DE102011088992A1

DE102011088992A1 - Verteilerblock für einen Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102011088992A1
Application number: DE102011088992A
Authority: DE
Inventors: Duck Whan Kim; Young Bum Kum; Sae Hoon Kim; Jung Han Yu
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2011-07-12
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-01-17
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: JP5971935B2; CN102881926A; CN102881926B; JP2013020933A; KR20130008414A; DE102011088992B4; US9299995B2; US20130017468A1; KR101272594B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen Verteilerblock für einen Brennstoffzellenstapel zur Verfügung, welcher an ein Brennstoffzellen-Stapelmodul gekoppelt ist, und einen Gaskanal und einen Kühlwasserkanal besitzt. Der Verteilerblock weist ein Isolationselement und eine isolierende Abdeckung auf. Das Isolationselement ist in den Kühlwasserkanal eingeführt und kontaktiert eine innere Oberfläche des Kühlwasserkanals. Das Isolationselement besitzt eine rohrartige Form und isoliert die innere Oberfläche des Kühlwasserkanals elektrisch. Die isolierende Abdeckung ist in den Kühlwasserkanal eingeführt und kontaktiert eine innere Oberfläche des Isolationselements. Die isolierende Abdeckung fixiert und schützt das Isolationselement.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verteilerblock für einen Brennstoffzellenstapel. Genauer betrifft sie einen Verteilerblock für einen Brennstoffzellenstapel, welcher eine ausgezeichnete elektrische Isolierung eines Kühlwasserkanals sicherstellen kann, welcher innerhalb von inneren Durchlässen des Verteilerblocks angeordnet ist, wobei der Kühlwasserkanal die Gestalt einer geraden Linie besitzt, die in einem bestimmten Winkel gebogen ist.
(b) Hintergrund der Erfindung
Eine Brennstoffzelle ist eine Art von Stromerzeugungsgerät, welches die chemische Energie eines Kraftstoffs in elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion in einem Stapel umwandelt, anstelle der Umwandlung der chemischen Energie in Wärme durch Verbrennung. Unter den unterschiedlichen Arten von Brennstoffzellen werden Polymer-Elektrolytmembran Brennstoffzellen (PEMFCs, ebenfalls bekannt als Proton Exchange Membrane Fuel Cells), welche eine hohe Energiedichte besitzen, ausgiebig als eine Stromversorgungsquelle zum Antreiben von Fahrzeugen untersucht.
Brennstoffzellen mit einer Polymer-Elektrolytmembran weisen eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) auf, welche gebildet wird aus (a) einer festen Polymer-Elektrolytmembran, durch welche sich Wasserstoffionen bewegen, (b) Katalysator-Elektroden-Schichten, in welchen eine elektrochemische Reaktion auftritt, welche an beide Oberflächen der festen Polymer-Elektrolytmembran befestigt sind, (c) eine Gas-Diffusions-Schicht, welche die Reaktionsgase gleichmäßig verteilt und dazu dient, um die erzeugte elektrische Energie zu übertragen, welche an den äußeren Seiten von jeder Katalysator-Elektroden-Schicht zur Verfügung gestellt wird, und (e) eine Dichtung und Kopplungselemente zum Aufrechterhalten eines geeigneten Drucks und zum Aufrechterhalten der Luftdichtheit, um das Auslaufen von Reaktionsgasen und Kühlwasser zu verhindern. Eine bipolare Platte, die es den Reaktionsgasen und Kühlwasser erlaubt, sich entlang eines Reaktionskanals zu bewegen, ist des Weiteren an den äußeren Seiten der Katalysator-Elektroden-Schichten aufgestapelt, um eine Elementar-Brennstoffzelle zu bilden. Ein Brennstoffzellenstapel, welcher eine gewünschte Ausgangsleistung besitzt, wird dann durch das Aufeinanderstapeln einer Vielzahl von solchen Elementarzellen hergestellt.
Zudem wird ein Verteilerblock in den Brennstoffzellenstapel eingebaut. Der Verteilerblock ist eine Art von Durchlasselement, das es Gasen und Kühlwasser erlaubt, in eine Brennstoffzelle vor und nach einer Reaktion hinein und aus dieser heraus zu fließen, und einen Einlasskanal und einen Auslasskanal eines Brennstoffzellenstapels bildet.
Der Verteilerblock besitzt einen langen und komplizierten Einlasskanal, der es Gasen und Kühlwasser erlaubt, hindurch zu treten. Wenn eine Vielzahl von Stapelmodulen in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingebaut wird, dient ein Verteilerblock, welcher an der äußeren Seite des Stapelmoduls befestigt ist, dazu, jedem Stapelmodul ein Reaktionsgas (Luft und Wasserstoff) und Kühlwasser gleichmäßig bereitzustellen.
Um einen derartigen Verteilerblock herzustellen wird ein Verfahren bereitgestellt, bei dem eine Quaderform unter Verwendung eines Aluminium-Gießprozess gebildet wird, gefolgt von dem Beschichten der Kühlwasserkanäle mit einer Isolierung.
1 ist eine Querschnittsansicht, welche einen gewöhnlichen Verteilerblock veranschaulicht, welcher einen Kühlwasserkanal 11 besitzt und an ein Stapelmodul gekoppelt ist, welche entlang des Kühlwasserkanals 11 entnommen ist.
