-
GEBIET DER ERFINDUNG
-
Diese Erfindung betrifft einen Brennstoffzellenstapel und insbesondere ein System und Verfahren zur Herstellung einer Unterdichtung (von engl.: ”subgasket”) des Brennstoffzellenstapels.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Eine Brennstoffzelle ist als eine saubere, effiziente und umweltfreundliche Energiequelle für verschiedene Anwendungen vorgeschlagen worden. Insbesondere können einzelne Brennstoffzellen aneinander in Reihe gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, der in der Lage ist, eine Menge an Elektrizität zu liefern, die ausreichend ist, um ein Elektrofahrzeug anzutreiben. Der Brennstoffzellenstapel ist als eine potentielle Alternative für einen herkömmlichen Verbrennungsmotor festgestellt worden, der in modernen Fahrzeugen verwendet wird.
-
Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die einen Brennstoff, wie Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, kombinieren, um Elektrizität zu erzeugen. Der Sauerstoff wird typischerweise durch einen Luftstrom geliefert. Der Wasserstoff und der Sauerstoff werden kombiniert, um die Bildung von Wasser zur Folge zu haben. Es können andere Brennstoffe verwendet werden, wie beispielsweise Erdgas, Methanol, Benzin und von Kohle abgeleitete synthetische Brennstoffe.
-
Ein Typ einer Brennstoffzelle ist als eine Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle weist typischerweise drei Grundkomponenten auf: eine Kathode, eine Anode und eine Elektrolytmembran. Die Kathode und die Anode weisen typischerweise einen fein geteilten Katalysator, wie Platin auf, der auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist schichtartig zwischen der Kathode und der Anode angeordnet, um eine Membran-Elektrolyt-Baugruppe (MEA) zu bilden.
-
In einer typischen Brennstoffzelle vom PEM-Typ wird die MEA schichtartig zwischen Diffusionsmedien oder Diffusionsschichten (DM) angeordnet, die aus einem nachgiebigen, leitenden und gaspermeablen Material ausgebildet sind, wie Kohlefaser oder -papier. Bei gewissen Konstruktionen werden die Kathode und die Anode auch aus dem DM geformt und schichten die Elektrolytmembran ”sandwich”-artig. Die DM dienen als Stromkollektoren für die Anode und die Kathode und stellen auch eine mechanische Abstützung für die MEA bereit. Die DM und die MEA werden zwischen einem Paar elektrisch leitender Bipolarplatten gepresst, die auch als Stromkollektoren zum Sammeln des Stroms von der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion dienen.
-
Die Bipolarplatte weist typischerweise zwei dünne, zueinander weisende metallische Unipolarplatten auf. Eine der metallischen Unipolarplatten definiert einen Strömungspfad an ihrer Außenfläche zur Lieferung von Wasserstoffreaktand an die Anode der MEA. Eine Außenfläche der anderen Unipolarplatte definiert einen Strömungspfad für den Oxidationsmittelreaktand zur Lieferung an die Kathodenseite der MEA. Wenn die Unipolarplatten aneinander gefügt sind, definieren die aneinander gefügten Oberflächen einen Pfad für eine Strömung eines Kühlmittelfluides hindurch. Die Unipolarplatten werden typischerweise aus einem formbaren Metall hergestellt, das eine geeignete Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit bereitstellt, wie beispielsweise rostfreien Stahl aus 316L Legierung.
-
Der Brennstoffzellenstapel wird allgemein komprimiert, um die verschiedenen Komponenten desselben gemeinsam im Betrieb zu halten. Um einer unerwünschten Leckage von Reaktanden und anderen Fluiden von dem Brennstoffzellenstapel entgegenzuwirken, wird oftmals eine Dichtung verwendet. Die Dichtung kann durch eine Unterdichtung bereitgestellt werden, die beispielsweise mit der Elektrolytmembran verbunden ist. Die Dichtung kann auch entlang eines Umfangsrandes der Plattenpaare angeordnet sein. Bekannte Dichtungen sind aus einem Elastomermaterial geformt worden.
-
Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einem Verfahren zum Abdichten zwischen den Platten eines Brennstoffzellenstapels, wobei die Dichtung einer Leckage von Fluiden von dem Brennstoffzellenstapel entgegenwirkt und eine Herstellkomplexität minimiert ist.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung ist überraschend ein Verfahren zum Abdichten zwischen Platten eines Brennstoffzellenstapels entdeckt worden, wobei die Dichtung einer Leckage von Fluiden von dem Brennstoffzellenstapel entgegenwirkt und eine Herstellkomplexität minimiert ist.
