-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft Brennstoffzellensysteme und insbesondere Systeme zur Beibehaltung von Kompression für Brennstoffzellenstapel.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Brennstoffzellen werden als saubere, effiziente und umweltfreundliche Antriebsquelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen. Ein Beispiel für eine Brennstoffzelle ist eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEM, kurz vom engl. Proton Exchange Membrane). Die PEM-Brennstoffzelle umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly), die im Allgemeinen einen dünnen Festpolymermembran-Elektrolyt mit einer Elektrode mit einem Katalysator an beiden Seiten des Membran-Elektrolyten umfasst.
-
Die MEA umfasst im Allgemeinen poröse leitende Materialien, die auch als Gasdiffusionsmedien (GDM) bekannt sind, die Reaktandengase zu den Elektrodenschichten der Anode und Kathode verteilen. Brennstoff, beispielsweise Wasserstoffgas, wird an der Anode eingeleitet, wo er elektrochemisch bei Vorhandensein des Katalysators reagiert, um Elektronen und Protonen zu erzeugen. Die Elektronen werden von der Anode zur Kathode durch eine dazwischen angeordnete elektrische Schaltung geleitet. Gleichzeitig treten die Protonen durch den Elektrolyten zur Kathode, wo ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff oder Luft, elektrochemisch bei Vorhandensein des Elektrolyten und Katalysators reagiert, um Sauerstoffanionen zu erzeugen. Die Sauerstoffanionen reagieren mit den Protonen, um Wasser als Reaktionsprodukt zu erzeugen.
-
Die MEA ist im Allgemeinen zwischen einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente oder Bipolarplatten gesetzt, um eine einzelne PEM-Brennstoffzelle zu vervollständigen. Es ist bekannt, dass sich die MEA bei typischem Betrieb bei Änderungen von Feuchtigkeit und Temperatur ausdehnt und zusammenzieht. Kompressionsbeibehaltungssysteme werden typischerweise so ausgelegt, dass sie zum Kompensieren der durch Membrananschwellung erzeugten Spannungen dienen, die bei Membranausdehnung und Entspannung von Kompressionsspannung in dem Brennstoffzellenstapel auftreten können. Bei herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln ist zum Beispiel bekannt, dass die MEA sich bei Betrieb um bis zu etwa 50% ihrer ursprünglichen Dicke ausdehnt.
-
Kompressionsbeibehaltungssysteme dienen zum Minimieren übermäßiger Kompression des Brennstoffzellenstapels und sind dafür ausgelegt, einen Sollkontaktdruck zwischen Bipolarplatten, Gasdiffusionsmedien und Katalysatorschichten zu halten. Ein beschränkter Betrag an bleibender Verformung des GDM tritt unter typischen Betriebslasten des Brennstoffzellenstapels auf. Wenn aber an das GDM übermäßige Kompressionslasten angelegt werden, kann die Kraft das GDM durch Brechenlassen von Kohlenstofffasern oder Aufbrechen von Bindemitteln, die die Kohlenstofffasern zusammenhalten, in einem unerwünschten Maße physikalisch verschlechtern. Daher ist es allgemein erwünscht, eine geeignete Kompressionslast beizubehalten und einen elektrischen Sollwiderstand vorzusehen, aber während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels nicht den Sollbereich zu überschreiten.
-
In U.S. Patent
US 5 484 666 A für Gibb et al. wird dargelegt, dass herkömmliche Kompressionssysteme aus Zugstangen bestehen, die sich durch und zwischen Endplattenanordnungen erstrecken und mit Befestigungsmuttern gesichert sind. An den Zugstangen eingesetzte Federn, die zwischen die Befestigungsmuttern und die Endplatten gesetzt sind, werden zum Ausüben einer elastischen Kompressionskraft auf die Brennstoffzellenstapel in der Stapelrichtung verwendet. Über Brennstoffzellen-Seitenplatten mit gesteuerter Zugnachgiebigkeit wird ebenfalls in der U.S.-Patentanmeldung
US 2006/0040166 A1 für Budinski et al. berichtet. Bei Budinski et al. wird dargestellt, dass die Kompressionskräfte an einem Brennstoffzellenstapel durch Aufnehmen mindestens eines Federelements in eine Seitenplatte gesteuert werden können.