Wie in 1 dargestellt, ist eine Endplatte 31 an diese äußerste Seite eines Stapelmoduls 30 gekoppelt, in welchem Elementarzellen, wie zum Beispiel die Membran-Elektroden-Anordnung, die Gas-Diffusions-Schicht, die bipolare Platte und eine Dichtung aufeinander gestapelt sind, und ein Verteilerblock 10 ist an der äußeren Seite der Endplatte 31 befestigt, mit einer dazwischen liegend angeordneten Dichtung 32.
Ein Schnittstellenteil 14 zum Aufnehmen von Kühlwasser ist an eine Seite des Verteilerblocks 10 gekoppelt. Kühlwasser, welches dem Schnittstellenteil 14 bereitgestellt wird, gelangt durch den Kühlwasserkanal 11 in den Verteilerblock, und wird dann dem Stapelmodul 30 bereitgestellt. Das Kühlwasser von dem Stapelmodul 30 wird anschließend an die Außenseite mit Hilfe eines weiteren Schnittstellenteils (nicht dargestellt) abgelassen. Insbesondere tritt das Kühlwasser von dem Stapelmodul 30 durch einen weiteren Kühlkanal (nicht dargestellt), und das weitere Schnittstellenteil zum Ablassen des Kühlwassers von dem Stapelmodul 30.
Das Schnittstellenteil 14 und das weitere Schnittstellenteil können aus einem geeigneten Isolationsmaterial gebildet sein, wie zum Beispiel einem Kunststoff und dergleichen.
Wie dargestellt, ist der Kühlwasserkanal 11 in einem bestimmten Winkel gebogen und besitzt die Gestalt einer geraden Linie in dem Verteilerblock 10. Während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels ist der Kühlwasserkanal 11 immer mit Kühlwasser gefüllt. Auf diese Weise kann Hochspannungselektrizität, welche in dem Stapelmodul 30 erzeugt wird, mittels des Kühlwassers nach außen treten, während das Kühlwasser in dem Kühlwasserkanal 11 des Verteilerblocks 10 enthalten ist. Eine solche Ableitung von Elektrizität kann bei einem Anwender oder einem Arbeiter einen Stromschlag verursachen.
Um eine Ableitung von Elektrizität zu verhindern, wird demnach eine Isolationsbeschichtung (zum Beispiel eine keramische Beschichtung, eine Epoxidbeschichtung und eine Teflon-Beschichtung) an dem gesamten Kühlwasserkanal 11 des Verteilerblocks 10 zur Verfügung gestellt.
Während der in 1 dargestellte Verteilerblock 10 vorteilhaft ist, weil ein Differenzdruck aufgrund der einfachen Struktur und einer ausreichenden Größe eines Kühlwasserkanals verringert werden kann, weist er ebenfalls Beschränkungen bei der Beschichtung auf. Insbesondere besitzt der Verteilerblock 10 dahin gehend Beschränkungen, dass eine erhebliche Abweichung der Beschichtungsqualität in Übereinstimmung mit den Arbeitsbedingungen während des Prozess für die Isolationsbeschichtung auftritt, und die Oberflächenrauigkeit nimmt aufgrund der Verklumpung der Beschichtung zu.
Obwohl die Isolierleistung ursprünglich zufriedenstellend sein kann, schreitet im Laufe der Zeit die Verschlechterung voran und die Isolationsbeschichtung wird schrittweise verringert. Des Weiteren tritt eine elektrische Korrosion auf, in dem Maße wie sich die Isolationsbeschichtung verschlechtert.
Die in diesem Abschnitt zur Beschreibung des Hintergrunds offenbarten obigen Informationen dienen nur zur Erleichterung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und können deshalb Informationen enthalten, die keinen Stand der Technik bilden, welche dem Fachmann in diesem Land bereits bekannt sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Verteilerblock für einen Brennstoffzellenstapel zur Verfügung, welcher eine ausgezeichnete elektrische Isolierung eines Kühlwasserkanals sicherstellen kann, ohne dabei eine Isolationsbeschichtung zu benötigen.
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Verteilerblock für einen Brennstoffzellenstapel zur Verfügung. Der Verteilerblock ist mit einem Brennstoffzellen-Stapelmodul gekoppelt, und besitzt einen Gaskanal und einen Kühlwasserkanal, und weist auf: ein Isolationselement, welches innerhalb des Kühlwasserkanals angeordnet ist und eine innere Oberfläche des Kühlwasserkanals kontaktiert, wobei das Isolationselement eine rohrartige Form besitzt und eine elektrische Isolierung des Kühlwasserkanals zur Verfügung stellt; und eine isolierende Abdeckung, welche innerhalb des Kühlwasserkanals angeordnet ist und eine innere Oberfläche des Isolationselements kontaktiert, wobei die isolierende Abdeckung dazu eingerichtet ist, das Isolationselement zu fixieren und zu schützen.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die isolierende Abdeckung eine mehrteilige Struktur besitzen (das heißt, die isolierende Abdeckung kann aus mehreren, wie zum Beispiel zwei, Teilen ausgebildet sein, welche sich kombinieren oder miteinander verbinden, um die isolierende Abdeckung zu bilden) an einem Einführungsteil für Gas von selbigem, welches in den Kühlwasserkanal eingeführt wird, und getrennte isolierende Abdeckungen können in das Isolationselement jeweils an beiden (gegenüber liegenden) Seiten eingeführt werden.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform können die Kanaleinführungsteile von beiden getrennten isolierenden Abdeckungen miteinander verbunden sein, wenn die getrennten isolierenden Abdeckungen vollständig in den Kühlwasserkanal eingeführt sind.
