Dichtungsvorrichtung für eine Brennstoffzellenanordnung

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsvorrichtung für eine Brennstoffzellenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Brennstoffzellenanordnungen von der Art, für die die erfindungsgemäße Dichtungsvorrichtung vorgesehen ist, umfassen eine Vielzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen, welche quer zur Längsrichtung des Stapels von in den Brennstoffzellen umgesetzten Gasströmen (Brenngas, Oxidationsgas, Abgas) durchströmbar sind. An der Längsseite des Brennstoffzellenstapels ist ein zum Zu- und Abführen der an den Brennstoffzellen umgesetzten Gasströme vorgesehener Gasverteiler (Manifold) vorgesehen, typischerweise jeweils einer an zwei einander gegenüberliegenden Längsseiten des Brennstoffzellenstapels. Zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Gasverteiler ist eine Dichtungsvorrichtung vorgesehen, welche der gegenseitigen Abdichtung dieser beiden Elemente dient. Diese umfasst herkömmlich einen Dichtungsrahmen, der eine Anzahl von zwischen dem Längsrand des Gasverteilers und dem Brennstoffzellenstapel angeordneten Längsdichtungselementen enthält, die aus Gründen elektrischer Isolation aus einem dielektrischen Material bestehen.

Da die beim Aufheizen einer solchen Brennstoffzellenanordnung von Umgebungstemperatur auf typischerweise 650 ⁰ C bzw. beim Abkühlen auftretenden großen Temperaturänderungen zu starken Relativbewegungen der dielektrischen Dichtungselemente führen, sind diese zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Gasverteiler so angeordnet, dass sie in Längsrichtung in einem gewissen Maße beweglich sind, um die besagten Relativbewegungen aufnehmen zu können. An den Enden des Brennstoffzellenstapels sind üblicherweise zwischen den Querrändern des Gasverteilers und des Brennstoffzellenstapels angeordnete Querdichtungselemente vorgesehen, welche den Dichtungsrahmen der Dichtungsvorrichtung umfangsmäßig schließen.

Bisher wurden zum Ausgleich der besagten Relativbewegungen zwischen den Dichtungselementen durch in den aneinanderstoßenden Enden der Dichtungselemente ausgebildete Nuten eingesetzte Nutenleisten (Key-Gabelverbindungen) verwendet, bei denen die Dichtungselemente in seitlicher Richtung mittels Fixierstiften geführt werden, welche in Rund- oder Langlöchern in den Dichtungselementen aufgenommen sind. Nachteile dieser bekannten Lösung bestehen darin, dass aufgrund des notwendigen Passungsspiels in der besagten Key-Gabelverbindung eine ständige geringe Leckage auftritt, zum anderen sind die Dichtungselemente gefährdet in Bezug auf einen Bruch an der Key-Gabelverbindung bei seitlich auftretender Kraft.

Die Figuren 1 und 2 zeigen in der Draufsicht (Fig. 1 ), in einer vergrößerten Ausnützdarstellung (Fig. 1a), sowie in einer perspektivischen Darstellung (Fig. 2) Details von herkömmlich verwendeten Längsdichtungselementen einer Dichtungsvorrichtung für eine solche Brennstoffzellenanordnung nach dem Stand der Technik. In Nuten 54 der aneinanderstoßenden Enden der Dichtungselemente sind Nutenleisten 53 (Key- Gabelverbindungen) eingesetzt. Die Dichtungselemente 52 sind in seitlicher Richtung mittels Fixierstiften geführt, welche in Fixierbohrungen oder -langlöchern 55, 56 in den Dichtungselementen aufgenommen sind. Die besagte Leckage in der Key- Gabelverbindung ist mit 57 bezeichnet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Dichtungsvorrichtung für eine Brennstoffzellenanordnung der eingangs angegebenen Art zu schaffen. Insbesondere soll eine Dichtungsvorrichtung geschaffen werden, bei welcher eine Leckage zwischen den Dichtungselementen praktisch ausgeschlossen ist, und die mechanisch robust ist.