-
GEFORMTE UNTERDICHTUNG
-
Materialkandidaten der geformten Unterdichtung:
-
Die Unterdichtung kann aus dünnen Filmpolymeren hergestellt werden, die kostengünstig sind, während sie mit der Brennstoffzellenumgebung und den Verarbeitungsschritten kompatibel sind, die notwendig sind, um die Unterdichtung herzustellen wie auch die Unterdichtung in eine Brennstoffzelle einzubauen. Einige Filmmaterialien sind Varianten von Polypropylen, PEN und PET mit höherer Temperatur. Dem Fachmann sei zu verstehen, dass eine geschäumte Version des Polymerfilms erwünscht sein kann, wenn die Dicke der Unterdichtung über eine Auflagefläche der Unterdichtung variiert. Insbesondere erlaubt geschäumtes Polymer Dickenvariationen, ohne dass es erforderlich ist, dass das Polymer in der Ebene des Filmes während des Herstellprozesses übermäßig fließt.
-
Herstellprozessoptionen:
-
Eine Vorgehensweise zur Herstellung besteht darin, dünne Polymerfilme thermozuformen. Ein Thermoformprozess, der als eine Passformung bekannt ist, kann insbesondere verwendet werden und ermöglicht die Ausbildung präziser Details in dem Film. Zusätzlich kann die Passformung einiges von dem Polymer in der Ebene des Teils fließen lassen, wodurch sowohl dicke als auch dünne Abschnitte erzeugt werden. Die Passformung wird durch Erhitzen des Filmes kurz unterhalb oder oberhalb eines Schmelzpunkts und Quetschen des Filmes zwischen einer positiven und einer negativen Form des Teiles erreicht.
-
Wenn eine etwa gleichförmige Dicke des resultierenden Stücks erforderlich ist und keine Präzision der Merkmale erforderlich ist, dann kann auch eine Unterdruckformung und/oder Druckformung verwendet werden. Wenn die geformte Unterdichtung keine signifikante Dehnung erfordert (d. h. die Unterdichtung im Wesentlichen planar ist), kann dieses Verfahren eingesetzt werden.
-
Dichtungswulstform:
-
Die Dichtungswulstform ist so ausgelegt, dass die Dichtungswulstform sich während der Stapelkompression biegen kann, jedoch nicht bis zu dem Punkt, wo Spannungen die Fähigkeit der Dichtungswulstform zum Halten von Fluiddruck während einer Injektion eines nicht gehärteten elastomeren Dichtungsmittels reduzieren. Im teilweise komprimierten Zustand beispielsweise vor der Injektion des nicht gehärteten elastomeren Dichtungsmittels muss die Dichtungswulstform eine ausreichende Kraft auf die Kontaktlinien zu den Bipolarplatten ausüben, um eine signifikante Leckage des injizierten, nicht gehärteten elastomeren Dichtmittels ausreichend abzudichten und zu verhindern. Jegliche unbedeutende Leckage des Dichtmittels sollte die nach dem Härten erfolgende Kompression des Wulstes nicht gefährden oder die Strömung von Reaktanden oder Kühlmittel in dem Brennstoffzellenstapel nicht blockieren.
-
Die Dichtungswulstform braucht mit einer Bipolarplatte nur unter Verwendung eines Wulstprofils mit einzelner Wölbung in Kontakt stehen. Diese Ausführungsform kann eine dünne Dichtung (oder Klebstoff) zwischen dem oberen Bereich des geformten Wulstprofils und der unteren Fläche der oberen Bipolarplatte erfordern. Eine zweite Ausführungsform verwendet ein Wulstprofil mit zwei Wölbungen, wobei Durchlöcherungen entlang des geformten Elastomerdurchgangs vorhanden und zwischen den beiden Wölbungen in dem Wulstprofil angeordnet sind. Bei Füllung fließt das nicht gehärtete Elastomer durch die Durchlöcherungen, wodurch ein Elastomerkontakt mit beiden Bipolarplatten bereitgestellt wird.
