DE102007048866B4

DE102007048866B4 - Isolationsendplatte für einen Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102007048866B4
Application number: DE102007048866A
Authority: DE
Inventors: Benno Andreas-Schott; Roger M. Brisbane; Anthony G. Chinnici
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2007-10-11
Publication date: 2011-04-21
Anticipated expiration: 2027-10-12
Also published as: US7799479B2; DE102007048866A1; US20080090122A1

Abstract

Isolationsendplatte (14, 16) für einen Brennstoffzellenstapel (10), mit:
einer Vielzahl von Temperaturregulierungsflügeln (50), die von einer Seite der Isolationsendplatte (14, 16) abstehen;
zumindest einem Hohlelement (51, 52, 53), das an die Isolationsendplatte (14, 16) geformt ist, von der Isolationsendplatte (14, 16) von derselben Seite wie die Temperaturregulierungsflügel (50) absteht und von den Temperaturregulierungsflügeln (50) umgeben ist; und
einer Druckentlastungsventilanordnung (54) zur selektiven Entlüftung von Fluid von einer Anodenseite, einer Kathodenseite und/oder einem Kühlmittelsystem des Brennstoffzellenstapels (10), die von dem zumindest einen Hohlelement (51, 52, 53) aufgenommen ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellenstapel und insbesondere eine Isolationsendplatte für einen Brennstoffzellenstapel, die integrierte Druckentlastungsventile besitzt, um überschüssigen Druck von dem Brennstoffzellenstapel während des Stapelns, der Druckbeaufschlagung und dem Betrieb des Brennstoffzellenstapels zu entlüften.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt einen Brennstoff auf, wie ein Wasserstoffgas, und die Kathode nimmt ein Oxidationsmittel auf, wie Sauerstoff oder Luft. Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um einen gewünschten Leistungsbetrag zu erzeugen. Ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug kann mehrere hundert einzelne Zellen aufweisen. Typischerweise wird bewirkt, dass das Fluid über einen Kompressor durch den Stapel strömt. Sauerstoff, der in dem Stapel nicht verbraucht wird, wird als ein Kathodenabgas ausgestoßen, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann.
Ein Brennstoffzellenstapel weist ein feuchtes Ende, das derart ausgebildet ist, um den Brennstoff, das Oxidationsmittel und Kühlfluide aufzunehmen und ein trockenes auf, das eine Isolationsendplatteneinheit besitzt. Bei der Herstellung eines Brennstoffzellenstapels kann es notwendig werden, das System mit Druck zu beaufschlagen, um den Brennstoffzellenstapel für den Betrieb einzurichten. Der Brennstoffzellenstapel wird typischerweise zu Leckagetests mit Druck beaufschlagt, und um sicherzustellen, dass der Stapel effizient funktioniert. Eine zu starke Druckbeaufschlagung des Brennstoffzellenstapels ist unerwünscht.
Es ist eine andauernde Herausforderung gewesen, einen effizienten und kosteneffektiven Brennstoffzellenstapel bereitzustellen, der einer zu starken Druckbeaufschlagung während der Herstellung, des Tests oder des Betriebs entgegenwirkt. Raum in und um den Brennstoffzellenstapel herum ist extrem begrenzt und wertvoll, insbesondere bei Fahrzeuganwendungen.
Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik weisen Zelleneinheiten und Separatoren auf. Jede Brennstoffzelle weist typischerweise eine Festpolymerelektrolytmembran auf, die ein Paar von Elektrodenkatalysatoren besitzt, die auf entgegengesetzten Flächen angeordnet sind. Die Brennstoffzelle weist ferner ein Paar Kollektoren auf, von denen jeder einen starren Körper besitzt und in Kontakt mit jeweiligen Elektrodenkatalysatoren steht. Jeder der Separatoren umfasst ein Paar Druck erzeugende Platten, die dazwischen eine Druckkammer definieren, in die Druck beaufschlagtes Fluid eingeführt wird. Die Druck erzeugenden Platten sind durch das druckbeaufschlagte Fluid verformbar und werden an benachbarte Kollektoren gepresst.
Andere Brennstoffzellenstapel nach dem Stand der Technik verwenden Druckentlastungsventile, die ein Gehäuse aufweisen, das einen hindurch verlaufenden Durchgang besitzt, und einen Einlass, einen Auslass und eine Membran aufweisen, die sich über den Durchgang zwischen dem Einlass und dem Auslass erstreckt. Die Membran erlaubt den Durchgang von Gas bei einem ersten Druck, verhindert den Durchgang von Fluid bei einem ersten Druck und erlaubt den Durchgang von Flüssigkeit bei einem zweiten Druck, der größer als der erste Druck ist. Die Druckentlastungsventile können auch ein Rückschlagventil aufweisen, um den Durchgang von Gas von dem Auslass zu dem Einlass zu verhindern. Die Druckentlastungsventile werden geeigneterweise in Brennstoffzellensystemen, wie in Kühlsystemen für Brennstoffzellen, verwendet. Die Druckentlastungsventile können in Kühlsystemen verwendet werden, um Gase oder Flüssigkeiten davon in einem Überdruckzustand freizusetzen. Solch ein Ventil wird beispielsweise in der JP 2004 183706 A beschrieben.
