DE102007050600B4 - Brennstoffzelle und Brennstoffzellenstapel mit einer Druckentlastungseinrichtung - Google Patents
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Abstract
Brennstoffzelle (10), mit: zumindest einer Endplatte (14, 16, 18); und zumindest einer Bipolarplatte (70, 102), wobei die zumindest eine Endplatte (14, 16, 18) und/oder die zumindest eine Bipolarplatte (70, 102) eine darin geformte Verteileröffnung (72, 104, 110) und eine daran geformte Druckentlastungseinrichtung (76, 112) aufweisen, wobei die Druckentlastungseinrichtung (86, 112) derart ausgebildet ist, um einem zu starken Druckaufbau in dem Brennstoffzellenstapel entgegenzuwirken, indem sie bei einem vorbestimmten Druck reißt.
Description
- GEBIET DER ERFINDUNG
- Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellenstapel und insbesondere Druckentlastungseinrichtungen für Brennstoffzellenstapel zur Entlastung von Überdruck von der Brennstoffzelle während des Stapelns, der Druckbeaufschlagung und dem Betrieb des Brennstoffzellenstapels.
- 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. Ein derartiger Brennstoffzellenstapel ist in der
US 7,459,227 B2 offenbart. - Ein Brennstoffzellenstapel weist ein feuchtes Ende, das derart ausgebildet ist, um den Brennstoff, das Oxidationsmittel und Kühlfluide aufzunehmen, und ein trockenes Ende auf, das eine Isolationsendplatteneinheit besitzt. Bei der Herstellung des 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.
- Ein Grundprozess, der von einer Brennstoffzelle verwendet wird, ist effizient, im Wesentlichen verschmutzungsfrei, leise, frei von sich bewegenden Teilen (anders als ein Luftkompressor, Kühlgebläse, Pumpen und Aktuatoren) und kann so ausgebildet sein, dass nur Wärme und Wasser als Nebenprodukte zurückbleiben. Der Begriff ”Brennstoffzelle” wird typischerweise dazu verwendet, entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen abhängig von dem Kontext, in dem er verwendet wird, zu bezeichnen. Die Vielzahl von Zellen werden typischerweise miteinander gebündelt und angeordnet, um einen Stapel zu bilden, wobei die Vielzahl von Zellen üblicherweise in elektrischer Reihe angeordnet sind. Da einzelne Brennstoffzellen in Stapel mit variierenden Größen zusammengebaut werden können, können Systeme entwickelt werden, um ein gewünschtes Energieabgabeniveau zu erzeugen, was eine Flexibilität bei der Konstruktion für verschiedene Anwendungen vorsieht.
- Es können verschiedene Brennstoffzellentypen vorgesehen werden, wie beispielsweise Phosphorsäure-, Alkali-, Schmelzcarbonat-, Festoxid- und Protonenaustauschmembran-(PEM)-Typen. Die Grundkomponenten einer Brennstoffzelle vom PEM-Typ sind zwei Elektroden, die durch einen Polymermembranelektrolyt getrennt sind. Jede Elektrode ist auf einer Seite mit einer dünnen Katalysatorschicht beschichtet. Die Elektroden, der Katalysator und die Membran bilden gemeinsam eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
- In einer typischen Brennstoffzelle vom PEM-Typ ist die MEA schichtartig zwischen ”Anoden”- und ”Kathoden”-Diffusionsmedien (nachfolgend ”DM's”) oder Diffusionsschichten angeordnet, die aus einem nachgiebigen, leitenden und gaspermeablen Material ausgebildet sind, wie beispielsweise Kohlenstoffgewebe oder -papier. Die DM's dienen als die Primärstromkollektoren für die Anode und die Kathode und sehen auch eine mechanische Abstützung für die MEA vor. Die DM's und die MEA werden zwischen einem Paar elektrisch leitender Platten gepresst, die als Sekundärstromkol- lektoren zum Sammeln des Stroms von den Primärstromkollektoren dienen. Die Platten leiten Strom zwischen benachbarten Zellen innerhalb des Stapels in dem Fall von Bipolarplatten und leiten Strom außerhalb des Stapels (in dem Fall von Monopolarplatten an dem Ende des Stapels).