-
Die Elastomerdurchgänge sind an einem oder mehreren Punkten über die Auflagefläche der Zelle verbunden. Diese Verbindungspunkte erlauben auch eine Strömung von Zelle zu Zelle durch im Wesentlichen übereinstimmende Durchgänge oder Löcher.
-
Kurzschlussschutz:
-
Ein Kurzschlussschutz (z. B. außerhalb eines aktiven Bereiches) kann durch Ausbilden dickerer Gebiete an der Unterdichtung bereitgestellt werden, um den Raum zwischen den Bipolarplatten außerhalb der Dichtungswulstformen größtenteils zu füllen. Die dickeren Gebiete können durch Verwendung eines dickeren Filmes erreicht werden, um bei bestimmten Ausführungsformen mit dem Film zu beginnen oder Muster in diesem zu formen.
-
Anordnungsmerkmale:
-
Merkmale, die die Unterdichtungsbaugruppe an zumindest einer der Bipolarplatten anordnen, können gleichzeitig wie die Dichtungswulstformmerkmale geformt werden. Dies stellt sicher, dass die Dichtungsmerkmale mit den geprägten Merkmalen an der Bipolarplatten genau ausgerichtet sind. Eine Ausführungsform besteht darin, die Einlass- und/oder Auslassdurchlässe für die Dichtmittelinjektion mit nicht gehärtetem Elastomer zu verwenden, da diese auch dazu verwendet werden können, Zelle mit Zelle während der Stapelung auszurichten.
-
Kandidaten für das Dichtmittelmaterial
-
Es ist bestimmt worden, dass ein Dichtmittel aus nicht gehärtetem Elastomer mit relativ geringer Viskosität (z. B. 1000 bis 2000 cP) verwendet werden kann, um Füllzeiten vernünftig kurz (z. B. etwa 30 s) zu halten sowie Injektionsdrücke, die durch die Elastomerdurchgänge in der geformten Unterdichtungsvorrichtung gehandhabt werden können. Die Aushärtungstechnologien können zweiteilig, thermisch oder eine Kombination der beiden sein. Es können auch andere Härtungstechnologien verwendet werden.
-
Ein anderes geeignetes Material für das Dichtmittel kann ein schäumendes elastomeres Fluid sein, solange die Kompression, die auf den Schaum innerhalb der geformten Unterdichtungsdurchgänge aufgebracht ist, über die Lebensdauer der Brennstoffzelle gering bleibt.
-
BRENNSTOFFZELLENSTAPELBAUGRUPPE
-
Stapelung:
-
Die geformte Unterdichtung wird zwischen jeder Bipolarplatte positioniert. Die Unterdichtung kann eine Brennstoffzellen-Membranelektrodenbaugruppe (MEA) besitzen, die bereits daran befestigt ist.
-
Bei geringeren Volumen können kleinere Gruppen von Zellen (z. B. 10–30) gestapelt und abgedichtet werden. Diese Gruppen von Zellen können wartbare Dichtungen zwischen den Zellengruppen verwenden. Dies erlaubt eine Qualitätssteuerung, um diese Unterstapel aufzubauen und zu testen, wie auch diese zu warten, wenn sich die Technologie entwickelt. Mit der Zeit kann durch Qualitäts-, Zuverlässigkeits- und Volumenerhöhungen die Größe der Gruppen von Zellen zunehmen, und schließlich wird der gesamte Stapel als eine Einheit gestapelt und abgedichtet. Dies entsteht aus einem reduzierten Bedarf nach Wartung und Reduzierung der Anzahl von Dichtungen und Montageschritten.
-
Wenn Unterstapel verwendet werden, kann eine dedizierte Werkzeugausstattung zur Kompression verwendet werden. Diese Werkzeugausstattung simuliert die Kompression, die durch die Endeinheiten des vollständig montierten Brennstoffzellenstapels typischerweise vorgesehen wird. Wenn eine nach der Härtung erfolgende Leckageprüfung und/oder Leistungsfähigkeitstestung gewünscht sind, simuliert diese Werkzeugausstattung die Endeinheiten vollständig, die an Stapeln mit voller Größe zu finden sind. Dies würde die Kompression, Fluidströmungs-(Wasserstoff, befeuchtete Luft und möglicherweise Kühlmittel)-Abdichtung wie auch elektrische Verbindungen (Zellenleistung) und elektrische Isolierung betreffen.