In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann der Verteilerblock zudem aufweisen: einen Flansch, welcher an beiden Endbereichen (zum Beispiel Flansche 21b, 22) des Isolationselements ausgebildet ist, um die Gesamtheit einer äußeren Kante des Kühlwasserkanals zu umgeben; und einen Flansch, welcher an einem Endbereich der isolierenden Abdeckung ausgebildet ist, um den Flansch des Isolationselements zu kontaktieren. Hier können der Flansch der isolierenden Abdeckung und der Flansch des Isolationselements dicht zwischen dem Verteilerblock und dem Stapelmodul angeordnet sein, während sie miteinander gekoppelt sind.
In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann der Flansch der isolierenden Abdeckung eine Nut zum Einführen einer Flanschdichtung zwischen dem Stapelmodul und dem Verteilerblock besitzen.
In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann der Flansch der isolierenden Abdeckung einen Dichtungsvorsprung besitzen, welcher an dem Flansch des Isolationselements zum Beibehalten einer Luftdichtheit zwischen den Flanschen komprimiert werden kann.
In einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform kann der Flansch des Isolationselements einen Dichtungsvorsprung besitzen, welcher an dem Flansch der isolierenden Abdeckung zum Beibehalten einer Luftdichtheit zwischen den Flanschen komprimiert werden kann.
In einer weiteren zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform kann der Dichtungsvorsprung dazu ausgebildet sein, um in Längsrichtung entlang einer Linie der Flanschdichtung hervorzuragen, welche zwischen dem Flansch der isolierenden Abdeckung und dem Stapelmodul angeordnet ist.
In noch einer weiteren zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform kann die isolierende Abdeckung des Weiteren ein Kanaleinführungsteil aufweisen, welcher in einen Gaskanal des Verteilerblocks eingeführt wird, um eine innere Oberfläche des Gaskanals abzudecken.
In noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann die isolierende Abdeckung eine Schraubenabdeckung aufweisen, welche integral ausgebildet ist und welche ein Kupplungsteil bedeckt, wo der Verteilerblock mit einer Schraube gekoppelt ist. Wenn die Schraube in einem Zustand befestigt ist, bei dem sich die Schraubenabdeckung mit dem Kupplungsteil des Verteilerblocks überlappt, dann kann die Schraubenabdeckung des Weiteren als ein Isolator zwischen der Schraube und dem Verteilerblock dienen.
Andere Aspekte und beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden unten stehend diskutiert.
KURZE FIGURENBESCHREIBUNG
Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail mit Bezugnahme auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen von diesen beschrieben werden, welche von den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind, welche unten stehend nur zur Veranschaulichung dienen, und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränken sind, und wobei:
1 ist eine Querschnittsansicht, welche entlang eines Kühlwasserkanals entnommen ist, und einen gewöhnlichen Verteilerblock veranschaulicht, welcher an ein Stapelmodul gekoppelt ist;
2 ist eine Querschnittsansicht, welche entlang eines Kühlwasserkanals entnommen ist, und einen Verteilerblock veranschaulicht, welcher an ein Stapelmodul gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gekoppelt ist;
3 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein Isolationselement und eine isolierende Abdeckung in einem Verteilerblock gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 ist eine perspektivische Ansicht, welche zwei isolierende Abdeckungen veranschaulicht, die gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammengebaut sind;
5 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein Isolationselement und zwei isolierende Abdeckungen veranschaulicht, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammengebaut sind;
6 ist eine perspektivische Ansicht der hinteren Oberfläche einer isolierenden Abdeckung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche einen Dichtungsvorsprung veranschaulicht, welcher in einem Flansch der isolierenden Abdeckung ausgebildet ist; und
7 ist eine Querschnittsansicht eines Verteilerblocks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche eine isolierende Abdeckung veranschaulicht, die in einem Luftkanal und einem Wasserstoffkanal des Verteilerblocks angeordnet ist.
Die in den Zeichnungen dargelegten Bezugszeichen enthalten eine Bezugnahme auf die folgenden Elemente, wie unten stehend diskutiert:
Bezugszeichenliste

10: Verteilerblock
12: Luftkanal
14: Schnittstellenteil
21a: Ring
22: Flansch
23: isolierende Abdeckung
24: Flansch
26: Dichtungsvorsprung
30: Stapelmodul
32: Dichtung
11: Kühlwasserkanal
13: Wasserstoffkanal
21: Isolationselement
21b: Flansch
23a, 23b, 23c, 23d: Kanaleinführungsteil
25: Nut
27: Schraubenabdeckung
31: Endplatte

Es versteht sich, dass die angefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgerecht sind, und eine irgendwie vereinfachte Repräsentation von unterschiedlichen bevorzugten Merkmalen, welche für die grundsätzlichen Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulicht sind, darstellen. Die speziellen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung wie hierin offenbart, einschließlich, zum Beispiel bestimmter Abmaße, Orientierungen, Stellen und Gestaltungen, werden zum Teil von der bestimmten beabsichtigten Anwendung und der Verwendungsumgebung bestimmt werden.
