BESCHREIBUNG:

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen elektrischer Energie. Hierfür weisen Brennstoffzellen eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA - membrane electrode assembly) mit einer Membran-Elektroden-Einheit auf.

Die Membran-Elektroden-Einheit wird durch eine protonenleitende Membran, PEM, gebildet, an der beidseitig katalytische Elektroden angeordnet sind. Dabei trennt die Membran den der Anode zugeordneten Anodenraum und den der Kathode zugeordneten Kathodenraum voneinander und isoliert diese elektrisch. Auf den nicht der Membran zugewandten Seiten der Elektroden können zudem Gasdiffusionslagen angeordnet sein.

Im Betrieb der Brennstoffzelle wird ein wasserstoffhaltiger Brennstoff der Anode zugeführt, an der eine elektrochemische Oxidation von H ₂ zu H ⁺ unter Abgabe von Elektronen erfolgt. Über die elektrolytische Membran erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H ⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elek- tronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet.

Der Kathode wird ein sauerstoffhaltiges Betriebsmedium zugeführt, sodass dort eine Reduktion von 0 ₂ zu 0 ₂ unter Aufnahme der Elektronen erfolgt. Diese Sauerstoffanionen reagieren im Kathodenraum mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Ein Brennstoffzellenstapel ist in der Regel durch eine Vielzahl in einem Sta- pel (stack) in Stapelrichtung übereinander angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den Membran-Elektroden- Anordnungen sind üblicherweise Bipolarplatten angeordnet, die eine Versor- gung der einzelnen MEA mit den Reaktanten und einer Kühlflüssigkeit si- cherstellen sowie als elektrisch leitfähiger Kontakt zu den Membran- Elektroden-Anordnungen fungieren.

Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten und den Bipolarplatten sind Dichtungen angeordnet, um die Anoden- und Kathodenräume nach außen abzudichten und ein Austreten der Betriebsmedien aus dem Stapel zu ver- hindern. Diese Dichtungen sind auf den Membran-Elektroden-Einheiten, den Bipolarplatten oder diesen beiden Komponenten vorgesehen.

Zum dauerhaften Abdichten des Stapels und zum Gewährleisten des elektri- schen Kontakts zwischen Bipolarplatten und Membran-Elektroden- Anordnungen wird der Brennstoffzellenstapel vor der Inbetriebnahme ver- presst. Ferner werden Zugelemente eingesetzt, um den Brennstoffzellensta- pel auch während des Betriebs zu verpressen.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Zugelemente bekannt. Bei- spielsweise können zwei an den Enden des Brennstoffzellenstapels ange- ordnete Endplatten mittels Zugelementen verbunden werden. Durch Einleiten von Zugkräften über die Zugelemente in die Endplatten wird der Brennstoff- zellenstapel zusammengepresst. Als Zugelemente werden beispielsweise Gewindestäbe, Zuganker, Ketten oder dergleichen eingesetzt.

Ebenfalls bekannt ist die Verwendung von gespannten streifen- oder band- förmigen elastischen Spannelementen, die entweder mit den Endplatten ver- bunden sind oder den Stapel in zumindest einem Querschnitt (in Stapelrich- tung) zumindest teilweise umlaufen. Hinsichtlich der Ausgestaltung und Be- festigungsmöglichkeiten derartiger elastischer Spannelemente (Zugelemen- te) wird beispielsweise auf die EP 1 870 952 A2 und die DE 10 2012 000 266 A1 verwiesen, auf deren Inhalte hiermit vollumfänglich Bezug genommen wird.

Insbesondere in den aktiven Bereichen des Brennstoffzellenstapels bezie- hungsweise der MEAs kann es zu betriebsbedingten Höhenänderungen kommen, die beispielsweise mit der Temperatur und dem Feuchtegehalt des Brennstoffzellenstapels variieren können. Man spricht auch davon, dass der Stapel atmet. Bei der Verwendung elastischer Spannelemente kann zudem die Elastizität dieser Spannelemente mit der Zeit abnehmen. Insbesondere bei metallischen Spannelementen, die den Brennstoffzellenstapel ringförmig umlaufen und somit mehrere deutliche Knicke aufweisen, kommt es insbe- sondere im Bereich dieser Umbiegungen zum Längen der Spannelemente.