-
Wenn ein Brennstoffzellenstapel mit voller Größe auf einmal abgedichtet wird, können die Produktionsstapelendeinheiten, die für den vollständigen Brennstoffzellenstapel bestimmt sind, anstelle einer dedizierten Werkzeugausstattung verwendet werden. In diesem Fall sind Vorkehrungen zur Injektion des Elastomers durch die Endeinheiten in den Zellenstapel vorgesehen.
-
Anhaftung an der Platte:
-
Während es bevorzugt ist, eine Zellenkompression zur Abdichtung der nicht gefüllten Elastomerdurchgänge in der Unterdichtung zu verwenden, kann es notwendig sein, die Gebiete benachbart den Elastomerdurchgängen an der Basis des Wulstprofils an einer Seite jeder Bipolarplatte anzuhaften. Dies kann mit verschiedenen brennstoffzellenkompatiblen drucksensitiven Klebstoffen oder einem Heißschmelzklebstoff durchgeführt werden, der durch Kontakt mit einer erhitzten Bipolarplatte und/oder einem Heißverprägungswerkzeug aktiviert wird.
-
Teilkompression:
-
Der Stapel (oder Unterstapel) wird bei diesem Schritt komprimiert, um die leeren Elastomerdichtungsdurchgänge teilweise zu komprimieren. Dies wird hauptsächlich durchgeführt, um den Unterdichtungsfilm an jede Bipolarplatte abzudichten und den Druck des nicht gehärteten Elastomers während dessen Injektions- oder Füllschrittes zu enthalten.
-
Elastomerinjektion:
-
Sobald eine ausreichende Dichtung sichergestellt ist (z. B. durch einen Unterdruck- oder Druckleckagetest) wird dann das nicht gehärtete Elastomer mit einer Injektionsdüse durch ein Ende der Gruppe von Zellen und einen oder mehrere Injektionspunkte injiziert. Eine Analyse schlägt vor, dass ein Fülldruck von etwa 60 psi eine Füllzeit von etwa 30 Sekunden mit einem gewünschten Dichtungswulstformprofil unter Verwendung eines Fluides mit einer Viskosität von etwa 1000 cP bereitstellt. Sobald eine vollständige Füllung sichergestellt ist, wird die Injektion gestoppt und die Injektionsdüse von dem Brennstoffzellenstapel entfernt.
-
Es kann auch ein Stopfen in die Einlassdurchlässe eingesetzt werden, um nach Bedarf jegliches nicht gehärtete Elastomer zu enthalten. Die Füllung kann auch durch Ziehen eines Unterdrucks an den Elastomerdurchgängen vor und/oder während einer Elastomerinjektion unterstützt werden.
-
Reduziere Kompression:
-
Bei bestimmten Ausführungsformen ist es erwünscht, die Teilkompression an der Gruppe von Zellen zu entlasten, um zu ermöglichen, dass die Dichtungswulstformmerkmale in der Höhe (z. B. bis zu ihrer nicht komprimierten Höhe) wachsen und ein Härten des Elastomers in einer schmaleren Form zulassen. Diese würde mehr Dichtungskompression in einem gehärteten Zustand zulassen, während die Spannungen an der geformten Dichtungswulstform reduziert werden.
-
Dichtungshärtung:
-
Sobald eine vollständige Füllung sichergestellt und der Fluss von Elastomer gestoppt ist, kann das Elastomer über mehrere Pfade aushärten. Eine katalytische Härtung kann bei Raumtemperatur oder beschleunigt durch Verwendung von Wärme ausgeführt werden. Die Wärme kann auf die Bipolarplatten vor und/oder während des Stapels aufgebracht werden und das Elastomer während und nach dem Füllschritt durchdringen.
-
Volle Kompression:
-
Sobald die Dichtungen ausreichend gehärtet sind, wird der Stapel (oder Unterstapel) dann vollständig komprimiert und in seiner Ummantelung angebracht und an die nächste Station zur weiteren Montage und/oder zu Qualitätsprüfungen geführt.