- Die Sekundärstromkollektorplatten enthalten jeweils zumindest ein aktives Gebiet, das die gasförmigen Reaktanden über die Hauptseiten der Anode und der Kathode verteilt. Diese aktiven Gebiete, die auch als Strömungsfelder bekannt sind, weisen typischerweise eine Vielzahl von Stegen auf, die mit dem Primärstromkollektor in Eingriff stehen und eine Vielzahl von Nuten oder Strämungskanälen dazwischen definieren. Die Kanäle liefern den Wasserstoff und den Sauerstoff an die Elektroden auf jeder Seite der PEM. Insbesondere strömt der Wasserstoff durch die Kanäle an die Anode, an der der Katalysator eine Trennung in Protonen und Elektronen unterstützt. Auf der gegenüberliegenden Seite der PEM strömt der Sauerstoff durch die Kanäle an die Kathode, an der der Sauerstoff die Wasserstoffprotonen durch die PEM anzieht. Die Elektronen werden als Nutzenergie durch eine externe Schaltung abgefangen und mit den Protonen und Sauerstoff kombiniert, um Wasserdampf an der Kathodenseite zu erzeugen. Wie in der
US 7,029,780 B2 beschrieben wird, können die Stromkollektorplatten mit Wasser gekühlt werden, wobei ein Entlüftungsventil vorgesehen ist, über das in dem Kühlkreislauf sich bildende Luftblasen entlüftet werden können. - Brennstoffzellenstapel weisen Zelleneinheiten und Separatoren auf. Jede Brennstoffzelle weist typischerweise eine Festpolymerelektrolytmembran auf, die ein Paar von Elektrodenkatalysatoren, die auf entgegengesetzten Flächen angeordnet sind, besitzt. Die Brennstoffzelle weist ferner ein Paar von Kollektoren auf, von denen jeder einen starren Körper besitzt, wobei die Kollektoren in Kontakt mit jeweiligen Elektrodenkatalysatoren stehen. Jeder der Separatoren weist ein Paar von druckerzeugenden Platten auf, die dazwischen eine Druckkammer definieren, in die druckbeaufschlagtes Fluid eingeführt wird. Die druckerzeugenden Platten können von dem druckbeaufschlagten Fluid verformt werden und werden gegen benachbarte Kollektoren gepresst.
- Bei derzeitigen Konstruktionen von Brennstoffzellenstapeln werden große Volumen an Wasserstoff und Luft in den Verteilern in dem Brennstoffzellenstapel, insbesondere beim Start, gemischt. Das Mischen von Wasserstoff und Luft kann in einer schnellen Erzeugung von Wasser resultieren. Die schnelle Erzeugung von Wasser in den Verteilern der Brennstoffzellenstapel kann eine zu starke Druckbeaufschlagung bewirken, was in einer nicht vorhersagbaren Verformung derselben resultiert.
- Es besteht Bedarf, eine Brennstoffzellenstapelanordnung herzustellen, die eine Druckentlastungseinrichtung besitzt, die Überdruck von dem Brennstoffzellenstapel entlastet und eine Vorhersagbarkeit seiner Verformung erleichtert.
- ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
- In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend eine Brennstoffzellenstapelanordnung entdeckt worden, die eine Druckentlastungseinrichtung bzw. ein Druckentiastungsmerkmal besitzt, die/das Überdruck von dem Brennstoffzellenstapel entlastet und eine Vorhersagbarkeit seiner Verformung erleichtert.
- Bei einer Ausführungsform weist die Merkmale des Anspruchs 1 auf.
- Bei einer anderen Ausführungsform weist ein Brennstoffzellenstapel die Merkmale des Anspruchs 9 auf.
- BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
- Die obigen wie auch anderen Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
-
1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist; -
2 eine bruchstückhafte Draufsicht eines Verteilerabschnittes einer Bipolarplatte gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist; und -
3 ein bruchstückhafter Aufriss einer Brennstoffzellenstapelanordnung ist, der einen Abschnitt der Brennstoffzellenanordnung im Schnitt gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt. - BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
- Die folgende detaillierte Beschreibung und angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung.
