WO2022058272A1 - Stapelanordnung, die aus mehreren übereinander angeordneten elektrochemischen zellen gebildet ist sowie ein verfahren zu ihrer montage - Google Patents

Stapelanordnung, die aus mehreren übereinander angeordneten elektrochemischen zellen gebildet ist sowie ein verfahren zu ihrer montage Download PDF

Info

Publication number
WO2022058272A1
WO2022058272A1 PCT/EP2021/075073 EP2021075073W WO2022058272A1 WO 2022058272 A1 WO2022058272 A1 WO 2022058272A1 EP 2021075073 W EP2021075073 W EP 2021075073W WO 2022058272 A1 WO2022058272 A1 WO 2022058272A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
leaf springs
straps
end plate
electrically insulating
stack arrangement
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/075073
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Steffen Paatz
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO2022058272A1 publication Critical patent/WO2022058272A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • H01M8/2404—Processes or apparatus for grouping fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • 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

  • Stacked arrangement formed from a plurality of electrochemical cells arranged one on top of the other, and a method for assembling same
  • the invention relates to a stack arrangement formed with a plurality of electrochemical cells arranged one above the other, and a method for assembling them.
  • the technical problem to be solved relates to the tensioning of the electrochemical cells arranged and stacked one above the other, in particular fuel cell stacks ("stacks"). These stacks are made from individual layers of
  • the stacked electrochemical cells are before systems become tense.
  • tie rod and tension band systems are currently made.
  • the clamping forces are introduced into the stacks via the end plates arranged on the outside, in that the end plates are pulled together or pressed together.
  • the tensions are intended to ensure that the compression of both the MEA and the seals is as constant as possible over the service life of the electrochemical cells.
  • the tensions are particularly stressed by the thermal expansion (-20°C...+80°C), setting processes in the stack and by the dynamic loads acting on mobile cell systems.
  • the electrochemical cells arranged one above the other were pressed together in a defined manner between the end plates using a pressing device, and the bracings were installed.
  • the tie rods or straps are inserted into the corresponding mounts and tightened with threaded spindles or nuts, if necessary with torque control.
  • the resulting clamping force is therefore dependent on the preload of the clamping elements and the tightening torques of the clamping threads, which must therefore be determined iteratively.
  • the clamping of the stack is therefore time-consuming and laborious as well as error-prone (the torque is influenced by friction, a repeatable, even and symmetrical clamping is only possible to a limited extent). Both complicate the cost-effective and nevertheless high-quality large-scale production of the stack.
  • the tensile forces acting on the individual clamping elements of a stack can vary in size, which up to Damage to individual or all electrochemical cells can result.
  • Claim 8 relates to a method for its assembly. Advantageous refinements and developments can be implemented with the features specified in the dependent claims.
  • Any electrochemical cell with its bipolar plates and other necessary elements which have flat, planar surfaces along the outer edges and which can therefore be stacked on top of one another can be used in the invention.
  • the stack arrangement is formed with electrochemical cells arranged one above the other, each consisting of a membrane-electrode unit (MEA) between bipolar plates and an end plate arranged on the top and bottom of the stack.
  • MEA membrane-electrode unit
  • a plurality of first identical parabolic leaf springs are arranged and fixed on an outwardly facing surface of one of the end plates or of an electrically insulating plate arranged between the stacked electrochemical cells and this end plate in such a way that their central middle region is on the surface of the end plate or the electrically insulating plate supports.
  • the front ends of the leaf springs are arranged at a distance from the surface of the end plate or the electrically insulating plate and an outer edge of the end plate in such a way that they protrude beyond the stacked electrochemical cells at the outer edge.
  • first leaf springs At the front ends of the first leaf springs is a strap articulated to one of the respective first leaf springs, which is guided laterally next to the electrochemical cells arranged one above the other to the end plate arranged opposite or to another leaf spring arranged mirror-symmetrically there and is also articulated there to this end plate or the other leaf spring.
  • the other leaf springs and the first leaf springs and all straps are each of the same design. This applies in particular to the materials, the geometric shape and the dimensioning. In the case of leaf springs, this may also affect the structure with the number of individual spring layers. In addition, all leaf springs should have the same spring characteristics.
  • the first, the further leaf springs and the tension bands should be arranged equidistantly from one another along an axis which is oriented perpendicular to the length or width of the stack and to the longitudinal axis of the first and further leaf springs.
  • At least the first leaf springs should advantageously be connected to the respective tensioning strap in a non-positive and positive manner.
  • the outer end faces of the straps can be T-shaped and the legs projecting outwards can be inserted in recesses in the outer end edge area of a respective leaf spring, the end plate or the electrically insulating plate.
  • the area of the tightening straps that is arranged between the outwardly projecting legs can be inserted into a slot-shaped recess formed on the outer end face of the respective leaf spring, end plate or electrically insulating plate.
  • All leaf springs can advantageously have a linear or preferably a degressive spring characteristic.
  • a degressive spring characteristic the change in force resulting from the change in length in relation to the preload force is significantly lower than with a linear characteristic.
