ersten Endplatte des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, dass die offene Seite des Gehäuses zu der ersten Endplatte zeigt, und wobei die erste Endplatte und das Gehäuse mit dem mindestens einen ersten Befestigungsmittel miteinander verbindbar sind und die zweite Endplatte und das Gehäuse mit dem mindestens einen zweiten Befestigungsmittel miteinander verbindbar sind. A system comprising a fuel cell stack and a clamping device is proposed, the fuel cell stack comprising a first end plate, a second end plate, at least one bipolar plate and at least one membrane electrode assembly (MEA) and the clamping device comprising a housing, at least one clamping element, at least one comprises first fastening means and at least one second fastening means, wherein the housing has an open side and a closed side, the at least one clamping element is arranged in the housing such that the at least one clamping element extends up to the open side or beyond the open side , and the clamping device is arranged on the first end plate of the fuel cell stack so that the open side of the housing faces the first end plate, and wherein the first end plate and the housing can be connected to one another with the at least one first fastening means, and the second end plate and the housing can be connected to one another with the at least one second fastening means.
Ferner wird ein Verfahren zum Spannen des Systems vorgeschlagen, umfassend die folgenden Schritte: a. Fixieren des mindestens einen ersten Befestigungsmittels, so dass sich die erste Endplatte in einer ersten Position befindet und das mindestens eine Spannelement in dem Gehäuse zwischen der geschlossenen Seite und der ersten Endplatte des Brennstoffzellenstapels zusammengedrückt wird, b. Stapeln der mindestens einen Bipolarplatte und der mindestens einen MEA zwischen der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte, c. Fixieren des mindestens einen zweiten Befestigungsmittels und d. Lösen des mindestens einen ersten Befestigungsmittels, so dass sich das mindestens eine Spannelement ausdehnt und sich die erste Endplatte von der ersten Position in Richtung der zweiten Endplatte in eine zweite Position bewegt. Furthermore, a method for tensioning the system is proposed, comprising the following steps: a. Fixing the at least one first fastening means so that the first end plate is in a first position and the at least one clamping element is compressed in the housing between the closed side and the first end plate of the fuel cell stack, b. Stacking the at least one bipolar plate and the at least one MEA between the first end plate and the second end plate, c. Fixing the at least one second fastening means and d. Releasing the at least one first fastening means, so that the at least one tensioning element expands and the first end plate moves from the first position in the direction of the second end plate into a second position.
Das System umfasst bevorzugt folgende Elemente, die weiter bevorzugt in angegebener Reihenfolge als Schichten angeordnet sind: zweite Endplatte, Stapel umfassend die mindestens eine Bipolarplatte und die mindestens eine MEA, erste Endplatte, ein erster Teil des mindestens einen Spannelements und das Gehäuse umfassend einen zweiten Teil des mindestens einen Spannelements. Die MEA umfasst insbesondere eine Polymerelektrolytmembran. The system preferably comprises the following elements, which are further preferably arranged as layers in the specified order: second end plate, stack comprising the at least one bipolar plate and the at least one MEA, first end plate, a first part of the at least one clamping element and the housing comprising a second part of the at least one clamping element. In particular, the MEA comprises a polymer electrolyte membrane.
Das mindestens eine Spannelement übt eine Spannkraft, insbesondere eine Druckkraft, auf die erste Endplatte aus, wobei die Spannkraft mittels des mindestens einen ersten Befestigungsmittels eingestellt werden kann. Das mindestens eine Spannelement wird bevorzugt mit einem Drehmoment in einem Bereich von 2 Nm bis 3 Nm, zum Beispiel 2,5 Nm, angezogen. The at least one tensioning element exerts a tensioning force, in particular a compressive force, on the first end plate, wherein the tensioning force can be adjusted by means of the at least one first fastening means. The at least one tensioning element is preferably tightened with a torque in a range from 2 Nm to 3 Nm, for example 2.5 Nm.