-
1 zeigt eine Brennstoffzelle10 mit einer Kathodenseite9 und einer Anodenseite11 . Es sei zu verstehen, dass andere Brennstoffzellentypen und -konfigurationen ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung verwendet werden können. Es sei auch zu verstehen, dass Brennstoffzellenstapel mehr Zellen und Platten haben können und typischerweise auch verwendet werden. Die Anodenseite11 , die Kathodenseite9 und ein Kühlmittelsystem (nicht gezeigt) werden gemeinsam als ein feuchtes Ende der Brennstoffzelle10 bezeichnet. Die Endplatten14 ,16 werden als ein trockenes Ende der Brennstoffzelle10 bezeichnet. Die Brennstoffzelle10 weist eine Brennstoffquelle37 , eine Oxidationsmittelquelle39 , die Endplatten14 ,16 , Graphitblöcke18 ,20 , die eine Vielzahl von Öffnungen22 ,24 besitzen, um eine Fluidverteilung zu ermöglichen, Dichtungselemente26 ,28 , Kohlenstoffgewebe-Stromkollektoren30 ,32 mit jeweiligen Verbindungen31 ,33 und eine Membranelektrolyt- und Elektrodenanordnung (MEA)12 auf. Ein Oxidationsmittel- und Stromtransportmittel36 besteht aus dem Graphitblock18 , dem Dichtungselement26 und dem Stromkollektor30 . Ein Brennstoff- und Stromtransportmittel38 besteht aus dem Graphitblock20 , dem Dichtungselement28 und dem Stromkollektor32 . Die Anodenverbindung31 und die Kathodenverbindung33 verbinden die Brennstoffzelle10 mit einer externen Schaltung und können gegebenenfalls andere Brennstoffzellen (nicht gezeigt) aufweisen. - Im Gebrauch wird ein Brennstoff, wie Wasserstoff, von der Brennstoffquelle
37 geliefert, und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff, wird von der Oxidationsmittelquelle39 geliefert. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel von den jeweiligen Quellen37 ,39 diffundieren durch jeweilige Fluid- und Stromtransportmittel36 ,38 an entgegengesetzte Seiten der MEA12 . Poröse Elektroden40 bilden eine Anode42 an der Anodenseite11 und eine Kathode44 an der Kathodenseite9 und sind durch eine Protonenaustauschmembran (PEM)46 getrennt. Die PEM46 sorgt für einen Ionentransport, um eine chemische Reaktion in der Brennstoffzelle10 zu ermöglichen. Der Brennstoff wird bei der chemischen Reaktion verbraucht, die in der Bildung von Wasser und Elektrizität resultiert. Typischerweise wird die PEM46 aus Copolymeren geeigneter Monomere hergestellt. Derartige Protonenaustauschmembrane können durch Monomere der Strukturen gekennzeichnet sein: - Eine derartige Monomerstruktur ist detailliert in
US. 5,316,871 A offenbart, das hier in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Es sei zu verstehen, dass die PEM46 gegebenenfalls auch aus anderen Materialien hergestellt sein kann. -
2 zeigt einen Verteilerabschnitt einer Bipolarplatte70 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Ein Brennstoffzellenstapel (nicht gezeigt) ist typischerweise aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen10 aufgebaut, die miteinander gebündelt und angeordnet sind, um den Stapel zu bilden, wobei die Vielzahl von Zellen10 üblicherweise in elektrischer Reihe angeordnet sind. Jede benachbarte Brennstoffzelle10 ist durch eine Bipolarplatte70 abgetrennt. - Die Bipolarplatte
70 weist eine darin geformte Öffnung72 auf. Wenn die Brennstoffzellen10 so angeordnet sind, um einen Stapel zu bilden, wirkt eine die Öffnung72 formende Innenfläche74 mit der Innenfläche74 von benachbarten Brennstoffzellen10 zusammen, um einen Verteiler (nicht gezeigt) zu bilden. - Eine Druckentlastungseinrichtung
