DE4336850A1 - Method and device for compressing a stack of high-temperature fuel cells - Google Patents

Method and device for compressing a stack of high-temperature fuel cells

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Klaus Herrmann AG
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
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Abstract

A device for compressing a stack of high-temperature fuel cells (2), the stack being held in a frame (3), is intended to make possible optimisation of the compression of the cells in a common assembly with respect to one another. This is achieved in that a pressing or expansion element (5), in particular designed as a bellows to which internal pressure is applied, is provided between one end of the stack and the frame (3). <IMAGE>

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zum Ver­ pressen eines Stapels von Hochtemperatur-Brennstoffzellen, wobei der Stapel in einem Rahmen oder einem Käfig eingefaßt ist sowie auf ein Verfahren zur Aufbringung des für den ge­ wünschten elektrischen Kontakt notwendigen Anpreßdruckes bei derartigen Brennstoffzellen-Stapeln.The invention is directed to a device for ver pressing a stack of high temperature fuel cells, the stack being enclosed in a frame or a cage is as well as a procedure for applying the for the ge desired electrical contact necessary contact pressure in such fuel cell stacks.

Beispielsweise aus der WO-A-92/16 029 ist ein derartiger Brennstoffzellenstapel bekannt, ohne daß dort näher auf die Art der Verpressung derartiger Brennstoffzellen eingegangen wird.One such is from WO-A-92/16 029 Known fuel cell stack, without being closer to the Type of compression of such fuel cells received becomes.

Bei derartigen Brennstoffzellen ist es von besonderer Wich­ tigkeit, daß die aneinander anliegenden Kontaktflächen be­ nachbarter Zellen in Kontakt bleiben, auch dann, wenn die Zellen unterschiedlichen Temperaturen unterworfen sind. Dies geschieht insbesondere dann, wenn ein solcher Zellen­ verband aus der Umgebungstemperatur in die Arbeitstempera­ tur gebracht wird bzw. bei Abschalten wieder auf Umgebungs­ temperatur abkühlt. Es ist bekannt, die Brennstoffzellen als Paket zu packen, wobei bei Umgebungstemperatur für eine entsprechende Verpressung gesorgt wird, was beispielsweise durch Zuganker über Gewindebolzen oder ähnliche mechanische Mittel geschehen kann. With such fuel cells, it is of particular importance act that the abutting contact surfaces be neighboring cells remain in contact, even if the Cells are subjected to different temperatures. This happens especially when such cells connected from the ambient temperature to the working temperature is brought to the environment or when switched off temperature cools. It is known the fuel cells to pack as a package, at ambient temperature for one appropriate compression is taken care of, for example by tie rods via threaded bolts or similar mechanical Funds can happen.  

Dabei ist es zwangsläufig nicht möglich, Dehnungen durch Erhitzung in optimaler Weise aufzufangen, da sich die Rahmenelemente regelmäßig anders ausdehnen als die Zellen. Wird ein Verspannen im heißen Zustand vorgenommen, besteht die Gefahr der Lockerung des Verbandes, wenn sich dieser abkühlt.It is inevitably not possible to stretch through To absorb heating in an optimal way, since the Extend frame elements regularly differently than the cells. If tensioning is carried out while hot, there is the risk of loosening the bandage if this cools down.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der eine Optimierung des Verpressens der Zellen gegeneinan­ der im Verband möglich gemacht wird.The object of the invention is to provide a solution with which optimizes the pressing of the cells against each other which is made possible in the association.

Mit einer gattungsgemäßen Vorrichtung wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen einer Sta­ pelstirnseite und dem Rahmen ein Preß- bzw. Expansions­ element vorgesehen ist.With a generic device, this task solved according to the invention in that between a sta pel face and the frame a press or expansion element is provided.

Mit dem Vorsehen eines gesonderten Preß- bzw. Expansions­ elementes ist es möglich, den Anpreßdruck den jeweiligen Betriebsbedingungen anzupassen und den Druck zu optimieren.With the provision of a separate press or expansion elementes, it is possible to adjust the contact pressure Adapt operating conditions and optimize the pressure.