-
In dem U.S. Patent
US 5 789 091 A berichtet Wozniczka et al. ferner über einen Mechanismus zum Befestigen eines Brennstoffzellenstapels in einem zusammengebauten und komprimierten Zustand, der mindestens ein Kompressionsband umfasst, das Endeinheitanordnungen und dazwischen angeordnete Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel umfängt. Murphy et al. in US Patent
US 6 040 072 A berichtet auch über eine Vorrichtung zum Befestigen eines elektrochemischen Zellenstapels, die ein Bandelement umfasst.
-
Die gleichzeitig anhängige U.S. Patentanmeldung
US 2008/0 145 713 A1 der Anmelderin, beschreibt ein Kompressionsbeibehaltungssystem, das mindestens einen im Allgemeinen flachen Riemen umfasst, der mindestens eine Biegung bildet, wobei sich der mindestens eine Riemen von einer ersten End- zu einer zweiten Endeinheit des Brennstoffzellenstapels erstreckt. Ferner beschreibt die gleichzeitig anhängige U.S. Patentanmeldung
US 2008/0 102 345 A1 der Anmelderin ein Kompressionsbeibehaltungssystem, das aus mindestens einer Zugstange besteht, die sich von einer oberen Endeinheit zu einer unteren Endeinheit erstreckt. Die Zugstange ist außerhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet und an den Endeinheiten durch Halter befestigt, die an den Endeinheiten gesichert sind. Zwischen mindestens einer der Befestigung und den Endeinheiten ist eine Feder gesetzt.
-
Weitere Kompressionsbeibehaltungssysteme für Brennstoffzellenstapel sind aus den Druckschriften
US 2006 / 0 093 890 A1 ,
US 5 993 987 A und
JP 2001 135 344 A bekannt.
-
Es besteht nach wie vor Bedarf nach einem Kompressionsbeibehaltungssystem für elektrochemische Brennstoffzellen, das eine Masse, Volumen und Wärmewirkungsgrad des Brennstoffzellensystems optimiert, im Wesentlichen gleichmäßige Kompression während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels und mit einer Vielzahl von Stapelgrößen vorsieht und einer Degradation des Gasdiffusionsmediums in dem Brennstoffzellenstapel entgegenwirkt.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Übereinstimmend mit der vorliegenden Offenbarung wurde überraschenderweise ein Kompressionsbeibehaltungssystem entdeckt, das nachgiebig ist, im Wesentlichen gleichmäßige Kompression während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels und mit einer Vielzahl von Stapelgrößen vorsieht, volumetrischen und thermischen Wirkungsgrad optimiert und einer Degradation des Gasdiffusionsmediums in dem Brennstoffzellenstapel entgegenwirkt.
-
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, eine erste Endeinheit, die benachbart dem ersten Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, eine zweite Endeinheit, die benachbart dem zweiten Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, eine erste Metallblechlage, die benachbart der ersten Endeinheit angeordnet ist, eine zweite Metallblechlage, die benachbart der zweiten Endeinheit angeordnet ist, und ein Kompressionsbeibehaltungssystem mit mehreren nachgiebigen Riemen, die zum Ausüben einer Kompressionskraft auf den Brennstoffzellenstapel ausgelegt sind, wobei die mehreren nachgiebigen Riemen weiterhin dafür ausgelegt sind, sich an eine Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels während eines Betriebs desselben anzupassen und die Kompressionskraft in einem Sollbereich zu halten. Die mehreren nachgiebigen Riemen sind mittels Befestigungselementen mit der ersten Metallblechlage und der zweiten Metallblechlage verbunden. Die Flächen der ersten und zweiten Endeinheit, über die sich jeweils die erste oder zweite Metallblechlage eng anliegend erstrecken, weisen jeweils eine Wölbung auf, um eine gleichmäßige Kompressionsspannung über dem Brennstoffzellenstapel zu erzeugen.
-
Figurenliste
-
Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen für den Fachmann anhand der folgenden eingehenden Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Hinblick auf die nachstehend beschriebenen Zeichnungen, problemlos hervor.