Unabhängig von den Höhenänderungen des Brennstoffzellenstapels und der Alterung der Spannelemente muss stets eine ausreichende Kompression des Stapels gewährleistet werden, insbesondere um die Dichtwirkung der eingesetzten Dichtungen zu garantieren. Aus dem Stand der Technik sind daher bereits Mittel bekannt, mit denen versucht werden soll, die Kompres- sion eines Brennstoffzellenstapels dauerhaft zu gewährleisten.

Die DE 10 2006 028 498 A1 offenbart eine Spannvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel mit zumindest einem Zugelement zum Verspannen des Brennstoffzellenstapels und zumindest einem elastischen Längendeh- nungsausgleichselement, welches in ein Zugelement integriert ist oder zwei Zugelemente miteinander verbindet.

Die DE 10 2010 007 979 A1 offenbart einen Brennstoffzellenstapel mit zwi- schen zwei Endplatten angeordneten Brennstoffzellen und mindestens ei- nem die Endplatten verbindenden Verspannungsmittel zum Ausüben einer Zugkraft. Zwischen dem Verspannungsmittel und zumindest einer der End- platten ist ein reibungsminderndes Umlenkmittel angeordnet. Eine Höhenän- derung des Stapels soll durch zwischen einer Endplatte und einer Kompres- sionsplatte angeordnete komprimierte Federelemente ausgeglichen werden. Gemäß diesem Stand der Technik sollen Spannungsspitzen aufgrund der Ausdehnung des Stapels durch elastische Elemente vermieden werden. Ein anfängliches Überspannen der elastischen Elemente soll eine Höhenände- rung des Stapels sogar zum Teil vermeiden. Die elastischen Elemente unter- liegen jedoch selbst einer Alterung und zumindest insofern sind diese passi- ven Möglichkeiten zur Einstellung der Kompressionskraft nachteilig.

Bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen mit zwischen den End- platten und anderen Stapelkomponenten, beispielsweise Kompressionsplat- ten, angeordneten komprimierten Federelementen sind in der Regel Vertie- fungen in den Endplatten vorgesehen, um die Federelemente aufzunehmen. Die damit verbundenen lokalen Schwächungen der Endplatten erhöhen de- ren Deformationsneigung unter einwirkenden Druck- oder Zugkräften.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Lösung zum Nachspannen eines Brenn- stoffzellenstapels bereitzustellen, welche ohne große Anpassung in beste- hende Brennstoffzellenstapel integrierbar ist, insbesondere in solche mit um- laufenden band- oder streifenförmigen Spannelementen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Brennstoffzellenstapel mit einer er- sten Endplatte und einer zweiten Endplatte und einer Vielzahl von in Stapel- richtung zwischen den zwei Endplatten angeordneten Brennstoffzellen. Fer- ner weist der Brennstoffzellenstapel zumindest ein in Stapelrichtung zwi- schen den Endplatten gespanntes elastisches Spannelement auf. Zumindest ein Spannelement ist abschnittsweise zwischen einem Oberflächenabschnitt des Brennstoffzellenstapels und einem Nachspannelement angeordnet.

Erfindungsgemäß ist ein Abstand zwischen dem Nachspannelement und dem Oberflächenabschnitt, bevorzugt ein Abstand in Normalenrichtung des Oberflächenabschnitts, variabel einstellbar. Besonders bevorzugt ist der Ab- stand zwischen einem Punkt des Nachspannelements, bevorzugt einem Punkt der von dem Oberflächenabschnitt in Normalenrichtung am wenigsten entfernt ist, und dem Oberflächenabschnitt mittels des zumindest einen Stellmittels variabel einstellbar. Darüber hinaus ist das Nachspannelement erfindungsgemäß in einem gewählten Abstand, bevorzugt einem gewählten Abstand in Normalenrichtung des Oberflächenabschnitts, zum Oberflächen- abschnitt feststellbar (fixierbar). Bevorzugt ist bei Feststellung beziehungs- weise Fixierung des Nachspannelements eine Verlagerung des Nachspann- elements durch eine vom Spannelement ausgeübte Kraft unterbunden.

Der Brennstoffzellenstapel gemäß der Erfindung ermöglicht somit ein Nach- spannen des zumindest einen Spannelements durch Verkleinern des festen Abstands zwischen dem Nachspannelement und einem Oberflächenab- schnitt des Brennstoffzellenstapels und somit zwischen dem Nachspannele- ment und dem Spannelement. Da das Spannelement zwischen Oberflä- chenabschnitt und Nachspannelement angeordnet ist, führt ein Verringern des Abstandes von Nachspannelement und Oberflächenabschnitt ab einem gewissen Punkt zum Kontakt von Nachspannelement und Spannelement.