In den Figuren beziehen sich Bezugszeichen auf dieselben oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung über die mehreren Figuren der Zeichnungen hinweg.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend wird nun im Detail auf unterschiedliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei Beispiele davon in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht und unten stehend beschrieben sind. Während diese Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben werden wird, versteht es sich, dass die vorliegende Beschreibung die Erfindung nicht auf diese beispielhaften Ausführungsformen beschränken soll. Im Gegenteil, soll die Erfindung nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abdecken, sondern ebenso unterschiedliche Alternativen, Abänderungen, Äquivalente und andere Ausführungsformen, welche in dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein können, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen festgelegt sind.
Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder „Fahrzeug ...” oder andere ähnliche Ausdrücke, wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen mit einschließt, wie zum Beispiel Personenkraftwagen einschließlich allradangetriebene Offroader (SUV), Busse, Lastwagen, unterschiedliche Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen, und dieser schließt Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in Hybrid Elektrofahrzeuge, wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativem Kraftstoff (zum Beispiel Kraftstoffe, die aus Ressourcen mit Ausnahme von Erdöl erzeugt wurden) mit ein. Wie hierin Bezug genommen, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, welches zwei oder mehrere Kraftquellen besitzt, zum Beispiel sowohl mit Benzin angetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
Die obigen und andere Merkmale der Erfindung werden unten stehend diskutiert. Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verteilerblock für einen Brennstoffzellenstapel, welcher dazu eingerichtet ist, eine ausgezeichnete elektrische Isolierung eines Kühlwasserkanals sicherzustellen, wobei der Kühlwasserkanal die Gestalt einer geraden Linie besitzt, die in einem bestimmten Winkel gebogen ist.
Besonders kann in einem Verteilerblock gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine ausgezeichnete Isolierung und eine Haltbarkeit der Isolierung sichergestellt werden, ohne die Verwendung einer Isolationsbeschichtung, und eine elektrische Korrosion kann wirksam verhindert werden. Insbesondere wird bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Isolationselement, welches eine Gestalt entsprechend der Gestalt eines Kühlwasserkanals besitzt, in den Kühlwasserkanal eingeführt. Das Isolationselement kann aus jedem beliebigen geeigneten Isolationsmaterial gebildet sein, welches den Kühlwasserkanal mit der gewünschten Isolation und der Haltbarkeit der Isolierung versieht (zum Beispiel ein Gummimaterial). Das Isolationselement kann dann an einem Ort fixiert werden und mit einer isolierenden Abdeckung geschützt werden, welche in manchen Ausführungsformen eine zweiteilige isolierende Abdeckung aus Kunststoff aufweisen kann, wobei die zwei Teile in das Isolationselement an beiden (gegenüber liegenden) Seiten des Kühlwasserkanals eingeführt werden.
2 ist eine Querschnittsansicht, welche einen Verteilerblock 10 veranschaulicht, welcher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung an ein Stapelmodul 30 gekoppelt ist, deren Ansicht entlang eines Kühlwasserkanals 11 entnommen ist.
3 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, welche ein Isolationselement 21 und eine isolierende Abdeckung 23 (welche als eine zweiteilige Struktur dargestellt ist) veranschaulicht, die in einen Verteilerblock 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingeführt werden kann. 4 ist eine perspektivische Ansicht, welche zwei Teile einer isolierenden Abdeckung 23 veranschaulicht, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammengebaut sind. 5 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein Isolationselement 21 und zwei Teile einer isolierenden Abdeckung 23 veranschaulicht, die gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammengebaut sind.
6 ist ebenfalls eine perspektivische Ansicht der hinteren Oberfläche einer isolierenden Abdeckung 23 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche einen Dichtungsvorsprung 26 veranschaulicht, welcher in einem Flansch 24 der isolierenden Abdichtung 23 ausgebildet ist.
Ein Verteilerblock gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch einen Gießprozess unter Verwendung eines Metalls, zum Beispiel eines Aluminium-Gießprozess, hergestellt werden und kann an einen Brennstoffzellenstapel befestigt werden, um dem Brennstoffzellenstapel Reaktionsgase und Kühlwasser bereitzustellen.
Wenn eine Vielzahl von Stapelmodulen (zum Beispiel vertikal angeordnete Stapelmodule) in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingebaut sind, dann kann der Verteilerblock 10 an der äußeren Seite des Stapelmoduls 30 befestigt werden und kann dazu dienen, um Reaktionsgase (Luft und Wasserstoff) jedem Stapelmodul gleichmäßig bereit zu stellen.
Wie in 2 dargestellt, kann ein Schnittstellenteil 14 an eine Seite des Verteilerblocks 10 gekoppelt werden. Das Schnittstellenteil 14 kann aus einem beliebigen geeigneten Isolationsmaterial gebildet sein, wie zum Beispiel einem Polymerdichtstoff. Das Schnittstellenteil ist dazu eingerichtet, um Kühlwasser aufzunehmen und steht in Verbindung mit dem Kühlwasserkanal 11. Das Kühlwasser, welches dem Schnittstellenteil 14 bereitgestellt wird, kann durch den Kühlwasserkanal 11 in den Verteilerblock 10 hindurch treten, und wird dann dem Stapelmodul 30 bereitgestellt. Von dem Stapelmodul 30 kann das Kühlwasser dann an die Außenseite mit Hilfe eines weiteren Schnittstellenteils (nicht dargestellt) abgegeben werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung befindet sich der Kühlwasserkanal 11 innerhalb der inneren Durchlässe des Verteilerblocks 10 und ist mit einer rohrförmigen Gestalt vorgesehen. Wie in 2 dargestellt, kann der Kühlwasserkanal 11 insbesondere einen im Wesentlichen rechteckig gestalteten Bereich und einen geradlinig gestalteten Bereich besitzen, der in Bezug auf den im Wesentlichen rechteckig gestalteten Bereich in einem bestimmten Winkel schräg gebogen ist.
