WO2023186988A1 - Spannsystem, brennstoffzellenanordnung, fahrzeug und herstellverfahren für eine brennstoffzellenanordnung - Google Patents

Spannsystem, brennstoffzellenanordnung, fahrzeug und herstellverfahren für eine brennstoffzellenanordnung Download PDF

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WO2023186988A1
WO2023186988A1 PCT/EP2023/058152 EP2023058152W WO2023186988A1 WO 2023186988 A1 WO2023186988 A1 WO 2023186988A1 EP 2023058152 W EP2023058152 W EP 2023058152W WO 2023186988 A1 WO2023186988 A1 WO 2023186988A1
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WO
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fuel cell
clamping
pressure plate
spring
cell stack
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PCT/EP2023/058152
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Stefan Weindl
Peter Eichinger
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the technology disclosed here relates to a clamping system for a fuel cell stack, a fuel cell assembly with the clamping system, a vehicle with the clamping system or the fuel cell assembly, and a method for producing a fuel cell assembly.
  • the individual fuel cells of the fuel cell stack make it possible to convert chemical energy from a continuously supplied fuel directly into electrical energy.
  • the fuel cells usually include an anode, a cathode and a named electrolyte arranged between the anode and cathode.
  • a polymer electrolyte (PEM) fuel cell stack can, for example, have two end plates and several separating plates (monopolar plates or bipolar plates) between the end plates, with membrane electrode units (so-called MEAs) being provided between the separating plates.
  • the separating plates are provided with a usually meandering fluid channel for the fuel or the oxidizing agent.
  • the membrane-electrode units generally each consist of a proton-conducting membrane and electrodes arranged on both sides of the membrane, which generally each have a catalytic layer and a porous gas diffusion layer.
  • the separating plates can contain passages. Together with sealing elements provided between the separating plates, these passages can form lines for the reaction fluids. So that the sealing elements achieve their sealing effect can unfold, it is beneficial to compress (brace) the fuel cell stack.
  • a preferred object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate at least one disadvantage of a previously known solution or to propose an alternative solution.
  • a preferred task of the technology disclosed here is to provide the simplest possible clamping system with which the fuel cell stack can be compressed (braced) with comparative precision.
  • Other preferred tasks may arise from the beneficial effects of the technology disclosed herein.
  • the clamping system is intended for a fuel cell stack. Ie, the clamping system is intended to permanently compress (tension) a fuel cell stack parallel to its stacking direction.
  • the clamping system contains a pressure plate with a contact surface for contact with the fuel cell stack, a clamping element which is arranged on a side of the pressure plate opposite the contact surface, at least one spring element arranged between the pressure plate and the clamping element with a spring axis along which the at least one spring element can be tensioned is, and at least one clamping device.
  • the at least one clamping device is designed to exert a compressive force on the clamping element, which is directed along the spring axis and in the direction of the pressure plate.
  • the clamping element is designed to transmit the compressive force to the pressure plate while prestressing the at least one spring element. This makes it possible to distribute the pressure force with which the clamping system compresses the fuel cell stack relatively evenly over the contact surface, particularly during assembly. Since the compressive force acts along the spring axis and is transmitted from the clamping device via the clamping element, the spring element and the pressure plate to the fuel cell stack, the clamping system allows the process of clamping the fuel cell stack to be automated comparatively easily.
  • the pressure force with which the fuel cell stack is compressed with the fuel cell stack during and after the production of a fuel cell arrangement can be regulated (so-called force control). Due to the even distribution of force, the individual fuel cells of the fuel cell stack can be better sealed against each other.
  • the spring element can also accommodate, in particular, temperature-related changes in length of the fuel cell stack in the stacking direction.
  • the clamping element is preferably designed as a plate (so-called clamping plate) or as a sleeve.
  • a plate is a component extending in its (main) plane, which is made of stiff material and can be loaded by forces acting perpendicular to the plane and by moments about axes lying in the plane of the plate.
  • the clamping element/the clamping plate is stiff, in particular stiffer than the at least one spring element.
  • the sleeve can be a hollow cylindrical body.
  • the hollow cylindrical body can be at least 4 mm, preferably at least 5 mm, long in the stacking direction.
  • a central longitudinal axis of the hollow cylindrical body can lie on the spring axis.
  • the clamping element can have a smaller cross section perpendicular to the spring axis than the pressure plate. Accordingly, the pressure plate can protrude beyond the clamping element when viewed along the spring axis / parallel to the stacking direction.
  • the tensioning system can have several of the spring elements per tensioning element.
  • a clamping element in particular a clamping plate
  • a plurality of spring elements in particular spaced apart transversely to the spring axis).
  • a plurality of, in particular, separate clamping devices can be arranged to rest on one and the same clamping element and/or to press on one and the same clamping element. This means that the pressure force can be adjusted comparatively easily and precisely.
  • Exactly one clamping plate and several clamping devices as well as several spaced-apart spring elements can be provided per clamping system and/or per fuel cell stack.
  • the at least one spring element is preferably designed as a (at least partially elastic) compression spring.
  • the spring axis refers in particular to the effective axis of the spring element when used as intended.
  • the spring axis is the axis along which the spring element is compressed (pretensioned) in order to compress (tension) the fuel cell stack, in particular parallel to the stacking direction of the fuel cell stack.
  • the spring axis can therefore run parallel to the stacking direction. Consequently, a longitudinal extension of the spring element parallel to the spring axis or parallel to the stacking direction of the fuel cell stack can be greater in an uncompressed initial state than in a compressed final state, which the spring element assumes when the fuel cell stack is clamped by means of the clamping system.
  • the spring element can also be independently relaxed along the spring axis. That is, if the clamping device reduces the amount of pressure exerted on the clamping element, the spring element can expand independently in its installed position between the pressure plate and the clamping element along the spring axis (as well as the stacking direction).
  • the pressure force can be understood as the sum of all partial forces (force vectors) that the clamping device exerts on the clamping element.
  • the compressive force ie the compressive force vector
  • the compressive force vector can originate at the center of gravity of the clamping device. Consequently, the compressive force can also be aligned parallel (in particular anti-parallel) to the stacking direction of the fuel cell stack. tet be.
  • the tensioning element and the tensioning device serve to tension the spring element against the pressure plate. It is conceivable that the clamping device is firmly, for example cohesively, connected to the clamping element.
  • the at least one spring element is or preferably contains at least one disc spring.
  • the spring element can be or contain a spiral spring.
  • the spring element can contain a body made of a flexible, in particular elastic, material, for example an elastomer.
  • Several such spring elements can be provided, which can preferably be stacked on top of one another parallel to the spring axis.
  • the at least one spring element is a set of several disc springs stacked on top of one another along the spring axis (hereinafter also referred to as a disc spring set). Accordingly, the spring element/spring elements can each be designed to be cylindrically symmetrical, with the spring axis being the axis of symmetry of the spring elements.
  • the tensioning device is arranged coaxially (equiaxially) to the spring element.
  • the compressive force preferably acts exactly on the spring axis.
  • the origin of the compressive force vector is preferably on the spring axis and the direction of the compressive force vector is parallel to the spring axis.
  • the at least one spring element can be provided with a guide for guiding the tensioning element along the spring axis, in particular parallel to the spring axis.
  • the guide can be designed in one piece with the spring element or as a separate component.
  • the guide is designed to be free of joints with the spring element.
  • the guide and the spring element can together form a spring component, which is preferably manufactured as a (plastic) cast part.
  • the guide can be designed as a pipe section.
  • the pipe section can also be designed cylindrically symmetrical with respect to the spring axis.
  • the guide can run centrally through the spring element and protrude beyond the spring element in the longitudinal direction of the tensioning system (along the spring axis) on the side of the pressure plate and/or on the side of the tensioning element. Accordingly, the guide can protrude into the pressure plate and/or the clamping element, so that the clamping system can be characterized by a compact design. Most preferably, that section of the guide that projects beyond the at least one spring element is completely accommodated in the clamping element. In particular, the guide can pass through the clamping element.
  • the clamping element can be displaceable coaxially with the spring element along the guide. In particular, the clamping element can be slidably mounted on the guide along the spring axis. Conversely, to accommodate an expansion of the fuel cell stack in the longitudinal direction (stack direction/along the spring axis), the guide can slide in the clamping element relative to the clamping element, in particular in a first recess formed in the clamping element.
  • the clamping system may enable the fuel cell stack to be compressed in an automated manner to produce a fuel cell assembly with the fuel cell stack in a compressed state.
  • a production machine in the form of a (for example pneumatic or hydraulic) press, in particular a stamp press, can be used.
  • This press can have at least one, preferably several, axially (particularly along the spring axis) displaceable punch as a tool.
  • Each stamp can have a distal end provided for contacting the clamping element.
  • An axial bearing e.g. as a plain bearing or ball bearing
  • the press or at least the at least one stamp can be part of the clamping system. What is said below for the stamp can apply to each of the stamps.
  • the clamping element can have a receptacle which can be open to a side of the clamping element opposite the pressure plate.
  • This recording can be dimensioned so that the distal end of the stamp fits into the receptacle.
  • the stamp can therefore be brought into engagement with the recording.
  • the receptacle is designed to be cylindrically symmetrical, in particular as a cylindrically symmetrical hole.
  • the spring axis is preferably an axis of symmetry of the receptacle.
  • the receptacle can be designed as a blind hole.
  • the receptacle can have a connection opening to the first recess in the area of its base facing the pressure plate.
  • the clamping element can be provided with a through hole which extends through the clamping element from a longitudinal end facing away from the pressure plate or towards the clamping device to a longitudinal end facing the pressure plate or away from the clamping device.
  • This through hole can be formed by the receptacle and the first recess and taper at the transition between the receptacle and the first recess.
  • the clamping element preferably has a base section provided for contacting the at least one spring element, the surface of which facing the pressure plate is flat (flat).
  • the spring element particularly if it is designed as a plate spring, can be continuously axially compressed without exerting a transverse force on the pressure plate.
  • At least one sleeve-shaped elevation can extend away from the base section on the side of the clamping element opposite the pressure plate.
  • the receptacle for the stamp can be formed in the survey.
  • the wall of this receptacle is therefore preferably cylindrically symmetrical; it preferably runs coaxially to the spring element.
  • the clamping element can be designed as a whole without joints (monolithic), in particular as a casting (for example as a plastic casting).
  • the pressure plate can be rigid or at least stiffer than the spring element and/or the clamping element provided between the pressure plate and the clamping element.
  • the spring element can be relaxed when the tensioning device does not exert the compressive force. However, if the clamping element is in place as intended the spring element presses and the pressure plate rests on the fuel cell stack, the spring element can be clamped between the pressure plate and the clamping element.
  • the spring element is accommodated at least in sections in the pressure plate.
  • a second depression can be formed in the printing plate. This second recess can in particular be designed as a cylindrically symmetrical blind hole.