Die Aufgabe wird durch eine Dichtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die Erfindung wird eine Dichtungsvorrichtung für eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Vielzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefaßten Brennstoffzellen, welche quer zur Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels von in den Brennstoffzellen umgesetzten Gasströmen durchströmbar sind, und einem an der

Längsseite des Brennstoffzellenstapels zum Zu- und Abführen der an den Brennstoffzellen umgesetzten Gasströme vorgesehenen Gasverteiler geschaffen. Die Dichtungsvorrichtung umfaßt einen Dichtungsrahmen mit einer Anzahl von zwischen dem Längsrand des Gasverteilers und dem Brennstoffzellenstapel angeordneten, aus einem dielektrischen Material bestehenden Längsdichtungselementen, die zum Ausgleich von insbesondere thermisch bedingten Relativbewegungen zwischen Brennstoffzellenstapel und Gasverteilung in Längsrichtung beweglich angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Längsdichtungselemente jeweils stirnseitig spaltfrei dicht aneinander anliegend angeordnet sind, und dass ein Spannsystem mit Spanneinrichtungen zur Erzeugung einer die Längsdichtungselemente in Längsrichtung zwischen den Enden des Dichtungsrahmens zusammendrückenden mechanischen Spannung vorgesehen ist.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtung ist es, dass die eingangs beschriebenen aufwendigen, aus Nuten und in diese eingepassten Nutenleisten bestehenden Verbindungen (Key-Gabelverbindungen) entfallen und damit deren Nachteile, insbesondere eine ständige, geringe Leckage, und eine gewisse Bruchempfindlichkeit beseitigt sind. Der Belastungsfall für die Längsdichtungselemente ist besser, da sie nur noch auf Druck beansprucht werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtung enthält das Spannsystem an beiden Enden des Dichtungsrahmens angeordnete Spanneinrichtungen, welche jeweils eine die Längsdichtungselemente von den Enden des Dichtungsrahmens in Längsrichtung zur Mitte hin zusammendrückende mechanische Spannung erzeugen. Auf diese Weise wird die die Längsdichtungselemente zusammendrückende und abdichtende mechanische Spannung gleichmäßig symmetrisch von beiden Enden des Dichtungsrahmens her erzeugt.

Bei dieser Ausführungsform kann insbesondere ein Längsdichtungselement in der Mitte der Längsausdehnung des Dichtungsrahmens unverschieblich angeordnet sein, zu welchem hin die längsbeweglich angeordneten Längsdichtungselemente von den Enden her zusammengedrückt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die längsbeweglich angeordneten Längsdichtungselemente seitlich durch Führungselemente geführt.

Diese Führungselemente können durch Anschläge seitlich der Längsdichtungselemente gebildet sein.

Das in der Mitte befindliche unbeweglich angeordnete Dichtungselement kann durch Anschläge seitlich und in Längsrichtung fixiert sein.

Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtung enthält das Spannsystem Spanneinrichtungen mit mindestens einem Druckbalg, welche durch ein unter Druck stehendes Fluid (gasförmig oder flüssig) beaufschlagbar sind, und die die Längsdichtungselemente zusammendrückende mechanische Spannung erzeugen.

Die Spanneinrichtungen können übersetzungshebel enthalten, welche zwischen den Druckbälgen und den an den Enden des Dichtungsrahmens angeordneten Längsdichtungselementen geschaltet sind und die von den Druckbälgen erzeugte Kraft verstärken.

Die Druckbälge können quer zur Längsrichtung des Dichtungsrahmens angeordnet sein und die übersetzungshebel können als um ca. 90° gekröpfte, zweiseitige Hebel ausgebildet sein, welche zwischen den Druckbälgen und den Enden des Dichtungsrahmens drehbar gelagert angeordnet sind.

Die Querdichtungselemente können zwischen den an den Enden des Dichtungsrahmens befindlichen Längsdichtungselementen und den Spanneinrichtungen des Spannsystems angeordnet sein und mit unter die die Längsdichtungselemente zusammendrückende mechanische Spannung gesetzt werden.

Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtung ist es vorgesehen, dass der Dichtungsrahmen für in der Längsausdehnung unterschiedlich große Brennstoffzellenstapel aus Gleichteilen hergestellt ist, welche in ihrer Länge so normiert sind, dass sie einer vorgegebenen Anzahl von Brennstoffzellen entsprechen.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dichtungsvorrichtung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 und 1a) eine Draufsicht bzw. eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung von

Längsdichtungselementen einer Dichtungsvorrichtung nach dem Stand der Technik; Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Verbindung zwischen

Längsdichtungselementen der in Fig. 1 und 1a) gezeigten Art nach dem Stand der Technik; Fig. 3 eine perspektivische Explosionsansicht einer Brennstoffzellenanordnung, bei der die Dichtungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen ist; Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Dichtungsvorrichtung für eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 5 eine vergrößerte Detaildarstellung eines hervorgehobenen mittleren Bereichs der in Fig. 4 gezeigten Dichtungsvorrichtung; und Fig. 6 eine Draufsicht und Fig. 7 eine perspektivische Ansicht eines hervorgehobenen Endbereichs der

Dichtungsvorrichtung des in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiels.