- 1 zeigt eine schematische, perspektivische Explosionsansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels (nur zwei Zellen dargestellt);
- 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellensystems mit einem Kompressionsbeibehaltungssystem nach einer nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform;
- 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Kompressionsbeibehaltungssystems nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 4 ist eine grafische Darstellung, die eine Lastauslenkungskurve eines Stapel-GDM im Verhältnis zu einer Lastauslenkungskurve eines Kompressionsbeibehaltungssystems nach einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
- 5 ist eine grafische Darstellung, die eine Steifigkeitskurve eines Stapel-GDM im Verhältnis zu einer Steifigkeitskurve eines Kompressionsbeibehaltungssystems nach einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
-
Eingehende Beschreibung der Erfindung
-
Der Einfachheit halber wird in 1 nur ein Zweizellenstapel (d.h. eine Bipolarplatte) dargestellt und beschrieben, wobei sich versteht, dass ein typischer Stapel viele weitere dieser Zellen und Bipolarplatten aufweist.
-
1 zeigt einen aus zwei Zellen bestehenden PEM-Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Paar Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4, 6, die durch ein elektrisch leitendes Fluidverteilungselement, hier nachstehend Bipolarplatte 8, voneinander getrennt sind. Die MEAs 4, 6 und die Bipolarplatte 8 sind zwischen Endeinheiten 10, 12 und Endkontaktelementen 14, 16 miteinander gestapelt. Die Endkontaktelemente 14, 16 sowie beide Arbeitsseiten der Bipolarplatte 8 umfassen mehrere Strömpfadnuten bzw. -kanäle 18, 20, 22, 24 zum Verteilen von Brennstoff und Oxidationsmittelgasen (d.h. H2 & O2) zu den MEAs 4, 6. Nicht leitende Dichtungen 26, 28, 30, 32 sehen Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den mehreren Komponenten des Brennstoffzellenstapels vor.
-
Die MEAs 4, 6 sind benachbart zu gaspermeablen leitenden Materialien, die als Gasdiffusionsmedien (GDM) 34, 36, 38, 40 bekannt sind, angeordnet. Die GDM 34, 36, 38, 40 können Kohlenstoff/Graphitdiffusionspapier umfassen. Geeignetes Kohlenstoffpapier ist im Handel zum Beispiel von Toray Industries als Toray TGP-H060 erhältlich. Die GDM 34, 36, 38, 40 kontaktieren die MEAs 4, 6. Die Endkontakteinheiten 14, 16 liegen jeweils an den GDM 34, 40 an. Die Bipolarplatte 8 liegt an dem GDM 36 an der Anodenseite der MEA 4 an, die zum Aufnehmen von wasserstoffhaltigem Reaktand ausgelegt ist, und liegt auch an dem GDM 38 an der Kathodenseite der MEA 6 an, die zum Aufnehmen von sauerstoffhaltigem Reaktand ausgelegt ist. Sauerstoff wird der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 2 von einem Speichertank 46 zum Beispiel mittels einer geeigneten Zufuhrleitung 42 zugeführt. Wasserstoff wird der Anodenseite der Brennstoffzelle aus einem Speichertank 48 zum Beispiel mittels einer geeigneten Zufuhrleitung 44 zugeführt. Alternativ kann der Kathodenseite Umgebungsluft als Sauerstoffquelle und der Anode Wasserstoff von einem Methanol- oder Benzinreformer oder dergleichen zugeführt werden. Ablassleitungen (in 1 nicht gezeigt) sowohl für die Anodenals auch die Kathodenseiten der MEAs 4, 6 sind ebenfalls vorgesehen. Zusätzliche Leitungen 50, 52 und 54 sind zum Zuführen flüssigen Kühlmittels zu der Bipolarplatte 8 und den Endeinheiten 14, 16 vorgesehen. Geeignete Leitungen zum Ablassen von Kühlmittel aus der Bipolarplatte 8 und den Endeinheiten 14, 16 sind ebenfalls vorgesehen (nicht dargestellt).