  • the second recess can also be dimensioned such that the section of the spring element received therein is movable, in particular can be tensioned and relaxed without external force, without being blocked by side walls of the second recess. It is also conceivable that the clamping element is dimensioned so that it fits into the blind hole at least in sections. In addition, the at least one spring element can be accommodated at least in sections in the base section of the clamping element.
  • the spring element is inserted into the pressure plate and the clamping element is attached to the spring element.
  • the spring element is thus positively connected to the pressure plate and/or (via the guide) to the clamping element.
  • the spring element is additionally connected to the pressure plate in a force-fitting or material-locking manner in the region of its end facing the pressure plate.
  • the pressure plate can be arranged centered on the second end (the longitudinal end facing the contact surface) of the fuel cell stack.
  • the tensioning device of the tensioning system can be designed to be screwable along the spring axis.
  • the tensioning device can have a thread, which is preferably designed coaxially with the spring element.
  • an axis of rotation of the tensioning device/thread preferably runs collinearly to the spring axis.
  • Other conceivable clamping devices are, for example, snap rings that are inserted into prefabricated grooves, or beaded material that fixes the clamping element to the housing and can thus transmit the compressive force to the housing.
  • the fuel cell arrangement proposed here comprises a housing with a base part and a cover part, a fuel cell stack, and a clamping system described in detail above.
  • the fuel cell stack is clamped between the base part and the cover part by means of the clamping system.
  • the fuel cell stack can be clamped between the base part and the pressure plate.
  • the pressure plate can be supported on the cover part via the spring element, the clamping element and the clamping device (preferably in the order mentioned).
  • the fuel cell stack preferably contains a plurality of electrically conductive separating plates, which can be designed as monopolar plates or bipolar plates and delimit individual cells of the fuel cell stack.
  • Each individual cell essentially contains a membrane-electrode unit described above, which is arranged between two of the separating plates.
  • the separation plates and the membrane electrode units are preferably aligned parallel to one another and stacked along the spring axis in the stacking direction.
  • At least one sealing element can be clamped between adjacent individual cells of the fuel cell stack.
  • the separating plates contain through openings which, together with the sealing elements, form a line for an operating medium of the fuel cells (for example fuel, oxidizing agent or coolant).
  • the fuel cell stack has a first current collector at its first end facing the bottom part of the housing and a second current collector at its opposite second end facing the pressure plate.
  • the first and second current collectors are preferably metallic, for example made of copper or aluminum.
  • the bottom part of the housing is preferably designed as a plate which is aligned transversely to the stacking direction of the fuel cell stack.
  • the base part can be designed as a so-called media pressure plate, which can serve as an interface for passing the operating fluid into the fuel cell stack.
  • the base part can have connections for the fuel, the oxidizer and the coolant.
  • the cover part of the housing is preferably not designed as a plate, but rather as a hood, which covers an interior region of the fuel cell arrangement the fuel cell stack is arranged, limited.
  • the hood is preferably designed in one piece, in particular without joints (monolithic) and/or as a cast part.
  • the base part and the cover part together form the entire housing.
  • the interior region can be sealed in a liquid-tight or gas-tight manner from the environment of the fuel cell arrangement, in particular by means of the housing and/or the clamping element.
  • the housing (if the base part is connected to the cover part) has a hole, which is preferably designed as a threaded bore with an internal thread and/or is arranged coaxially to the spring element.
  • the pressure plate may be arranged between the fuel cell stack and the hole.
  • the clamping device advantageously contains the above-mentioned nut, which can be provided with an external thread corresponding to the internal thread. The nut can thus be screwed into the hole/threaded hole. Accordingly, the clamping element can be pressed axially along the spring axis in the direction of the fuel cell stack by screwing the nut in the direction of the fuel cell stack, in particular via direct contact between the nut and the clamping element. It is also conceivable that the clamping element has an external thread and at least supports the function of the clamping device (in particular the nut).
  • the elevation of the clamping element can protrude into the hole at least in sections.
  • the elevation can rest sealingly on the housing, preferably on an inner peripheral surface of the hole. This synergistically allows the interior area to be easily and efficiently sealed from the surrounding area at the hole.
  • the vehicle proposed here is provided with a clamping system described in detail above or a fuel cell arrangement also described above.
  • the fuel cell arrangement can serve to supply vehicle electronics and/or a drive motor of the vehicle (directly or indirectly) with power.
  • a fuel cell arrangement in particular the fuel cell arrangement described above, can be produced. This process can be fully automated or partially automated.
  • the clamping device After the step of removing the tool, the clamping device exerts the compressive force on the clamping element, which is directed along the spring axis and in the direction of the pressure plate.
  • the clamping element transmits the compressive force to the pressure plate via the prestressed at least one spring element.
  • the fuel cell arrangement described above is therefore preferably manufactured as soon as the tool no longer acts on the pressure plate.
  • the base part can (also) be designed as a plate.
  • Providing the fuel cell stack may include forming (stacking) the latter fuel cell by fuel cell directly on the base part.
  • a current collector can first be arranged on the base part.
  • An end separation plate in particular a monopolar plate, can then be formed on the current collector.
  • the membrane electrode unit can then be positioned on the separating plate and another separating plate on the membrane electrode unit. These two steps can then be repeated several times until the fuel cell stack has its predetermined number of fuel cells.
  • the separating plates and/or the membrane-electrode units can each have at least one notch on their contours.
  • the step of providing the fuel cell stack may include providing at least one rail that extends parallel to the stacking direction and engaging the rail with the notches. At the end of the step of providing the fuel cell stack, it can be provided with the second current collector at its second end.
  • the at least one rail can remain on the fuel cell stack in order to also align the pressure plate relative to the fuel cell stack.
  • the contact surface of the pressure plate can accordingly rest practically over its entire area on an inner surface facing the pressure plate at the second end of the fuel cell arrangement.
  • Arranging the spring element can include inserting the spring element at least in sections into the recess of the pressure plate, with the spring element remaining axially movable.
  • Arranging the clamping element can include attaching the clamping element to the guide. Before the step of pressing the pressure plate, the spring element can be in its relaxed initial state.
  • the pressure plate can be pressed axially along the spring axis in the direction of the base part by means of the at least one stamp and can thereby preferably be displaced.
  • the stamp can be arranged to press coaxially with the spring element.
  • the pressure plate can be pressed directly, in particular with direct contact between the stamp and the pressure plate, or indirectly via the spring element and the clamping element. If the pressure plate is pressed indirectly via the spring element and the clamping plate, it can be provided that the spring element is designed for the load caused by the pressing or that the clamping plate is (mechanically) fixed to the pressure plate, for example screwed to it. In the latter case, the spring element is not subjected to any additional force due to the pressing.
  • the load path can be from Stamp runs over the fixation directly to the printing plate.
  • the fixation can be released through the housing.
  • the force during pressing can sometimes be higher than the compressive force (after assembly).
  • the at least one spring element can be clamped in the housing via the tensioning device to system pressure (pressure force).
  • the respective receptacle of the clamping element, into which the respective stamp engages can remain continuously arranged coaxially with the spring element, with the guide and/or with the recess in the pressure plate.
  • the pressing is preferably carried out under force control, i.e. the respective stamp is successively moved coaxially relative to the associated clamping device (on the spring axis) until a predetermined force with which the stamp presses on the pressure plate or the clamping element is reached.
  • This predetermined force defines an assembly state in which the cover part and the base part can be connected to one another, in particular screwed together.
  • the predetermined force may be greater than or as great as the pressing force described above. Accordingly, the fuel cell stack can be compressed to the same extent or more strongly in the assembled state than in its final state after completion of the fuel cell arrangement. If several stamps are provided, they can be moved at the same time, at the same speed and/or parallel to one another.
  • the at least one stamp extends through the hole formed in the housing, in particular in the cover part of the housing, and assigned to the respective stamp.
  • the cover part can be mounted axially displaceably on the stamp.
  • the cover part can then be connected (positively, non-positively and/or materially) to the base part.
  • the cover part is moved along the stamp and axially and brought into contact with the base part.
  • the wall of the holder can slide along the inner wall of the hole.
  • the base part and the cover part can then be screwed together.
  • each punch of the tool can be rotated about its longitudinal axis and/or about the spring axis.
  • each stamp engages in its associated clamping device during the pressing of the pressure plate/clamping element.
  • the respective clamping device in particular designed as a nut, received in the hole can thus advantageously be screwed in situ with the same tool/the same stamp in the direction of the fuel cell stack, with which the fuel cell stack is pressed against the base part.
  • the stamp can have a different shape, in particular at its distal end, than in the area in which it engages with the clamping device.
  • the distal end of the stamp can be cylindrical with a round cross section. This cross section can have a diameter of between 10 mm and 30 mm.
  • the cross section of the area in engagement with the clamping device can be angular, for example triangular, square, pentagonal or hexagonal.
  • the clamping device/nut is preferably provided, in particular screwed in, in such a way that it contacts the clamping element.
  • the technology disclosed here relates to a combination of a fuel cell housing and a clamping device that is suitable for producing large quantities. Automation and process monitoring during production is possible.
  • the process force load path is identical to the housing load path.
  • the bracing of the housing is provided via a bracing element (clamping device), which enables a press ram to press the fuel cell stack to be pressed via a direct load path.
  • a clamping nut can be inserted in the housing.
  • the clamping nut (nut) may have an inside diameter that is larger than an outside diameter of the punch.
  • the power transmission to the housing and the tensioning of the spring element are achieved by tightening the clamping nut.
  • the assembly step in which the clamping nut is tightened can be carried out both by rotating the press ram and by a separately driven screwing aid.
  • the system can also be implemented with a one-piece housing (without clamping cover). With a large clamping nut, the power transmission can be distributed comparatively evenly over the cross-sectional area of the fuel cell stack.
  • Figure 1 shows a fuel cell arrangement with a clamping system, with a fuel cell stack of the fuel cell arrangement being compressed by means of the clamping system;
  • Figure 2 shows the clamping system of the fuel cell arrangement from Figure 1 in a detailed view
  • Figure 10 shows the fuel cell arrangement from Figure 1 in a perspective detailed view of the cover part, with several stamps for pressing the pressure plate being shown;
  • Figure 11 shows the clamping system of the fuel cell arrangement from Figure 1 in a detailed view after the stamps have been removed;
  • Figure 12 shows a vehicle, in particular a motor vehicle, with the fuel cell arrangement from Figure 1;
  • Figure 13 shows a method for producing the fuel cell arrangement from Figure 1.
  • FIG. 13 shows a fuel cell arrangement 200 which is intended for use in a vehicle 300 shown in FIG. 13.
  • the vehicle 300 can be, for example, a passenger car.
  • the vehicle 300 may be, for example, a watercraft or an aircraft.