Bei einer solchen Struktur, wenn der Kühlwasserkanal 11 nicht isoliert ist, kann auf diese Weise eine Hochspannungselektrizität, welche in dem Stapelmodul 30 erzeugt wird, aus dem Fahrgestell durch den Verteilerblock 10 über das Kühlwasser nach außen treten und kann elektrisch verursachte körperliche Schäden bei einem Anwender oder einem Arbeiter verursachen.
Demzufolge sollte die innere Oberfläche des Kühlwasserkanals 11, welche das Kühlwasser kontaktiert, elektrisch isoliert sein. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann somit ein vorgeformtes Isolationselement 21, welches eine Gestalt entsprechend der inneren Oberfläche des Kühlwasserkanals 11 (zum Beispiel mit einer rohrförmigen Gestalt) besitzt, zum Vorsehen einer Isolation in den Kühlwasserkanal 11 des Verteilerblocks 10 eingeführt werden. Des Weiteren kann eine isolierende Abdeckung 23 zum Fixieren und zum Schützen des Isolationselements 21 in das Isolationselement 21 an beiden (gegenüber liegenden) Seiten des Kühlwasserkanals 11 eingeführt werden. Die isolierende Abdeckung 23 kann aus beliebigen geeigneten Materialien gebildet sein, wie zum Beispiel einem Kunststoff und dergleichen.
Somit kann zum Beispiel das Isolationselement 21, welches eine Gestalt entsprechend der Gestalt des Kühlwasserkanals 11 besitzt, zuvor ausgebildet werden und kann dann in den Kühlwasserkanal 11 eingeführt werden, um eine Isolierung zur Verfügung zu stellen.
Das Isolationselement 21 kann aus beliebigen geeigneten Isolationsmaterialien gebildet sein, um die gewünschten Isolationseigenschaften zur Verfügung zu stellen. In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen ist das Isolationselement 21 aus einem isolierenden Gummimaterial, wie zum Beispiel Fluor-Kunststoff, Silikon, Ethylen-Propylen-Dien-Monomer (EPDM) gebildet. Derartige Materialien können in geeigneter Weise in eine Gestalt entsprechend der internen Oberflächengestalt des Kühlwasserkanals 11 ausgebildet werden, so dass das Isolationselement 21 in den Kühlwasserkanal 11 des Verteilerblocks 10 eingeführt werden kann, damit es in Kontakt mit der inneren Oberfläche des Kühlwasserkanals 11 ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann somit die Isolation des Kühlwasserkanals 11 durch das Vorformen und das Einführen des Isolationselements 21 in den Kühlwasserkanal 11 sichergestellt werden, anstatt wie bei einem herkömmlichen Prozess der Isolationsbeschichtung des Verteilerblocks 10.
Wie oben stehend beschrieben, kann das Isolationselement 21 eine Gestalt entsprechend der Gestalt des Kühlwasserkanals 11 des Verteilerblocks 10 besitzen, so dass es die innere Oberfläche des Kühlwasserkanals 11 kontaktiert. In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen können Flansche 21b, 22 an beiden Enden des Isolationselements 21 ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen können die Flansche 21b, 22 eine Struktur besitzen, die der Endfläche des Stapelmoduls 30 (Endplatte) und der Endfläche des Schnittstellenteils 14 entspricht oder mit ihnen übereinstimmt.
Die Flansche 21b, 22, welche an den beiden Enden des Isolationselements 21 ausgebildet sind, können ebenfalls mit der Gestalt des Kühlwasserkanals 11 übereinstimmen, um die gesamte äußere Kante des Kühlwasserkanals 11 des Verteilerblocks 10 zu umgeben. Wie dargestellt, können die Flansche 21b, 22 dicht zwischen der Endfläche des Verteilerblocks 10 und der Endfläche der Endplatte 31 und zwischen der Endfläche des Verteilerblocks 10 und der Endfläche des Schnittstellenteils 14 angeordnet sein, während sie den Flansch 24 der isolierenden Abdeckung 23 kontaktieren.
Das Isolationselement 21 kann kräftig in den Endabschnitt einer Seite des Kühlwasserkanals 11 des Verteilerblocks 10 eingeführt werden. In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen wird das Isolationselement 21 in den Endabschnitt des Kühlwasserkanals 11 nahe dem Stapelmodul 30 und in einer Richtung zu dem Schnittstellenteil 14 hin eingeführt.
In diesem Fall, um das Isolationselement 21 in einen Abschnitt des Kühlwasserkanals 11 zu übergeben, der gebogen ist, kann ein Ring 21a oder dergleichen an einem Ende des Isolationselements 21 ausgebildet sein. Das Isolationselement 21 kann in den Kühlwasserkanal 11 des Stapelmoduls 30 eingeführt sein, und kann dann zu dem Schnittstellenteil 14 hin unter Verwendung des Rings 21a gedrückt werden.