So kann beispielsweise der Brennstoffzellenstapel bei Umge­ bungstemperatur zusammengebaut werden und einer sanften Vorspannung unterworfen werden. Heizt sich die Baugruppe auf, die aus einer Vielzahl von Bipolar- oder Trennplatten, keramischen Elektrolytplatten, Kontaktgeweben u. dgl. be­ steht, ist es möglich, die unterschiedlichen thermischen Längendehnungen dieser Stapelelemente auszugleichen und bei Erreichen der Betriebstemperatur die Elemente in dem dann eingenommenen, in der Regel gedehnten Zustand mit dem Preß­ element so zu verpressen, daß die gewünschten guten elektrischen Kontakte gegeben sind.For example, the fuel cell stack at Umge training temperature and a gentle one Be subjected to bias. The assembly heats up made up of a variety of bipolar or separation plates, ceramic electrolyte plates, contact fabrics and. The like  stands, it is possible to use the different thermal Compensate for elongations of these stacking elements and at The elements then reach the operating temperature assumed, usually stretched state with the press element so that the desired good electrical contacts are given.

Das Preßelement kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein, wie dies Gegenstand von Unteransprüchen ist.The pressing element can be designed in different ways be how this is the subject of subclaims.

Zweckmäßig ist das Preßelement als innendruckbeaufschlagter Balg ausgebildet. Dieser kann mit einer externen Druckmit­ telzufuhr versehen sein oder aber auch geschlossen ausge­ bildet sein. Bei der geschlossenen Ausbildung kann ein tem­ peraturabhängiges Füllmedium im Inneren des Balges einge­ schlossen sein, hierbei kann es sich um ein Gas handeln, das sich nach den physikalischen Gesetzen bei Erwärmung ausdehnt, es kann sich aber auch um eine verdampfende Flüs­ sigkeit handeln oder aber auch um einen Feststoff, der bei Wechsel des Aggregat-Zustandes für eine Volumenvergrößerung sorgt oder bei Abkühlen für eine Volumenverminderung und damit kein Druckaufbau bei Temperaturerhöhung und Druckab­ bau bei Temperatursenkung.The pressing element is expediently subjected to internal pressure Bellows trained. This can be done with an external print be supplied or closed off be educated. With closed training, a tem temperature-dependent filling medium inside the bellows be closed, this can be a gas, which is based on the physical laws of warming expands, but it can also be an evaporating river act or a solid that is Change of the aggregate state for an increase in volume ensures or when cooling for a volume reduction and thus no pressure build-up when the temperature rises and construction when temperature drops.

Ist der Balg mit einer externen Druckmittelquelle verbun­ den, so kann beispielsweise nach Erreichen der Betriebstem­ peratur der Balg mit Luft, Stickstoff, Argon oder einem anderen Gas gefüllt werden, bis der gewünschte Kontaktdruck erreicht ist.Is the bellows connected to an external pressure medium source the, for example after reaching the Betriebsstem  temperature of the bellows with air, nitrogen, argon or a other gas can be filled until the desired contact pressure is reached.

Eine Verfahrensführung kann erfindungsgemäß darin liegen, daß die Brennstoffzellen bei Umgebungstemperatur einem ge­ ringen Vorpreßdruck ausgesetzt werden, wobei der notwendige Anpreßdruck bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Stapels aufgebaut wird. In besonderer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß ein sich bei Temperaturerhöhung aus­ dehnendes Medium innerhalb eines Druckkörpers eingesetzt wird.According to the invention, a procedure can be that the fuel cells ge at ambient temperature rings are subjected to pre-compression, taking the necessary Contact pressure until the operating temperature of the Stack is built. In a special embodiment can be provided for a temperature rise stretching medium used within a pressure body becomes.

Natürlich ist es erfindungsgemäß auch möglich, z. B. den Druck über eine hydraulische oder mechanische Vorrichtung aufzubauen, die im heißen Bereich des Brennstoffzellensta­ pels ebenso angeordnet werden kann wie auch außerhalb des heißen Bereiches, wobei die Anpreßkraft beispielsweise über ein Gestänge auf den Brennstoffzellenstapel übertragbar ist.Of course, it is also possible according to the invention, for. B. the Pressure through a hydraulic or mechanical device build up in the hot area of the fuel cell sta pels can be arranged as well as outside the hot area, the contact pressure for example above a linkage can be transferred to the fuel cell stack is.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. Diese zeigt inThe invention is below with reference to the drawing explained in more detail, for example. This shows in

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines Brennstoff­ zellenstapels sowie in Fig. 1 is a schematic diagram of a fuel cell stack and in

Fig. 2 eine vereinfachte Aufsicht auf einen solchen Stapel mit einem Preß- bzw. Expansionselement. Fig. 2 is a simplified plan view of such a stack with a pressing or expansion element.