  • the leaf springs can be geometrically designed, dimensioned and made of one material and the length of the tensioning straps between articulated connection points can be selected in such a way that a compressive force on the electrical cells arranged one above the other is at least 10 kN, preferably at least 30 kN and/or a pressure at the superimposed electric cells of at least 0.5 MPa, so that a surface pressure of at least 0.5 MPa.
  • the invention enables automated assembly and bracing of stacks of electrochemical cells.
  • the stack height changes that occur during operation can be compensated for by the leaf springs when there is a marginal and therefore tolerable change in the clamping force.
  • the procedure can be such that the lengths of the individual tensioning straps determining the pretensioning required during operation can be determined during initial pressing by the action of force on the leaf springs arranged on a cover plate or an electrically insulating plate.
  • the tensioning straps are adjusted to the required lengths and made available for assembly, but can also be taken from a range of prefabricated components in various lengths.
  • the tightening straps are mounted and connected in an articulated manner to the leaf springs and/or the respective cover plate or the respective electrically insulating plate.
  • Precise adjustment of the length of the straps prior to assembly on the stack can be achieved by adjusting the geometry of one or more sub-components of the straps.
  • the tightening straps can be cut to the exact length, for example.
  • the electrochemical cells with the bipolar plates with end plates and leaf springs can be inserted into a setting press and braced there with a defined force ("setting").
  • This setting force can be applied by individually controlled tappets that act separately on each leaf spring.
  • each leaf spring can be loaded in a force-controlled manner and the travel of the rams can be logged.
  • the length of the individual tensioning straps required for the operational tensioning can be determined in a machine control by comparison with a parameter table stored in the control or externally.
  • the straps can be fed in automatically, individually and dimensioned to the exact length or prefabricated in the usual lengths and sorted from a Magazine are fed.
  • the tensioning straps can be completed with automatically supplied end elements, e.g. tensioning pieces, if necessary, and attached to the stack by means of an assembly unit. If necessary, the straps can be subjected to a test load and/or pre-stretched.
  • the leaf springs to be braced should now be compressed to such an extent that the tensioning straps can be fitted individually or as a set.
  • the leaf springs connected to the tensioning straps can then be relieved.
  • the successful installation can be checked by checking the tension of the individual straps.
  • the most important advantage of the invention is the possible large-scale automated assembly.
  • the clamping forces at the individual clamping points can be measured directly and without distortion and stored for process control. It is also possible to track the assembly quality by assigning the assembly parameters to the assembled stack in a one-to-one way, since the process data can be linked in an EDP system with the identity number of the stack. If necessary, the tightening straps can be prefabricated externally in the usually required lengths, as a result of which the time required for tightening can be significantly reduced if necessary.
  • the invention can be used in all areas where a larger number of different component layers have to be clamped automatically after being stacked, ie preferably in automated series and large-scale series processes.
  • the invention should preferably be used in the automated series production of fuel cell stacks, since these are likely to be required in large numbers in the coming years for the ecologically compatible conversion of the economies of many countries.
  • FIG. 1 shows a side view of an example of a stacking arrangement according to the invention
  • Figure 2 is a sectional view along the line A-A of Figure 1 and
  • FIG. 3 shows a perspective view of the example shown in FIG.
  • an electrically insulating plate is not shown. This would in each case be arranged between the electrochemical cells arranged pointing outwards and the end plate 1 arranged there.
  • the stack 4 which is formed with a plurality of electrochemical cells arranged one above the other, is shown in a highly schematic manner, since the stack 4 as such does not differ from conventional stacks.
  • first leaf springs 2 and further leaf springs 2 are arranged on the outwardly facing surfaces of the end plates 1 as best seen in FIG.
  • leaf springs 2 can thus be arranged symmetrically on the opposite surfaces of the stack 4 and aligned with one another, each pair formed with a first leaf spring 2 and a further leaf spring 2, as explained in the general part of the description, with a pair of Clamping straps 3 can be connected to oppositely arranged sides of the stack 4.
  • the front ends of the leaf springs 2 point away from the surface on which the respective leaf spring 2 is supported, so that a distance is maintained between this surface.
  • the end faces of the clamping straps 3 are T-shaped in this example.
  • the web between the outward-pointing legs of the T is inserted into a slot-shaped recess formed on the outward-pointing end face of the leaf springs 2 .
  • the leaf springs 2 are provided with a depression on the outward-facing surface, into which the legs of the T of the T-shaped front ends of the tensioning straps 3 are inserted.
  • the leaf springs 2 can be connected to one another in a positive and non-positive manner and in an articulated manner with the clamping straps 3 .
  • leaf springs 2 could be dispensed with on a cover plate 1 . Then you can connect the straps 3 on this side of the stack arrangement with the respective cover plate 1 in an articulated manner, which would be analogous to the shown connection to other leaf springs 2 but also possible in another suitable form. The connection would only have to be articulated and able to withstand the respective tensile forces transmitted with the tensioning straps 3 .