Das Isolationselement 21, das eingeführt ist, kann dazu dienen, um eine Isolation für den Kühlwasserkanal 11 zur Verfügung zu stellen. In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen besitzt das Isolationselement 21 eine Dicke, die bis zu einem Ausmaß begrenzt ist, welches die Querschnittsfläche des Kühlwasserkanals 11 nicht unerwünscht verringern wird, und auf diese Weise kann das Isolationselement 21 von der inneren Oberfläche des Kühlwasserkanals 11 aufgrund des Strömens des Kühlwasser getrennt werden. Demzufolge kann eine isolierende Abdeckung 23, welche aus einem geeigneten Material gebildet ist, wie zum Beispiel einem Kunststoff, des Weiteren in den Kühlwasserkanal 11 eingeführt werden, um das Isolationselement 21 an der Stelle zu halten. Insbesondere kann die isolierende Abdeckung 23 eingeführt werden, um das Isolationselement 21 zu fixieren und zu schützen. Wie in 3 dargestellt, kann die isolierende Abdeckung 23 Kanaleinführungsteile 23a und 23b besitzen, die in den Kühlwasserkanal 11 eingeführt werden, und welche die innere Oberfläche des Isolationselements 21 kontaktieren. Wie in 2 bis 5 dargestellt, können die Kanaleinführungsteile 23a und 23b jeweils an den beiden (gegenüber liegenden) Enden des Kühlwasserkanals 11 vorgesehen und eingeführt sein.
Die isolierende Abdeckung 23 kann durch jedes beliebige geeignete Verfahren hergestellt sein, wie zum Beispiel Kunststoffspritzgießen. Unter Berücksichtigung der Einspritzstruktur und der Strömungsrichtung des Kühlwassers, können getrennte Teile (Grenzstellen) der Kanaleinführungsteile 23a und 23b von der isolierenden Abdeckung 23 festgelegt werden. In diesem Fall kann die isolierende Abdeckung 23 zum Beispiel derart hergestellt sein, dass sie eine Gestalt besitzt, bei der die getrennten Teile der Kanaleinführungsteile 23a und 23b miteinander in Berührung sind, wenn beide Kanaleinführungsteile 23a und 23b der isolierenden Abdeckung 23 jeweils vollständig in den Kühlwasserkanal 11 des Verteilerblocks 10 eingeführt sind.
Wie in den 2–5 dargestellt, kann ein Flansch 24 an dem Endabschnitt der isolierenden Abdeckung 23 ausgebildet sein und kann direkt mit der Endplatte 31 des Stapelmoduls 30 verbunden sein. Wie dargestellt, kann der Flansch 24 der isolierenden Abdeckung 23 ein Abschnitt sein, welcher den Flansch 22 des Isolationselements 21 kontaktiert. Falls entsprechend eingerichtet, können der Flansch 22 des Isolationselements 21 und der Flansch 24 der isolierenden Abdeckung 23 einen Abschnitt bilden, der dicht zwischen der Endplatte 31 und dem Verteilerblock 10 angeordnet ist.
Wie in 2 dargestellt, kann die isolierende Abdeckung 23 zusammen mit dem Isolationselement 21 dazu dienen, um eine Luftdichtheit zwischen Komponenten sicherzustellen, zusätzlich zu der Befestigung und dem Schutz des Isolationselements 21.
Wie in 2 und 3 dargestellt, kann eine Nut 25 in dem Flansch 24 der isolierenden Abdeckung 23 ausgebildet sein, um eine Flanschdichtung 32 zwischen der Endplatte 31 des Stapelmoduls 30 und dem Flansch 24 der isolierenden Abdeckung 23 anzuordnen. Die isolierende Abdeckung 23 des Verteilerblocks 10 kann direkt an die Endplatte 31 des Stapelmoduls 30 gekoppelt sein, während die Dichtung 32 in der Nut 25 der isolierenden Abdeckung 23 des Verteilerblocks 10 angeordnet ist.
Im Stand der Technik ist eine Nut zur Einführung einer Dichtung in einer Kontaktfläche eines Verteilerblocks ausgebildet, die durch einen Gießprozess hergestellt wird. Die Dichtung wird in die Nut eingeführt, und dann werden der Verteilerblock und eine Endplatte direkt miteinander gekoppelt. Aufgrund der Eigenarten des Gießprozess ist es jedoch schwierig, eine Dichtungsnut auszubilden, welche eine gleichmäßige Breite besitzt.
Aufgrund der unregelmäßigen Breite (Breitenabweichung von ungefähr 1 mm bis zu ungefähr 3 mm aufgrund der Herstellungstoleranzen) der Nut ist es ebenfalls schwierig, die Qualität einer Isolationsbeschichtung sicherzustellen.
Da elektrische Ladungen an dem Endbereich der Nut konzentriert sind, nachdem die Isolationsbeschichtung aufgebracht wird, wird ein Bereich zur Verfügung gestellt, der elektrisch empfindlich ist. Demzufolge können bei dieser Ausführungsform die obigen Einschränkungen durch das Ausbilden der Nut 25 zum Einführen einer Dichtung in der isolierenden Abdeckung 23 überwunden werden, welche aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet ist. Insbesondere kann ein Dichtungsvorsprung 26 an dem Flansch 24 der isolierenden Abdeckung 23 ausgebildet sein, und kann an dem Flansch 22 des Isolationselements 21. komprimiert sein. Der Dichtungsvorsprung 26 kann eine Luftdichtheit zwischen den Flanschen 22 und 24 beibehalten. Der Dichtungsvorsprung 26 kann dazu ausgebildet sein, um in Längsrichtung entlang der Linie der Dichtung 32 (das heißt, die Linie der Nut, welche in der hinteren Oberfläche ausgebildet ist und in welche die Dichtung 32 eingeführt wird) hervorzuragen, welche zwischen der Endplatte 31 des Stapelmoduls 30 und der isolierenden Abdeckung 23 angeordnet ist.
