KOSCHANY PETRA (DE)
| WO1999033133A1 | 1999-07-01 | |||
| WO1998035398A1 | 1998-08-13 |
| US3861959A | 1975-01-21 | |||
| US5595834A | 1997-01-21 | |||
| US5547777A | 1996-08-20 | |||
| US5484666A | 1996-01-16 |
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 017, no. 173 (E - 1345) 2 April 1993 (1993-04-02)
| 1. | Vorrichtung zum Pressen von Brennstoffzellenstapeln, wobei sich die Vor richtung (4) zum Pressen durch den Brennstoffzellenstapel in Stapelrichtung erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dafl die Vorrichtung (4) zum Pressen Medienkanale (15) fur den Transport von Medien beinhaltet. |
| 2. | Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (4) Zuund/oder Abfuhrungen beinhaltet. |
| 3. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Teilvorrichtung Zufuhrungen fur mindestens ein Medium beinhaltet und/oder mindestens eine Teilvorrichtung Abfuhrungen fur minde stens ein Medium beinhaltet. |
| 4. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Medienkanäle (15) Versorgungskanale fiir die Einbringung und Aufteilung der Medien zu einzelnen Brennstoffzellen (1) sind. |
| 5. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dafl die Vorrichtung als Schraubverbindung (11,12) mit einer Schraube (11) und gegebenenfalls einer Mutter (12) ausgefuhrt ist. |
| 6. | Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mutter (12) ein mit einem Gewinde versehenes, auf den Stapel eine Prellkraft ausubendes Element als Rohroder als Schlauchanschluß umfaßt. |
| 7. | Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dall die Schraubverbindung eine einstuckige Schraube (11) umfaßt. |
| 8. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dafl die Schraube (11) und die Mutter (12) vorwiegend aus korrosionsbestandigem Metall bestehen. |
| 9. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daf3 die Schraube (11) und die Mutter (12) vorwiegend aus Kunststoff, insbesondere faserverstarktem Kunststoff, bestehen. |
| 10. | Vorrichtung nach einem der Anspruche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dafl der Schaft (16) der Schraube (11) zur Vermeidung von Kurzschlussen teilweise oder vollstandig mit einer Isolierung, insbesondere Isolierlack, uberzogen ist. |
| 11. | Vorrichtung nach einem der Anspruche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dall mindestens eine Teillage (25) des Schafts (16) der Schraube (11) auf minde stens den Kemdurchmesser des Gewindes der Schraube reduziert ist und dort mindestens eine Querbohrung (17) im Schaft der Schraube angebracht ist. |
| 12. | Vorrichtung nach einem der Anspruche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dall die Schraube (11) mit mindestens einer Querbohrung (17) und mit mindestens einer Langsnut (18) im Bereich des Schaftes (16) ausgestattet ist, wobei die mindestens eine Langsnut in Verbindung mit der mindestens einen Querboh rung steht. |
| 13. | Vorrichtung nach einem der Anspruche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (11) mit mindestens einer Querbohrung (17) und mit mindestens einer ebenen Abflachung (19), die sich in der Langsrichtung des Schaftes (16) erstreckt, ausgestattet ist, wobei die mindestens eine Abflachung in Verbindung mit der mindestens einen Querbohrung steht. |
| 14. | Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellen FestelektrolytBrennstoffzellen sind. |
| 15. | Brennstoffzellenstapel mindestens zwei Endplatten (2,3), dadurch gekenn zeichnet, daß der Brennstoffzellenstapel mindestens eine Vorrichtung (4) nach einem der Anspruche 1 bis 14 beinhaltet. |
Ein Festelektrolyt-Brennstoffzellenstapel (im folgenden kurz Brennstoffzellen- stapel genannt) besteht aus Wiederholungseinheiten-den einzelnen Festelektrolyt- Brennstoffzellen-und einem Paar Endplatten, die mittels einer Spannvorrichtung den Stapel verpressen. Das zentrale Bauelement der Wiederholungseinheiten ist der Festelektrolyt. Er besteht haufig aus einer H+ lonen leitenden Polymerfolie. Auf beiden Seiten des Festelektrolyts sind Katalysatorschichten und elektrisch leiffahige Diffusions-und/oder Kanalstrukturen angeordnet. Diese Strukturen bilden Anoden- und Kathodenraume der Festelektrolyt-Brennstoffzellen. Die einzelnen Festelektrolyt- Brennstoffzellen werden durch elektrisch leitfähige, aber fur Medien undurchlassige
Bipolarplatten getrennt.