Das mindestens eine erste Befestigungsmittel erstreckt sich bevorzugt mindestens von der ersten Endplatte bis zu dem Gehäuse, insbesondere bis mindestens zu der geschlossenen Seite des Gehäuses. Das mindestens eine zweite Befestigungsmittel erstreckt sich bevorzugt mindestens von der zweiten Endplatte bis zu dem Gehäuse, insbesondere mindestens bis zu der geschlossenen Seite des Gehäuses. The at least one first fastening means preferably extends at least from the first end plate up to the housing, in particular up to at least the closed side of the housing. The at least one second fastening means preferably extends at least from the second end plate to the housing, in particular at least to the closed side of the housing.
Insbesondere sind die erste Endplatte und das Gehäuse mit dem mindestens einen ersten Befestigungsmittel miteinander verbunden und die zweite Endplatte und das Gehäuse sind insbesondere mit dem mindestens einen zweiten Befestigungsmittel miteinander verbunden. Das mindestens eine erste Befestigungsmittel kann mit der ersten Endplatte fest und/oder starr verbunden sein. In particular, the first end plate and the housing are connected to one another with the at least one first fastening means and the second end plate and the housing are in particular connected to one another with the at least one second fastening means. The at least one first fastening means can be firmly and / or rigidly connected to the first end plate.
Das mindestens eine erste Befestigungsmittel und/oder das mindestens eine zweite Befestigungsmittel sind bevorzugt jeweils Schrauben. Das mindestens eine erste Befestigungsmittel kann auch als Fixierschraube und das mindestens eine zweite Befestigungsmittel kann auch als Halteschraube bezeichnet werden. The at least one first fastening means and / or the at least one second fastening means are preferably each screws. The at least one first fastening means can also be referred to as a fixing screw and the at least one second fastening means can also be referred to as a retaining screw.
Bevorzugt umfasst die Spannvorrichtung genau ein erstes Befestigungsmittel, weiterhin umfasst die Spannvorrichtung mindestens zwei zweite Befestigungsmittel, mehr bevorzugt 2 bis 20 zweite Befestigungsmittel, weiter bevorzugt 5 bis 10 zweite Befestigungsmittel. The clamping device preferably comprises exactly one first fastening means, furthermore the clamping device comprises at least two second fastening means, more preferably 2 to 20 second fastening means, more preferably 5 to 10 second fastening means.
Das mindestens eine erste Befestigungsmittel und/oder das mindestens eine zweite Befestigungsmittel weisen bevorzugt jeweils ein Verschlusselement, insbesondere eine erste Mutter auf. Das Verschlusselement befindet sich bevorzugt außerhalb des Gehäuses, weiter bevorzugt an einer Außenseite der geschlossenen Seite des Gehäuses. The at least one first fastening means and / or the at least one second fastening means preferably each have a closure element, especially a first mother. The closure element is preferably located outside the housing, more preferably on an outside of the closed side of the housing.
Das mindestens eine zweite Befestigungsmittel kann jeweils ein zweites Verschlusselement, insbesondere eine zweite Mutter aufweisen, welches sich bevorzugt an einer Außenseite der zweiten Endplatte befindet. The at least one second fastening means can each have a second closure element, in particular a second nut, which is preferably located on an outside of the second end plate.
Insbesondere ist mittels des mindestens einen ersten Befestigungsmittels ein erster Abstand zwischen der ersten Endplatte und dem Gehäuse einstellbar. Weiterhin ist bevorzugt mittels des mindestens einen zweiten Befestigungsmittels ein zweiter Abstand zwischen der zweiten Endplatte und dem Gehäuse einstellbar. Der erste Abstand und/oder der zweite Abstand sind insbesondere bezogen auf die geschlossene Seite des Gehäuses. Bevorzugt liegt in der ersten Position die erste Endplatte an dem Gehäuse an, so dass der erste Abstand 0 beträgt. In particular, a first distance between the first end plate and the housing can be set by means of the at least one first fastening means. Furthermore, a second distance between the second end plate and the housing can preferably be set by means of the at least one second fastening means. The first distance and / or the second distance are in particular related to the closed side of the housing. In the first position, the first end plate preferably rests against the housing, so that the first distance is zero.