Da der Dichtungsvorsprung 26 dazu ausgebildet ist, um entlang der Linie der Dichtung 32 hervor zu ragen, wenn die Dichtung 32, welche zwischen dem Stapelmodul 30 und der isolierenden Abdichtung 23 angeordnet ist, den Flansch 24 der isolierenden Abdeckung 23 somit komprimiert, dann kann der Dichtungsvorsprung 26 des Flansch 24 den Flansch 22 des Isolationselements 21 komprimieren. Demzufolge kann eine ausgezeichnete Luftdichtheit erzielt werden.
in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen kann der Dichtungsvorsprung an dem Flansch 22 des Isolationselements 21 anstelle des Flansches 24 der isolierenden Abdeckung 23 ausgebildet sein. In diesem Fall kann der Dichtungsvorsprung den Flansch 24 der isolierenden Abdeckung 23 komprimieren, und kann ebenfalls dazu ausgebildet sein, um in Längsrichtung entlang der Linie der Dichtung 32 hervor zu ragen.
In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen kann eine Schraubenabdeckung 27 ebenfalls integral an einer Seite der isolierenden Abdeckung 23 ausgebildet sein. Die Schraubenabdeckung 27 kann als ein Isolator zwischen einer Schraube und dem Verteilerblock 10 dienen, durch das Überlappen der Schraubenabdeckung 27 an dem Kupplungsteil des Verteilerblocks 10 und durch das anschließende Befestigen der Schraube.
7 ist eine Querschnittsansicht des Verteilerblocks 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche entlang der Linie A-A von 2 entnommen ist. In 7 ist die isolierende Abdeckung 23 als in einen Luftkanal 12 und einen Wasserstoffkanal 13 des Verteilerblocks 10 eingeführt dargestellt.
Da die Kanäle 12 und 13 dazu ausgebildet sind, um Luft und Wasserstoff (Reaktionsgase) zusätzlich zu dem Kühlwasserkanal 11 bereitzustellen, können die Kanaleinführungsteile 23c und 23d der isolierenden Abdeckung 23 zum Fixieren und zum Schützen des Isolationselements 21 ebenfalls in den Luftkanal 12 und den Wasserstoffkanal 13 eingeführt sein, um die inneren Oberflächen von diesen Kanälen 12 und 13 zu kontaktieren.
Es wird sowohl Wasser als auch Elektrizität aus einer elektrochemischen Reaktion in dem Stapelmodul 30 erzeugt. Das erzeugte Wasser kann zu der Außenseite mit Hilfe des Luftkanals 12 und des Wasserstoffkanals 13 des Verteilerblocks 10 abgelassen werden.
Das erzeugte Wasser kann einen elektrischen Durchlass zwischen dem Stapelmodul 30 und dem Verteilermodul 10 bilden, während es entlang des Luftkanals 12 und des Wasserstoffkanals 13 abgelassen wird, welches ebenfalls elektrisch verursachte körperliche Schäden bei einem Anwender oder bei einem Arbeiter verursachen kann, obwohl nur zeitweilig auftretend und geringfügig im Vergleich zu einem Leckstrom, welcher von dem Kühlwasser verursacht wird.
Wie in 7 dargestellt, kann demzufolge die isolierende Abdeckung 23 zum Fixieren und zum Schützen des Isolationselements 21 in die Kanäle (Luftkanal 12 und Wasserstoffkanal 13) der Reaktionsgase eingeführt werden, und um Kanaleinführungsteile 23c und 23d auszubilden, welche jeweils die innere Oberfläche der Kanäle 12 und 13 bedecken, und können es einem Bereich der Kanäle 12, 13, welcher von den Kanaleinführungsteilen 23c und 23d bedeckt ist, erlauben, elektrisch isoliert zu sein.
In Übereinstimmung mit einem Verteilerblock für einen Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung kann eine ausgezeichnete Isolierung und eine Haltbarkeit der Isolierung sichergestellt werden, ohne dabei eine Isolationsbeschichtung vorzunehmen, und eine elektrische Korrosion kann verhindert werden, durch das Einführen eines vorgeformten Isolationselements in den Kühlwasserkanal. Das Isolationselement ist aus einem beliebigen geeigneten Isolationsmaterial gebildet (zum Beispiel Gummi) und ist geformt, um der Gestalt eines Kühlwasserkanals zu entsprechen. Eine isolierende Abdeckung zum Fixieren und zum Schützen des Isolationselements kann des Weiteren in das Isolationselement eingeführt sein, zum Beispiel durch das Einführen einer zweiteiligen isolierenden Abdeckung aus Kunststoff (oder einem anderen geeigneten Material) an beiden (gegenüber liegenden) Seiten des Kühlwasserkanals.