Brennstoffzellenstapel werden in der Regel durch zwei oder mehr Schraub- verbindungen gepreflt und damit zusammengehalten. Die Pressung ist notwendig, um geringe e) ektrische Obergangswiderstande zwischen den einzelnen Bauteilen zu erreichen. Weiterhin erfordern die meisten Dichtungssysteme eine Anpreßkraft.
Um den Brennstoffzellenstapel in Betrieb zu nehmen, muß in den Anodenraum Brennstoff und in den Kathodenraum Oxidationsmittel eingefuhrt werden. Die entsprechenden Reaktionsprodukte sind abzufuhren. Als Brennstoff eignet sich beispielsweise Wasserstoff oder eine wässrige Methanoll6sung. Das Oxidations- mittel ist meist Luft oder reiner Sauerstoff. Die Medienversorgung eines Brennstoff- zellenstapels hat unter zwei Aspekten zu erfolgen: der hier im folgenden naher erorterten Einbringung der Medien in den Stapel einschließlich der Aufteilung auf die einzelnen Brennstoffzellen und der hier nicht behandelten Verteilung der Medien parallel zu den einzelnen Zellflachen der Brennstoffzellen.
Um die Reaktionswarme aus dem Brennstoffzellenstapel abzufuhren, wird typischerweise ein zusatzliches Kuhlmedium parallel zur Zellflache gefuhrt. Die dazu notwendigen Bauteile sind in den Figuren der Einfachheit halber nicht dargestellt.
Aus der DE 197 12 864 A1 sind einige Einzweckmedienversorgungssysteme in Form von plattenartigen Gebilden mit Rohr-oder Schlauchanschluß, die seitlich am Brennstoffzellenstapel angebracht sind, bekannt. Derartig übliche Medien- versorgungssysteme erfullen als Einzwecksystem nur die Versorgungsfunktion. Sie erhöhen das Gewicht und das Volumen des Brennstoffzellenstapel, da derartige Einzwecksysteme zum einen zusätzliche Bauelemente erfordern und zum anderen außerhalb des eigentlichen Brennstoffzellenstapels angebracht werden mussen.
Eine Verschlechterung der gewichts-und volumenspezifischen Leistung ist daher die Folge. Ferner erfordern herkommliche Gasversorgungssysteme einen hoheren technischen Aufwand und erzeugen damit auch hohe Herstellungs-und Betriebs- kosten.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Verspannen der Endplatten innerhalb eines Festelektrolyt-Brennstoffzellenstapels, wie beispielsweise Ver- schraubungen oder Spannblatter, bekannt. Sie sind ebenfalls als Einzwecksysteme ausgefuhrt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gewichts-und volumenspezi-
fische Leistung des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen und die Herstellungs-und Betriebskosten zu verringern.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung zum Pressen von Brennstoffzellenstapeln, die sich durch den Brennstoffzellenstapel in Stapelrichtung erstreckt und zusatzlich Medienkanäle für den Transport von Medien zu den einzelnen Brennstoffzellen beinhaltet, also gleichzeitig zur Verspannung und als Medienversorgungssystem des Brennstoffzellenstapels dient.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen: Fig. 1 eine Schnittansicht durch einen Eckbereich eines Brennstoffzellenstapels; Fig. 2 einen Teilschnitt durch einen Teil des Eckbereichs, gemtifl einer abge- wandelten Ausfuhrungsform; Fig. 3 in teilweise quergeschnittener Seitenansicht und in Draufsicht eine Vorrichtung zur Pressung und zum Medientransport gemtifl abgewandel- ten Ausfuhrungsformen; Fig. 4 in teiiweise geschnittener Seitenansicht eine Schraube mit im Vergleich zu der nach Fig. 1 abgewandelter Kanalfuhrung; Fig. n 5 und 6 jeweils in einer teilweise geschnittenen Vorderansicht und in einer Teil- Seitenansicht, in Fig. 6 auch in einem Querschnitt, weitere Ausfuhrungs- formen von Vorrichtungen zur Pressung und zum Medientransport.