Durch die Differenz des ersten Abstands in der ersten Position zu der zweiten Position der ersten Endplatte kann die Größe der Spannkraft, die von dem mindestens einen Spannelement auf den zusammengebauten Brennstoffzellenstapel wirkt, eingestellt werden. Due to the difference between the first distance in the first position and the second position of the first end plate, the magnitude of the clamping force which acts on the assembled fuel cell stack by the at least one clamping element can be adjusted.
Die geschlossene Seite kann Öffnungen, die auch als Löcher bezeichnet werden können, zur Durchführung des mindestens einen ersten Befestigungsmittels und/oder des mindestens einen zweiten Befestigungsmittels aufweisen. The closed side can have openings, which can also be referred to as holes, for passing through the at least one first fastening means and / or the at least one second fastening means.
Die geschlossene Seite ist bevorzugt gegenüberliegend zu der offenen Seite des Gehäuses angeordnet. Neben dieser geschlossenen Seite kann das Gehäuse weitere geschlossene Seiten aufweisen, so dass das Gehäuse bevorzugt insgesamt mindestens eine geschlossene Seite, zum Beispiel fünf geschlossene Seiten, aufweist. The closed side is preferably arranged opposite the open side of the housing. In addition to this closed side, the housing can have further closed sides, so that the housing preferably has a total of at least one closed side, for example five closed sides.
Das Gehäuse weist bevorzugt im Wesentlichen die gleichen Dimensionen bezüglich einer Länge und einer Breite wie die erste Endplatte auf. Im Wesentlichen gleich bedeutet, dass die Dimensionen um weniger als 50%, bevorzugt weniger als 30% und mehr bevorzugt weniger als 10% bezüglich einer Gesamtlänge beziehungsweise Gesamtbreite der ersten Endplatte abweichen. Bevorzugt ist das mindestens eine Spannelement eine Feder. Das mindestens eine Spannelement ist bevorzugt mit dem Gehäuse verbunden, mehr bevorzugt fest oder starr verbunden. The housing preferably has essentially the same dimensions in terms of length and width as the first end plate. Essentially the same means that the dimensions differ by less than 50%, preferably less than 30% and more preferably less than 10% with respect to an overall length or overall width of the first end plate. The at least one tensioning element is preferably a spring. The at least one tensioning element is preferably connected to the housing, more preferably permanently or rigidly connected.
Bevorzugt umfasst die Spannvorrichtung mindestens zwei Spannelemente. Mehr bevorzugt umfasst die Spannvorrichtung 2 bis 20, insbesondere 5 bis 10 Spannelemente. Die mindestens zwei Spannelemente können symmetrisch, zum Beispiel in zwei Reihen, in dem Gehäuse angeordnet sein. The clamping device preferably comprises at least two clamping elements. The clamping device more preferably comprises 2 to 20, in particular 5 to 10 clamping elements. The at least two clamping elements can be arranged symmetrically, for example in two rows, in the housing.
Bevorzugt ist die Spannkraft aller Spannelemente gleich. Weiter bevorzugt ist eine Länge aller Spannelemente gleich. Dies ist dahingehend zu verstehen, dass die Spannkraft jedes Spannelements nicht mehr als 20%, bevorzugt nicht mehr als 10% von einer Spannkraft eines anderen Spannelements abweicht. The clamping force of all clamping elements is preferably the same. More preferably, a length of all tensioning elements is the same. This is to be understood to the effect that the tensioning force of each tensioning element does not differ by more than 20%, preferably not more than 10%, from a tensioning force of another tensioning element.
Ferner ist das mindestens eine Spannelement bevorzugt in einer Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet, so dass die Spannkraft im Wesentlichen parallel zur Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels wirkt. Unter im Wesentlichen parallel wird verstanden, dass eine Richtung der Spannkraft und die Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels einen Winkel von weniger als 30°, weiter bevorzugt weniger als 10° und besonders bevorzugt weniger als 5°, einschließen. Furthermore, the at least one clamping element is preferably aligned in a stacking direction of the fuel cell stack, so that the clamping force acts essentially parallel to the stacking direction of the fuel cell stack. Essentially parallel is understood to mean that a direction of the tension force and the stacking direction of the fuel cell stack enclose an angle of less than 30 °, more preferably less than 10 ° and particularly preferably less than 5 °.