Ferner ist es aus der US 2004/0241063 A1 bekannt, ein Entlastungsventil in einer Endplatte eines Brennstoffzellenstapels vorzusehen.
Es wäre erwünscht, eine Isolationsendplatte für eine Brennstoffzellenstapelanordnung herzustellen, die ein integriertes Druckentlastungsventil besitzt, das auch bei hohen Stapellasten und -temperaturen funktionstüchtig bleibt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird mit einer Isolationsendplatte gelöst, die die Merkmale des Anspruch 1 aufweist.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen leicht offensichtlich, in welchen:
1 eine perspektivische Explosionsansicht eines Brennstoffzellensystems ist;
2 eine perspektivische Explosionsansicht einer Druckentlastungsventilanordnung und einer Isolationsendplatte für ein Brennstoffzellensystem ist, wobei die Endplatte integrierte Hohlelemente aufweist; und
3 eine Schnittansicht der in 2 gezeigten Druckentlastungsventilanordnung ist, die in einem Druckdurchgang eines Brennstoffzellenstapels gezeigt ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die folgende detaillierte Beschreibung und angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen und anzuwenden.
1 zeigt eine Brennstoffzelle 10 mit einer Kathodenseite 9 und einer Anodenseite 11. Die Anodenseite 11, die Kathodenseite 9 und ein Kühlmittelsystem (nicht gezeigt) werden gemeinsam als ein feuchtes Ende der Brennstoffzelle 10 bezeichnet. Die Isolationsendplatten 14, 16 werden als ein trockenes Ende der Brennstoffzelle 10 bezeichnet. Die Brennstoffzelle 10 weist eine Brennstoffquelle 37, eine Oxidationsmittelquelle 39, die Isolationsendplatten 14, 16, Graphitblöcke 18, 20, die eine Vielzahl von Öffnungen 22, 24 besitzen, um eine Fluidverteilung zu ermöglichen, Dichtungselemente 26, 28, Kohlenstoffgewebe-Stromkollektoren 30, 32 mit jeweiligen Verbindungen 31, 33 und eine Membranelektrolyt- und Elektrodenanordnung (MEA) 12 auf. Ein Oxidationsmittel- und Stromtransportmittel 36 besteht aus dem Graphitblock 18, dem Dichtungselement 26 und dem Stromkollektor 30. Ein Brennstoff- und Stromtransportmittel 38 besteht aus dem Graphitblock 20, dem Dichtungselement 28 und dem Stromkollektor 32. Die Anodenverbindung 31 und die Kathodenverbindung 33 werden dazu verwendet, die Brennstoffzelle 10 mit einer externen Schaltung zu verbinden, und können nach Bedarf andere Brennstoffzellen (nicht gezeigt) aufweisen.
Ein Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt) ist aus einer Vielzahl von miteinander gepaarten Brennstoffzellen 10 aufgebaut. Sobald eine gewünschte Anzahl von Paaren von Brennstoffzellen 10 miteinander verbunden sind, um einen Stapel zu bilden, wird der Stapel mit einem Kühlmittelsystem versehen und mit Isolationsendplatten 14, 16 fertig gestellt. Ein Brennstoffzellenstapel, wie hier beschrieben ist, wird üblicherweise als eine Leistungserzeugungsanlage für die Erzeugung von elektrischer Leistung, wie beispielsweise für ein Fahrzeug, verwendet.