  • the fuel cell assembly 200 includes a housing 210 with a base part 212 and a cover part 214, a fuel cell stack 100, and a clamping system 10.
  • the housing 210 defines an interior region 218 in which the fuel cell stack 100 is arranged.
  • the bottom part 212 of the housing 210 is designed as a plate (so-called media pressure plate).
  • the cover part 214 of the housing 210 is designed as a hood and has a hole 216 with an internal thread at its end opposite the base part 212.
  • the clamping system 10 is set up to clamp the fuel cell stack 100 between the base part 212 and the cover part 214.
  • the clamping system 10 is supported on the cover part 214 on its side opposite the fuel cell stack 100.
  • the fuel cell stack 100 has a first current collector (not shown) at its end facing the base part 212 and a second current collector at its end facing the clamping system 10.
  • the clamping system 10 contains a pressure plate 20, a clamping element 30 designed here as a (clamping) plate, several spring elements 40 clamped between the pressure plate 20 and the clamping element 30 and several clamping devices 50, each of which has a spring element 40 (alternatively a set of spring elements 40 lying one on top of the other ) are assigned and in this variant are each designed as a nut with an external thread 52. The external thread 52 of each nut engages the respective internal thread of the hole 216.
  • the spring elements 40 are the same (especially structurally and functionally). Each of the spring elements 40 is accommodated at least in sections in an associated recess in the pressure plate 20.
  • the spring element 40 for one of the spring elements 40 (“the spring element 40”), for one of the tensioning devices 50 (“the tensioning device 50”) and one of the recesses in the pressure plate 20 (“the recess”), the same applies to the remaining spring elements 40, Clamping devices 50 or depressions in the pressure plate 20.
  • the pressure plate 20 rests on the fuel cell stack 100 via its contact surface 22 with its entire side facing the fuel cell stack 100.
  • the pressure plate 20 is congruent to an end surface of the fuel cell stack 100 facing the pressure plate 20, although the pressure plate 20 can protrude beyond the fuel cell stack 100 transversely with respect to the stacking direction.
  • the pressure plate 20 contains a receptacle 24 on its side opposite the fuel cell stack 100, in which the spring element 40 can be accommodated or is accommodated at least in sections.
  • the spring element 40 is positioned on a side of the pressure plate 20 facing away from the fuel cell stack and, in the present case, is designed as a set of disc springs stacked one on top of the other in the stacking direction of the fuel cell stack 100.
  • the spring element 40 can be designed, for example, as an elastic block made of a solid material.
  • the spring element 40 has a spring axis A, along which the spring element 40 can be compressed (tensionable) in its position in the receptacle 24 and can expand again independently.
  • the spring element 40 is designed to be cylindrically symmetrical, with the spring axis A being the axis of symmetry of the spring element 40.
  • a guide 44 extends centrally and coaxially to the set of disc springs through the set of disc springs.
  • the guide 44 is designed as a cylindrical tube section and, in the present case, in one piece and without joints with the set of disc springs.
  • the guide 44 advantageously extends into a depression formed in the clamping element 30, in particular in a base section 32 of the clamping element 30.
  • the clamping element 30 has on its side opposite the pressure plate 20 a receptacle 34 for a stamp 224 of a tool.
  • the receptacle 34 is designed as a hole with a round cross-section, preferably as a blind hole, which is open to the side of the clamping element 30 opposite the fuel cell stack 100.
  • the hole 216 and the spring element 40 run coaxially to one another, that is, the spring axis A is an axis of symmetry of the hole 216.
  • the clamping element 30 is axially mounted on the clamping device along the entire edge of the receptacle 34. Via this bearing, the clamping device 50 exerts a compressive force on the clamping element 30, which is directed along the spring axis A in the direction of the pressure plate 20.
  • the tensioning element 30 is therefore set up to transmit the compressive force to the pressure plate 20 while the at least one spring element 40 is pretensioned.
  • the tensioning device 50, the receptacle 34 and the spring element 40 are aligned coaxially (with respect to the spring axis) to one another, so that the compressive force is transmitted precisely and in a straight line from the tensioning device 50 (nut) to the pressure plate 20.
  • This pressure force can be adjusted by screwing in/out the nut 54.
  • the guide 44 and the recess of the clamping element 30 are also aligned coaxially with one another and with the clamping device 50, the receptacle 34 and the spring element 40.
  • a surface of the base section 32 facing the pressure plate 20, with which the clamping element 30 contacts the spring element 40 is flat.
  • the receptacle 34 is designed as a cylindrically symmetrical recess and the spring axis A is an axis of symmetry of the receptacle 34.
  • the pressure plate 20 is advantageously rigid, in particular stiffer than the spring element 40.
  • the clamping element 30 can have an elevation 36 per receptacle 34, in which the receptacle 34 is formed. An end of the elevation 36 facing away from the pressure plate 20 can protrude into the hole 216 and rest sealingly against the wall of the hole 216. For this purpose, this end can be elastic.
  • the tensioning element 30 can be used alone or in combination with the spring The element 40 thus seals the interior area 218 from the environment in a liquid-tight or gas-tight manner.
  • the fuel cell arrangement 200 can be manufactured step by step as shown in FIGS. 3 to 11. With regard to the individual steps 402 to 416 of the manufacturing process 400, reference is made to FIG. 13. What is said below for a spring element 40 and the further components assigned to this spring element 40 (in particular the clamping device 50/nut and stamp 224) applies accordingly to the remaining spring elements 40 and the corresponding further components. In particular, each spring element 40 is assigned a stamp 224.
  • a first step 402 the housing 210 with the base part 212 and the separate cover part 214 is provided.
  • the fuel cell stack 100 is then produced directly on the base part 212 in step 404 (see FIG. 3).
  • the pressure plate 20 is placed on a side of the fuel cell stack 100 opposite the base part 212, so that the contact surface 22 of the pressure plate 20 rests on the fuel cell stack 100.
  • the spring elements 40 are then inserted into the pressure plate 20 (step 410) and the tensioning element 30 is placed on the spring elements 40.
  • the guide 44 comes into engagement with the recess in the base section 32.
  • the pressure plate 20, the spring elements 40 and the clamping element 30 can be positioned on the fuel cell stack 100 in the assembled state (see FIG. 4). As shown in Figure 5, the rails 222 can then be removed.
  • a tool 220 in the present case a stamp press (see FIG. 6).
  • a tool 220 in the present case a stamp press (see FIG. 6).
  • Each of the spring elements 40 is compressed along its spring axis A and thereby prestressed.
  • Stamps 224 of the tool 220 pass through one of the holes 216 of the housing 210 (see Figure 10).
  • the end of the (respective) stamp 224 facing the pressure plate 20 engages in the receptacle 34. This end is mounted in a sliding or rolling manner in the receptacle 34, in particular via an axial bearing.
  • the (respective) stamp 224 is aligned coaxially with the nut and with the receptacle 34.
  • the cover part 214 of the housing 210 is then displaced axially in the direction of the base part 212 and the cover part 214 is connected to the base part 212, in particular screwed, in order to close the housing 210 (see FIG. 7).
  • the elevation 36 comes into engagement with the hole 216.
  • the stamp 224 is in engagement with the nut in the state shown in FIG. 7 in order to be able to screw it.
  • the further step of providing 416 a clamping device 50 can take place simultaneously with the provision 402 of the housing or at the latest in the state shown in Figure 7.
  • step 416 it can also be provided in step 416 that the stamp is rotated about its own longitudinal axis (i.e. the spring axis) so that the nut is brought into contact with the clamping element 30.
  • the clamping device 50/nut can thus exert the compressive force on the clamping element 30.
  • This compressive force is directed along the spring axis A and in the direction of the pressure plate 20 and is transmitted from the tensioning element 30 to the pressure plate 20 via the spring element 40, which is now prestressed as shown in FIG.
  • the expression “at least one” has been partially omitted from this disclosure. If a feature of the technology disclosed here is described in the singular or indefinitely (e.g. a/the spring element, a/the clamping device, a/the stamp, a/the receptacle (for the stamp), etc.), then at the same time their A plurality can be disclosed (eg the at least one spring element, the at least one clamping device, the at least one stamp, the at least one receptacle (for the stamp), etc.). At least in sections here means in sections or completely. In the context of the technology disclosed here, the term “essentially” includes the exact property or the exact value as well as deviations that are insignificant for the function of the property/value, for example due to manufacturing tolerances.

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß ein Spannsystem (10) für einen Brennstoffzellenstapel (100), umfassend eine Druckplatte (20) mit einer Kontaktfläche (22) zur Anlage an den Brennstoffzellenstapel (100), ein Spannelement (30), das auf einer der Kontaktfläche (22) entgegengesetzten Seite der Druckplatte (20) angeordnet ist, mindestens ein zwischen der Druckplatte (20) und dem Spannelement (30) angeordnetes Federelement (40) mit einer Federachse (A), entlang derer das mindestens eine Federelement (40) spannbar ist, und mindestens eine Spanneinrichtung (50), wobei die Spanneinrichtung (50) dazu ausgelegt ist, eine Druckkraft auf das Spannelement (30) auszuüben, wobei die Druckkraft entlang der Federachse (A) sowie in Richtung der Druckplatte (20) gerichtet ist, und wobei das Spannelement (30) dazu eingerichtet ist, die Druckkraft unter Vorspannung des mindestens einen Federelements (40) auf die Druckplatte (20) zu übertragen. Darüber hinaus betrifft die Technologie eine Brennstoffzellenanordnung mit dem Spannsystem, ein Fahrzeug mit dem Spannsystem oder der Brennstoffzellenanordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung.

Description

Spannsystem, Brennstoffzellenanordnung, Fahrzeug und Herstellverfahren für eine Brennstoffzellenanordnung
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Spannsystem für einen Brennstoffzellenstapel, eine Brennstoffzellenanordnung mit dem Spannsystem, ein Fahrzeug mit dem Spannsystem oder der Brennstoffzellenanordnung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung.
Es ist bekannt, mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen, um einen kompakten, für mobile Anwendungen (insbesondere für moderne Verkehrsmittel wie Kraftfahrzeuge oder Flugzeuge) geeigneten Energiewandler bereitzustellen. Die einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels ermöglichen dabei, chemische Energie eines kontinuierlich zugeführten Brennstoffes direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Die Brennstoffzellen umfassen üblicherweise eine Anode, eine Kathode sowie einen zwischen Anode und Kathode angeordneten namensgebenden Elektrolyten.