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Stapelanordnung, die mit mehreren übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen gebildet ist, die jeweils mit einer Membran-Elektrodeneinheit zwischen Bipolarplatten gebildet sind. Auf einer nach außen weisenden Oberfläche einer der Endplatten (1) oder einer zwischen den gestapelten elektrochemischen Zellen und dieser Endplatte (1) angeordneten elektrisch isolierenden Platte sind mehrere erste jeweils gleiche parabelförmige Blattfedern (2) so angeordnet und fixiert, dass sich ihr zentraler Mittenbereich an der Oberfläche der Endplatte (1) oder der elektrisch isolierenden Platte abstützt. An den stirnseitigen Enden der ersten Blattfedern (2) ist jeweils ein Spannband (3) gelenkig mit einer jeweiligen ersten Blattfeder (2) verbunden, das seitlich neben den übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen bis zur gegenüberliegend angeordneten Endplatte (1) oder einer sich dort spiegelsymmetrisch angeordneten weiteren Blattfeder (2) geführt ist und dort ebenfalls gelenkig mit dieser Endplatte (1) oder der weiteren Blattfeder (2) verbunden ist. Die ersten Blattfedern und die weiteren Blattfedern (2) und alle Spannbänder (3) sind jeweils gleich ausgebildet.

Description

Stapelanordnung, die aus mehreren übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen gebildet ist sowie ein Verfahren zu ihrer Montage
Die Erfindung betrifft eine Stapelanordnung, die mit mehreren übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen gebildet ist sowie ein Verfahren zu ihrer Montage.
Das zu lösende technische Problem betrifft die Verspannung der übereinander angeordneten und gestapelten elektrochemischen Zellen, insbesondere Brennstoffzellen-Stapel ("Stacks"). Diese Stapel werden aus Einzellagen von
Bipolar-Platten, Dichtungen sowie den Membran-Elektroden-Einheiten (MEA) aufgebaut, was in der Summe der Einzelteile zu erheblichen Fertigungstoleranzen führen kann. Die Stapel müssen während des Betriebes mechanisch stabil und vor allem gasdicht sein sowie gleichbleibend niedrige elektrische Übergangswiderstände aufweisen.
Dazu werden die gestapelten elektrochemischen Zellen durch unterschiedli- ehe Systeme verspannt. Man unterscheidet aktuell Zuganker- und Spannband- Systeme. In jedem Fall werden die Spannkräfte über die außen angeordneten Endplatten in die Stacks eingeleitet, indem die Endplatten zusammengezogen bzw. zusammengedrückt werden.
Die Verspannungen sollen über die Lebensdauer der elektrochemischen Zellen eine möglichst gleichbleibende Verpressung sowohl der MEA als auch der Dichtungen gewährleisten.
Besonders beansprucht werden die Verspannungen durch die thermische Ausdehnung (-20°C...+80°C), Setzvorgänge im Stapel sowie durch die auf mobil eingesetzte Zellensysteme einwirkenden dynamischen Belastungen.
Zur ökonomisch sinnvollen Herstellung der elektrochemischen Zellen in Großserie sind automatisierte und rückverfolgbare Fertigungs- und Montageprozesse unabdingbar.
Bisher werden die übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen mit einer Pressvorrichtung zwischen den Endplatten definiert zusammengedrückt und die Verspannungen werden montiert. Dabei werden die Zuganker oder Spannbänder in die entsprechenden Aufnahmen eingesetzt und mittels Gewindespindeln oder -Muttern ggf. drehmomentgesteuert gespannt. Die resultierende Spannkraft ist somit abhängig von der Vorspannung der Spannelemente und den Anzugsmomenten der Spanngewinde, die deshalb iterativ ermittelt werden müssen.
Im Gegensatz zum Aufstapeln der elektrochemischen Zellen erfolgt das Einsetzen und Verspannen größtenteils manuell, lediglich teilweise werden mechanische Hilfsmittel (z.B. Schrauber) verwendet.