Im Gebrauch wird der Brennstoff, wie Wasserstoff, von der Brennstoffquelle 37 geliefert, und das Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff, wird von der Oxidationsmittelquelle 39 geliefert. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel von den jeweiligen Quellen 37, 39 diffundieren durch jeweilige Fluid- und Stromtransportmittel 36, 38 an entgegengesetzte Seiten der MEA 12. Poröse Elektroden 40 bilden eine Anode 42 an der Anodenseite 11 und eine Kathode 44 an der Kathodenseite 9 und sind durch eine Protonenaustauschmembran (PEM) 46 getrennt. Die PEM 46 sorgt für einen Ionentransport, um eine chemische Reaktion in der Brennstoffzelle 10 zu ermöglichen. Typischerweise wird die PEM 46 aus Copolymeren geeigneter Monomere hergestellt. Derartige Protonenaustauschmembrane können durch Monomere der Strukturen gekennzeichnet sein:
Eine derartige Monomerstruktur ist detailliert in dem U.S. Patent Nr. 5,316,871 A von Swarthirajan et al. offenbart, das hier in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
Die 2 und 3 zeigen die in 1 gezeigte Isolationsendplatte 16, die eine integrierte Druckentlastungsventilanordnung 54 aufweist. Die Struktur der Isolationsendplatte 16, wie in 2 gezeigt ist, ist in der US 2007/0231656 A1 offenbart. Die Isolationsendplatte 16 weist eine Vielzahl von Flügeln bzw. Leitblechen 50 auf, um eine erhöhte Oberfläche bereitzustellen und damit eine Temperatursteuerung des Brennstoffzellenstapels beim Betrieb zu unterstützen.
Bei der gezeigten Ausführungsform weist die Isolationsendplatte 16 eine Vielzahl von darin ausgebildeten Hohlelementen 51, 52, 53 auf. Es sei zu verstehen, dass nach Bedarf mehr oder weniger Hohlelemente 51, 52, 53 vorgesehen werden können. Das Hohlelement 51 steht in Fluidverbindung mit der Kathodenseite 9 der Brennstoffzelle 10, das Hohlelement 52 steht in Fluidverbindung mit der Anodenseite 11 der Brennstoffzelle 10 und das Hohlelement 53 steht in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelsystem der Brennstoffzelle 10. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Hohlelemente 51, 52, 53 alle an einem Ende der Isolationsendplatte 16 angeordnet. Die Hohlelemente 51, 52, 53 sind derart ausgebildet, um darin Druckentlastungsventilanordnungen 54, 55, 56 aufzunehmen. Die Isolationsendplatte 14 weist typischerweise dieselben baulichen Komponenten wie die Isolationsendplatte 16 auf.
Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, weist die Druckentlastungsventilanordnung 54 eine Dichtung 60, einen Ventilkörper 62, ein Ventilvorspannmittel 76, ein Ventilgehäuse 80, eine Beilagscheibe 81 und ein Gewindebefestigungselement 83 auf. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Dichtung 60 ein O-Ring. Es können jedoch auch andere Dichtungstypen verwendet werden.
Der Ventilkörper 62 weist einen Ventilkopf 70 und einen Ventilschaft 74 auf. Der Ventilkopf 70 verläuft von einer Sitzfläche zu einer Rückfläche 72 und weist eine Vielzahl von Kanälen 64 auf, die radial nach außen zu einem Umfangsrand 66 desselben verlaufen.
Das Ventilvorspannmittel 76, das in 2 gezeigt ist, ist eine Schraubenfeder. Jedoch können andere herkömmliche Vorspannmittel nach Bedarf verwendet werden. Das Ventilvorspannmittel 76 ist gemäß den Druckbetrachtungen des Brennstoffzellenstapels bemessen, um zu ermöglichen, dass sich die Druckentlastungsventilanordnung 54 öffnen und Druck entlasten kann, wenn ein vorbestimmter Druck des Brennstoffzellenstapels erreicht ist.
Wie in 3 deutlicher gezeigt ist, ist das Ventilvorspannmittel 76 an einem Ende an die Rückfläche 72 der Ventilanordnung 54 und an einem entgegengesetzten Ende in ein Hohlelement 78 aufgesetzt, das in einem Ventilgehäuse 80 ausgebildet ist. Das Ventilgehäuse 80 besitzt eine darin geformte Öffnung 82, die derart ausgebildet ist, um die Beilagscheibe 81 und das Gewindebefestigungselement 83 aufzunehmen. Das Gewindebefestigungselement 83 besitzt einen Gewindeabschnitt 84, der in einer Gewindeöffnung 86, die in dem Ventilschaft 74 geformt ist, aufgenommen ist. Der Ventilschaft 74 ist verschiebbar in einer Öffnung 88 positionierbar, die in einem Gehäuseschaft 92 des Ventilgehäuses 80 geformt ist. Eine Ausnehmung 94 ist in dem Ventilkörper 62 geformt, um zu ermöglichen, dass sich der Gehäuseschaft 92 zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position bewegen kann.
Die Druckentlastungsventilanordnungen 55, 56 können dieselben baulichen Komponenten wie die Druckentlastungsventilanordnung 54 aufweisen.
Im Gebrauch erzeugt der Brennstoffzellenstapel Wärme, und das interne Kühlsystem zirkuliert Kühlmittel zur Kühlung des Stapels. Die Flügel 50 an der Isolationsendplatte 16 unterstützen eine Temperaturregulierung des Brennstoffzellenstapels.