Greift das Nachspannelement in das Spannelement ein, übt es eine in Rich- tung des Oberflächenabschnitts gerichtete Kraft auf das Spannelement aus. Dies bewirkt ein Längen des Spannelements, wodurch die von diesem auf den Brennstoffzellenstapel ausgeübte Kompressionszugkraft ansteigt. Be- vorzugt ist das elastische Spannelement des Brennstoffzellenstapels im Hook‘schen Bereich gespannt. Ferner bevorzugt ermöglicht das erfindungs- gemäße Nachspannelement ein Nachspannen des Spannelements in einer Stapelrichtung (S) des Brennstoffzellenstapels und/oder quer zu einer Sta- pelrichtung (S) des Brennstoffzellenstapels. Ferner vorteilhaft kann die Sta- pelkompression auch lokal durch Manipulation nur eines oder einiger der Mehrzahl von Nachspannelementen gezielt eingestellt werden.

Der besagte Oberflächenabschnitt kann an verschiedenen Stellen des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein. Ist das zumindest eine Spannele- ment an jeweils einer Seitenfläche der ersten und zweiten Endplatte mittels Spannmitteln fixiert, befindet sich der Oberflächenabschnitt bevorzugt zwi- schen den Spannmitteln auf einer Seitenfläche des Brennstoffzellenstapels. Ein Nachspannen des Spannelements mittels des zumindest einen Nach- spannelements erfolgt dann bevorzugt in einer Richtung quer zur Stapelrich- tung (S) des Brennstoffzellenstapels. Ist das Spannelement hingegen jeweils an einer in Stapelrichtung nach außen weisenden Oberflächen einer ersten und zweiten Endplatte fixiert oder ringförmig geschlossen ausgebildet, befin- det sich der Oberflächenabschnitt bevorzugt auf zumindest einer der nach außen weisenden Oberflächen der ersten oder zweiten Endplatte. Befindet sich der Oberflächenabschnitt auf zumindest einer der nach außen weisen- den Oberflächen der ersten und/oder zweiten Endplatte, erfolgt ein Nach- spannen des Spannelements mittels des Nachspannelements bevorzugt in einer Richtung parallel zu der Stapelrichtung (S).

Bei dem Spannelement handelt es sich bevorzugt um ein aus dem Stand der Technik bekanntes elastisches Spannelement, welches jeweils an den End- platten des Brennstoffzellenstapels befestigt ist oder den Brennstoffzellen- stapel in zumindest einem Querschnitt entlang der Stapelrichtung im We- sentlichen vollständig (mit anderen Worten ringförmig) umläuft. Dabei kann das Spannelement zumindest abschnittsweise flächig an einer Oberfläche des Brennstoffzellenstapels anliegen, ist jedoch, zumindest im nicht nachge- spannten Zustand, von dem oben genannten Oberflächenabschnitt beab- standet. Beispielsweise stehen die Endplatten in lateraler Richtung über die Brennstoffzellen über, so dass das Spannelement einen Abstand zu den Sei- tenwänden der Brennstoffzellen aufweist. In diesem Fall wäre der Oberflä- chenabschnitt Teil einer Seitenwand des Brennstoffzellenstapels. Alternativ, ist der Oberflächenabschnitt Teil einer der Endplatten des Stapels. Somit ist das zumindest eine Spannelement abschnittsweise zwischen einem Oberflä- chenabschnitt einer der Endplatten und dem Nachspannelement angeordnet. Auch in diesem Fall können Abstandshalter genutzt werden, um einen an- fänglichen Abstand zwischen Spannelement und Oberflächenabschnitt der Endplatte zu realisieren, um Raum zum Nachspannen bereitzustellen.

Das Spannelement ist bevorzugt als band- oder streifenförmiges flexibles und/oder elastisches Spannelement ausgebildet, wie beispielsweise aus der EP 1 870 952 A2 bekannt. Das Spannelement besteht bevorzugt aus einem elastischen Kunststoff, einem elastischen Polymer (z.B. Nylon) oder einem elastischen Metall, und weist bei Standardbedingungen ein Elastizitätsmodul > 1 GPa und besonders bevorzugt > 5 GPa entlang der Spannrichtung auf.