-
Unter Bezug als Nächstes auf 2 wird ein offenbarungsgemäßes Brennstoffzellensystem 200 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 200 weist den Brennstoffzellenstapel 2 mit mehreren einzelnen Brennstoffzellen 202 auf. Der Brennstoffzellenstapel 2 weist ein erstes Ende 204 und ein zweites Ende 206 auf. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst ein Kompressionsbeibehaltungssystem 208 mit mehreren nachgiebigen Riemen 210, die benachbart dem Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet sind. Das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 ist zum Ausüben einer Kompressionskraft auf den Brennstoffzellenstapel und zum Anpassen an ein Ausdehnen des Brennstoffzellenstapels 2 ausgelegt. Das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 ist weiter dafür ausgelegt, die Kompressionskraft in einem Sollbereich zu halten. Es versteht sich, dass sich das Ausdehnen des Brennstoffzellenstapels 2 aus dem Anschwellen oder Ausdehnen mehrerer MEAS (nicht gezeigt) ergibt, das bei Änderungen von Feuchtigkeit und Temperatur des Brennstoffzellenstapels 2 auftritt, während er in Betrieb ist. Das Ausdehnen des Brennstoffzellenstapels 2 erfolgt zum Beispiel, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 2 von etwa Umgebungstemperatur von 25°C auf eine Betriebstemperatur von etwa 80°C ansteigt.
-
In einer Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem 200 eine erste Endeinheit 212, die benachbart dem ersten Ende 204 angeordnet ist, und eine zweite Endeinheit 214, die benachbart dem zweiten Ende 206 angeordnet ist. Die erste und die zweite Endeinheit 212, 214 können zum Beispiel Brennstoffzellensubsysteme und zugehörige Vorrichtungen 216, die beim Vorbehandeln und Betrieb des Brennstoffzellenstapels 2 beteiligt sind, aufnehmen. Als Beispiele umfassen die Brennstoffzellensubsysteme, die in der ersten und zweiten Endeinheit 212, 214 aufgenommen sind, Fluiddurchlässe, Wasserstoffbrennstoff- und Oxidationsmittel(O2/Luft)-Durchlässe, Kühlpumpen, Umwälzpumpen, Abflussventile, Isolierung, Gebläse, Verdichter, Ventile, elektrische Anschlüsse, Reformer, Befeuchter und zugehörige Instrumente. Es sollte erkannt werden, dass zusätzliche Brennstoffzellensubsysteme und zugehörige Vorrichtungen 216, die bei der Lagerung des Brennstoffzellensystems 200 verwendet werden, nach Bedarf in der ersten und zweiten Endeinheit 212, 214 aufgenommen sein können.
-
In einer anderen Ausführungsform umfangen die mehreren nachgiebigen Riemen 210 den Brennstoffzellenstapel 2. Die mehreren nachgiebigen Riemen 210 sind zum Beispiel aus einem durchgehenden Band gebildet, das um die erste und zweite Endeinheit 204, 206 des Brennstoffzellenstapels 2 gewickelt ist. Ein Fachmann sollte verstehen, dass in bestimmten Ausführungsformen die mehreren nachgiebigen Riemen 210, die aus dem durchgehenden Band bestehen, zum Beispiel eine mechanische Spannung an den Riemen 210 halbieren und die Federkonstante verdoppeln.
-
In einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind die mehreren nachgiebigen Riemen 210 zwischen der ersten Endeinheit 212 und der zweiten Endeinheit 214 angeordnet. Als Beispiel sind die mehreren nachgiebigen Riemen 210 mit der ersten Endeinheit 204 und der zweiten Endeinheit 206 durch eine jeweilige Befestigung 218, 219 verbunden. Die Befestigungen 218, 219 sind zum Beispiel an gegenüberliegenden Enden jedes der Riemen 210 angeordnet. Es können nach Bedarf verschiedene Befestigungen 218, 219 verwendet werden. Beispiele für geeignete Befestigungen 218, 219 umfassen Halter, Klemmen, Klammern, Klebstoff, Befestigungsbolzen und -muttern, Schrauben, Kombinationen derselben und dergleichen. In einer Ausführungsform umfasst die Befestigung 218 ein oder mehrere Halter, die mit mindestens einer der ersten und zweiten Endeinheiten 204, 206 verbunden sind.
-
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 ein erstes steifes Element 220, das mit der ersten Endeinheit 204 verbunden ist, sowie ein zweites steifes Element 222, das mit der zweiten Endeinheit 206 verbunden ist. Die steifen Elemente 220, 222 sind jeweils mit der ersten und zweiten Endeinheit 204, 206 mittels zum Beispiel der Befestigungen 218, 219 verbunden. Es versteht sich, dass das Kompressionsbeibehaltungssystem typischerweise mehr als ein erstes und zweites steifes Element 220, 222 umfasst. In der gezeigten Ausführungsform sind zum Beispiel mindestens zwei erste steife Elemente 220 und mindestens zwei zweite steife Elemente 220 an gegenüberliegenden Seiten der ersten bzw. zweiten Endeinheiten 204, 206 angeordnet.