-
Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Unterdichtung für einen Brennstoffzellenstapel, der ein Paar von Platten, die in einem Stapel angeordnet sind, besitzt, den Schritt zur Positionierung einer Membran zwischen den Platten. Die Membran umfasst einen Innenabschnitt und einen Abschnitt mit gewundener Form. Der Abschnitt mit gewundener Form ist auswärts von dem Innenabschnitt angeordnet. Der Innenabschnitt grenzt an einer Protonenaustauschmembran der Brennstoffzelle an. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist der Innenabschnitt im Wesentlichen planar. Der Abschnitt mit gewundener Form grenzt an jeder der Platten an. Der Abschnitt mit gewundener Form definiert zumindest einen Hohlraum zwischen einer der Platten und der Membran. Ein viskoses Dichtmittel wird in den Hohlraum injiziert. Das Dichtmittel wird gehärtet, um eine nachgiebige Wulstdichtung an der Membran zu bilden.
-
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst eine Unterdichtung für einen Brennstoffzellenstapel, der ein Paar von Platten besitzt, eine zwischen den Platten positionierte Membran. Die Membran umfasst einen Innenabschnitt und einen Abschnitt mit gewundener Form. Der Innenabschnitt grenzt an einer Protonenaustauschmembran der Brennstoffzelle an. Der Abschnitt mit gewundener Form grenzt an jeder der Platten an. Der Abschnitt mit gewundener Form definiert zumindest einen Hohlraum zwischen einer der Platten und der Membran. Eine nachgiebige Wulstdichtung wird an der Membran durch Injizieren eines viskosen Dichtmittels in den Hohlraum und Härten des Dichtmittels geformt.
-
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellenstapel ein Paar von Platten, die in einem Stapel angeordnet sind, ein Paar von Diffusionsmediumschichten, die zwischen den Platten angeordnet sind, und eine Membranelektrodenbaugruppe, die schichtartig zwischen den Diffusionsmediumschichten angeordnet ist. Die Brennstoffzelle umfasst ferner eine Unterdichtung mit einer zwischen den Platten positionierten Membran. Die Membran umfasst einen Innenabschnitt und einen Abschnitt mit gewundener Form. Der Innenabschnitt grenzt an der Membranelektrodenbaugruppe der Brennstoffzelle an. Der Abschnitt mit gewundener Form grenzt an jeder der Platten an. Der Abschnitt mit gewundener Form definiert zumindest einen Hohlraum zwischen einer der Platten und der Membran. Eine nachgiebige Wulstdichtung wird an der Membran durch Injizieren eines viskosen Dichtmittels in den Hohlraum und Aushärten des Dichtmittels geformt.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
-
1 eine Draufsicht eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung ist, wobei eine Platte entfernt gezeigt ist, um eine Unterdichtung des Brennstoffzellenstapels freizulegen;
-
2 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht an einem Anodenzufuhrteil des Brennstoffzellenstapels ist, die durch Schnittlinie A-A in 1 gezeigt ist, wobei sie mit anwesender Platte gezeigt ist, um den Zusammenbau mit der Unterdichtung zu veranschaulichen;
-
3 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht an einem Kathodenzufuhrteil des Brennstoffzellenstapels ist, die durch Schnittlinie B-B in 1 gezeigt ist, wobei sie mit anwesender Platte gezeigt ist, um einen Zusammenbau mit der Unterdichtung zu veranschaulichen;
-
4 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht an einem Kühlmittelzufuhrteil des Brennstoffzellenstapels ist, die durch Schnittlinie C-C in 1 gezeigt ist, wobei sie mit anwesender Platte gezeigt ist, um einen Zusammenbau mit der Unterdichtung zu veranschaulichen;
-
5 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht an einem Randteil des Brennstoffzellenstapels ist, die durch Schnittlinie D-D in 1 gezeigt ist, wobei sie mit anwesender Platte gezeigt ist, um den Zusammenbau mit der Unterdichtung zu veranschaulichen;
-
6 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht an einem Sammelleitungsteil des Brennstoffzellenstapels ist, die durch Schnittlinie E-E in 1 gezeigt ist, wobei sie mit anwesender Platte gezeigt ist, um den Zusammenbau mit der Unterdichtung zu veranschaulichen;
-
7 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht an einer Dichtungsfügestelle zu einer Anodentunnel-Kühlmitteldichtung des Brennstoffzellenstapels ist, die durch Schnittlinie F-F in 1 gezeigt ist, wobei sie mit anwesender Platte gezeigt ist, um den Zusammenbau mit der Unterdichtung zu veranschaulichen;