76 ist an einem Außenrand78 der Bipolarplatte70 benachbart der Öffnung72 ausgebildet. Jedoch kann die Druckentlastungseinrichtung76 gegebenenfalls an anderen Orten ausgebildet sein, ohne von dem Erfindungsgedanken oder Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie beispielsweise an der Innenfläche74 . Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Druckentlastungseinrichtung76 als eine dreieckig geformte Kerbe geformt, obwohl gegebenenfalls Druckentlastungseinrichtungen bzw. -merkmale mit anderen Formen und Konfigurationen verwendet werden können. - Bei der gezeigten Ausführungsform ist eine Dichtung
80 um die Öffnung72 herum angeordnet. Der Begriff ”Dichtung”, wie hier verwendet ist, umfasst ein Dichtungselement, einen O-Ring, eine Wulstdichtung und dergleichen. Obwohl die Dichtung80 so gezeigt ist, dass sie die Öffnung72 vollständig umgibt, sei zu verstehen, dass die Dichtung80 gegebenenfalls nur um einen Abschnitt der Öffnung herum angeordnet sein kann. Zusätzlich sei zu verstehen, dass gegebenenfalls mehrere Dichtungen80 verwendet werden können. - Im Gebrauch werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel eingeführt und gemischt. Bei der chemischen Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem Oxidationsmittel kann sich ein Druck in dem Brennstoffzellenstapel aufbauen, wie in dem Verteiler, der durch die Öffnungen
72 der Vielzahl von Platten70 , die den Brennstoffzellenstapel bilden, geformt ist. Dies gilt insbesondere während des Starts. Bei Erreichen eines vorbestimmten Druckes in dem Brennstoffzellenstapel wird bewirkt, dass die Druckentlastungseinrichtung76 ausfällt und der Druck von dem Stapel entlastet wird. Dies erleichtert eine Verformung der Platten70 an einem gewünschten Ort, eine Vorhersagbarkeit des Ortes der Verformung sowie eine Steuerung eines maximalen Drucks, der in dem Brennstoffzellenstapel erreicht wird. Es sei ferner zu verstehen, dass die Druckentlastungseinrichtung76 in der die Öffnung72 umgebenen Dichtung80 geformt sein kann. Somit wird bei Erreichen des vorbestimmten Druckes bewirkt, dass die in der Dichtung80 geformte Druckentlastungseinrichtung76 ausfällt, um den Druck von dem Brennstoffzellenstapel zu entlasten. -
3 zeigt eine Brennstoffzellenstapelanordnung100 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser gezeigten Ausführungsform ist eine Vielzahl von Bipolarplatten102 angeordnet, um die Brennstoffzellenstapelanordnung100 zu bilden. Jede der Platten102 weist eine darin geformte Öffnung104 auf. Die Öffnungen104 jeder Platte102 sind so ausgerichtet, um einen Verteiler106 zu bilden. Eine Endplatte108 ist an den Platten102 angeordnet. Die Endplatte108 weist eine Öffnung110 auf, die mit den Öffnungen104 der Platten102 ausgerichtet ist. Eine Verlängerungsleitung111 ist in der Öffnung110 angeordnet und verläuft von dieser axial nach außen. Eine Druckentlastungseinrichtung112 ist in der Verlängerungsleitung111 angeordnet. Die Druckentlastungseinrichtung112 kann nach Bedarf eine beliebige herkömmliche Druckentlastungseinrichtung sein, wie eine Berstscheibe, ein Dichtungselement, eine Enddichtung und dergleichen. Es sei zu verstehen, dass die Druckentlastungseinrichtung112 gegebenenfalls an anderen Orten angeordnet sein kann, wie beispielsweise in dem Verteiler106 . Gegebenenfalls kann die Verlängerungsleitung111 abtrennbar an der Endplatte108 angebracht sein, um einen Austausch der Druckentlastungseinrichtung112 zu erleichtern. - Im Gebrauch wird bei Erreichen eines vorbestimmten Druckes in dem Brennstoffzellenstapel
100 bewirkt, dass die Druckentlastungseinrichtung112 ausfällt oder reißt und der Druck von dem Brennstoffzellenstapel100 entlastet wird, bevor eine zu starke Druckbeaufschlagung einen Schaden an anderen in dem Brennstoffzellenstapel100 enthaltenen Aufbauten bewirkt wird.