-
Die ersten und zweiten steifen Elemente 218, 220 sind so ausgelegt, dass sie die Kompressionskraft entlang einer Länge der ersten und zweiten Endeinheiten 204, 206 verteilen. Als Beispiel wird die Kompressionskraft im Wesentlichen gleichmäßig entlang der Länge der ersten und zweiten Endeinheiten 204, 206 verteilt. In einer Ausführungsform sind die ersten und zweiten steifen Elemente 220, 222 Metallwellen und die Befestigungen 218, 219 sind Metallhalter, die an den ersten und zweiten Endeinheiten 204, 206 angebracht sind. Alternative Mittel zum Verteilen der Kompressionskraft können nach Bedarf verwendet werden.
-
Zu Veranschaulichung sind die mehreren nachgiebigen Riemen 210 mit dem ersten und zweiten steifen Element 220, 222 verbunden. Zum Beispiel wickeln sich die nachgiebigen Riemen 210 um mindestens eines der ersten und zweiten steifen Elemente 220, 222, um mehrere Schlaufen 223 zu bilden. Die mehreren nachgiebigen Riemen 210 werden dadurch mit den steifen Elementen 220, 222 verbunden. Es versteht sich, dass die Schlaufen zum Beispiel durch einen Klebstoff zusammengehalten oder verschweißt werden können. In einem bestimmten Beispiel sind die Schlaufen 223 des nachgiebigen Riemens 210 vibrationsgeschweißt. In einer weiteren Ausführungsform bilden die nachgiebigen Riemen 210 einen durchgehenden Ring, der sowohl um die ersten als auch die zweiten steifen Elemente 220 gewickelt ist und einen einzigen verbundenen Bereich aufweist. Es können alternative Mittel zum Verbinden der mehreren nachgiebigen Riemen 210 mit den ersten und zweiten steifen Elementen 220, 222 verwendet werden.
-
Unter Bezug auf 3 umfasst das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 der vorliegenden Offenbarung eine erste Platte 224, die benachbart der ersten Endeinheit 212 angeordnet ist, und eine zweite Platte 226, die benachbart der zweiten Endeinheit 214 angeordnet ist. Erfindungsgemäß erstrecken sich die ersten und zweiten Platten 224, 226 eng anliegend über die ersten und zweiten Endeinheiten 212, 214 des Brennstoffzellenstapels 2. In bestimmten Ausführungsformen sind die ersten und zweiten Platten 224, 226 aus Metall hergestellt und erstrecken sich jeweils zwischen Befestigungen 218, 219 und sind mit diesen verbunden. Beispiele für geeignete Plattenmetalle umfassen Aluminium, Messing, Kupfer, Stahl, Zinn, Nickel, Titan und Legierungen derselben. In anderen Ausführungsformen wird ein Stahlplattenmetall nach Bildung der Einheit, z.B. mittels Formen, über die ersten und zweiten Enden 204, 206 gezogen. Es versteht sich, dass Plattenmetall unterschiedlicher Dicke nach Bedarf verwendet werden kann. Es versteht sich ferner, dass andere herkömmliche Materialien zum Bilden der ersten und zweiten Platten 224, 226 verwendet werden können.
-
Bei Verwenden in Verbindung mit den ersten und zweiten Platten 224, 226 weisen die Endeinheiten 212, 214 eine ausreichende Wölbung auf, um die Biegelast der Platten 224, 226 in eine im Wesentlichen gleichmäßige Kompressionsspannung über dem Brennstoffzellenstapel 2 zu verwandeln, wenn die Kompressionskraft durch das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 angelegt wird. Als Beispiel kann die Wölbung der Endeinheiten 212, 214 durch einen einzelnen Radius festgelegt werden, wobei zum Beispiel die Endeinheiten 212, 214 eine Halbkugel bilden. Die Gesamtwölbung der Endeinheiten 212, 214 kann auch durch einen oder mehrere Radien festgelegt werden. Es versteht sich, dass die Radien von der Breite und Dicke der Endeinheiten 212, 214 sowie von der für das Brennstoffzellensystem 200 verfügbaren Gesamthöhe abhängen und nach Bedarf gewählt werden können. Die Wölbung kann auch weitere Zwischen- oder Übergangsradien aufweisen und kann Flächen umfassen, die nicht durch Radien charakterisierbar sind, z.B. unterbrochene und durchgehende geneigte Flächen.