Weiterhin, sind das mindestens eine erste Befestigungsmittel und/oder das mindestens eine zweite Befestigungsmittel bevorzugt in der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet, so dass das mindestens eine erste Befestigungsmittel und/oder das mindestens eine zweite Befestigungsmittel im Wesentlichen parallel zu der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels verlaufen. Furthermore, the at least one first fastening means and / or the at least one second fastening means are preferably aligned in the stacking direction of the fuel cell stack, so that the at least one first fastening means and / or the at least one second fastening means run essentially parallel to the stacking direction of the fuel cell stack.
Wenn genau ein erstes Befestigungsmittel vorliegt, ist das eine erste Befestigungsmittel bevorzugt zentral in dem Gehäuse angeordnet. Die mindestens zwei zweiten Befestigungsmittel sind bevorzugt symmetrisch, zum Beispiel in zwei Reihen in dem Gehäuse angeordnet. Bevorzugt ist ein zweites Befestigungselement jeweils zwischen zwei Spannelementen angeordnet. Das Gehäuse wird bevorzugt durch eine Wanne, insbesondere eine Metallwanne, gebildet. Bevorzugt weist das Gehäuse eine Höhe auf, die nicht höher ist als eine Länge des mindestens einen Spannelements in einem komprimierten Zustand. Weiterhin beträgt die Höhe des Gehäuses bevorzugt nicht weniger als 50 % der Länge des mindestens einen Spannelements in dem komprimierten Zustand. Der komprimierte Zustand des mindestens einen Spannelements liegt insbesondere in der ersten Position der ersten Endplatte vor. If there is exactly one first fastening means, the first fastening means is preferably arranged centrally in the housing. The at least two second fastening means are preferably arranged symmetrically, for example in two rows in the housing. A second fastening element is preferably arranged between two clamping elements. The housing is preferably formed by a trough, in particular a metal trough. The housing preferably has a height which is not higher than a length of the at least one tensioning element in a compressed state. Furthermore, the height of the housing is preferably not less than 50% of the length of the at least one tensioning element in the compressed state. The compressed state of the at least one tensioning element is in particular in the first position of the first end plate.
In der zweiten Position der ersten Endplatte liegt das mindestens eine Spannelement bevorzugt in einem expandierten oder ausgedehnten Zustand vor, bei dem jedoch weiterhin die Spannkraft von dem mindestens einen Spannelement auf die erste Endplatte ausgeübt wird. Durch das Lösen des mindestens einen ersten Befestigungsmittels, insbesondere des ersten Verschlusselements, dehnen sich die Spannelemente aus und die Spannkraft wirkt auf den Brennstoffzellenstapel, insbesondere auf die mindestens eine Bipolarplatte und die mindestens eine Membran-Elektroden-Anordnung. In the second position of the first end plate, the at least one tensioning element is preferably in an expanded or expanded state, in which, however, the tensioning force is still exerted by the at least one tensioning element on the first end plate. By releasing the at least one first fastening means, in particular the first closure element, the tensioning elements expand and the tensioning force acts on the fuel cell stack, in particular on the at least one bipolar plate and the at least one membrane-electrode arrangement.
Das fixierte mindestens eine erste Befestigungsmittel wirkt insbesondere der Spannkraft des mindestens einen Spannelements zwischen der ersten Endplatte und dem Gehäuse entgegen. Das mindestens eine zweite Befestigungsmittel wirkt insbesondere der Spannkraft des mindestens einen Spannelements zwischen der zweiten Endplatte und dem Gehäuse entgegen. The fixed at least one first fastening means counteracts in particular the tensioning force of the at least one tensioning element between the first end plate and the housing. The at least one second fastening means counteracts in particular the tensioning force of the at least one tensioning element between the second end plate and the housing.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Durch das erfindungsgemäße System beziehungsweise das erfindungsgemäße Verfahren wird eine gleichmäßige Druckverteilung im Brennstoffzellenstapel erzielt, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt. The system according to the invention and the method according to the invention achieve a uniform pressure distribution in the fuel cell stack, which leads to a higher degree of efficiency.