In Fig. 1 ist der Brennstoffzellenstapel allgemein mit 1 bezeichnet. Er besteht aus einer Mehrzahl von Hochtempe­ ratur-Brennstoffzellen 2, die in einem Rahmen 3 zusammen­ gefaßt sind.The fuel cell stack is generally designated 1 in FIG. 1. It consists of a plurality of high-temperature fuel cells 2 , which are summarized in a frame 3 .

Wie sich aus Fig. 2 ergibt, ist im Inneren des Rahmens 3 eine allgemein mit 4 bezeichnete Vorrichtung zum Verpressen der Hochtemperatur-Brennstoffzellen 2 gegeneinander vorge­ sehen, wobei die Vorrichtung 4 im dargestellten Beispiel von einem innendruckbeaufschlagten Balg 5 gebildet ist. Wie dort dargestellt, ist der Balg mit einer Druckmittelzufuhr­ leitung 6 versehen, über die z. B. ein Druckgas dort einge­ speist werden kann.As can be seen from Fig. 2, inside the frame 3 is a device generally designated 4 for pressing the high-temperature fuel cells 2 against each other, the device 4 in the example shown being formed by an internal pressure bellows 5 . As shown there, the bellows is provided with a pressure medium supply line 6 , via which, for. B. a compressed gas can be fed there.

Der Balg 5 kann aber auch als geschlossenes mit einem sich bei Temperaturerhöhung ausdehnenden Medium gefülltes Ele­ ment ausgebildet sein.The bellows 5 can also be designed as a closed element filled with an expanding medium when the temperature rises.

Neben der hier die Expansion bewirkenden Medium gefüllten Balg 5 kann die Vorrichtung 4 auch mechanisch ausgebildet sein, was in den Figuren nicht näher dargestellt ist.In addition to the bellows 5 filled with the medium causing the expansion, the device 4 can also be designed mechanically, which is not shown in the figures.

Claims (7)

1. Vorrichtung (4) zum Verpressen eines Stapels von Hochtem­ peratur-Brennstoffzellen (2), wobei der Stapel in einem Rahmen (3) oder Käfig eingefaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Stapelstirnseite und dem Rahmen (3) ein Preßelement- bzw. Expansionselement (5) vorgesehen ist.1. The device ( 4 ) for compressing a stack of high-temperature fuel cells ( 2 ), the stack being enclosed in a frame ( 3 ) or cage, characterized in that between a stack face and the frame ( 3 ) a pressing element or Expansion element ( 5 ) is provided. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Preßelement als innendruckbeaufschlagter Balg (5) ausgebildet ist.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the pressing element is designed as a bellows ( 5 ) subjected to internal pressure. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (5) mit einer externen Druckmittelzufuhr (6) versehen ist.3. Apparatus according to claim 2, characterized in that the bellows ( 5 ) is provided with an external pressure medium supply ( 6 ). 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Balg (5) als geschlossener Hohlkörper mit einem sich temperaturabhängig verhaltenden Füllmedium versehen ist. 4. The device according to claim 2, characterized in that the bellows ( 5 ) is provided as a closed hollow body with a temperature-dependent filling medium. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllmedium als temperaturabhängig expandierendes Gas, als verdampfende Flüssigkeit, als sich verflüssigender und dann verdampfender Feststoff ausgebildet ist.5. The device according to claim 4, characterized, that the filling medium is expanding as a function of temperature Gas, as an evaporating liquid, as a liquefying one and then evaporating solid is formed. 6. Verfahren zur Aufbringung eines für den gewünschten elek­ trischen Kontakt notwendigen Anpreßdruckes bei zu einem Stapel zusammengefaßten Hochtemperatur-Brennstoffzellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzellen bei Umgebungstemperatur einem ge­ ringen Vorpreßdruck ausgesetzt werden, wobei der notwendige Gesamtanpreßdruck bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Stapels aufgebaut wird.6. Procedure for applying an elek for the desired trical contact necessary contact pressure at one Stack of high temperature fuel cells, characterized, that the fuel cells ge at ambient temperature rings are subjected to pre-compression, taking the necessary Total contact pressure until the operating temperature is reached of the stack is built up. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anpreßdruck durch ein sich bei Temperaturerhöhung ausdehnendes Medium innerhalb eines Druckkörpers ausgeübt wird, wobei die Temperatur durch den Brennstoffzellenstapel mittelbar oder unmittelbar aufgebracht wird.7. The method according to claim 6, characterized, that the contact pressure due to a rise in temperature expanding medium exerted within a pressure body being, the temperature through the fuel cell stack is applied indirectly or directly.
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