Das Verspannen der Stapel ist deshalb zeit- und arbeitsaufwendig sowie fehleranfällig (das Drehmoment wird durch Reibung beeinflusst, eine wiederholgenaue, gleichmäßige und symmetrische Verspannung ist nur eingeschränkt möglich). Beides erschwert die kostengünstige und trotzdem hochqualitative Großserienfertigung der Stapel. Die an den einzelnen Spannelementen eines Stapels wirkenden Zugkräfte können unterschiedlich groß sein, was bis zur Beschädigung einzelner oder auch aller elektrochemischen Zellen führen kann.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine vereinfachte, automatisierbare und reproduzierbare Montage von übereinander angeordneten und verspannten elektrochemischen Zellen eines Stapels anzugeben, wobei gesichert sein soll, dass die an einem Stapel mittels Spannelementen wirkenden Spannkräfte alle zumindest nahezu gleich groß sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Stapelanordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 8 betrifft ein Verfahren zu dessen Montage. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen können mit in den abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei der Erfindung können alle elektrochemischen Zellen mit ihren Bipolarplatten und anderen erforderlichen Elementen eingesetzt werden, die entlang der Außenkanten ebene, planare Flächen aufweisen und die man somit übereinander stapeln kann.
Bei der Erfindung wird die Stapelanordnung mit übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen, die jeweils aus einer Membran-Elektrodeneinheit (MEA) zwischen Bipolarplatten, sowie jeweils einer an der Ober- und Unterseite des Stapels angeordneten Endplatte gebildet. Auf einer nach außen weisenden Oberfläche einer der Endplatten oder einer zwischen den gestapelten elektrochemischen Zellen und dieser Endplatte angeordneten elektrisch isolierenden Platte sind mehrere erste jeweils gleiche parabelförmige Blattfedern so angeordnet und fixiert, dass sich ihr zentraler Mittenbereich an der Oberfläche der Endplatte oder der elektrisch isolierenden Platte abstützt. Die stirnseitigen Enden der Blattfedern sind in einem Abstand zur Oberfläche der Endplatte oder der elektrisch isolierenden Platte und einen äußeren Rand der Endplatte so angeordnet, dass sie die gestapelten elektrochemischen Zellen am äußeren Rand überragen.
An den stirnseitigen Enden der ersten Blattfedern ist jeweils ein Spannband gelenkig mit einer der jeweiligen ersten Blattfedern verbunden, das seitlich neben den übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen bis zur gegenüberliegend angeordneten Endplatte oder einer sich dort spiegelsymmetrisch angeordneten weiteren Blattfeder geführt und dort ebenfalls gelenkig mit dieser Endplatte oder der weiteren Blattfeder verbunden wird. Die weiteren Blattfedern und die ersten Blattfedern und alle Spannbänder sind jeweils gleich ausgebildet. Dies betrifft insbesondere die Werkstoffe, die geometrische Gestalt und die Dimensionierung. Bei den Blattfedern betrifft dies ggf. auch den Aufbau mit der Anzahl einzelner Federlagen. Außerdem sollten alle Blattfedern eine gleiche Federkennlinie aufweisen.
Die ersten, die weiteren Blattfedern und die Spannbänder sollten entlang einer Achse, die senkrecht zur Länge oder Breite des Stapels und zur Längsachse der ersten und weiteren Blattfedern ausgerichtet ist, äquidistant zueinander angeordnet sein.
Vorteilhaft sollten zumindest die ersten Blattfedern kraft- und formschlüssig mit dem jeweiligen Spannband verbunden sein. Dazu können die äußeren Stirnseiten der Spannbänder T-förmig ausgebildet und die nach außen ragenden Schenkel in Vertiefungen, die im äußeren Stirnrandbereich einer jeweiligen Blattfeder, der Endplatte oder der elektrisch isolierenden Platte eingesetzt sein. Der Bereich der Spannbänder, der zwischen den nach außen ragenden Schenkeln angeordnet ist, kann dabei in eine an der äußeren Stirnseite der jeweiligen Blattfeder, Endplatte oder elektrisch isolierenden Platte ausgebildete schlitzförmige Aussparung eingeführt sein.