Das Spannelement ist ferner bevorzugt stoffschlüssig und/oder mittels min- destens eines Spannmittels an zumindest einer Stapelendplatte fixiert. Um eine einfache Demontage des Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten, ist das Spannelement bevorzugt an mindestens einer Endplatte des Stapels lösbar fixiert. Besonders bevorzugt ist das Spannelement an der Endplatte eingehängt. Hierfür weist die Endplatte bevorzugt zumindest einen Einhän- gehaken zum Einhängen des Spannelements an einer seiner Seitenflächen oder auf seiner in Stapelrichtung nach außen weisenden Oberfläche auf. Ebenfalls bevorzugt weist das Spannelement mindestens eine Einhängeöff- nung zum Einhängen an einem Einhängehaken auf.

Alternativ erstreckt sich das zumindest eine Spannelement in einem Quer- schnitt in Stapelrichtung zumindest im Wesentlichen um einen Umfang des Brennstoffzellenstapels. Dabei ist ein Spannelement an mindestens einem seiner Endbereiche an einem anderen Endbereich desselben Spannele- ments oder an einem anderen Spannelement fixiert. Das Spannelement kann also ringförmig geschlossen ausgebildet sein.

Besonders bevorzugt ist der Endbereich des zumindest einen Spannele- ments formschlüssig mit einem anderen Endbereich desselben Spannele- ments verbunden, beispielsweise durch eine Crimpverbindung. Ebenfalls bevorzugt ist ein Endbereich des zumindest einen Spannelements mittels einer Befestigungsvorrichtung an einem anderen Endbereich desselben oder eines anderen Spannelements fixiert. Besonders bevorzugt ist ein Endbe- reich des zumindest einen Spannelements an einem anderen Endbereich desselben oder eines anderen Spannelements verschweißt.

Besonders bevorzugt weist der Brennstoffzellenstapel eine Mehrzahl von in Stapelrichtung zwischen den Endplatten gespannten beziehungsweise den Brennstoffzellenstapel ringförmig umlaufenden Spannelementen auf. Dabei ist eines oder sind mehrere, bevorzugt alle, der Spannelemente zwischen einem Oberflächenabschnitt des Brennstoffzellenstapels und einem entspre- chenden Nachspannelement angeordnet. Der Brennstoffzellenstapel weist besonders bevorzugt ein Nachspannelement für jedes Spannelement auf.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Nachspannelement zumin- dest einen mit dem Oberflächenabschnitt über zumindest ein Stellelement verbundenen Spannkörper auf. Ferner bevorzugt ist das zumindest eine Stellmittel dazu eingerichtet, den Spannkörper in einem variablen Abstand zum Oberflächenabschnitt festzustellen (zu fixieren). Bevorzugt wird durch die Feststellung beziehungsweise Fixierung des Stellelements eine weitere ungewollte Verlagerung des Spannkörpers durch eine vom Stellelement oder Spannelement ausgeübte Kraft vermieden. Mit anderen Worten ist das zu- mindest eine Stellelement dafür eingerichtet, einen Abstand zwischen dem Spannkörper und dem Oberflächenabschnitt variabel einzustellen.

Der Spannkörper des Nachspannelements ist dabei bevorzugt an die Form und das Material des Spannelements angepasst. Bei der Verwendung von band- oder streifenförmigen Spannelementen weist der Spannkörper bevor- zugt eine die Breite des Spannelements übersteigende Breite auf. Die über das Spannelement überstehenden Bereiche des Spannkörpers sind dann bevorzugt im Eingriff mit den Stellelementen. Vorteilhaft wirkt somit nur der Spannkörper auf das Spannelement ein, wobei die Stellelemente nicht in Kontakt mit dem Spannelement stehen oder dieses beschädigen können.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Spannkörper eine mit dem zumindest einen Stellelement verbundene Trägerplatte, insbe- sondere eine flächig ausgedehnte Trägerplatte, und zumindest eine in Rich- tung des Spannelements von der Trägerplatte vorspringende Erhebung auf. Dabei tritt beim Nachspannen vorteilhaft nur oder zumindest vorrangig die Erhebung der Trägerplatte mit dem Spannmittel in Kontakt. Wird die Träger- platte durch ein an deren Randbereich angreifendes Stellmittel verlagert, wird also nur oder vorrangig durch die Erhebung eine Kraft auf das Spann- mittel ausgeübt. Besonders bevorzugt ist die Erhebung so ausgeformt, dass diese Kraft möglichst gleichmäßig auf das Spannelement ausgeübt wird. Beispielsweise ist eine Breite der Erhebung an die Breite des Spannele- ments angepasst oder sogar zu dieser identisch. Ferner bevorzugt weist die Erhebung zumindest eine gerundete Flanke in Stapelrichtung auf und ist bei- spielsweise als halbzylinderförmige Erhebung ausgebildet.