Die Erfindung wurde im Detail mit Bezugnahme auf deren beispielhafte Ausführungsformen beschrieben. Der Fachmann erkennt jedoch, dass an diesen Ausführungsformen Veränderungen durchgeführt werden können, ohne dabei von den Prinzipien der Erfindung und dem Erfindungsgedanken abzuweichen, wobei deren Schutzumfang in den angehängten Patentansprüchen und ihren Äquivalenten festgelegt wird.

Claims

Verteilerblock für einen Brennstoffzellenstapel, welcher an ein Brennstoffzellen-Stapelmodul gekoppelt ist, mit: einem Gaskanal und einem Kühlwasserkanal; einem Isolationselement, welches in den Kühlwasserkanal eingeführt ist und eine innere Oberfläche des Kühlwasserkanals kontaktiert, wobei das Isolationselement eine vorgeformte rohrartige Form besitzt und dazu eingerichtet ist, um den Kühlwasserkanal elektrisch zu isolieren; und einer isolierenden Abdeckung, welche in den Kühlwasserkanal eingeführt ist und eine innere Oberfläche des Isolationselements kontaktiert, wobei die isolierende Abdeckung dazu eingerichtet ist, das Isolationselement zu fixieren und zu schützen.
Verteilerblock nach Anspruch 1, wobei die isolierende Abdeckung eine zweiteilige Struktur an einem Einführungsteil für Gas von selbigem besitzt, welches in den Kühlwasserkanal eingeführt wird, und wobei jedes Teil der isolierenden Abdeckung in das Isolationselement jeweils an gegenüberliegenden Seiten des Kühlwasserkanals eingeführt wird.
Verteilerblock nach Anspruch 2, wobei die Kanaleinführungsteile der beiden isolierenden Abdeckungsteile miteinander verbunden sind, wenn die zwei isolierenden Abdeckungsteile vollständig in den Kühlwasserkanal eingeführt sind.
Verteilerblock nach Anspruch 1, zudem umfassend: einen Flansch an beiden Endbereichen des Isolationselements, welcher dazu eingerichtet ist, um die äußere Kante des Kühlwasserkanals zu umgeben; und einen Flansch an einem Endbereich der isolierenden Abdeckung, welcher dazu eingerichtet ist, um den Flansch des Isolationselements zu kontaktieren, wobei der Flansch der isolierenden Abdeckung und der Flansch des Isolationselements dicht zwischen dem Verteilerblock und dem Stapelmodul angeordnet sind, während sie miteinander gekoppelt sind.
Verteilerblock nach Anspruch 4, wobei der Flansch der isolierenden Abdeckung eine Nut zum Einführen einer Flanschdichtung zwischen dem Stapelmodul und dem Verteilerblock besitzt.
Verteilerblock nach Anspruch 4, wobei der Flansch der isolierenden Abdeckung einen Dichtungsvorsprung besitzt, welcher an dem Flansch des Isolationselements zum Beibehalten einer Luftdichtheit zwischen den Flanschen komprimiert wird.
Verteilerblock nach Anspruch 4, wobei der Flansch des Isolationselements einen Dichtungsvorsprung besitzt, welcher an dem Flansch der isolierenden Abdeckung zum Beibehalten einer Luftdichtheit zwischen den Flanschen komprimiert wird.
Verteilerblock nach Anspruch 6, wobei der Dichtungsvorsprung dazu ausgebildet ist, um in Längsrichtung entlang einer Linie der Flanschdichtung hervorzuragen und zwischen dem Flansch der isolierenden Abdeckung und dem Stapelmodul angeordnet ist.
Verteilerblock nach Anspruch 7, wobei der Dichtungsvorsprung dazu ausgebildet ist, um in Längsrichtung entlang einer Linie der Flanschdichtung hervorzuragen und zwischen dem Flansch der isolierenden Abdeckung und dem Stapelmodul angeordnet ist.
Verteilerblock nach Anspruch 1, wobei die isolierende Abdeckung des Weiteren ein Kanaleinführungsteil aufweist, welches in den Gaskanal des Verteilerblocks eingeführt wird, um eine innere Oberfläche des Gaskanals abzudecken.
Verteilerblock nach Anspruch 1, wobei die isolierende Abdeckung eine Schraubenabdeckung aufweist, welche integral ausgebildet ist und ein Kupplungsteil bedeckt, wo der Verteilerblock mit einer Schraube gekoppelt ist, wobei wenn die Schraube in einem Zustand befestigt ist, bei dem sich die Schraubenabdeckung mit dem Kupplungsteil des Verteilerblocks überlappt, dann dient die Schraubenabdeckung als ein Isolator zwischen der Schraube und dem Verteilerblock.
Verfahren zum Isolieren eines Kühlkanals eines Verteilerblocks für einen Brennstoffzellenstapel, mit: Ausbilden eines rohrartigen Isolationselements, welches eine Gestalt entsprechend der Gestalt des Kühlkanals besitzt; kräftiges Einführen des Isolationselements in den Kühlwasserkanal derart, dass die äußeren Oberflächen des Isolationselements in Kontakt mit den inneren Oberflächen des Kühlwasserkanals sind; Einführen einer isolierenden Abdeckung in den Kühlwasserkanal derart, dass die isolierende Abdeckung eine innere Oberfläche des Isolationselements bedeckt, wobei die isolierende Abdeckung derart eingeführt wird, dass sie das Isolationselement fixiert und schützt.