Vorteilhaft können alle Blattfedern eine lineare oder bevorzugt eine degressive Federkennlinie aufweisen. Bei einer degressiven Federkennlinie fällt durch die Längenänderung resultierende Kraftänderung im Verhältnis zur Vorspannkraft wesentlich geringer aus als bei einer linearen Kennlinie.
Die Blattfedern können so geometrisch gestaltet, dimensioniert und aus einem Werkstoff gebildet sein und die Länge der Spannbänder zwischen gelenkigen Verbindungspunkten so gewählt sein, dass eine Druckkraft auf die übereinander angeordneten elektrischen Zellen von mindestens 10 kN, bevorzugt von mindestens 30 kN und/oder ein Druck an den übereinander angeordneten elektrischen Zellen von mindestens 0,5 MPa, so dass eine Flächenpressung von mindestens 0,5 MPa wirkt.
Die Erfindung ermöglicht eine automatisierte Montage und Verspannung von Stapeln elektrochemischer Zellen.
Über die Blattfedern können die im Betrieb auftretenden Stapelhöhenänderungen bei marginaler und deshalb tolerierbarer Änderung der Spannkraft ausgeglichen werden.
Bei der Montage einer Stapelanordnung kann so vorgegangen werden, dass bei einem erstmaligen Verpressen durch Krafteinwirkung auf die auf einer Deckplatte oder einer elektrisch isolierenden Platte angeordneten Blattfedern, die die im Betrieb erforderliche Vorspannung bestimmenden Längen der einzelnen Spannbänder ermittelt werden. Die Spannbänder werden auf die erforderlichen Längen angepaßt und zur Montage bereitgestellt, können aber auch aus einem Sortiment von in verschiedenen Längen vorgefertigten Bauteilen entnommen werden. Dann werden die Spannbänder montiert und mit den Blattfedern und/oder der jeweiligen Deckplatte oder der jeweiligen elektrisch isolierenden Platte gelenkig verbunden.
Die genaue Einstellung der Länge der Spannbänder vor der Montage an den Stapel kann durch die Anpassung der Geometrie eines oder mehrerer Teilkomponenten der Spannbänder erreicht werden. Dazu können die Spannbänder z.B. auf das genaue Maß abgelängt werden.
Zur Montage können die elektrochemischen Zellen mit den Bipolarplatten mit Endplatten und Blattfedern in eine Setzpresse eingesetzt und dort mit einer definierten Kraft verspannt werden ("Setzen"). Diese Setzkraft kann durch einzeln angesteuerte und auf jede Blattfeder separat wirkende Stößel aufge- bacht werden. Durch diese Stößel kann jede Blattfeder kraftgeregelt belastet und der Verfahrweg der Stößel protokolliert werden. Nach dem Setzvorgang kann in einer Maschinensteuerung die für die Betriebsverspannung erforderliche Länge der einzelnen Spannbänder durch Abgleich mit einer in der Steuerung oder extern hinterlegten Parametertabelle ermittelt werden. Die Spannbänder können automatisiert zugeführt, vereinzelt und auf genaue Länge dimensioniert oder in den üblichen Längen vorgefertigt und sortiert aus einem Magazin zugeführt werden.
Danach können die Spannbänder ggf. mit automatisch zugeführten Endelementen, z.B. Spannstücken komplettiert und mittels einer Montageeinheit an den Stapel angesetzt werden. Gegebenenfalls können die Spannbänder mit einer Prüflast beaufschlagt oder/und vorgereckt werden.
Die zu verspannenden Blattfedern sollten nun soweit zusammengedrückt werden, dass die Spannbänder einzeln oder im Satz montiert werden können. Anschließend können die mit Spannbändern verbundenen Blattfedern entlastet werden.
Nachdem alle Spannbänder montiert sind, kann durch eine Kontrolle der Spannung der einzelnen Spannbänder die erfolgreiche Montage geprüft werden.
Der wichtigste Vorteil der Erfindung ist die mögliche großserienfähige automatisierte Montage. Außerdem können die Spannkräfte an den einzelnen Spannstellen direkt und ohne Verfälschung gemessen und für die Prozesskontrolle gespeichert werden. Ebenfalls ist die Nachverfolgung der Montagequalität durch die Zuordnung der Montageparameter zum montierten Stapel eineindeutig möglich, indem die Prozessdaten in einem EDV-System mit der Identitäts-Nummer des Stapels verknüpft werden können. Gegebenenfalls können die Spannbänder extern in den üblicherweise erforderlichen Längen vorgefertigt werden, wodurch die zur Verspannung erforderliche Zeit bei Bedarf wesentlich reduziert werden kann.