Ebenfalls bevorzugt weist das zumindest eine Stellelement ein in ein Gewin- deloch des Oberflächenabschnitts eingreifendes Außengewinde auf. Der Ab- stand zwischen dem Nachspannelement und dem Oberflächenabschnitt ist somit vorteilhaft durch manuelle oder automatische Drehung des zumindest einen Stellelements veränderbar. Besonders bevorzugt wird ein Feingewinde verwendet, um eine möglichst genaue Einsteilbarkeit des Abstands zu er- möglichen. Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Stellelementen um eine Vielzahl von Gewindebolzen, die durch einen über das Spannelement überstehenden Bereich der Trägerplatte hindurch geführt sind und in ent- sprechende Gewindelöcher des Oberflächenabschnitts eingreifen. Das Ver- drehen der Gewindebolzen erfolgt bevorzugt durch einen Werkzeugeingriff. Ebenfalls bevorzugt ist der Gewindebolzen magnetisch drehbar.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellenstapels ist das zumindest eine Stellelement in den Spannkörper einfahrbar ausgebil- det. Mit anderen Worten ragt das Stellelement in einer ersten Konfiguration zumindest abschnittsweise aus dem Spannkörper hervor und ist in einer zweiten Konfiguration weiter in dem Spannkörper versenkt, als in der ersten Konfiguration. Dabei ist das zumindest eine Stellelement fest mit dem Ober- flächenabschnitt verbunden, so dass durch Einfahren des Stellelements in den Stellkörper der Abstand von Stellkörper und Oberflächenabschnitt ver- ringert wird. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem zumindest einen Stellelement um einen mittels Mikroaktuatoren in den Spannkörper herein- fahrbaren Bolzen. Ebenfalls bevorzugt ist das zumindest eine Stellelement pneumatisch oder hydraulisch in den Spannkörper einfahrbar.

Alternativ oder zusätzlich ist das zumindest eine Stellelement kontrahierbar ausgebildet ist. Beispielsweise ist das Stellelement als Scherenantrieb aus- gebildet oder weist einen Scherenantrieb auf. Ebenfalls bevorzugt ist das Stellelement hohlförmig ausgebildet und mittels Auslass eines Fluides kont- rahierbar. Ebenfalls bevorzugt ist das zumindest eine Stellelement fernsteu- erbar ausgebildet. Das variable Einstellen eines festen Abstands zwischen dem Spannkörper und dem Oberflächenabschnitt erfolgt somit mittels Fern- steuerung, zum Beispiel mittels Funkfernsteuerung.

Bevorzugt weist der Oberflächenabschnitt des Brennstoffzellenstapels, ins- besondere der Oberflächenabschnitt der Endplatte, zumindest eine Ausspa- rung auf. Diese Aussparung ist bevorzugt zur zumindest teilweisen Aufnah- me des Nachspannelements beim Verringern des Abstands zwischen Nach- spannelement und Brennstoffzellenstapel ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die zumindest eine Aussparung zur Aufnahme der zumindest einen Erhe- bung, wie obenstehend beschrieben, ausgebildet. Insbesondere entspricht eine Tiefe der Aussparung in Normalenrichtung des Oberflächenabschnitts zumindest der Flöhe der Erhebung. Ebenfalls bevorzugt ist die zumindest eine Aussparung in einer der Endplatten angeordnet.

Die vorbeschriebene Ausführungsform ermöglicht vorteilhaft, dass das zu- mindest eine Spannelement in einer ersten Konfiguration eben an den Ober- flächen des Brennstoffzellenstapels anliegt und sich über die Aussparung hinweg erstreckt. In einer zweiten Konfiguration ist der Abstand zwischen Nachspannelement und Oberflächenabschnitt so verringert, dass das Span- nelement durch das Nachspannelement in die Aussparung hineingepresst wird. Somit liegt das Spannmittel nur noch abschnittsweise eben und flächig an der Oberfläche an und ist im Bereich der Aussparung durch das Nach- spannelement entgegen der Normalenrichtung der Oberfläche gestreckt (ge- dehnt/ gelängt). Durch das Längen des Spannmittels nimmt die von diesem ausgeübte Kompressionszugkraft wie bei einer Feder zu.