Ein Polymerelektrolyt- (PEM-) Brennstoffzellenstapel kann beispielsweise zwei Endplatten und mehrere Trennplatten (Monopolarplatten oder Bipolarplatten) zwischen den Endplatten aufweisen, wobei zwischen den Trennplatten wiederum Membran- Elektroden-Einheiten (sogenannte MEAs) vorgesehen sind. Die Trennplatten sind mit einem üblicherweise meanderförmigen Fluidkanal für den Brennstoff bzw. das Oxidationsmittel versehen. Die Membran-Elektroden-Einheiten bestehen im Allgemeinen jeweils aus einer protonenleitenden Membran und beiderseits der Membran angeordneten Elektroden, die in der Regel jeweils eine katalytische Schicht und eine poröse Gasdiffusionsschicht aufweisen.
Um den Brennstoff/das Oxidationsmittel (sogenannte Reaktionsfluide) gezielt durch den Elektrodenstapel und in die Fluidkanäle der Trennplatten zu leiten, können die Trennplatten Durchlässe enthalten. Zusammen mit entsprechend zwischen den Trennplatten vorgesehenen Dichtelementen können diese Durchlässe Leitungen für die Reaktionsfluide ausbilden. Damit die Dichtelemente ihre abdichtende Wirkung entfalten können, ist es förderlich, den Brennstoffzellenstapel zusammenzudrücken (zu verspannen).
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein möglichst einfaches Spannsystem bereitzustellen, mit dem sich der Brennstoffzellenstapel vergleichsweise präzise zusammendrücken (verspannen) lässt. Darüber hinaus ist es eine bevorzugte Aufgabe, eine entsprechende Brennstoffzellenanordnung, ein entsprechendes Fahrzeug sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung bereitzustellen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben.
Diese Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 sowie der weiteren unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Das Spannsystem ist für einen Brennstoffzellenstapel vorgesehen. D.h., das Spannsystem dient bestimmungsgemäß dazu, einen Brennstoffzellenstapel parallel zu seiner Stapelrichtung dauerhaft zusammenzudrücken (zu (ver-)spannen). Das Spannsystem enthält eine Druckplatte mit einer Kontaktfläche zur Anlage an den Brennstoffzellenstapel, ein Spannelement, das auf einer der Kontaktfläche entgegengesetzten Seite der Druckplatte angeordnet ist, mindestens ein zwischen der Druckplatte und dem Spannelement angeordnetes Federelement mit einer Federachse, entlang derer das mindestens eine Federelement spannbar ist, und mindestens eine Spanneinrichtung. Die mindestens eine Spanneinrichtung ist dazu ausgelegt, eine Druckkraft auf das Spannelement auszuüben, die entlang der Federachse sowie in Richtung der Druckplatte gerichtet ist. Das Spannelement ist dazu eingerichtet, die Druckkraft unter Vorspannung des mindestens einen Federelements auf die Druckplatte zu übertragen. Dies ermöglicht, die Druckkraft, mit der das Spannsystem den Brennstoffzellenstapel zusammendrückt, insbesondere während der Montage relativ gleichmäßig über die Kontaktfläche zu verteilen. Da die Druckkraft entlang der Federachse wirkt und ausgehend von der Spanneinrichtung über das Spannelement, das Federelement sowie die Druckplatte auf den Brennstoffzellenstapel übertragen wird, erlaubt das Spannsystem, den Vorgang des Verspannens des Brennstoffzellenstapels vergleichsweise einfach zu automatisieren. Insbesondere lässt sich die Druckkraft regeln (sogenannte Kraftregelung), mit der der Brennstoffzellenstapel während und nach der Produktion einer Brennstoffzellenanordnung mit dem Brennstoffzellenstapel zusammengedrückt wird. Aufgrund der gleichmäßigen Kraftverteilung können die einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels besser gegeneinander abgedichtet werden. Auf synergetische Art und Weise kann das Federelement außerdem insbesondere temperaturbedingte Längenänderungen des Brennstoffzellenstapels in der Stapelrichtung aufnehmen.
Das Spannelement ist vorzugsweise als Platte (sogenannte Spannplatte) oder als Hülse ausgebildet. Eine Platte ist hierbei gemäß allgemeiner Definition in der technischen Mechanik ein sich in seiner (Haupt-) Ebene erstreckendes Bauteil, das aus steifem Material besteht und durch senkrecht auf die Ebene wirkende Kräfte und durch Momente um in der Plattenebene liegende Achsen belastet werden kann. Um eine direkte, koaxiale Übertragung der Druckkraft von der Spanneinrichtung auf das mindestens eine Federelement zu ermöglichen, ist das Spannelement / die Spannplatte also steif, insbesondere steifer als das mindestens eine Federelement. Die Hülse kann ein hohlzylindrischer Körper sein. Der hohlzylindrische Körper kann in der Stapelrichtung mindestens 4 mm, vorzugsweise mindestens 5 mm, lang sein. Eine Mittellängsachse des hohlzylindrischen Körpers kann auf der Federachse liegen.
Während die Druckplatte vorzugsweise kongruent zu einer der Druckplatte zugewandten Oberfläche des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist, kann das Spannelement einen kleineren Querschnitt senkrecht zur Federachse aufweisen als die Druckplatte. Entsprechend kann die Druckplatte bei Betrachtung entlang der Federachse / parallel zur Stapelrichtung über das Spannelement hinausragen. Das Spannsystem kann je Spannelement mehrere der Federelemente aufweisen. Beispielsweise kann ein Spannelement (insbesondere eine Spannplatte) dazu angeordnet sein, auf mehrere (insbesondere transversal zur Federachse voneinander beabstandete) Federelemente zu drücken. Auf der von der Druckplatte abgewandten, anderen Seite des Spannelements können mehrere insbesondere separate Spanneinrichtungen (insbesondere Spannmuttem) dazu angeordnet sein, an ein und demselben Spannelement anzuliegen und/oder auf ein und dasselbe Spannelement zu drücken. So kann die Druckkraft vergleichsweise einfach und präzise justiert werden. Es können dabei pro Spannsystem und/oder pro Brennstoffzellenstapel genau eine Spannplatte und mehrere Spanneinrichtungen sowie mehrere voneinander beabstandete Federelemente vorgesehen sein.
Das mindestens eine Federelement ist vorzugsweise als (zumindest teilweise elastische) Druckfeder ausgebildet. Als Federachse wird in der vorliegenden Offenbarung insbesondere die Wirkachse des Federelements bei bestimmungsgemäßer Verwendung bezeichnet. Mit anderen Worten ist die Federachse diejenige Achse, entlang derer das Federelement komprimiert (vorgespannt) wird, um den Brennstoffzellenstapel insbesondere parallel zur Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels zusammenzudrücken (zu verspannen). Die Federachse kann somit parallel zur Stapelrichtung verlaufen. Folglich kann eine Längserstreckung des Federelements parallel zur Federachse bzw. parallel zur Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels in einem unkomprimierten Ausgangszustand größer sein als in einem komprimierten Endzustand, den das Federelement einnimmt, wenn der Brennstoffzellenstapel mittels des Spannsystems verspannt ist. Das Federelement kann außerdem selbständig entlang der Federachse entspannbar sein. D.h., wenn die Spanneinrichtung die auf das Spannelement ausgeübte Druckkraft betraglich verringert, kann sich das Federelement selbständig in seiner Einbaulage zwischen der Druckplatte und dem Spannelement entlang der Federachse (sowie der Stapelrichtung) ausdehnen.
Als Druckkraft kann im Kontext der vorliegenden Offenbarung die Summe aller Teilkräfte (Kraftvektoren) verstanden werden, die die Spanneinrichtung auf das Spannelement ausübt. Die Druckkraft (d. h. der Druckkraftvektor) kann seinen Ursprung am Schwerpunkt der Spanneinrichtung haben. Folglich kann auch die Druckkraft parallel (insbesondere antiparallel) zur Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels ausgerich- tet sein. Vorliegend dienen das Spannelement und die Spanneinrichtung dazu, das Federelement gegen die Druckplatte zu spannen. Dabei ist es denkbar, dass die Spanneinrichtung fest, beispielsweise stoffschlüssig, mit dem Spannelement verbunden ist.
Das mindestens eine Federelement ist oder enthält vorzugsweise mindestens eine Tellerfeder. Alternativ kann das Federelement eine Spiralfeder sein oder enthalten. In einer weiteren Alternative kann das Federelement einen Körper aus einem nachgiebigen, insbesondere elastischen, Material, beispielsweise ein Elastomer, enthalten. Es können mehrere derartige Federelemente vorgesehen sein, die bevorzugt parallel zur Federachse aufeinander gestapelt sein können. In einer besonders bevorzugten Variante ist das mindestens eine Federelement ein Satz von mehreren entlang der Federachse aufeinander gestapelten Tellerfedern (im Folgenden auch als Tellerfedersatz bezeichnet). Entsprechend kann das Federelement/können die Federelemente jeweils zylindersymmetrisch ausgestaltet sein, wobei die Federachse die Symmetrieachse der Federelemente ist. Vorzugsweise ist die Spanneinrichtung koaxial (gleichachsig) zum Federelement angeordnet. D.h., die Druckkraft wirkt vorzugsweise genau auf der Federachse. Mit anderen Worten liegt der Ursprung des Vektors der Druckkraft vorzugsweise auf der Federachse und die Richtung des Vektors der Druckkraft ist parallel zur Federachse.
Das mindestens eine Federelement kann mit einer Führung zum Führen des Spannelements entlang der Federachse, insbesondere parallel zur Federachse, versehen sein. Die Führung kann einstückig mit dem Federelement oder als separates Bauteil ausgebildet sein. In einer bevorzugten Variante ist die Führung fügestellenfrei mit dem Federelement ausgebildet. Die Führung und das Federelement können in diesem Fall zusammen ein Federbauteil bilden, welches vorzugsweise als (Kunststoff-) Gussteil hergestellt ist. Insbesondere kann die Führung als Rohrabschnitt ausgestaltet sein. Der Rohrabschnitt kann dabei ebenfalls zylindersymmetrisch bezogen auf die Federachse ausgestaltet sein. Die auf diese Weise realisierte Führung des Spannelements koaxial zum Federelement (d.h., entlang der Federachse) ermöglicht eine präzise Übertragung der Druckkraft von dem Spannelement auf die Druckplatte. In der Folge ermöglicht das Spannsystem auf einfache und effiziente Art und Weise, den Brennstoffzellenstapel relativ präzise automatisiert zu verspannen.
Die Führung kann zentral durch das Federelement hindurch verlaufen und in der Längsrichtung des Spannsystems (entlang der Federachse) auf der Seite der Druckplatte und/oder auf der Seite des Spannelements über das Federelement hinausragen. Entsprechend kann die Führung in die Druckplatte und/oder das Spannelement hineinragen, sodass sich das Spannsystem durch eine kompakte Bauweise auszeichnen kann. Höchstvorzugsweise ist derjenige Abschnitt der Führung, der über das mindestens eine Federelement hinausragt, vollständig in dem Spannelement aufgenommen. Insbesondere kann die Führung das Spannelement durchsetzen. Das Spannelement kann koaxial zum Federelement entlang der Führung verlagerbar sein. Insbesondere kann das Spannelement auf der Führung entlang der Federachse gleitend gelagert sein. Umgekehrt kann zum Aufnehmen einer Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels in Längsrichtung (Stapelrichtung / entlang der Federachse) die Führung relativ zum Spannelement, insbesondere in einer in dem Spannelement ausgebildeten ersten Vertiefung, in dem Spannelement gleiten.