Die Erfindung kann in allen Bereichen eingesetzt werden, wo eine größere Anzahl verschiedener Bauteillagen nach dem Aufstapeln automatisiert verspannt werden müssen, also vorzugsweise in automatisierten Serien- und Großserienprozessen. Vorzugsweise soll die Erfindung bei der automatisierten Serienfertigung von Brennstoffzellenstacks genutzt werden, da diese in den kommenden Jahren für den ökologisch verträglichen Umbau der Volkswirtschaften vieler Länder in großer Stückzahl benötigt werden dürften.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Seitenansicht eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Stapelanordnung;
Figur 2 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A aus Figur 1 und
Figur 3 eine perspektivische Darstellung des in Figur 1 gezeigten Beispiels.
Bei dem gezeigten Beispiel wurde auf eine Darstellung einer elektrisch isolierenden Platte verzichtet. Diese wäre jeweils zwischen den nach außen weisend angeordneten elektrochemischen Zellen und der dort angeordneten Endplatte 1 angeordnet.
Der Stapel 4, dem mit mehreren übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen gebildet ist, ist stark schematisiert dargestellt, da sich der Stapel 4 als solcher nicht von herkömmlichen Stapeln unterscheidet.
Bei dem gezeigten Beispiel sind erste Blattfedern 2 und weitere Blattfedern 2 an den nach außen weisenden Oberflächen der Endplatten 1, so angeordnet, wie man es am besten in Figur 2 erkennen kann.
In den Endplatten 1 ist jeweils mittig an den Positionen, an denen eine Blattfeder 2 angeordnet wird, eine Vertiefung ausgebildet, in die eine komplementär an den Blattfedern 2 ausgebildete Erhebung zu einer definierten Positionierung der jeweiligen Blattfeder 2 eingeführt wird. Die Blattfedern 2 können so symmetrisch an den gegenüberliegenden Oberflächen des Stapels 4 angeordnet und zueinander ausgerichtet werden, wobei jeweils ein Paar, das mit einer ersten Blattfeder 2 und einer weiteren Blattfeder 2 gebildet ist, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, mit einem Paar von Spannbändern 3 an sich gegenüberliegend angeordneten Seiten des Stapels 4 verbunden werden kann. Bei dem gezeigten Beispiel sind dies jeweils vier Paare von Blattfedern 2 und Spannbädern 3. Alle Blattfedern 2 sind jeweils gleich ausgebildet, was auch auf die Spannbänder 3 zutrifft.
Die stirnseitigen Enden der Blattfedern 2 weisen von der Oberfläche auf der sich die jeweilige Blattfeder 2 abstützt weg, so dass zwischen dieser Oberfläche ein Abstand eingehalten ist.
Wie man am Besten in den Figuren 2 und 3 erkennen kann, sind bei diesem Beispiel die Stirnseiten der Spannbänder 3 T-förmig ausgebildet. Der Steg zwischen den nach außen weisenden Schenkeln des Ts ist in eine schlitzförmige Aussparung, die an der nach außen weisenden Stirnseite der Blattfedern 2 ausbildet ist, eingeführt. Im Bereich der schlitzförmigen Aussparungen sind die Blattfedern 2 mit einer Vertiefung an der nach außen weisenden Oberfläche versehen, in die die Schenkel des Ts der T-förmig ausgebildeten stirnseitigen Enden der Spannbänder 3 eingesetzt werden. Dadurch können die Blattfedern 2 mit den Spannbändern 3 form- und kraftschlüssig sowie gelenkig miteinander verbunden werden.
In nicht dargestellter Form könnte man an einer Deckplatte 1 auf weitere Blattfedern 2 verzichten. Dann kann man die Spannbänder 3 an dieser Seite der Stapelanordnung mit der jeweiligen Deckplatte 1 gelenkig verbinden, was analog zur gezeigten Verbindung an weiteren Blattfedern 2 aber auch in anderer geeigneter Form möglich wäre. Die Verbindung müsste nur gelenkig sein und den jeweiligen mit den Spannbändern 3 übertragenen Zugkräften widerstehen können.