Ebenfalls bevorzugt ist das Nachspannelement beim initialen Spannen der Spannmittel bereits teilweise in der Aussparung versenkt. Durch Vergrößern des Abstands zwischen Spannkörper und Oberflächenabschnitt und Entfer- nen (Heben) des Spannkörpers aus der Aussparung ist somit ein Verringern der Kompressionskraft, beispielsweise zur Kompensation eines betriebsbe- dingten Anstiegs der Stapelhöhe, möglich. Das Verwenden einer Ausspa- rung ermöglicht zudem den Verzicht auf Abstandshalter, um einen Abstand zwischen Spannelement und Brennstoffzellenstapel zu bewirken.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform ist ein Umlenkmittel in zu- mindest einem von dem zumindest einen Spannelement überspannten Kan- tenbereich des Brennstoffzellenstapels angeordnet. Besonders bevorzugt ist ein Umlenkmittel in zumindest einem von dem zumindest einen Spannele- ment überspannten Kantenbereich der ersten Endplatte und/oder der zwei- ten Endplatte angeordnet. Das Umlenkmittel ist insbesondere dazu ausgebil- det, eine Reibung zwischen dem Spannelement und dem Kantenbereich zu verringern. Diese Reibungsverminderung ermöglicht vorteilhaft eine wieder- holte und fein justierbare Einsteilbarkeit der Stapelspannung über den ver- änderbar fixierbaren Abstand zwischen Nachspannelement und Stapel.

Bei dem Umlenkmittel handelt es sich bevorzugt um eine gleitreibungsarme Oberfläche, beispielsweise durch eine entsprechende Beschichtung. Eben- falls bevorzugt handelt es sich bei dem Umlenkmittel um eine Umlenkrolle. Ebenfalls bevorzugt ist das Umlenkmittel in zumindest einer der Endplatten angeordnet. Für weitere Details zur Ausgestaltung der Umlenkmittel wird hiermit vollumfänglich auf die DE 10 2010 007 979 A1 Bezug genommen.

In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapels ist zumindest einer von der ersten Endplatte und der zweiten Endplatte segmentiert ausgebildet. Bevorzugt verläuft über jedes dieser Segmente zumindest ein Spannelement mit Nachspannelement. Die Entkopplung der einzelnen Spannelemente durch Segmentierung der End- platten ermöglicht vorteilhaft eine lokale Variation der Stapelkompression.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug, insbesondere ein elektromotorisch betriebenes Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel, wie vorstehend beschrieben. Der Brennstoffzellen- stapel dient dabei insbesondere dem Speisen eines Elektromotors des Fahr- zeugs. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, so- fern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinier- bar.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zuge- hörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik;

Figur 2 einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl den Stapel komprimierender Spannelemente gemäß dem Stand der Tech- nik;

Figur 3 einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl den Stapel komprimierender Spannelemente und einem Nachspannele- ment gemäß einer Ausführungsform;

Figur 4 eine Schnittdarstellung des Brennstoffzellenstapels der Figur 3;

Figur 5 eine isolierte Darstellung des Nachspannelements; und

Figur 6 einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl den Stapel komprimierender Spannelemente und einem Nachspannele- ment gemäß einer alternativen Ausführungsform. Figur 1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß dem Stand der Technik. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil ei- nes nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahr- zeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoff- zellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brenn- stoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Ein- zelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran- Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet wer- den (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14 mit einer hier nicht näher dargestellten ionenleitfähigen Polymer- elektrolytmembran sowie beidseits daran angeordneten katalytischen Elekt- roden. Diese Elektroden katalysieren die jeweilige Teilreaktion der Brenn- stoffumsetzung. Die Anoden- und Kathodenelektrode sind als Beschichtung auf der Membran ausgebildet und weisen ein katalytisches Material auf, bei- spielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.

Wie in der Detaildarstellung der Figur 1 gezeigt, ist zwischen einer Bipolar- platte 15 und der Anode ein Anodenraum 12 ausgebildet und ist zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13 ausge- bildet. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmittel in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Ver- bindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.

Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmitteln zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.