Die Montage des Brennstoffzellenstapels wird beschleunigt und vereinfacht, wobei auf zusätzliche Maschinen wie Pressen verzichtet werden kann. The assembly of the fuel cell stack is accelerated and simplified, and additional machines such as presses can be dispensed with.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Brief description of the drawings Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 einen Brennstoffzellenstapel gemäß dem Stand der Technik, Figure 1 shows a fuel cell stack according to the prior art,
Figur 2 eine Draufsicht auf eine Spannvorrichtung, Figure 2 is a plan view of a clamping device,
Figur 3 eine Seitenansicht der Spannvorrichtung und Figure 3 is a side view of the clamping device and
Figur 4 ein System umfassend einen Brennstoffzellenstapel und die Spannvorrichtung. FIG. 4 shows a system comprising a fuel cell stack and the clamping device.
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
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. In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference numerals, a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 3 mit mehreren Brennstoffzellen 49 und einer Stapelrichtung 38. Jede Brennstoffzelle 49 weist eine Membran 35, zwei Gasdiffusionslagen 37, eine Anode 39 und eine Kathode 41 auf. Die einzelnen Brennstoffzellen 49 sind durch Bipolarplatten 27, die eine Kühlplatte 43 umfassen können, voneinander abgegrenzt. Der Brennstoffzellenstapel 3, dem Wasserstoff und Sauerstoff sowie ein Kühlmedium zugeführt werden, wird durch zwei Endplatten 45 abgeschlossen und weist Stromsammler 47 auf. FIG. 1 shows a schematic illustration of a fuel cell stack 3 with a plurality of fuel cells 49 and a stacking direction 38. Each fuel cell 49 has a membrane 35, two gas diffusion layers 37, an anode 39 and a cathode 41. The individual fuel cells 49 are delimited from one another by bipolar plates 27, which can include a cooling plate 43. The fuel cell stack 3, to which hydrogen and oxygen as well as a cooling medium are supplied, is closed by two end plates 45 and has current collectors 47.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf Teile einer Spannvorrichtung 5. Die hier dargestellte Spannvorrichtung 5 umfasst ein Gehäuse 13 und acht Spannelemente 15 in Form von Federn. Die acht Spannelemente 15 sind in zwei Reihen angeordnet. Das Gehäuse 13 weist eine offene Seite 21, durch die in dieser Darstellung die Spannelemente 15 sichtbar sind, sowie eine gegenüberliegende geschlossene Seite 23 auf. Neben der geschlossenen Seite 23 weist das hier dargestellte Gehäuse 13 vier weitere geschlossene Seiten 29 auf. Die geschlossene Seite 23 weist eine erste Öffnung 31 zur Durchführung eines ersten Befestigungsmittels 17 und acht zweite Öffnungen 33 zur Durchführung jeweils eines zweiten Befestigungsmittels 19 auf. FIG. 2 shows a plan view of parts of a clamping device 5. The clamping device 5 shown here comprises a housing 13 and eight clamping elements 15 in the form of springs. The eight clamping elements 15 are arranged in two rows. The housing 13 has an open side 21, through which the clamping elements 15 are visible in this illustration, as well as an opposite closed side 23. Next to the closed side 23, the housing 13 shown here has four further closed sides 29. The closed side 23 has a first opening 31 for passing through a first fastening means 17 and eight second openings 33 for passing through a second fastening means 19 in each case.
Figur 3 zeigt eine Seitenansicht der Spannvorrichtung 5 gemäß Figur 2, die in Figur 3 durch ein erstes Befestigungsmittel 17 in Form einer Schraube, die eine Mutter als ein erstes Verschlusselement 50 aufweist, und eine erste Endplatte 7 zum Aufbau eines Brennstoffzellenstapels 3 ergänzt wurde. FIG. 3 shows a side view of the tensioning device 5 according to FIG. 2, which has been supplemented in FIG.