Jedes Hohlelement 51, 52, 53 steht in Fluidverbindung mit einem Fluiddurchgang des Brennstoffzellenstapels, um eine Entlüftung von Fluid in dem Fall anzupassen, wenn eine zu starke Druckbeaufschlagung des Brennstoffzellenstapels vorhanden ist. Eine derartige zu starke Druckbeaufschlagung kann sich während des Stapelns, des Füllens oder während Leckagetests des Brennstoffzellenstapels entwickeln. Werden diese Fluide nicht entlüftet, können sich Löcher in den Brennstoffzellenanordnungen bilden, die in unerwünschten Lecks resultieren, die den Wirkungsgrad des Betriebs der Brennstoffzellenanordnung beeinträchtigen können.
Die Dichtung 60 wirkt dem Durchgang von Fluid während normaler Druckbedingungen in dem Brennstoffzellenstapel entgegen. Die Kanäle 64, die in dem Ventilkopf 70 ausgebildet sind, erlauben, dass Fluide in den Ventilkörper 62 eintreten und erlauben eine Entlüftung der Fluide während einer zu starken Druckbeaufschlagung.
Das Ventilvorspannmittel 76 treibt den Ventilkörper 62 beim Betrieb unter Normaldrücken in dem Brennstoffzellenstapel in eine aufgesetzte abgedichtete Position. Wenn das druckbeaufschlagte Fluid einen zu stark druckbeaufschlagten Zustand in dem Brennstoffzellenstapel erreicht, bewirkt eine durch das Fluid auf den Ventilkörper 62 ausgeübte Kraft, dass der Ventilkörper 62 gegen die durch das Ventilvorspannmittel 76 erzeugte Vorspannung getrieben wird. Dies hebt den Ventilkörper 62 von der Dichtung 60 ab und erlaubt eine Entlüftung des druckbeaufschlagten Fluides durch die Kanäle 64 und anschließend durch einen Austragsdurchlass 58 in der Isolationsendplatte 16. Sobald eine ausreichende Entlüftung aufgetreten ist, wird die durch die Druckbeaufschlagung erzeugte Kraft geringer als diejenige Kraft, die durch das Ventilvorspannmittel 76 ausgeübt wird, und die durch das Ventilvorspannmittel 76 ausgeübte Kraft bewirkt ein erneutes Aufsetzen des Ventilkörpers 62.
Aus der vorhergehenden Beschreibung kann der Fachmann leicht die wesentlichen Charakteristiken dieser Erfindung ermitteln und kann ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang derselben verschiedene Änderungen und Abwandlungen an der Erfindung ausführen, um diese an verschiedene Gebräuche und Bedingungen anzupassen.

Claims

Isolationsendplatte (14, 16) für einen Brennstoffzellenstapel (10), mit: einer Vielzahl von Temperaturregulierungsflügeln (50), die von einer Seite der Isolationsendplatte (14, 16) abstehen; zumindest einem Hohlelement (51, 52, 53), das an die Isolationsendplatte (14, 16) geformt ist, von der Isolationsendplatte (14, 16) von derselben Seite wie die Temperaturregulierungsflügel (50) absteht und von den Temperaturregulierungsflügeln (50) umgeben ist; und einer Druckentlastungsventilanordnung (54) zur selektiven Entlüftung von Fluid von einer Anodenseite, einer Kathodenseite und/oder einem Kühlmittelsystem des Brennstoffzellenstapels (10), die von dem zumindest einen Hohlelement (51, 52, 53) aufgenommen ist.
Isolationsendplatte nach Anspruch 1, wobei die Druckentlastungsventilanordnung (54) ein Ventilgehäuse (80) und einen Ventilkörper (62) umfasst.
Isolationsendplatte nach Anspruch 1, wobei die Druckentlastungsventilanordnung (54) ferner eine Dichtung (60) umfasst, die an dem Ventilkörper (62) anliegt, um einer Entlüftung von Fluid unter normalen Betriebsdrücken des Brennstoffzellenstapels (10) entgegenzuwirken.
Isolationsendplatte nach Anspruch 1, wobei die Druckentlastungsventilanordnung (54) ferner ein Ventilvorspannmittel (76) umfasst, um den Ventilkörper (62) in eine aufgesetzte Position zu treiben und damit einer Entlüftung von Fluid unter normalen Betriebsdrücken des Brennstoffzellenstapels (10) entgegenzuwirken.
Isolationsendplatte nach Anspruch 4, wobei das Ventilvorspannmittel (76) eine Feder ist.
Isolationsendplatte nach Anspruch 4, wobei das Ventilvorspannmittel (76) zwischen dem Ventilgehäuse (80) und dem Ventilkörper (62) angeordnet ist.