Die Anodenversorgung 20 des in Figur 1 gezeigten Brennstoffzellen- systems 100 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21 , welcher der Zufüh- rung eines Anodenbetriebsmittels (dem Brennstoff), beispielsweise Wasser- stoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu die sem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspei- cher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Das Ein- stellen des Einspeisedrucks des Anodenbetriebsmediums in die Anoden- räume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 erfolgt über ein Dosierventil 27.1 . Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt.

Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 des in Figur 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 eine Rezirkulationsleitung 24 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den überstöchiometrisch einge- setzten Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 10 zurückzuführen. In der Re- zirkulationsleitung 24 sind eine Rezirkulationsfördereinrichtung 25, vorzugs- weise ein Rezirkulationsgebläse, sowie ein Klappenventil 27.2 angeordnet.

In der Anodenversorgung 22 des Brennstoffzellensystems ist ferner ein Wasserabscheider 26 verbaut, um das aus der Brennstoffzellenreaktion ent- stehende Produktwasser abzuleiten. Ein Ablass des Wasserabscheiders kann mit der Kathodenabgasleitung 32, einem Wassertank oder einer Ab- gasanlage verbunden sein.

Die Kathodenversorgung 30 des in Figur 1 gezeigten Brennstoffzellen- systems 100 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31 , welcher den Ka- thodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Ka- thodenbetriebsmittel zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung an- gesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Katho- denabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt.

Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmittels ist in dem Ka- thodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestell- ten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektro- motorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elekt romotor 34 erfolgt. Das in Figur 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 weist ferner ein strom- aufwärts des Verdichters 33 in der Kathodenversorgungsleitung 31 angeord- netes Befeuchtermodul 39 auf. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathoden- betriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenab- gaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Ein Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampf- permeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfa- sern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem ver- gleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die ande- re Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrie- ben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenab- gas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird.

Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen die Kathodenversor- gungsleitung stromaufwärts und stromabwärts des Befeuchters 39 miteinan- der verbindenden Befeuchterbypass 37 mit einem darin angeordneten Klap- penventil als Bypassstellmittel 38 auf. Ferner sind Klappenventile 27.3 und 27.4 stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 10 in der Anodenversor- gungsleitung 31 beziehungsweise stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 10 in der Anodenabgasleitung 32 angeordnet.

Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Bei- spielsweise kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.

Die Figur 2 zeigt eine Detaildarstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Stand der Technik, der in dem Brennstoffzellensystem 100 der Figur 1 angeordnet sein kann. Der Brennstoffzellenstapel 10 weist eine Mehrzahl von in Stapelrichtung S flächig aufeinander gestapelten Brennstoffzellen auf. In Stapelrichtung ist der Brennstoffzellenstapel 10 von einer ersten Endplatte 51 und einer gegenüberliegenden zweiten Endplatte 52 begrenzt. In einer ersten Richtung quer zur Stapelrichtung S ist der Brennstoffzellenstapel 10 durch Seitenverkleidungen 53, 54 begrenzt. In einer zweiten Richtung quer zur ersten Richtung und quer zur Stapelrichtung S ist der Brennstoffzellen- stapel 10 durch Seitenverkleidungen 56, 57 begrenzt.

Der in Figur 2 gezeigte Brennstoffzellenstapel 10 ist über eine Mehrzahl von insgesamt fünf Spannelementen 55 komprimiert. Jedes Spannelement 55 umläuft dabei einen Querschnitt des Brennstoffzellenstapels 10 vollständig, wobei es die Endplatten 51 , 52 sowie die Seitenverkleidungen 56, 57 über- streicht. Die Spannelemente 55 liegen dabei an den Endplatten 51 , 52 und den Seitenverkleidungen 56, 57 an. Jedes Spannelement 55 ist in einem Be- reich der oberen Endplatte 51 mit sich selbst verschweißt. Zum Komprimie- ren des Brennstoffzellenstapels 10 erfolgt das Verschweißen der Spannele- mente 55 mit sich selbst, während diese unter Zugspannung stehen. Ein Nachspannen der Spannelemente 55 ist bei dem Brennstoffzellenstapel 10 gemäß der Figur 2 nicht möglich.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieser unterscheidet sich von dem bekannten Brennstoffzellenstapel der Figur 2 dadurch, dass jedes der fünf Spannelemente 55 in entsprechenden Oberflä- chenabschnitten 70 (nur für ein Spannelement dargestellt) zwischen dem jeweiligen Oberflächenabschnitt 70 und einem Nachspannelement 60 ange- ordnet ist. Eine isolierte Darstellung eines solchen Nachspannelements 60 ist in der Figur 5 gegeben und der Eingriff desselben mit dem Brennstoffzellen- stapel 10 ist in einer Schnittdarstellung der Figur 4 im Detail dargestellt.