-
8 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht an einer Dichtungsfügestelle mit einer Kathodentunnel-Kühlmitteldichtung des Brennstoffzellenstapels ist, die durch Schnittlinie G-G in 1 gezeigt ist, wobei sie mit anwesender Platte gezeigt ist, um den Zusammenbau mit der Unterdichtung zu veranschaulichen;
-
9 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht des Brennstoffzellenstapels gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung an einem Anodenzufuhrteil des Brennstoffzellenstapels ist, die durch Schnittlinie A-A in 1 gezeigt ist, wobei sie mit anwesender Platte gezeigt ist, um den Zusammenbau mit der Unterdichtung zu veranschaulichen;
-
10 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht des Brennstoffzellenstapels gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung an einem Randteil des Brennstoffzellenstapels ist, die durch Schnittlinie D-D in 1 gezeigt ist, wobei sie mit anwesender Platte gezeigt ist, um den Zusammenbau mit der Unterdichtung zu veranschaulichen;
-
11 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht des Brennstoffzellenstapels gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung an einer Dichtungsfügestelle zu einer Anodentunnel-Kühlmitteldichtung des Brennstoffzellenstapels ist, der mit Schnittlinie F-F in 1 gezeigt ist, wobei sie mit anwesender Platte gezeigt ist, um den Zusammenbau mit der Unterdichtung zu veranschaulichen;
-
12 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht des Brennstoffzellenstapels gemäß einer anderen Ausführungsform der Offenbarung an einem Sammelleitungsteil des Brennstoffzellenstapels ist, die durch Schnittlinie E-E in 1 gezeigt ist, wobei sie mit anwesender Platte gezeigt ist, um den Zusammenbau mit der Unterdichtung zu veranschaulichen;
-
13 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht des Brennstoffzellenstapels gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung an einem Randteil des durch Schnittlinie D-D in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels ist, wobei sie mit anwesender Platte gezeigt ist, um den Zusammenbau mit der Unterdichtung zu veranschaulichen; und
-
14 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht des Brennstoffzellenstapels gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung an einem Anodenzufuhrteil des durch Schnittlinie A-A in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels ist, wobei sie mit anwesender Platte gezeigt ist, um den Zusammenbau mit der Unterdichtung zu veranschaulichen.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken. In Bezug auf die offenbarten Verfahren sind die dargestellten Schritte lediglich beispielhafter Natur, und somit ist die Reihenfolge der Schritte weder notwendig noch kritisch.
-
Die 1–8 zeigen einen Brennstoffzellenstapel 2 gemäß der vorliegenden Offenbarung. In 1 ist der Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Unterdichtung 4 gezeigt, die zu Zwecken der Veranschaulichung freigelegt ist. Beispielhafte Brennstoffzellenstapel 2 zur Verwendung mit der Unterdichtung 4 der vorliegenden Offenbarung sind in der vom Anmelder ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung Seriennummer 12/341,105 und US-Patentnummer 7,892,692 gezeigt und beschrieben, wobei die gesamten Offenbarungen hier durch Bezugnahme hierdurch eingeschlossen sind. Es können auch andere Typen von Brennstoffzellenstapeln 2 mit der Unterdichtung 4 der vorliegenden Offenbarung nach Bedarf verwendet werden.
-
Der Brennstoffzellenstapel 2 weist ein Paar von Platten 6, 8 auf, die in einem Stapel angeordnet sind. Beispielsweise können die Platten 6, 8 Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels 2 sein. Jede der Platten 6, 8 besitzt ein aktives Gebiet 10 und ein Zufuhrgebiet 12. Eine Membranelektrodenbaugruppe oder MEA 14 weist eine Protonenaustauschmembran auf, die zwischen einem Paar von Elektrodenschichten schichtartig angeordnet und in dem aktiven Gebiet 10 platziert ist. Die MEA 14 ist schichtartig zwischen einem Paar von Diffusionsmediumschichten 16, 18 angeordnet, und die gesamte Baugruppe ist zwischen den Platten 6, 8 angeordnet, wie in den 2–14 gezeigt ist. Gegebenenfalls kann die MEA 14 mit den Diffusionsmediumschichten 16, 18 und der Unterdichtung 4 zusammengebaut werden, um eine vereinheitlichte oder modulare Elektrodenbaugruppe oder UEA zu bilden.