Wie unten im Detail erläutert, kann das Spannsystem ermöglichen, den Brennstoffzellenstapel automatisiert zusammenzudrücken, um eine Brennstoffzellenanordnung mit dem zusammengerückten Brennstoffzellenstapel herzustellen. Zu diesem Zweck kann eine Produktionsmaschine in Form einer (beispielsweise pneumatischen oder hydraulischen) Presse, insbesondere Stempelpresse, zum Einsatz kommen. Diese Presse kann mindestens einen, vorzugsweise mehrere, axial (insbesondere entlang der Federachse) verlagerbare(n) Stempel als Werkzeug aufweisen. Jeder Stempel kann ein zum Kontaktieren des Spannelements vorgesehenes, distales Ende aufweisen. An dem distalen Ende kann ein Axiallager (etwa als Gleitlager oder Kugellager) ausgebildet sein. Die Presse oder zumindest der mindestens eine Stempel kann Teil des Spannsystems sein. Im Folgenden für den Stempel gesagtes kann für jeden der Stempel gelten.
Das Spannelement kann eine Aufnahme aufweisen, die zu einer der Druckplatte entgegengesetzten Seite des Spannelements hin offen sein kann. Diese Aufnahme kann dabei so bemessen sein, dass das distale Ende des Stempels in die Aufnahme hineinpasst. Der Stempel kann also mit der Aufnahme in Eingriff gebracht werden. In einer bevorzugten Variante ist die Aufnahme zylindersymmetrisch, insbesondere als zylindersymmetrisches Loch, ausgebildet. Vorzugsweise ist die Federachse in diesem Fall eine Symmetrieachse der Aufnahme. Die Aufnahme kann als Sackloch ausgebildet sein. Alternativ kann die Aufnahme im Bereich ihrer der Druckplatte zugewandten Basis eine Verbindungsöffnung zur ersten Vertiefung aufweisen. Mit anderen Worten kann das Spannelement mit einem Durchgangsloch versehen sein, das sich von einem von der Druckplatte abgewandten bzw. der Spanneinrichtung zugewandten Längsende bis zu einem der Druckplatte zugewandten bzw. von der Spanneinrichtung abgewandten Längsende durch das Spannelement hindurch erstreckt. Dieses Durchgangsloch kann durch die Aufnahme und die erste Vertiefung gebildet sein und sich am Übergang zwischen der Aufnahme und der ersten Vertiefung verjüngen.
Um die Druckkraft möglichst präzise und gleichmäßig auf das Federelement übertragen zu können, weist das Spannelement vorzugsweise einen zur Kontaktierung des mindestens einen Federelements vorgesehenen Basisabschnitt auf, dessen der Druckplatte zugewandte Fläche eben (plan) ist. Das Federelement kann sich auf diese Weise, insbesondere wenn es als Tellerfeder ausgebildet, kontinuierlich axial komprimieren lassen, ohne eine Transversalkraft auf die Druckplatte auszuüben. Von dem Basisabschnitt kann sich auf der der Druckplatte entgegengesetzten Seite des Spannelements mindestens eine hülsenförmige Erhebung weg erstrecken. In der Erhebung kann dabei die Aufnahme für den Stempel ausgebildet sein. Die Wand dieser Aufnahme ist somit vorzugsweise zylindersymmetrisch; sie verläuft bevorzugt koaxial zum Federelement. Das Spannelement kann als Ganzes fügestellenfrei (monolithisch), insbesondere als Gussteil (beispielsweise als Kunststoff-Gussteil), ausgestaltet sein.
Die Druckplatte kann starr oder zumindest steifer sein als das zwischen der Druckplatte und dem Spannelement vorgesehene Federelement und/oder das Spannelement. Das Federelement kann entspannt sein, wenn die Spanneinrichtung die Druckkraft nicht ausübt. Wenn das Spannelement jedoch bestimmungsgemäß auf das Federelement drückt und die Druckplatte am Brennstoffzellenstapel anliegt, kann das Federelement zwischen der Druckplatte und dem Spannelement eingespannt sein. Vorzugsweise ist das Federelement zumindest abschnittsweise in der Druckplatte aufgenommen. Zu diesem Zweck kann eine zweite Vertiefung in der Druckplatte ausgebildet sein. Diese zweite Vertiefung kann insbesondere als zylindersymmetrisches Sackloch ausgestaltet sein. Die zweite Vertiefung kann außerdem so bemessen sein, dass der darin aufgenommene Abschnitt des Federelements beweglich, insbesondere ohne äußere Krafteinwirkung spann- und entspannbar, ist, ohne durch Seitenwände der zweiten Vertiefung blockiert zu werden. Es ist darüber hinaus denkbar, dass das Spannelement so bemessen ist, dass sie zumindest abschnittsweise in das Sackloch hineinpasst. Außerdem kann das mindestens eine Federelement zumindest abschnittsweise im Basisabschnitt des Spannelements aufgenommen sein.
In einer bevorzugten Variante ist das Federelement in die Druckplatte gesteckt und das Spannelement auf das Federelement aufgesteckt. Vorteilhafterweise ist das Federelement somit formschlüssig mit der Druckplatte und/oder (über die Führung) mit dem Spannelement verbunden. Darüber hinaus ist es denkbar, dass das Federelement im Bereich seines der Druckplatte zugewandten Endes zusätzlich kraftschlüssig oder stoffschlüssig mit der Druckplatte verbunden ist. Die Druckplatte kann auf dem zweiten Ende (dem der Kontaktfläche zugewandten Längsende) des Brennstoffzellenstapels zentriert angeordnet sein.
Die Spanneinrichtung des Spannsystems kann entlang der Federachse schraubbar ausgestaltet sein. Zu diesem Zweck kann die Spanneinrichtung ein Gewinde aufweisen, welches vorzugsweise koaxial zum Federelement ausgebildet ist. D.h., eine Rotationsachse der Spanneinrichtung / des Gewindes verläuft vorzugsweise kollinear zur Federachse. Andere denkbare Spanneinrichtungen sind beispielsweise Sprengringe, die in vorgefertigte Nuten eingesetzt sind, oder umgebörteltes Material, welches das Spannelement am Gehäuse fixiert und somit die Druckkraft auf das Gehäuse übertragen kann. Die hier vorgeschlagene Brennstoffzellenanordnung umfasst ein Gehäuse mit einem Bodenteil und einem Deckelteil, einen Brennstoffzellenstapel, und ein vorstehend im Detail beschriebenes Spannsystem. Der Brennstoffzellenstapel ist dabei mittels des Spannsystems zwischen dem Bodenteil und dem Deckelteil eingespannt. Insbesondere kann der Brennstoffzellenstapel zwischen dem Bodenteil und der Druckplatte eingespannt sein. Die Druckplatte kann sich dabei über das Federelement, das Spannelement und die Spanneinrichtung (bevorzugt in der genannten Reihenfolge) am Deckelteil abstützen.
Der Brennstoffzellenstapel enthält vorzugsweise mehrere elektrisch leitfähige Trennplatten, die als Monopolarplatten oder Bipolarplatten ausgestaltet sein und Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels begrenzen können. Jede Einzelzelle enthält im Wesentlichen eine eingangs beschriebene Membran-Elektroden-Einheit, die zwischen zwei der Trennplatten angeordnet sind. Die Trennplatten und die Membran- Elektroden-Einheiten sind vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet und entlang der Federachse in der Stapelrichtung gestapelt. Zwischen benachbarten Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels kann jeweils mindestens ein Dichtelement eingespannt sein. Die Trennplatten enthalten Durchgangsöffnungen, die zusammen mit den Dichtelementen eine Leitung für ein Betriebsmittel der Brennstoffzellen (beispielsweise Brennstoff, Oxidationsmittel oder Kühlmittel) ausbilden. Der Brennstoffzellenstapel hat an seinem dem Bodenteil des Gehäuses zugewandten ersten Ende einen ersten Stromabnehmer und an seinem entgegengesetzten, der Druckplatte zugewandten zweiten Ende einen zweiten Stromabnehmer. Der erste und der zweite Stromabnehmer sind vorzugsweise metallisch, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium hergestellt.
Der Bodenteil des Gehäuses ist vorzugsweise als Platte ausgebildet, die quer zur Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels ausgerichtet ist. Der Bodenteil kann dabei als sogenannte Mediendruckplatte ausgestaltet sein, die als Schnittstelle zur Durchleitung der Betriebsmittel in den Brennstoffzellenstapel dienen kann. Der Bodenteil kann Anschlüsse für den Brennstoff, das Oxidationsmittel sowie das Kühlmittel aufweisen. Der Deckelteil des Gehäuses ist bevorzugt nicht als Platte, sondern als eine Haube ausgebildet, die einen Innenbereich der Brennstoffzellenanordnung, in dem der Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, begrenzt. Die Haube ist dabei vorzugsweise einstückig, insbesondere fügestellenfrei (monolithisch) und/oder als Gussteil, ausgebildet. Vorzugsweise bilden der Bodenteil und der Deckelteil zusammen das gesamte Gehäuse. In der Folge kann der Innenbereich insbesondere mittels des Gehäuses und/oder dem Spannelement gegenüber der Umgebung der Brennstoffzellenanordnung flüssigkeitsdicht oder gasdicht abgedichtet sein.
In einer bevorzugten Variante hat das Gehäuse (wenn der Bodenteil mit dem Deckelteil verbunden ist) ein Loch, welches vorzugsweise als Gewindebohrung mit einem Innengewinde ausgestaltet und/oder koaxial zum Federelement angeordnet ist. Die Druckplatte kann zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Loch angeordnet sein. Vorteilhafterweise enthält die Spanneinrichtung in diesem Fall die oben genannte Mutter, die mit einem mit dem Innengewinde korrespondierenden Außengewinde versehen sein kann. Die Mutter kann somit in dem Loch/der Gewindebohrung schraubbar aufgenommen sein. Entsprechend kann das Spannelement durch Schrauben der Mutter in Richtung des Brennstoffzellenstapels, insbesondere über einen direkten Kontakt zwischen der Mutter und dem Spannelement, axial entlang der Federachse in Richtung des Brennstoffzellenstapels gepresst werden. Dabei ist es auch denkbar, dass das Spannelement ein Außengewinde aufweist und die Funktion der Spanneinrichtung (insbesondere Mutter) zumindest unterstützt.