Die Spannelemente 15 erstrecken sich von der geschlossenen Seite 23 des Gehäuses 13 über die offene Seite 21 hinaus bis zu der ersten Endplatte 7. Durch das erste Befestigungsmittel 17 können die Spannelemente 15 zwischen der ersten Endplatte 7 und der geschlossenen Seite 23 des Gehäuses 13 zusammengedrückt werden. Eine Spannkraft 25 der Spannelemente 15 wirkt in Richtung auf die erste Endplatte 7 und orthogonal zu der ersten Endplatte 7. The clamping elements 15 extend from the closed side 23 of the housing 13 beyond the open side 21 to the first end plate 7. The first fastening means 17 can be used to compress the clamping elements 15 between the first end plate 7 and the closed side 23 of the housing 13 . A clamping force 25 of the clamping elements 15 acts in the direction of the first end plate 7 and orthogonally to the first end plate 7.
Figur 4 zeigt ein System 1, das die Spannvorrichtung 5 und einen Brennstoffzellenstapel 3 umfasst. Die in Figur 3 gezeigte Spannvorrichtung 5 wurde gemäß Figur 4 um einen Stapelaufbau, umfassend eine Mehrzahl von Bipolarplatten 27 und eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen 11, eine zweite Endplatte 9 sowie acht zweite Befestigungsmittel 19, die jeweils eine Mutter als ein zweites Verschlusselement 52 aufweisen und von denen vier in Figur 4 dargestellt sind, ergänzt. FIG. 4 shows a system 1 which comprises the clamping device 5 and a fuel cell stack 3. The clamping device 5 shown in Figure 3 was according to Figure 4 around a stack structure, comprising a plurality of bipolar plates 27 and a plurality of membrane electrode assemblies 11, a second end plate 9 and eight second fastening means 19, each with a nut as a second locking element 52 and four of which are shown in Figure 4, added.
Die Spannelemente 15, das erste Befestigungsmittel 17 und die zweiten Befestigungsmittel 19 sind jeweils parallel zueinander und zu einer Stapelrichtung 38 des Brennstoffzellenstapels 3 ausgerichtet. Die Spannkraft 25 wirkt parallel zu der Stapelrichtung 38 des Brennstoffzellenstapels 3. The tensioning elements 15, the first fastening means 17 and the second fastening means 19 are each aligned parallel to one another and in a stacking direction 38 of the fuel cell stack 3. The tension force 25 acts parallel to the stacking direction 38 of the fuel cell stack 3.
Das Gehäuse 13 und die erste Endplatte 7 sind in einem ersten Abstand 54 zueinander angeordnet. Der erste Abstand 54, und damit die Spannkraft 25, kann durch die Position des ersten Verschlusselements 50 an dem ersten Befestigungsmittel 17 eingestellt werden. Alle Spannelemente 15 weisen eine gleiche Länge und eine gleiche Spannkraft 25 auf. Zum Spannen des Systems 1 wird zunächst das erste Befestigungsmittel 17 so fixiert, also das erste Verschlusselement 50 so angeordnet, dass sich die erste Endplatte 7 in einer ersten Position befindet, wobei die Spannelemente 15 in dem Gehäuse 13 zwischen der geschlossenen Seite 23 und der ersten Endplatte 7 zusammengedrückt werden. In der hier nicht dargestellten ersten Position liegt die erste Endplatte 7 auf der offenen Seite 21 des Gehäuses 13 an und die Spannelemente 15 sind vollständig von den weiteren geschlossenen Seiten 29 umgeben. The housing 13 and the first end plate 7 are arranged at a first distance 54 from one another. The first distance 54, and thus the tension force 25, can be adjusted by the position of the first closure element 50 on the first fastening means 17. All clamping elements 15 have the same length and the same clamping force 25. To tension the system 1, the first fastening means 17 is first fixed, i.e. the first closure element 50 is arranged such that the first end plate 7 is in a first position, the tensioning elements 15 in the housing 13 between the closed side 23 and the first End plate 7 are pressed together. In the first position, not shown here, the first end plate 7 rests on the open side 21 of the housing 13 and the clamping elements 15 are completely surrounded by the further closed sides 29.