Ein Festelektrolyt-Brennstoffzellenstapel besteht, wie bereits erwahnt, aus einem Stapel von einzelnen Festelektrolyt-Brennstoffzellen 1 und einem Paar Endplatten 2,3, die mittels einer Spannvorrichtung 4 den Stapel verpressen. Die Spannvorrichtung 4 dient zugleich der Medienzu-oder-abfuhrung, und an ihrem oberen Ende ist ein Schlauch 5 angeschlossen. Die Brennstoffzellen 1 enthalten einen Festelektrolyten 6, der haufig aus einer H+ lonen leitenden Polymerfolie besteht. Ein solcher Festelektrolyt 6 ist auf seiner unteren und oberen Seite mit einer Katalysatorschicht und elektrisch leiffähigen Diffusions-und/oder Kanalstrukturen
umgeben, und zwar mit einer Sauerstoffelektrode 7, einer Kanalplatte 8 fur ein Oxidationsmittel und einer Brennstoffelektrode 9. Diese Struktur, wie sie beispiels- weise in Fig. 1 dargestellt wird, bildet den Anoden-und den Kathodenraum der Festelektrolyt-Brennstoffzelle 1. Die einzelnen Festelektrolyt-Brennstoffzellen 1 werden durch elektrisch leitfahige, aber fur Medien undurchlassige Bipolarplatten 10 getrennt.
Bei der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 1 besteht die Spannvorrichtung 4 aus einer Schraubverbindung umfassend eine Schraube 11 und eine Mutter 12, die so gestaltet sind, dall durch dort angebrachte Bohrungen ein Kanalsystem 15, ins- besondere umfassend eine axiale Langsbohrung, entsteht, durch das z. B. das Brenngas Wasserstoff dem Brennstoffzellenstapel zugefuhrt wird. Die Mutter 12 der Schraubverbindung 11,12 ist hier als Anschluß für Schläuche oder Rohre, nämlich als Schlauchtulle, ausgefuhrt. Im Sinne einer Ventilation des Brennstoffzellenstapels werden an geeigneter Stelle nicht reaktionsfahige Verunreinigungen des zugefuhrten Gases durch eine gleich konstruierte Schraubverbindung abgeleitet.
Die Schraubverbindung 11,12 eignet sich gleichermaßen für den Transport der Medien Brennstoff, Oxidationsmittel und Kuhlmittel. Der Brennstoffzellenstapel kann auch mit mehreren Medien gleichzeitig versorgt werden. Es konnen alle oder nur ein Teil der Spannelemente in der beschriebenen Weise ausgefuhrt sein.
Fig. 1 stellt beispielhaft die Versorgung des Brennstoffzelienstapels mit Brenn- gas-hier Wasserstoff-dar. Um die Funktion zu gewahrleisten, ist durch ent- sprechende Dichtungen 13 und 14 sichergestellt, dall sich das Brenngas aus- schließlich im Wasserstoffraum des Brennstoffzellenstapels verteilt. Ein Austreten des Brenngases in den Luftraum des Brennstoffzellenstapels wird durch die Dichtun- gen 14 verhindert. Die einzelne Dichtung kann direkt am membranformigen Festelek- trolyt 6 oder auch an dessen Katalysatorschicht anliegen. Aufgrund der nur geringen Porositat und Dicke der Katalysatorschicht wird eine ausreichende Dichtwirkung erzielt.
Die Schraubverbindungen 11,12 mussen sich nicht notwendigerweise, wie in Fig. 1 dargestellt, im Randbereich des Brennstoffzellenstapel befinden. Aus stati- schen Grunden ist eine Verteilung der Schraubverbindungen uber die gesamte Endplattenflache zu bevorzugen. Die Endplatten 2,3 konnen dann donner und leichter ausgefuhrt werden, da eine flächenmäßige Pressung des Brennstoffzellen-
stapels durch die Verteilung der Schraubverbindungen uber die gesamte Endplatten- flache gewährleistet ist.