Die Erhebung des Spannelements kann zumindest abschnittsweise in das Loch hineinragen. Insbesondere kann die Erhebung abdichtend am Gehäuse, vorzugsweise an einer Innenumfangsfläche des Lochs, anliegen. Dies ermöglicht auf synergetische Art und Weise, den Innenbereich einfach und effizient am Loch gegenüber der Umgebung abzudichten.
Das hier vorgeschlagene Fahrzeug ist mit einem vorstehend im Detail beschriebenen Spannsystem oder einer vorstehend ebenfalls beschriebenen Brennstoffzellenanordnung versehen. Die Brennstoffzellenanordnung kann dazu dienen, Fahrzeugelektronik und/oder einen Antriebsmotor des Fahrzeuges (direkt oder indirekt) mit Strom zu versorgen. Mittels des hier vorgeschlagenen Verfahrens kann eine Brennstoffzellenanordnung, insbesondere die vorstehend beschriebene Brennstoffzellenanordnung, hergestellt werden. Dieses Verfahren kann vollautomatisiert oder teilautomatisiert ablaufen. Es umfasst die folgenden Schritte, die insbesondere in der nachfolgenden Reihenfolge durchgeführt werden können: Bereitstellen des Gehäuses mit dem Bodenteil und dem Deckelteil; Bereitstellen des Brennstoffzellenstapels auf dem Bodenteil; Positionieren der Druckplatte auf der dem Bodenteil entgegengesetzten Seite des Brennstoffzellenstapels, so dass die Kontaktfläche der Druckplatte am Brennstoffzellenstapel anliegt; Anordnen des Spannelements auf der der Kontaktfläche entgegengesetzten Seite der Druckplatte; Anordnen mindestens eines Federelements zwischen der Druckplatte und dem Spannelement; Pressen (axiales Drücken) der Druckplatte in Richtung des Brennstoffzellenstapels mittels des Werkzeuges, wobei vorzugsweise das mindestens eine Federelement entlang seiner Federachse gespannt wird; Verschließen des Gehäuses, wobei der Deckelteil mit dem Bodenteil verbunden wird; Bereitstellen einer Spanneinrichtung; und Entfernen des Werkzeuges. Dabei übt die Spanneinrichtung nach dem Schritt des Entfernens des Werkzeuges die Druckkraft auf das Spannelement aus, die entlang der Federachse und in Richtung der Druckplatte gerichtet ist. Das Spannelement überträgt die Druckkraft über das vorgespannte mindestens eine Federelement auf die Druckplatte. Vorzugsweise ist die oben beschriebene Brennstoffzellenanordnung somit fertig hergestellt, sobald das Werkzeug nicht mehr auf die Druckplatte einwirkt.
Wie oben erläutert, kann (auch) der Bodenteil als Platte ausgestaltet sein. Das Bereitstellen des Brennstoffzellenstapels kann umfassen, letzteren Brennstoffzelle für Brennstoffzelle direkt auf dem Bodenteil auszubilden (zu stapeln). Insbesondere kann zunächst ein Stromabnehmer auf dem Bodenteil angeordnet werden. Sodann kann eine endseitige Trennplatte, insbesondere eine Monopolarplatte, auf dem Stromabnehmer ausgebildet werden. Anschließend können die Membran- Elektroden-Einheit auf der Trennplatte und eine weitere Trennplatte auf der Memb- ran-Elektroden-Einheit positioniert werden. Diese beiden Schritte können sodann mehrmals wiederholt werden, bis der Brennstoffzellenstapel seine vorbestimmte Anzahl von Brennstoffzellen aufweist. Um das Stapeln der Trennplatten und der Membran-Elektroden-Einheiten besser automatisieren zu können, können die Trennplatten und/oder die Membran- Elektroden-Einheiten an ihren Konturen jeweils mindestens eine Einkerbung aufweisen. Entsprechend kann der Schritt des Bereitstellens des Brennstoffzellenstapels enthalten, mindestens eine Schiene vorzusehen, die sich parallel zur Stapelrichtung erstreckt, und die Schiene mit den Einkerbungen in Eingriff zu bringen. Zum Ende des Schritts des Bereitstellens des Brennstoffzellenstapels kann dieser an seinem zweiten Ende mit dem zweiten Stromabnehmer versehen werden.
Während der Schritte des Positionierens der Druckplatte, des Anordnens des Spannelements und/oder des Anordnens des Federelements zwischen der Druckplatte und dem Spannelement kann die mindestens eine Schiene am Brennstoffzellenstapel verbleiben, um auch die Druckplatte relativ zum Brennstoffzellenstapel auszurichten. Die Kontaktfläche der Druckplatte kann entsprechend praktisch vollflächig auf einer der Druckplatte zugewandten Innenoberfläche am zweiten Ende der Brennstoffzellenanordnung aufliegen. Das Anordnen des Federelements (samt der Führung) kann umfassen, das Federelement zumindest abschnittsweise in der Vertiefung der Druckplatte einzusetzen, wobei das Federelement axial beweglich bleibt. Das Anordnen des Spannelements kann enthalten, das Spannelement auf die Führung aufzustecken. Vor dem Schritt des Pressens der Druckplatte kann sich das Federelement in seinem entspannten Ausgangszustand befinden.
Beim anschließenden Pressen der Druckplatte kann die Druckplatte mittels des mindestens einen Stempels axial entlang der Federachse in Richtung des Bodenteils gedrückt und dabei vorzugsweise verlagert werden. Der Stempel kann dabei angeordnet sein, koaxial zum Federelement zu drücken. Die Druckplatte kann direkt, insbesondere unter direktem Kontakt zwischen dem Stempel und der Druckplatte, oder indirekt über das Federelement und das Spannelement gepresst werden. Wenn die Druckplatte indirekt über das Federelement und die Spannplatte gepresst wird, kann vorgesehen sein, dass das Federelement auf die Belastung durch das Pressen ausgelegt ist oder die Spannplatte an der Druckplatte (mechanisch) fixiert, beispielsweise damit verschraubt, ist. In letzterem Fall wird das Federelement durch das Pressen keiner zusätzlichen Kraft ausgesetzt. Vielmehr kann der Lastpfad vom Stempel über die Fixierung direkt zur Druckplatte verlaufen. Die Fixierung kann durch das Gehäuse hindurch gelöst werden. Die Kraft beim Pressen kann teilweise höher als die Druckkraft (nach der Montage) sein. Das mindestens eine Federelement kann im Gehäuse über die Spanneinrichtung auf Systemdruck (Druckkraft) verspannt werden.
Während des Pressens mittels des Spannelements kann die jeweilige Aufnahme des Spannelements, in die der jeweilige Stempel eingreift, kontinuierlich koaxial zum Federelement, zur Führung und/oder zur Vertiefung in der Druckplatte angeordnet bleiben. Das Pressen erfolgt in beiden vorgenannten Fällen vorzugsweise unter Kraftregelung, d.h., der jeweilige Stempel wird sukzessive koaxial relativ zur zugehörigen Spanneinrichtung (auf der Federachse) bewegt, bis eine vorbestimmte Kraft, mit der der Stempel auf die Druckplatte beziehungsweise das Spannelement drückt, erreicht wird. Diese vorbestimmte Kraft definiert einen Montagezustand, bei dem der Deckelteil und der Bodenteil miteinander verbunden, insbesondere verschraubt, werden können. Die vorbestimmte Kraft kann größer sein als oder so groß sein wie die oben beschriebene Druckkraft. Entsprechend kann der Brennstoffzellenstapel im Montagezustand genauso stark oder stärker komprimiert sein als in seinem Endzustand nach Fertigstellung der Brennstoffzellenanordnung. Wenn mehrere Stempel vorgesehen sind, können sie gelichzeitig, gleichschnell und/oder parallel zueinander verlagert werden.
Vorteilhafterweise erstreckt sich der mindestens eine Stempel durch das im Gehäuse, insbesondere im Deckelteil des Gehäuses, ausgebildete, dem jeweiligen Stempel zugeordnete Loch hindurch. Der Deckelteil kann dabei axial auf dem Stempel verschiebbar gelagert sein. Im Schritt des Verschließens des Gehäuses kann der Deckelteil sodann (formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig) mit dem Bodenteil verbunden werden. In einer bevorzugten Variante wird der Deckelteil entlang des Stempels sowie axial bewegt und in Anlage an den Bodenteil gebracht. Dabei kann die Wand der Aufnahme entlang der Innenwand des Lochs gleiten. Anschließend können der Bodenteil und der Deckelteil miteinander verschraubt werden. In einer besonders bevorzugten Variante ist jeder Stempel des Werkzeuges um seine Längsachse und/oder um die Federachse drehbar. Vorzugsweise greift jeder Stempel während des Pressens der Druckplatte / des Spannelements in die ihm zugehörige Spanneinrichtung ein. Die jeweilige, insbesondere als Mutter ausgebildete, im Loch aufgenommene, Spanneinrichtung kann somit vorteilhafterweise in situ mit demselben Werkzeug / demselben Stempel in Richtung des Brennstoffzellenstapels geschraubt werden, mit dem der Brennstoffzellenstapel gegen den Bodenteil gedrückt wird. Der Stempel kann insbesondere an seinem distalen Ende eine andere Form aufweisen als in seinem mit der Spanneinrichtung in Eingriff stehenden Bereich. Beispielsweise kann das distale Ende des Stempels zylindrisch mit rundem Querschnitt und sein. Dieser Querschnitt kann einen Durchmesser von zwischen 10 mm und 30 mm aufweisen. Der Querschnitt des mit der Spanneinrichtung in Eingriff stehenden Bereichs kann eckig, beispielsweise dreieckig, viereckig, fünfeckig oder sechseckig ausgebildet, sein. Die Spanneinrichtung/die Mutter wird vorzugsweise derart bereitgestellt, insbesondere eingeschraubt, dass sie das Spannelement kontaktiert. Durch diese Verlagerung der Spanneinrichtung in Richtung des Federelements kann der Systemdruck (d.h., die Druckkraft) eingestellt werden.
Dies ermöglicht, die eingeregelte Kraft nach der Fertigstellung der Brennstoffzellenanordnung, insbesondere nach dem Schritt des Entfernens des Werkzeuges, unverändert aufrechtzuerhalten. Im Ergebnis stellt sich ein Lastpfad zum Zusammendrücken des Brennstoffzellenstapels ein, der von der Druckplatte über das Federelement sowie das Spannelement und die Spanneinrichtung/Mutter zum mit dem Bodenteil verbundenen Deckelteil des Gehäuses verläuft.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie eine Kombination aus einem Brennstoffzellengehäuse und einer Verspannungseinrichtung, die zur Produktion großer Stückzahlen geeignet ist. Eine Automatisierung und Prozessüberwachung während der Herstellung ist realisierbar. Der Prozesskraftlastpfad ist identisch zum Gehäuselastpfad.