In Fig. 3 ist in einer perspektivischen Explosionsansicht etwas schematisiert eine Brennstoffzellenanordnung dargestellt, welche eine Vielzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel 10 zusammengefassten Brennstoffzellen umfasst, die quer zur Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels 10 von in den Brennstoffzellen umgesetzten Gasströmen durchströmbar sind, in Fig. 3 in vertikaler Richtung. Der Brennstoffzellenstapel 10 ist durch Spannstäbe 13 zwischen an den Enden des Brennstoffzellenstapels vorgesehenen Druckplatten 11 unter Zwischenlage von Endplatten 12 verspannt. An jeweils einander gegenüberliegenden Längsseiten des Brennstoffzellenstapels 10 ist jeweils ein Gasverteiler (Manifold) 20 vorgesehen, in Fig. 3 oben und unten, der zum Zu- und Abführen der an den Brennstoffzellen umgesetzten Gasströme, nämlich Brenngas, Oxidationsgas und Abgas, dient.

Zur Abdichtung zwischen dem Gasverteiler 20 und dem Brennstoffzellenstapel 10 ist eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 30 versehene Dichtungsvorrichtung vorgesehen, die in Fig. 4 im Einzelnen in der Draufsicht dargestellt ist. Diese Dichtungsvorrichtung 30 ist am Gasverteiler 20 angebracht und zusammen mit diesem am Brennstoffzellenstapel 10

montierbar bzw. von diesem abnehmbar.

Die Dichtungsvorrichtung 30 umfasst einen Dichtungsrahmen 31 , der eine Anzahl von Längsdichtungselementen 32, 33, 34 enthält, die dem Längsrand des Gasverteilers 20 folgend angeordnet sind und diesen gegen den entsprechenden Längsrand des Brennstoffzellenstapels 10 abdichten. An den den Enden des Brennstoffzellenstapels 10 zugeordneten Querrändern des Gasverteilers 20 sind Querdichtungselemente 35 vorgesehen, welche den Dichtungsrahmen 31 an dieser Stelle umfangsmäßig schließen. Die Dichtungselemente 32, 33, 34, 35 bestehen aus einem dielektrischen Material, welches geeignet ist, die einzelnen im Brennstoffzellenstapel 10 angeordneten Brennstoffzellen elektrisch gegeneinander zu isolieren.

Zum Ausgleich von insbesondere thermisch bedingten Relativbewegungen zwischen dem Brennstoffzellenstapel 10 und dem Gasverteiler 20, die insbesondere beim Aufheizen der Brennstoffzellenanordnung, typischerweise von Umgebungstemperatur auf ca. 65O ⁰ C bzw. umgekehrt beim Abkühlen auftreten, sind die Längsdichtungselemente 32, 33, 34 zumindest teilweise in Längsrichtung beweglich angeordnet.

Die Längsdichtungselemente 32, 33, 34 des Dichtungsrahmens 31 sind jeweils stirnseitig spaltfrei dicht aneinander anliegend angeordnet, also jeweils die Stirnseite des einen Dichtungselements an der Stirnseite des anderen Dichtungselements, und es ist ein Spannsystem vorgesehen, welches zur Erzeugung einer die Längsdichtungselemente 32, 33, 34 in Längsrichtung zwischen den Enden des Dichtungsrahmens 31 zusammendrückenden mechanischen Spannung dient.

Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel enthält das Spannsystem an beiden Enden, bezüglich der Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels 10, des Dichtungsrahmens 31 angeordnete Spanneinrichtungen 40, welche jeweils eine die Längsdichtungselemente 32, 33, 34 von den Enden des Dichtungsrahmens 31 bzw. des Brennstoffzellenstapels 10 her in Längsrichtung zur Mitte hin zusammendrückende mechanische Spannung erzeugen.