-
In einer bestimmten Ausführungsform stehen die mehreren nachgiebigen Riemen 210 unter Zugspannung. Da sie unter Zugspannung stehen, versteht sich, dass die Riemen 210 die Kompressionskraft auf den Brennstoffzellenstapel 2 ausüben. Die Kompressionskraft presst die mehreren Brennstoffzellen 202 aufeinander zu und erleichtert elektrischen Kontakt dazwischen. Das Ausüben von Kompressionskraft auf den Brennstoffzellenstapel 2 verringert im Allgemeinen den elektrischen Kontaktwiderstand zwischen den mehreren Brennstoffzellen 202 und verbessert den elektrischen Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 2.
-
Als Beispiel werden die nachgiebigen Riemen 210 durch zunächst Anbringen der nachgiebigen Riemen 210 an der ersten Platte 224 unter Zug gesetzt. Dann werden die nachgiebigen Riemen 210 zeitweilig an einem gegenüberliegenden Ende der Riemen 210 an einer (nicht gezeigten) unbeweglichen Vorrichtung, zum Beispiel einer Bodenvorrichtung, angebracht und es wird eine Kompressionslast an dem Brennstoffzellenstapel 2 angelegt. Die an dem Brennstoffzellenstapel 2 angelegte Kompressionslast drückt gleichzeitig die Brennstoffzellen 202 zusammen und setzt die nachgiebigen Riemen 210 unter Zugspannung. Die nachgiebigen Riemen 210 werden dann an der zweiten Platte 226 befestigt, bevor sie von der unbeweglichen Vorrichtung abgenommen werden, wodurch an dem Brennstoffzellenstapel 2 eine Kompressionskraft vorgesehen wird.
-
In einer anderen Ausführungsform werden die nachgiebigen Riemen 210 durch zeitweiliges Zusammenpressen des Brennstoffzellenstapels 2 oder Laden des Stapels 2 auf eine höhere Kompression als für das zusammengesetzte Brennstoffzellensystem 200 erwünscht ist, Anbringen der mehreren Riemen 210 an dem Brennstoffzellenstapel 2 an sowohl der ersten Platte 224 als auch der zweiten Platte 226 mit den Befestigungen 212 und dann Entfernen der Last und leichtes Dekomprimierenlassen des komprimierten Stapels 2 unter Zugspannung gesetzt, wodurch die nachgiebigen Riemen 210 unter Zugspannung gesetzt werden. Das Kompressionsbeibehaltungssystem 208, das die nachgiebigen Riemen 210 unter Zugspannung umfasst, hält dadurch eine Kompressionskraft an dem Brennstoffzellenstapel 2 aufrecht.
-
Jeder der mehreren nachgiebigen Riemen 210 weist typischerweise eine Oberfläche auf, die im Wesentlichen eben ist. Die nachgiebigen Riemen 210 weisen zum Beispiel eine im Wesentlichen flache Oberfläche und eine mittlere Dicke von etwa 1 mm bis etwa 10 mm, eine mittlere Länge von etwa 200 mm bis etwa 1100 mm und eine mittlere Breite von etwa 10 mm bis etwa 60 mm auf, wenngleich Riemen 210 mit anderen Maßen nach Bedarf verwendet werden können. In einer Ausführungsform beträgt die mittlere Dicke des ebenen Riemens 210 etwa 1,3 mm, die mittlere Länge etwa 50 mm und die mittlere Breite etwa 19 mm. Es versteht sich, dass die Größe und Art des Brennstoffzellenstapels 2 sowie die gewünschte Kompressionslast die Gesamtmaße der ebenen Riemen 210 der vorliegenden Offenbarung diktieren und dass auch andere Maße verwendet werden können.