Dann wird der Brennstoffzellenstapel 3 auf der ersten Endplatte 7 aufgebaut, indem die Bipolarplatten 27 und die Membran- Elektroden-Anordnungen 11 auf der ersten Endplatte 7 gestapelt und mit der zweiten Endplatte 9 belegt werden. The fuel cell stack 3 is then built up on the first end plate 7 by stacking the bipolar plates 27 and the membrane electrode assemblies 11 on the first end plate 7 and covering them with the second end plate 9.
Danach werden die zweiten Befestigungsmittel 19 fixiert und das erste Befestigungsmittel 17 gelöst, so dass sich die erste Endplatte 7 von der ersten Position in Richtung der zweiten Endplatte 9 in eine hier dargestellte zweite Position bewegt. Dabei dehnen sich die Spannelemente 15 aus und die Spannkraft 25 wirkt auf den Brennstoffzellenstapel 3, insbesondere auf die Bipolarplatten 27 und die Membran-Elektroden-Anordnungen 11. In der zweiten Position sind die Spannelemente 15 nur noch teilweise von den weiteren geschlossenen Seiten 29 des Gehäuses 13 umgeben. The second fastening means 19 are then fixed and the first fastening means 17 released, so that the first end plate 7 moves from the first position in the direction of the second end plate 9 into a second position shown here. The clamping elements 15 expand and the clamping force 25 acts on the fuel cell stack 3, in particular on the bipolar plates 27 and the membrane electrode assemblies 11. In the second position, the clamping elements 15 are only partially removed from the other closed sides 29 of the housing 13 surrounded.
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. The invention is not restricted to the exemplary embodiments described here and the aspects emphasized therein. Rather, a large number of modifications are possible within the range specified by the claims, which are within the scope of expert action.

Claims

Ansprüche Expectations
1. System (1) umfassend einen Brennstoffzellenstapel (3) und eine Spannvorrichtung (5), wobei der Brennstoffzellenstapel (3) eine erste Endplatte (7), eine zweite Endplatte (9), mindestens eine Bipolarplatte (27) und mindestens eine Membran- Elektroden-Anordnung (11) umfasst und die Spannvorrichtung (5) ein Gehäuse (13), mindestens ein Spannelement (15), mindestens ein erstes Befestigungsmittel (17) und mindestens ein zweites Befestigungsmittel (19) umfasst, wobei das Gehäuse (13) eine offene Seite (21) und eine geschlossenen Seite (23) aufweist, das mindestens eine Spannelement (15) so in dem Gehäuse (13) angeordnet ist, dass sich das mindestens eine Spannelement (15) bis zu der offenen Seite (21) oder über die offene Seite (21) hinaus erstreckt, und die Spannvorrichtung (5) so an der ersten Endplatte (7) des Brennstoffzellenstapels (3) angeordnet ist, dass die offene Seite (21) des Gehäuses (13) zu der ersten Endplatte (7) zeigt, und wobei die erste Endplatte (7) und das Gehäuse (13) mit dem mindestens einen ersten Befestigungsmittel (17) miteinander verbindbar sind und die zweite Endplatte (9) und das Gehäuse (13) mit dem mindestens einen zweiten Befestigungsmittel (19) miteinander verbindbar sind. 1. System (1) comprising a fuel cell stack (3) and a clamping device (5), wherein the fuel cell stack (3) has a first end plate (7), a second end plate (9), at least one bipolar plate (27) and at least one membrane Electrode arrangement (11) and the clamping device (5) comprises a housing (13), at least one clamping element (15), at least one first fastening means (17) and at least one second fastening means (19), the housing (13) having a open side (21) and a closed side (23), the at least one clamping element (15) is arranged in the housing (13) such that the at least one clamping element (15) extends up to the open side (21) or over the open side (21) extends out, and the clamping device (5) is arranged on the first end plate (7) of the fuel cell stack (3) that the open side (21) of the housing (13) to the first end plate (7) shows, and wherein the first end plate (7) and the housing (13) with which at least one first fastening means (17) can be connected to one another and the second end plate (9) and the housing (13) can be connected to one another with the at least one second fastening means (19).