Claims

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V. 218PCT 3205 Patentansprüche
1. Stapelanordnung, die mit mehreren übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen gebildet ist, die jeweils mit einer Membran- Elektrodeneinheit zwischen Bipolarplatten gebildet sind, wobei jeweils an der Ober- und Unterseite eines mit den elektrochemischen Zellen und den Bipolarplatten gebildeten Stapels (4) eine Endplatte (1) angeordnet ist, und auf einer nach außen weisenden Oberfläche einer der Endplatten (1) oder einer zwischen den gestapelten elektrochemischen Zellen und dieser Endplatte (1) angeordneten elektrisch isolierenden Platte mehrere erste jeweils gleiche parabelförmige Blattfedern (2) so angeordnet und fixiert sind, dass sich ihr zentraler Mittenbereich an der Oberfläche der Endplatte (1) oder der elektrisch isolierenden Platte abstützt und die stirnseitigen Enden der Blattfedern (2) in einem Abstand zur Oberfläche der Endplatte (2) oder der elektrisch isolierenden Platte angeordnet sind und einen äußeren Rand der Endplatte (1) sowie die gestapelten elektrochemischen Zellen überragen, wobei an den stirnseitigen Enden der ersten Blattfedern (2) jeweils ein Spannband (3) gelenkig mit einer jeweiligen ersten Blattfeder (2) verbunden ist, das seitlich neben den übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen bis zur gegenüberliegend angeordneten Endplatte (1) oder einer sich dort spiegelsymmetrisch angeordneten weiteren Blattfeder (2) geführt ist und dort ebenfalls gelenkig mit dieser Endplatte (1) oder der weiteren Blattfeder (2) verbunden ist, wobei die ersten Blattfedern und die weiteren Blattfedern (2) und alle Spannbänder (3) jeweils gleich ausgebildet sind. Stapelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten, die weiteren Blattfedern (2) und die Spannbänder (3) entlang einer Achse, die senkrecht zur Länge oder Breite des Stapels (4) und zur Längsachse der ersten und weiteren Blattfedern (2) ausgerichtet ist, äquidistant zueinander angeordnet sind. Stapelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest die ersten Blattfedern (2) kraft- und formschlüssig mit dem jeweiligen Spannband verbunden sind. Stapelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Blattfedern (2) eine lineare oder degressive Federkennlinie aufweisen. Stapelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfedern (2) so geometrisch gestaltet, dimensioniert und aus einem Werkstoff gebildet sind und die Länge der Spannbänder (3) zwischen gelenkigen Verbindungspunkten so gewählt sind, dass eine Druckkraft auf die übereinander angeordneten elektrischen Zellen von mindestens 10 kN wirkt. Stapelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blattfedern (2) so geometrisch gestaltet, dimensioniert und aus einem Werkstoff gebildet sind und die Länge der Spannbänder (3) zwischen gelenkigen Verbindungspunkten so gewählt sind, dass ein Druck an den übereinander angeordneten elektrischen Zellen von mindestens 0,5 MPa wirkt. Stapelanordnung nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Stirnseiten der Spannbänder (3) T- förmig ausgebildet und die nach außen ragenden Schenkel in Vertiefungen, die im äußeren Stirnrandbereich einer jeweiligen Blattfeder (2), der Endplatte (1) oder der elektrisch isolierenden Platte eingesetzt sind und der Bereich der Spannbänder (3), der zwischen den nach außen ragenden Schenkeln angeordnet ist, in eine an der äußeren Stirnseite der jeweiligen Blattfeder (2), Endplatte (1) oder elektrisch isolierenden Platte ausgebildete schlitzförmige Aussparung eingeführt ist. Verfahren zur Montage einer Stapelanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem erstmaligen Verpressen, der auf einer Deckplatte (1) oder einer elektrisch isolierenden Platte angeordneten Blattfedern (2), die die im Betrieb erforderliche Vorspannung bestimmenden Längen der einzelnen Spannbänder (3) ermittelt und im Anschluss daran die Spannbänder (3) mit den Blattfedern (2) und/oder der jeweiligen Deckplatte (1) oder der jeweiligen elektrisch isolierenden Platte gelenkig verbunden werden. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannbänder (3) nach der Bestimmung der erforderlichen Längen aus dazu geeigneten Einzelteilen zusammengesetzt und montiert werden. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die genaue Einstellung der Länge der Spannbänder (3) vor der Montage an den Stapel (4) durch die Anpassung der Geometrie eines oder mehrerer Teilkomponenten der Spannbänder (3) erreicht oder eine Auswahl aus einem Sortiment an Spannbändern (3) verschiedener Längen vorgenommen wird.
PCT/EP2021/075073 2020-09-16 2021-09-13 Stapelanordnung, die aus mehreren übereinander angeordneten elektrochemischen zellen gebildet ist sowie ein verfahren zu ihrer montage WO2022058272A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020211601.6A DE102020211601A1 (de) 2020-09-16 2020-09-16 Stapelanordnung, die aus mehreren übereinander angeordneten elektrochemischen Zellen gebildet ist sowie ein Verfahren zu ihrer Montage
DE102020211601.6 2020-09-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022058272A1 true WO2022058272A1 (de) 2022-03-24