Die Verspannung des Gehäuses wird über ein Verspannelement (Spanneinrichtung) bereitgestellt, welches einem Pressstempel ermöglicht, den Brennstoffzellenstapel über einen direkten Lastpfad zu verpressen. Zum Beispiel kann eine Spannmutter im Gehäuse eingesetzt sein. Die Spannmutter (Mutter) kann einen Innendurchmesser aufweisen, der größer ist als ein Außendurchmesser des Stempels. Die Kraftübertragung zum Gehäuse und die Verspannung des Federelements werden über ein Anziehen der Spannmutter realisiert. Der Montageschritt, bei dem die Spannmutter angezogen wird, kann sowohl über eine Rotation des Presstempels, als auch durch eine separat angetriebene Verschraubungshilfe realisiert werden. Das System kann zur Gewichts- / Bauraumreduktion auch bei einem einteiligen Gehäuse (ohne Spanndeckel) realisiert werden. Die Kraftübertragung bei einer großen Spannmutter an vergleichsweise gleichmäßig über die Querschnittsfläche des Brennstoffzellenstapels verteilt sein.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Brennstoffzellenanordnung mit einem Spannsystem, wobei ein Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzellenanordnung mittels des Spannsystems zusammengedrückt ist;
Figur 2 das Spannsystem der Brennstoffzellenanordnung aus Figur 1 in einer Detailansicht;
Figuren 3 bis 9 Zwischenzustände der Brennstoffzellenanordnung aus Figur 1 bei ihrer Herstellung;
Figur 10 die Brennstoffzellenanordnung aus Figur 1 in einer perspektivischen Detailansicht auf den Deckelteil, wobei mehrere Stempel zum Pressen der Druckplatte dargestellt sind;
Figur 11 das Spannsystem der Brennstoffzellenanordnung aus Figur 1 in einer Detailansicht, nachdem die Stempel entfernt worden sind; Figur 12 ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit der Brennstoffzellenanordnung aus Figur 1 ; und
Figur 13 ein Verfahren zur Herstellung der Brennstoffzellenanordnung aus Figur 1.
In den Figuren 1 und 2 ist eine Brennstoffzellenanordnung 200 gezeigt, welche zur Verwendung in einem in Figur 13 gezeigten Fahrzeug 300 vorgesehen ist. Bei dem Fahrzeug 300 kann es sich beispielsweise um einen Personenkraftwagen handeln. Alternativ kann das Fahrzeug 300 beispielsweise ein Wasserfahrzeug oder ein Luftfahrzeug sein.
Die Brennstoffzellenanordnung 200 umfasst ein Gehäuse 210 mit einem Bodenteil 212 und einem Deckelteil 214, einen Brennstoffzellenstapel 100, und ein Spannsystem 10. Das Gehäuse 210 legt einen Innenbereich 218 fest, in dem der Brennstoffzellenstapel 100 angeordnet ist. Der Bodenteil 212 des Gehäuses 210 ist als Platte (sogenannte Mediendruckplatte) ausgebildet. Der Deckelteil 214 des Gehäuses 210 ist als Haube ausgebildet und weist an seinem dem Bodenteil 212 entgegengesetzten Ende ein Loch 216 mit einem Innengewinde auf. Das Spannsystem 10 ist dazu eingerichtet, den Brennstoffzellenstapel 100 zwischen dem Bodenteil 212 und dem Deckelteil 214 einzuspannen. Zu diesem Zweck stützt sich das Spannsystem 10 auf seiner dem Brennstoffzellenstapel 100 entgegengesetzten Seite am Deckelteil 214 ab. Der Brennstoffzellenstapel 100 weist an seinem dem Bodenteil 212 zugewandten Ende einen ersten Stromabnehmer (nicht gezeigt) und an seinem dem Spannsystem 10 zugewandten Ende einen zweiten Stromabnehmer auf.
Das Spannsystem 10 enthält eine Druckplatte 20, ein hier als (Spann-) Platte ausgebildetes Spannelement 30, mehrere zwischen der Druckplatte 20 und dem Spannelement 30 eingespannte Federelemente 40 sowie mehrere Spanneinrichtungen 50, die jeweils einem Federelement 40 (alternativ einem Satz von aufeinanderliegenden Federelementen 40) zugeordnet sind und in dieser Variante jeweils als Mutter mit einem Außengewinde 52 ausgebildet sind. Das Außengewinde 52 jeder Mutter steht mit dem jeweiligen Innengewinde des Lochs 216 in Eingriff. Die Federelemente 40 sind (insbesondere strukturellen und funktionell) gleich. Jedes der Federelemente 40 ist zumindest abschnittsweise in einer ihr zugehörigen Vertiefung in der Druckplatte 20 aufgenommen. Im Folgenden für eines der Federelemente 40 („das Federelement 40“), für eine der Spanneinrichtungen 50 („die Spanneinrichtung 50“) sowie eine der Vertiefungen in der Druckplatte 20 („die Vertiefung“) gesagtes gilt entsprechend für die übrigen Federelemente 40, Spanneinrichtungen 50 bzw. Vertiefungen in der Druckplatte 20.
Die Druckplatte 20 liegt mit ihrer gesamten, dem Brennstoffzellenstapel 100 zugewandten Seite über ihre Kontaktfläche 22 am Brennstoffzellenstapel 100 an. Vorteilhafterweise ist die Druckplatte 20 kongruent zu einer der Druckplatte 20 zugewandten Endoberfläche des Brennstoffzellenstapels 100, wenngleich die Druckplatte 20 transversal bezogen auf die Stapelrichtung über den Brennstoffzellenstapel 100 hinausragen kann. Darüber hinaus enthält die Druckplatte 20 auf ihrer dem Brennstoffzellenstapel 100 entgegengesetzten Seite eine Aufnahme 24, in der das Federelement 40 zumindest abschnittsweise aufgenommen werden kann oder aufgenommen ist.
Das Federelement 40 ist auf einer dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite der Druckplatte 20 positioniert und vorliegend als Satz in der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels 100 aufeinandergestapelter Tellerfedern ausgebildet. Alternativ kann das Federelement 40 beispielsweise als elastischer Block aus einem Vollmaterial ausgestaltet sein. Das Federelement 40 hat eine Federachse A, entlang derer sich das Federelement 40 in seiner Position in der Aufnahme 24 zusammendrücken lässt (spannbar ist) und sich selbstständig wieder ausdehnen kann. Außerdem ist das Federelement 40 zylindersymmetrisch ausgestaltet, wobei die Federachse A die Symmetrieachse des Federelements 40 ist. Zentral und koaxial zum Satz der Tellerfedern erstreckt sich eine Führung 44 durch den Satz der Tellerfedern hindurch. Die Führung 44 ist als zylindrischer Rohrabschnitt sowie im vorliegenden Fall einstückig und fügestellenfrei mit dem Satz der Tellerfedern ausgebildet. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Führung 44 bis in eine in dem Spannelement 30, insbesondere in einem Basisabschnitt 32 des Spannelements 30, ausgebildete Vertiefung hinein. Das Spannelement 30 hat an seiner der Druckplatte 20 entgegengesetzten Seite eine Aufnahme 34 für einen Stempel 224 eines Werkzeuges. Die Aufnahme 34 ist als Loch mit rundem Querschnitt, vorzugsweise als Sackloch, ausgestaltet, welches zur dem Brennstoffzellenstapel 100 entgegengesetzten Seite des Spannelements 30 hin offen ist. Das Loch 216 und das Federelement 40 verlaufen koaxial zueinander, d.h. , die Federachse A ist eine Symmetrieachse des Lochs 216. An seinem dem Federelement 40 entgegengesetzten Ende ist das Spannelement 30 entlang des gesamten Randes der Aufnahme 34 an der Spanneinrichtung axial gelagert. Über diese Lagerung übt die Spanneinrichtung 50 eine Druckkraft auf das Spannelement 30 aus, die entlang der Federachse A in Richtung der Druckplatte 20 gerichtet ist. Das Spannelement 30 ist also dazu eingerichtet, die Druckkraft unter Vorspannung des mindestens einen Federelements 40 auf die Druckplatte 20 zu übertragen.
Die Spanneinrichtung 50, die Aufnahme 34 und das Federelement 40 sind koaxial (bezogen auf die Federachse) zueinander ausgerichtet, sodass die Druckkraft präzise und geradlinig von der Spanneinrichtung 50 (Mutter) auf die Druckplatte 20 übertragen wird. Diese Druckkraft ist durch Ein- / Ausschrauben der Mutter 54 einstellbar. Die Führung 44 sowie die Vertiefung des Spannelements 30 sind ebenfalls koaxial zueinander sowie zu der Spanneinrichtung 50, der Aufnahme 34 und dem Federelement 40 ausgerichtet. Vorteilhafterweise ist eine der Druckplatte 20 zugewandte Fläche des Basisabschnitts 32, mit der das Spannelement 30 das Federelement 40 kontaktiert, eben. In der vorliegenden Variante ist die Aufnahme 34 als zylindersymmetrische Vertiefung ausgebildet ist und die Federachse A eine Symmetrieachse der Aufnahme 34.
Die Druckplatte 20 ist vorteilhafterweise starr, insbesondere steifer als das Federelement 40. Das Spannelement 30 kann pro Aufnahme 34 eine Erhebung 36 aufweisen, in der die Aufnahme 34 ausgebildet ist. Ein von der Druckplatte 20 abgewandtes Ende der Erhebung 36 kann in das Loch 216 hineinragen und abdichtend an der Wand des Lochs 216 anliegen. Zu diesem Zweck kann dieses Ende elastisch sein. Das Spannelement 30 kann für sich alleine oder in Kombination mit dem Fe- derelement 40 somit den Innenbereich 218 gegenüber der Umgebung flüssigkeitsdicht oder gasdicht abdichten.
Die Brennstoffzellenanordnung 200 kann wie in den Figuren 3 bis 11 Schritt für Schritt gezeigt hergestellt werden. Hinsichtlich der einzelnen Schritte 402 bis 416 des Herstellverfahrens 400 wird auf Figur 13 verwiesen. Im Folgenden für ein Federelement 40 sowie die diesem Federelement 40 zugeordneten weiteren Komponenten (insbesondere die Spanneinrichtung 50/Mutter sowie Stempel 224) gesagtes gilt entsprechend für die übrigen Federelemente 40 und die entsprechenden weiteren Komponenten. Insbesondere ist jedem Federelement 40 ein Stempel 224 zugeordnet.