2. System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (5) 2 bis 20, insbesondere 5 bis 10, Spannelemente (15) umfasst. 2. System (1) according to claim 1, characterized in that the clamping device (5) comprises 2 to 20, in particular 5 to 10, clamping elements (15).
3. System (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannkraft (25) aller Spannelemente (15) gleich ist. 3. System (1) according to claim 1 or 2, characterized in that a clamping force (25) of all clamping elements (15) is the same.
4. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Spannelement (15) in einer Stapelrichtung (38) des Brennstoffzellenstapels (3) ausgerichtet ist. 4. System (1) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the at least one clamping element (15) is aligned in a stacking direction (38) of the fuel cell stack (3).
5. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Spannelement (15) eine Feder ist und/oder das mindestens eine erste Befestigungsmittel (17) und/oder das mindestens eine zweite Befestigungsmittel (19) Schrauben sind. 5. System (1) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the at least one tensioning element (15) is a spring and / or the at least one first fastening means (17) and / or the at least one second fastening means (19) Screws are.
6. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Befestigungsmittel (17) und/oder das mindestens eine zweite Befestigungsmittel (19) in der Stapelrichtung (38) des Brennstoffzellenstapels (3) ausgerichtet sind. 6. System (1) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the at least one first fastening means (17) and / or the at least one second fastening means (19) are aligned in the stacking direction (38) of the fuel cell stack (3) .
7. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung (5) genau ein erstes Befestigungsmittel (17) und/oder 2 bis 20, insbesondere 5 bis 10, zweite Befestigungsmittel (19) umfasst. 7. System (1) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the clamping device (5) comprises exactly one first fastening means (17) and / or 2 to 20, in particular 5 to 10, second fastening means (19).
8. System (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (13) durch eine Wanne, insbesondere eine Metallwanne, gebildet wird. 8. System (1) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the housing (13) is formed by a trough, in particular a metal trough.
9. Verfahren zum Spannen eines Systems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die folgenden Schritte: a. Fixieren des mindestens einen ersten Befestigungsmittels (17), so dass sich die erste Endplatte (7) in einer ersten Position befindet und das mindestens eine Spannelement (15) in dem Gehäuse (13) zwischen der geschlossenen Seite (23) und der ersten Endplatte (7) des Brennstoffzellenstapels (3) zusammengedrückt wird, b. Stapeln der mindestens einen Bipolarplatte (27) und der mindestens einen Membran-Elektroden-Anordnung (11) zwischen der ersten Endplatte (7) und der zweiten Endplatte (9), c. Fixieren des mindestens einen zweiten Befestigungsmittels (19) und d. Lösen des mindestens einen ersten Befestigungsmittels (17), so dass sich das mindestens eine Spannelement (15) ausdehnt und sich die erste Endplatte (7) von der ersten Position in Richtung der zweiten Endplatte (9) in eine zweite Position bewegt. 9. A method for tensioning a system (1) according to one of claims 1 to 8, comprising the following steps: a. Fixing the at least one first fastening means (17) so that the first end plate (7) is in a first position and the at least one tensioning element (15) in the housing (13) between the closed side (23) and the first end plate ( 7) of the fuel cell stack (3) is compressed, b. Stacking the at least one bipolar plate (27) and the at least one membrane-electrode arrangement (11) between the first end plate (7) and the second end plate (9), c. Fixing the at least one second fastening means (19) and d. Loosening the at least one first fastening means (17) so that the at least one tensioning element (15) expands and the first end plate (7) moves from the first position in the direction of the second end plate (9) into a second position.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Position die erste Endplatte (7) an dem Gehäuse (13) anliegt. 10. The method according to claim 9, characterized in that in the first position the first end plate (7) rests against the housing (13).
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