Family

ID=77924358

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/075073 WO2022058272A1 (de) 2020-09-16 2021-09-13 Stapelanordnung, die aus mehreren übereinander angeordneten elektrochemischen zellen gebildet ist sowie ein verfahren zu ihrer montage

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102020211601A1 (de)
WO (1) WO2022058272A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6372372B1 (en) * 2000-02-11 2002-04-16 Plug Power Inc. Clamping system for a fuel cell stack
DE102004027694A1 (de) * 2004-02-05 2005-08-25 Daimlerchrysler Ag Brennstoffzellenstapel mit Spannsystem
KR20060067158A (ko) * 2004-12-14 2006-06-19 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 체결 구조

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2003226325A1 (en) 2002-04-30 2003-11-17 General Motors Corporation Method and apparatus for providing a uniform fuel cell stack structure
DE102010007980A1 (de) 2010-02-15 2011-08-18 Daimler AG, 70327 Vorrichtung zur Kompression einer Brennstoffzellenanordnung
KR101466507B1 (ko) 2013-10-17 2014-11-28 현대하이스코 주식회사 체결이 용이한 연료전지 스택

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6372372B1 (en) * 2000-02-11 2002-04-16 Plug Power Inc. Clamping system for a fuel cell stack
DE102004027694A1 (de) * 2004-02-05 2005-08-25 Daimlerchrysler Ag Brennstoffzellenstapel mit Spannsystem
KR20060067158A (ko) * 2004-12-14 2006-06-19 현대자동차주식회사 연료전지 스택의 체결 구조

Also Published As

Publication number Publication date
DE102020211601A1 (de) 2022-03-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112005002126B4 (de) Ausrichtungssystem und -verfahren für sich wiederholende und nicht wiederholende Einheiten in einem Brennstoffzellenstapel
EP2409345B1 (de) Elektroenergie-speichervorrichtung mit flachzellen, abstandselementen und kontaktierungseinrichtungen
EP2666197B1 (de) Batterie mit einer mehrzahl von batteriezellen
DE102006028498B4 (de) Brennstoffzellenstapel
DE102006028439B4 (de) Brennstoffzellenstapel und Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels
DE102019125382A1 (de) Batterie mit einer Druckbegrenzungsvorrichtung, Funktionsvorrichtung mit einer Batterie und Verfahren zur Druckbegrenzung
DE4443688C1 (de) Bipolarplatte für Brennstoffzellen
WO2012010347A1 (de) Batteriemodul mit einer federnden anpressplatte
DE102016004306A1 (de) Brennstoffzellenstapel, Brennstoffzellensystem, Fahrzeug und Verfahren zum Fertigen eines Brennstoffzellenstapels
WO2019002192A1 (de) Elektrochemische batteriezelle für ein batteriemodul und verfahren zur herstellung einer batteriezelle sowie batteriemodul
EP1634346A2 (de) Elektrochemische anordnung mit elastischer verteilungsstruktur
DE102021115536A1 (de) Zelltrennelement zum Anordnen zwischen zwei Batteriezellen einer Batterie und Batterie
WO2022058272A1 (de) Stapelanordnung, die aus mehreren übereinander angeordneten elektrochemischen zellen gebildet ist sowie ein verfahren zu ihrer montage
DE102020007725A1 (de) Verfahren zur Montage eines Batteriemoduls
WO2011023530A1 (de) Vorspannkonzept für lithium-ionen-batteriesysteme
DE102010018417B4 (de) Verfahren zum Herstellen von stapelförmigen Bauteilen
DE10343766A1 (de) Spannvorrichtung für einen Stapel aus einer Mehrzahl elektrochemischer Zellen und Verfahren zu deren Montage
WO2022063970A1 (de) Brennstoffzellenanordnung und verfahren zur herstellung einer brennstoffzellenanordnung
DE102019001277A1 (de) Vorrichtung zum Bearbeiten von Elektrodenstapeln von aus gestapelten Elektrodenschichten bestehenden Batteriezellen
WO2022207210A1 (de) Batteriemodul und verfahren zum verspannen eines batteriemoduls
DE102013204378A1 (de) Endplatte mit elastischer Schicht sowie Brennstoffzelle mit einer solchen
DE102011075677A1 (de) Energiespeichermodul aus mehreren insbesondere prismatischen Speicherzellen und Verfahren zur Herstellung eines Energiespeichermoduls
DE102020127917A1 (de) Kompressionssystem für einen Brennstoffzellenstapel
DE102019219797A1 (de) Spannvorrichtung zur Erzeugung einer Verspannungskraft
DE102017203930B4 (de) Stapelvorrichtung zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21777984

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21777984

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1