-
Die mehreren nachgiebigen Riemen 210 sind aus einem Material mit einer ausreichenden Elastizität zur Verwendung in dem Kompressionsbeibehaltungssystem 208 ohne separates Federpaket, beispielsweise Spiralfedern und dergleichen, gebildet. In bestimmten Ausführungsformen sind die nachgiebigen Riemen 210 aus mindestens einem von: einem Polymermaterial und einem Gewebe gebildet. Das Polymermaterial umfasst einen hochfesten Kunststoff, beispielsweise Polyester. Das Gewebe kann metallisch, faserartig oder eine Kombination derselben sein. In einer Ausführungsform sind die nachgiebigen Riemen 210 aus einem gewebten Polyestermaterial gebildet. Ein Fachmann sollte verstehen, dass nach Bedarf andere nachgiebige Materialien verwendet werden können.
-
Es versteht sich, dass die mehreren nachgiebigen Riemen 210 weiterhin dafür ausgelegt sind, sich an eine Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels 2 während eines Betriebs desselben anzupassen und die Kompressionskraft in einem Sollbereich zu halten. Als Beispiel ist der Sollbereich ein Bereich, bei dem eine physikalische Degradation der Gasdiffusionsschichten über die bleibende Verformung hinaus, die bei der zum Erreichen eines erwünschten Kontaktwiderstands verwendeten Kompressionskraft erfahren wird, nicht wesentlich ist. In einer Ausführungsform ist der Sollbereich weniger als etwa 10% größer als eine Last an dem Brennstoffzellenstapel ohne Ausdehnen, z.B. die Last an dem Brennstoffzellenstapel 2 nach anfänglicher Kompression (einschließlich zum Beispiel eines Entspannungszeitraums, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist). Bei einem Brennstoffzellenstapel mit zum Beispiel einer Sollstapelkompression von etwa 83.000 N überschreitet die Last an dem Brennstoffzellenstapel 2, die ein Ausdehnen durchläuft, mit dem Kompressionsbeibehaltungssystem 208 der Offenbarung etwa 92.000 N nicht. In einer weiteren Ausführungsform ist der Sollbereich weniger als etwa 7,5% größer als die Last an dem Brennstoffzellenstapel 2 ohne Ausdehnen. In einer anderen Ausführungsform ist der Sollbereich weniger als etwa 5% größer als die Last an dem Brennstoffzellenstapel 2 ohne Ausdehnen.
-
In einer bestimmten Ausführungsform weist jeder der mehreren nachgiebigen Riemen 210 eine Lastauslenkungskurve auf, die im Wesentlichen linear ist. Die mehreren nachgiebigen Riemen 210 weisen zum Beispiel eine Lastauslenkungskurve auf, die einen im Wesentlichen konstanten Anstieg der Auslenkung mit einer entsprechenden Zunahme einer an den mehreren nachgiebigen Riemen angelegten Zuglast vorsieht, beispielsweise während des Ausdehnens des Brennstoffzellenstapels 2. Es versteht sich, dass die Lastauslenkungskurve der mehreren nachgiebigen Riemen 210 über ein Last hinaus, die größer als der Sollbereich ist, in dem die Kompressionslast gehalten wird, nicht linear sein kann. Es versteht sich ferner, dass geeignete Lastauslenkungskurven nach Bedarf gewählt werden können, zum Beispiel durch Wählen eines bestimmten Materials und bestimmter Maße für die mehreren nachgiebigen Riemen 210.
-
In einer bestimmten Ausführungsform ist eine Steifheit der mehreren nachgiebigen Riemen 210 niedriger als eine Steifheit der mehreren GDM in dem Brennstoffzellenstapel 2. Es versteht sich, dass dies dem Kompressionsbeibehaltungssystem 208 das Anpassen an die Ausdehnung einer Höhe des Brennstoffzellenstapels 2 erlaubt. So wird eine physikalische Degradation der mehreren GDM minimiert. Als Beispiel sind die mehreren nachgiebigen Riemen 210 dafür ausgelegt, sich an bis zu etwa 12 mm Ausdehnung in Stapelhöhe anzupassen. In einem Beispiel sind die mehreren nachgiebigen Riemen 210 dafür ausgelegt, bis zu etwa 6 mm Ausdehnung auszugleichen. In einem anderen Beispiel sind die mehreren nachgiebigen Riemen 210 dafür ausgelegt, sich an bis zu etwa 3 mm Ausdehnung anzupassen. In einem weiteren Beispiel sind die mehreren nachgiebigen Riemen 210 dafür ausgelegt, sich an bis zu etwa 30 µm pro Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel 2 anzupassen. Ein Fachmann sollte erkennen, dass in dem Kompressionsbeibehaltungssystem 208 nach Bedarf andere Auslenkungsbeträge gewählt werden können.