Wie Fig. 4 und insbesondere die vergrößerte Ausschnittsdarstellung in Fig. 5 zeigen, ist in der Mitte der Längsausdehnung des Dichtungsrahmens 31 ein Längsdichtungselement 34 unverschieblich oder ortsfest angeordnet, zu welchem hin die übrigen, längsbeweglich

angeordneten Längsdichtungselemente 32, 33 von den Enden her zusammengedrückt werden.

Wie ebenfalls die Figuren 4 und 5 zeigen, sind die längsbeweglich angeordneten Längsdichtungselemente 32, 33 seitlich durch Führungselemente geführt, welche bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch Anschläge 36, 37 gebildet sind, die beiderseits der Längsdichtungselemente 32, 33, 34 vorgesehen sind. Das in der Mitte befindliche ortsfest angeordnete Dichtungselement 34 ist durch die Anschläge 37 seitlich und in Längsrichtung fixiert.

In den Figuren 6 und 7 ist in der Draufsicht bzw. perspektivisch eine Spanneinrichtung 40 des Spannsystems der Dichtungsvorrichtung 31 im Einzelnen gezeigt. Die Spanneinrichtung 40 ist in einem Gehäuse 46 am Ende des Gasverteilers 20 untergebracht und enthält jeweilige Druckbälge 41 , welche durch ein unter Druck stehendes Fluid, wie Pressluft oder ein Hydraulikfluid beaufschlagbar sind und die die Längselemente 32, 33, 34 zusammendrückende mechanische Spannung erzeugen. Bei Druckbeaufschlagung erzeugt jeder Druckbalg 41 jeweils eine Bewegung in Richtung der an den Druckbälgen 41 gezeigten Pfeile. Die Druckbälge 41 sind mittels übersetzungshebeln 42 mit den Längsseiten des Dichtungsrahmens 31 gekoppelt. Diese übersetzungshebel 42 sind in Form von zweiseitigen Hebeln ausgebildet, die um ca. 90° gekröpft sind und mit einem längeren ersten Schenkel 43 am Druckbalg 41 anliegen und mit einem kürzeren zweiten Schenkel 44 auf die Dichtungselemente des Dichtungsrahmens 31 einwirken.

Der übersetzungshebel 42 ist um eine Lagerachse 45 in der durch die gekrümmten Pfeile dargestellten Weise drehbar gelagert und verstärkt die von den Druckbalgen 41 erzeugte Kraft, die dann wie durch die beiden folgenden geraden Pfeile dargestellt auf die Dichtungselemente des Dichtungsrahmens 31 einwirken. Dies erfolgt mittelbar über die im Dichtungsrahmen 31 enthaltenen Querdichtungselemente 35 auf die an den Enden des Dichtungsrahmens 31 befindlichen Längsdichtungselemente 33. Die Querdichtungselemente 35 werden also von den Spanneinrichtungen 40 mit unter die die Längsdichtungselemente 32, 33, 34 zusammendrückende mechanische Spannung gesetzt, so dass auch hier eine zuverlässige Abdichtung sichergestellt ist. Zwischen den zweiten Schenkeln 44 der übersetzungshebel 42 und dem Querdichtungselement 35 sind noch jeweilige Zwischenstücke 47 vorgesehen, welche zur Vergleichmäßigung der

Krafteinwirkung und zur Verschleißminderung dienen.

Der Dichtungsrahmen 31 kann für in ihrer Längsausdehnung unterschiedlich große Brennstoffzellenstapel mit einer unterschiedlichen Anzahl von Brennstoffzellen aus Gleichteilen hergestellt sein, wenn die Länge der Teile des Dichtungsrahmens 31 und der Längsdichtungselemente 32, 33, 34 so normiert ist, dass sie einer vorgegebenen Anzahl von Brennstoffzellen entsprechen.

Bezugszeichenliste

Brennstoffzellenstapel

Druckplatte

Endplatte

Spannstäbe

Gasverteiler (Manifold)

Dichtungsvorrichtung

Dichtungsrahmen

Längsdichtungselement endseitiges Längsdichtungselement mittleres Längsdichtungselement

Querdichtungselement

Anschlag, Führungselement

Anschlag, Führungselement

Spanneinrichtung

Druckbalg

übersetzungshebel erster Schenkel zweiter Schenkel

Lagerachse

Gehäuse

Zwischenstück

Längsdichtungselement

Nutenleiste (Key)

Nut

Fixierbohrung

Fixierlangloch

Leckage