In einem ersten Schritt 402 wird das Gehäuse 210 mit dem Bodenteil 212 und dem separaten Deckelteil 214 bereitgestellt. Der Brennstoffzellenstapel 100 wird sodann im Schritt 404 direkt auf dem Bodenteil 212 hergestellt (siehe Figur 3). Dies erfolgt Brennstoffzelle für Brennstoffzelle, wobei Führungsschienen 222 (Führungsprofile) an mindestens zwei Seitenflächen des Brennstoffzellenstapels 100 platziert sein können, um die Komponenten des Brennstoffzellenstapels 100 aufeinander ausgerichtet zu stapeln. D.h., zunächst wird vorzugsweise eine Trennplatte auf dem Bodenteil 212 positioniert. Auf diese Trennplatte wird vorzugsweise eine Membran- Elektroden-Einheit und anschließend eine weitere Trennplatte aufgelegt. Dieser Vorgang wird vorzugsweise so oft wiederholt, bis der Brennstoffzellenstapel 100 vollständig ist.
Im nächsten Schritt 406 wird die Druckplatte 20 auf einer dem Bodenteil 212 entgegengesetzten Seite des Brennstoffzellenstapels 100 aufgelegt, so dass die Kontaktfläche 22 der Druckplatte 20 am Brennstoffzellenstapel 100 anliegt. Anschließend werden die Federelemente 40 in die Druckplatte 20 eingesetzt (Schritt 410) und das Spannelement 30 auf die Federelemente 40 aufgelegt. Hierbei gelangt die Führung 44 mit der Vertiefung im Basisabschnitt 32 in Eingriff. Alternativ können die Druckplatte 20, die Federelemente 40 und das Spannelement 30 im zusammengesetzten Zustand auf den Brennstoffzellenstapel 100 positioniert werden (siehe Figur 4). Wie in Figur 5 gezeigt, können sodann die Schienen 222 entfernt werden. In einem nächsten Schritt 412 wird die Druckplatte 20 indirekt mittels des Spannelements 30 in Richtung des Brennstoffzellenstapels 100 mittels eines Werkzeuges 220, im vorliegenden Fall einer Stempelpresse, gepresst (siehe Figur 6). Dabei wird jedes der Federelemente 40 entlang seiner Federachse A zusammengedrückt und dadurch vorgespannt. Stempel 224 des Werkzeuges 220 durchsetzen hierbei jeweils eines der Löcher 216 des Gehäuses 210 (vgl. Figur 10). Das der Druckplatte 20 zugewandte Ende des (jeweiligen) Stempels 224 greift in die Aufnahme 34 ein. Dieses Ende ist gleitend oder rollend in der Aufnahme 34, insbesondere über ein Axiallager, gelagert. Der (jeweilige) Stempel 224 ist koaxial zur Mutter und zur Aufnahme 34 ausgerichtet.
Der Deckelteil 214 des Gehäuses 210 wird sodann axial in Richtung des Bodenteils 212 verlagert und der Deckelteil 214 wird mit dem Bodenteil 212 verbunden, insbesondere verschraubt, um das Gehäuse 210 zu verschließen (siehe Figur 7). Hierbei gelangt die Erhebung 36 mit dem Loch 216 in Eingriff. Außerdem steht der Stempel 224 im in Figur 7 gezeigten Zustand mit der Mutter in Eingriff, um diese schrauben zu können. Der weitere Schritt des Bereitstellens 416 einer Spanneinrichtung 50 kann gleichzeitig mit dem Bereitstellen 402 des Gehäuses oder spätestens im in Figur 7 gezeigten Zustand erfolgen. Eine Detailansicht aus Figur 8, die den Zustand des Spannsystems 10 gemäß Figur 7 darstellt, verdeutlicht, dass die Spanneinrichtung 50 noch nicht auf das Spannelement 30 drückt.
Um die Herstellung der Brennstoffzellenanordnung abzuschließen, kann im Schritt 416 außerdem vorgesehen sein, dass der Stempel um seine eigene Längsachse (also die Federachse) rotiert wird, damit die Mutter mit dem Spannelement 30 in Kontakt gebracht wird. Dadurch wird der Lastpfad zwischen Druckplatte 20 und Gehäuse 210 geschlossen und der Stempel 224 des Werkzeugs 220 kann wie in Figur 10 gezeigt entfernt werden (Schritt 418). Nach dem Schritt des Entfernens 418 des Werkzeuges 220 kann die Spanneinrichtung 50/Mutter somit die Druckkraft auf das Spannelement 30 ausüben. Diese Druckkraft ist entlang der Federachse A und in Richtung der Druckplatte 20 gerichtet und wird von dem Spannelement 30 über das nunmehr wie in Figur 11 dargestellt vorgespannte Federelement 40 auf die Druckplatte 20 übertragen. Aus Gründen der Leserlichkeit ist in dieser Offenbarung vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. ein/das Federelement, eine/die Spanneinrichtung, ein/der Stempel, eine/die Aufnahme (für den Stempel), etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. das mindestens eine Federelement, die mindestens eine Spanneinrichtung, der mindestens eine Stempel, die mindestens eine Aufnahme (für den Stempel), etc.). Zumindest abschnittsweise bedeutet hier abschnittsweise oder vollständig. Der Begriff „im Wesentlichen“ umfasst im Kontext der hier offenbarten Technologie jeweils die genaue Eigenschaft bzw. den genauen Wert sowie jeweils für die Funktion der Eigen- schaft/des Wertes unerhebliche Abweichungen, beispielsweise aufgrund von Herstellungstoleranzen.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Spannsystem (10) für einen Brennstoffzellenstapel (100), umfassend
- eine Druckplatte (20) mit einer Kontaktfläche (22) zur Anlage an den Brennstoffzellenstapel (100),
- ein Spannelement (30), das auf einer der Kontaktfläche (22) entgegengesetzten Seite der Druckplatte (20) angeordnet ist,
- mindestens ein zwischen der Druckplatte (20) und dem Spannelement (30) angeordnetes Federelement (40) mit einer Federachse (A), entlang derer das mindestens eine Federelement (40) spannbar ist, und
- mindestens eine Spanneinrichtung (50), wobei die Spanneinrichtung (50) dazu ausgelegt ist, eine Druckkraft auf das Spannelement (30) auszuüben, wobei die Druckkraft entlang der Federachse (A) sowie in Richtung der Druckplatte (20) gerichtet ist, und wobei das Spannelement (30) dazu eingerichtet ist, die Druckkraft unter Vorspannung des mindestens einen Federelements (40) auf die Druckplatte (20) zu übertragen.
2. Spannsystem (10) nach Anspruch 1 , wobei die Spanneinrichtung (50) koaxial zum mindestens einen Federelement (40) angeordnet ist, und/oder wobei das mindestens eine Federelement (40) eine Tellerfeder oder eine Spiralfeder aufweist.
3. Spannsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spannelement (30) als Hülse oder als Platte ausgebildet ist.
4. Spannsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine Federelement (40) mit einer Führung (44) versehen ist, wobei die Führung (44) in dem Spannelement (30) aufnehmbar ist, und wobei das Spannelement (30) koaxial zur Federachse (A) entlang der Führung (44) verlagerbar ist.
5. Spannsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spannelement (30) mindestens eine Aufnahme (34) aufweist, und wobei die Aufnahme (34) zu einer der Druckplatte (20) entgegengesetzten Seite des Spannelements (30) hin offen ist.
6. Spannsystem (10) nach Anspruch 5, wobei die Aufnahme (34) als zylindersymmetrische Vertiefung ausgebildet ist, und wobei die Federachse (A) eine Symmetrieachse der Aufnahme (34) ist.
7. Spannsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spanneinrichtung (50) mit einem Gewinde versehen und/oder entlang der Federachse (A) schraubbar ist.
8. Spannsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spannelement (30) einen zur Kontaktierung des mindestens einen Federelements (40) vorgesehenen Basisabschnitt (32) aufweist, und wobei eine der Druckplatte (20) zugewandte Fläche des Basisabschnitts (32) eben ist.
9. Spannsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei das mindestens eine Federelement (40) zumindest abschnittsweise in der Druckplatte (20) und/oder dem Spannelement (30) aufgenommen ist.
10. Brennstoffzellenanordnung (200), umfassend ein Gehäuse (210) mit einem Bodenteil (212) und einem Deckelteil (214), einen Brennstoffzellenstapel (100), und ein Spannsystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Brennstoffzellenstapel (100) mittels des Spannsystems (10) zwischen dem Bodenteil (212) und dem Deckelteil (214) eingespannt ist. Brennstoffzellenanordnung (200) nach Anspruch 10, wobei das Gehäuse (210) mindestens ein Loch (216) aufweist, wobei die Druckplatte (20) zwischen dem Brennstoffzellenstapel (100) und dem Loch (216) angeordnet ist, und wobei die Spanneinrichtung (50) mindestens eine in dem Loch (216) schraubbar aufgenommene Mutter (54) enthält. Brennstoffzellenanordnung (200) nach Anspruch 11 , wobei das Spannelement (30) mindestens eine Erhebung (36) aufweist, die zumindest abschnittsweise in das Loch (216) hineinragt. Brennstoffzellenanordnung (200) nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Gehäuse (210) einen Innenbereich (218) festlegt, in dem der Brennstoffzellenstapel (100) angeordnet ist, wobei der Innenbereich (218) mittels des Spannelements (30) gegenüber der Umgebung des Gehäuses (210) abgedichtet ist. Fahrzeug (300) mit einem Spannsystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einer Brennstoffzellenanordnung (200) nach einem der Ansprüche 10 bis 13. Verfahren (400) zur Herstellung einer Brennstoffzellenanordnung (200), umfassend die Schritte:
Bereitstellen (402) eines Gehäuses (210) mit einem Bodenteil (212) und einem Deckelteil (214);
Bereitstellen (404) eines Brennstoffzellenstapels (100) auf dem Bodenteil (212);
Positionieren (406) einer Druckplatte (20) auf einer dem Bodenteil (212) entgegengesetzten Seite des Brennstoffzellenstapels (100), so dass eine Kontaktfläche (22) der Druckplatte (20) am Brennstoffzellenstapel (100) anliegt; Anordnen (408) eines Spannelements (30) auf einer der Kontaktfläche (22) entgegengesetzten Seite der Druckplatte (20),
Anordnen (410) mindestens eines Federelements (40) zwischen der Druckplatte (20) und dem Spannelement (30); Pressen (412) der Druckplatte (20) in Richtung des Brennstoffzellenstapels
(100) mittels eines Werkzeuges (220);
Verschließen (414) des Gehäuses (210), wobei der Deckelteil (214) mit dem Bodenteil (212) verbunden wird;
Bereitstellen (416) einer Spanneinrichtung (50); und Entfernen (418) des Werkzeuges (220), wobei die Spanneinrichtung (50) nach dem Schritt des Entfernens des Werkzeuges (220) eine Druckkraft auf das Spannelement (30) ausübt, wobei die Druckkraft entlang einer Federachse (A) des mindestens einen Federelements (40) und in Richtung der Druckplatte (20) gerichtet ist, und wobei das Spannelement (30) die Druckkraft über das mindestens eine Federelement (40) auf die Druckplatte (20) überträgt.
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