-
Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 der vorliegenden Offenbarung ein Mittel zum Aufrechterhalten der Kompressionskraft an dem Brennstoffzellenstapel 2 ohne Verwendung eines eigenen Federpakets oder von Metallseitenplatten oder Kompressionsplatten, wie sie typischerweise an einem trockenen Ende der Brennstoffzellenstapel des Stands der Technik zu finden sind, vorsieht. Das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 optimiert eine Masse und ein Volumen des Brennstoffzellensystems 200. Folglich wird auch eine thermische Masse des Brennstoffzellensystems 200 optimiert. Es versteht sich ferner, dass das Kompressionsbeibehaltungssystem 208 weiterhin im Wesentlichen die gleiche Federkonstante wie herkömmliche Systeme vorsieht, die Federpakete nutzen, wodurch einer übermäßigen Degradation der mehreren GDM in dem Brennstoffzellenstapel 2 entgegengewirkt wird.
-
Beispiel
-
Ein veranschaulichender Brennstoffzellenstapel mit einem Kompressionsbeibehaltungssystem nach der Offenbarung wird in 4 und 5 dargestellt. Der Brennstoffzellenstapel umfasst 200 Zellen und sieht eine Leistung von etwa 72 kW (etwa 0,6V bei 1,5A/cm2) vor. Der Brennstoffzellenstapel weist eine aktive Fläche von etwa 400 cm2 auf. Das in dem Brennstoffzellenstapel verwendete GDM umfasst 400 Bögen Tory TGP-H060 Kohlenstoffpapier mit einer Dicke von etwa 0,180 mm pro Bogen. Bei einer Sollkompressionskraft von etwa 83.000 N, die einen GDM-Kompressionsdruck von 2,1 Mpa vorsieht, beträgt die Gesamthöhe des Brennstoffzellenstapels etwa 500 mm.
-
Das Kompressionsbeibehaltungssystem umfasst 40 nachgiebige Polyesterriemen mit einer Dicke von etwa 1,3 mm, einer Breite von etwa 19 mm und einer Länge von etwa 500 mm pro Riemen. Jeder der nachgiebigen Riemen weist einen Elastizitätsmodul von etwa 3400 Mpa auf. Daher weist jeder der nachgiebigen Riemen eine Steifheit von etwa 168 N/mm auf, und das Kompressionsbeibehaltungssystem weist eine Gesamtsteifheit von etwa 6720 N/mm auf.
-
Wie in 4 gezeigt, weisen mehrere der nachgiebigen Riemen des Kompressionsbeibehaltungssystems eine Lastauslenkungskurve 400 auf, die während der Ausdehnung des Brennstoffzellenstapels 2 während dessen Betriebs im Wesentlichen linear ist. Das GDM des Brennstoffzellenstapels weist eine GDM-Lastauslenkungskurve 402 auf, die im Wesentlichen nicht linear ist. Bei der erwünschten Stapelkompressionskraft 404 wird beobachtet, dass die GDM-Steifheit daher bei etwa 11.100 N/mm liegt.
-
Ein Vergleich der relativen Steifheit (N/mm) 500, 502 des Kompressionsbeibehaltungssystems und des GDM des Brennstoffzellenstapels wird in 5 näher dargestellt. Es versteht sich, dass die Steifheit 500 des Kompressionsbeibehaltungssystems bei der erwünschten Stapelkompressionskraft 404 etwa 6700 N/mm beträgt. Somit ist die Steifheit 500 des Kompressionsbeibehaltungssystems etwa 60% geringer als die Steifheit 502 des GDM 502 bei der erwünschten Stapelkompressionskraft. Das Kompressionsbeibehaltungssystem kann daher einen Sollbetrag der Maßänderungen absorbieren, die bei Betrieb bei Ausdehnung der Brennstoffzellenstapelhöhe auftreten, ohne zu einer wesentlichen Zunahme der Kompressionskraft zu führen.