Die Schraubverbindung kann bevorzugt aus Kunststoff oder aus Metall be- stehen. Die Schraube 11 umfaflt einen Schaft 16, und bei der Ausführung aus Metall ist zur Vermeidung von Kurzschiussen der Schraubenschaft 16 im Bereich des elektrisch leitfahigen Schichtmaterials des Brennstoffzellenstapels mit einem geeigneten Isoliermaterial, z. B. Isolierlack elektrisch isoliert.
Die Ausfuhrung von Fig. 3 unterscheidet sich in der Gestaltung der Einschraub- teile. Die Schraube 11 ist hier eine Schraube mit Gasanschlull, und mit einem Schraubenkopf 26.
Die Wahl der jeweils optimale Verschraubungsvariante wird durch den Medienversorgungsbedarf des Brennstoffzellenstapels und die damit verbundene Dimensionierung der Schraubverbindung bestimmt. Bei sehr kleinen Schraub- verbindungen (<M3) bestimmen vor allem die festigkeitstechnischen Eigenschaften der Schraubverbindung die optimale Variante. Im Sinne der Erfindung sind auch alle bisher bekannten kraftschlussigen Verbindungen alternative aquivalente Aus- fuhrungsformen zu Schraubverbindungen.
Zur gleichmäßigen Verteilung und/oder Durchstromung der Zellflachen der Brennstoffzellen konnen fur ein Medium mehrere Zufuhrungen und/oder mehrere Abfuhrungen vorgesehen sein.
Zur besseren Medienverteilung konnen auch mehrere Querbohrungen 17 am Schraubenschaft 16 angebracht sein. Eine Nut 18 oder eine Abflachung 19, die eine zylindersegmenff6rmige Ausnehmung darstellen kann, welche sich in Langsrichtung des Schraubenschaftes 16 erstreckt, gewahrleistet in Verbindung mit einer oder mehreren der Querbohrungen 17 gleichermaaen eine gute Verteilung des zugefuhr- ten Mediums in der (z. B. kreisformigen) Aussparung in den Schichtmaterialien des Brennstoffzellenstapels (Fig. n 5,6). Bei einer solchen Ausfuhrungsform ist jedoch auf stellungsrichtige Montage der Nut 18 oder der Abflachung 19 in der gewunschten Stromungsrichtung zu achten. Bei einer Verkleinerung des Schaftdurchmessers uber eine Teillange 25 des Schaftes 16, z. B. auf den Gewindekerndurchmesser, wie bei den Ausfuhrungsformen nach Fig. 1, Fig. 3 und Fig. 4, ist dies nicht erforderlich. Der tragende Querschnitt der Schraube wird bei Reduzierung auf den Kerndurchmesser nicht verkleinert.
Eine mögliche Variante der Abdichtung im Bereich der Endplatte auf der Gasanschlußseite des Brennstoffzellenstapels ist in Fig. 2 dargestellt. Abweichend von der Ausführungsform gemaR Fig. 1 ist eine Dichtung 27 durch eine der End- platten 2,3 uber den Luftraum des Brennstoffzellenstapels bis zur Katalysatorschicht des membranfönmigen Festelektrolyten 6 gefuhrt. Eine derartige Dichtung enmöglicht die Verwendung einer einzigen Dichtung anstelle der zwei voneinander getrennten Dichtungen 13,14, wie sie bei der Ausfuhrungsform nach Fig. 1 dargestellt sind.
Zudem werden zwei Dichtflachen, das heißt zwei Schnittstellen zwischen der Dichtung und der restlichen Vorrichtung, eingespart, die bekanntlich die Ursache von Undichtheiten in der Vorrichtung darstellen können.
Eine stirnseitige Abdichtung 28 ist in Fig. 1 schematisch angedeutet.
Die insgesamt mit dieser Pressvorrichtung erreichten Vorteile resultieren darin, einen Brennstoffzellenstapel durch Funktionsintegration von Medienversorgung und Verspannung leichter, kleiner und kostengünstiger herstellen zu können.