Claims (13)
- Brennstoffzelle (
10 ), mit: zumindest einer Endplatte (14 ,16 ,18 ); und zumindest einer Bipolarplatte (70 ,102 ), wobei die zumindest eine Endplatte (14 ,16 ,18 ) und/oder die zumindest eine Bipolarplatte (70 ,102 ) eine darin geformte Verteileröffnung (72 ,104 ,110 ) und eine daran geformte Druckentlastungseinrichtung (76 ,112 ) aufweisen, wobei die Druckentlastungseinrichtung (86 ,112 ) derart ausgebildet ist, um einem zu starken Druckaufbau in dem Brennstoffzellenstapel entgegenzuwirken, indem sie bei einem vorbestimmten Druck reißt. - Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Druckentlastungseinrichtung (
76 ,112 ) an einer Außenfläche (78 ) der zumindest einen Endplatte (14 ,16 ,108 ) und/oder der zumindest einen Bipolarplatte (70 ,102 ) angeordnet ist. - Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Druckentlastungseinrichtung (
76 ) benachbart der Verteileröffnung (72 ) an einem Außenrand (78 ) der Bipolarplatte (70 ) angeordnet ist. - Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Druckentlastungseinrichtung (
102 ) aus einem Material geformt ist, das eine schwächere Festigkeit besitzt, als eine Festigkeit der zumindest einen Endplatte (14 ,16 ,18 ) und/oder der zumindest einen Bipolarplatte (70 ,102 ). - Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Druckentlastungseinrichtung eine Dichtung (
80 ) ist, die an der zumindest einen Endplatte (14 ,16 ,108 ) und/oder der zumindest einen Bipolarplatte (70 ,102 ) geformt ist. - Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Druckentlastungseinrichtung (
76 ) eine dreieckig geformte Kerbe ist. - Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Endplatte (
14 ,16 ,108 ) und die zumindest eine Bipolarplatte (70 ,102 ) eine darin geformte Verteileröffnung aufweisen. - Brennstoffzelle nach Anspruch 7, wobei die Verteileröffnungen (
72 ,104 ,110 ), die in der zumindest einen Endplatte (14 ,16 ,108 ) und der zumindest einen Bipolarplatte (70 ,102 ) geformt sind, zusammen einen Verteiler (106 ) bilden, der eine Fluidverbindung zwischen der zumindest einen Endplatte (14 ,16 ,108 ) und der zumindest einen Bipolarplatte (70 ,102 ) bereitstellt. - Brennstoffzellenstapel, mit: zumindest einer Endplatte (
14 ,16 ,108 ), die eine darin geformte Verteileröffnung (110 ) besitzt; zumindest einer Bipolarplatte (70 ,102 ), die eine darin geformte Verteileröffnung besitzt, wobei die Verteileröffnung (110 ), die in der zumindest einen Endplatte (14 ,16 ,108 ) geformt ist, und die Verteileröffnung (72 ,104 ), die in zumindest einer Bipolarplatte (70 ,102 ) geformt ist, zusammen einen Verteiler (106 ) bilden, der eine Fluidverbindung zwischen der zumindest einen Endplatte (14 ,16 ,108 ) und der zumindest einen Bipolarplatte (70 ,102 ) bereitstellt; und einer Druckentlastungseinrichtung (76 ,112 ), die an die zumindest eine Endplatte (14 ,16 ,108 ) und/oder die zumindest eine Bipolarplatte (70 ,102 ) geformt und derart ausgebildet ist, um einem zu starken Druckaufbau in dem Brennstoffzellenstapel entgegenzuwirken, indem sie bei einem vorbestimmten Druck reißt. - Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 9, wobei die Druckentlastungseinrichtung (
76 ) benachbart des Verteilers (106 ) an einem Außenrand (78 ) der Bipolarplatte (70 ) angeordnet ist. - Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 9, wobei die Druckentlastungseinrichtung (
112 ) in einer Verlängerungsleitung (111 ) angeordnet ist, die in Fluidverbindung mit dem Verteiler (106 ) angeordnet ist. - Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 9, wobei die Druckentlastungseinrichtung (
112 ) eine Berstscheibe, ein Dichtungselement und/oder eine Enddichtung darstellt. - Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 9, wobei die Druckentlastungseinrichtung (
76 ) eine dreieckig geformte Kerbe ist.
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