Wie in den Figuren 3 und 4 ersichtlich, sind die Nachspannelemente 60 in einem mittigen Bereich der ersten Endplatte 51 angeordnet. Wie in Figur 5 gezeigt, weist jedes der Nachspannelemente 60 einen Spannkörper 61 auf, der aus einer Trägerplatte 63 und einer sich von dieser in Richtung des Oberflächenabschnitts 70 erstreckenden Erhebung 64 besteht. In den Ecken der Trägerplatte 63 sind Öffnungen 65 vorgesehen. Wie in den Figuren 3 und 4 ersichtlich, sind Bolzen 66 mit Außengewinde beziehungsweise Gewin- destangen 66 durch die Öffnungen 65 hindurchgeführt und mit Gewindelö- chern (nicht dargestellt) in dem Oberflächenabschnitt 70 in Eingriff.

In einer Ausgangskonfiguration sind die Nachspannelemente 60 durch die Stellelemente 66 so von dem Oberflächenabschnitt 70 beabstandet, dass die Erhebung 64 das Spannelement 55 nicht berührt. Werden die Stellmittel 66 mit einem geeigneten Werkzeug gedreht, so wird der Spannkörper 61 der Nachspannelemente 60 entlang oder entgegen der Stapelrichtung S verla- gert. Durch Drehung der Bolzen 66 kann somit ein Abstand zwischen dem Nachspannelement 60 und dem Oberflächenabschnitt 70 verringert werden.

Wird der Abstand der Nachspannelemente 60 zum Oberflächenabschnitt 70 durch Drehung der Bolzen 66 verringert, kommt die Erhebung 64 des Nach- spannelements 60 in Eingriff mit dem Spannelement 55, wodurch dieses ge- längt wird. Dabei gleitet das Spannelement 55 auf Umlenkrollen 58 ab, die jeweils in einem von dem Spannelement 55 überspannten Kantenbereich 80 der ersten und zweiten Endplatte 51 , 52 angeordnet sind. Durch das Längen des Spannelements 55 erhöht sich die von diesem auf den Brennstoffzellen- stapel 10 ausgeübte Kraft und die Stapelkompression.

Im Bereich des Nachspannelements 60 ist ferner eine Aussparung 71 in dem Oberflächenabschnitt 70 der Endplatte 51 angeordnet. Durch weiteres Dre- hen der Bolzen 66 wird das Spannelement 55 schließlich von der Erhebung 64 in die Aussparung 71 gepresst, wie in Figur 4 angedeutet. Die Höhe der Erhebung 64 entspricht dabei höchstens der Tiefe der Aussparung 71 in ei- ner Normalenrichtung des Oberflächenabschnitts 70. Eine Beschädigung des Spannelements 55 durch Pressen des Spannelements 55 gegen den Ober- flächenabschnitt 70 ist somit ausgeschlossen.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Figur 6 ge- zeigt. Diese unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die erste Endplatte 51 segmentiert ist. Mit anderen Worten besteht die erste Endplatte aus fünf ersten Endplattensegmenten 51 a, 51 b, 51 c, 51 d, 51 e. Jeweils ein Spannelement 55 verläuft dabei über je ein Endplattenseg- ment 51 a, 51 b, 51 c, 51 d, 51 e und ist in einem Oberflächenbereich 70 des jeweiligen Endplattensegments 51 a, 51 b, 51 c, 51 d, 51 e zwischen diesem Oberflächenbereich 70 und einem jeweiligen Nachspannelement 60 ange- ordnet. Dies ermöglicht vorteilhaft eine lokale Einstellung der Stapelkom- pression durch Längen eines Spannelements 55 durch das jeweilige Nach- spannelement 60 und Kraftweiterleitung mittels des jeweiligen Endplatten- segments 51 a, 51 b, 51 c, 51 d, 51 e weitgehend unabhängig von den restli- chen Endplattensegmenten 51 a, 51 b, 51 c, 51 d, 51 e. Somit lassen sich auch deutliche Gradienten der Stapel kompressionszug kraft realisieren.