-
Das Zufuhrgebiet 12 des Brennstoffzellenstapels weist einen Kathodenverteiler 20, einen Kühlmittelverteiler 22, einen Anodenverteiler 24 und Durchlasslöcher zur Lieferung und zum Austrag von Kathodengasen 21, Kühlmittel 23 bzw. Anodengasen 25 auf. Die Unterdichtung 4 ist ebenfalls in dem Zufuhrgebiet 12 angeordnet. Die Unterdichtung 4 weist eine zwischen den Platten 6, 8 positionierte Membran 28 auf. Die Membran 28 ist aus einem im Wesentlichen fluidundurchlässigen Material mit einer Beständigkeit gegenüber inneren Umgebungsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 12 geformt. Als nicht beschränkende Beispiele kann die Membran aus Polypropylen, PEN oder PET geformt sein. Die Membran 28 kann auch aus einem Polymerschaum geformt sein. Der Fachmann kann andere geeignete Materialien für die Membran 28 nach Bedarf wählen.
-
Die Membran 28 der Unterdichtung 4 weist einen Innenabschnitt 30 und einen Abschnitt 32 mit gewundener Form auf. Der Innenabschnitt 30 grenzt an der MEA 14 in dem aktiven Gebiet 10 an. Der Abschnitt 32 mit gewundener Form grenzt an jede der Platten 6, 8 an. Der Abschnitt 32 mit gewundener Form sieht eine ”Form” vor, die zumindest einen Hohlraum 34 zwischen einer der Platten 6, 8 und der Membran 28 definiert. Bei einer bestimmten Ausführungsform, die in den 2–8 gezeigt ist, weist der Abschnitt 32 mit gewundener Form ein Paar von Hauptmulden 42 mit einer dazwischen angeordneten Spitze 44 auf. Zumindest eine der Hauptmulden 42 grenzt an einer der Platten 6, 8 an, und die Spitze 44 grenzt an einer anderen der Platten 6, 8 an.
-
Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Offenbarung ist eine nachgiebige Wulstdichtung 36 an der Membran 28 der Unterdichtung 4 durch Injektion eines viskosen Dichtmittels in den Hohlraum 34 und Härten des Dichtmittels geformt. Das viskose Dichtmittel kann als nicht beschränkende Beispiele Silikon oder ein Urethandichtmittel sein. Wenn Silikon verwendet wird, können Siloxane insbesondere eine zusätzliche Anhaftung an den Platten 6, 8 bereitstellen. Nach Bedarf können auch andere Materialien für das Dichtmittel verwendet werden. Die Wulstdichtung 36 sieht Kühlmitteldichtungen zwischen den Platten 6, 8 und Reaktandendichtungen zum Trennen der zu dem Brennstoffzellenstapel 2 strömenden Reaktandengase vor.
-
Das Verfahren zur Herstellung der Unterdichtung 4 umfasst zunächst den Schritt zum Positionieren der Membran 28 zwischen den Platten 6, 8, wobei der Abschnitt 32 mit gewundener Form an jeder der Platten 6, 8 angrenzt. Die Membran 28 kann, wenn sie positioniert ist, beispielsweise durch zumindest eine Heißverprägung 39 angebracht sein, um die Baugruppe zu sichern und das anschließend injizierte Dichtmittel aufzunehmen. Klebstoffe können ebenfalls verwendet werden, um die Membran 28 vor der Injektion anzubringen. Beispielsweise kann die Spitze 44 des Abschnitts 32 mit gewundener Form der Membran 28 an einer der Platten 6, 8 mit einem Klebstoff angebracht sein, um eine trockene Dichtung zwischen der Spitze 44 und einer der Platten 6, 8 zu bilden. Die Unterdichtung 4 wird bevorzugt vor der Positionierung zwischen den Platten 6, 8 beispielsweise durch einen Thermoformungsprozess, wie Passformen, hergestellt. Es können auch andere Verfahren zur Herstellung innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung verwendet werden.
-
Nach der Positionierung der Membran 28 zwischen den Platten 6, 8 wird das viskose Dichtmittel in den Hohlraum 34 injiziert, der durch den Abschnitt 32 mit gewundener Form der Unterdichtung 4 und den Platten 6, 8 definiert ist. Der Hohlraum 34 wird während des Injektionsschritts im Wesentlichen mit dem Dichtmittel gefüllt. Der Hohlraum 34 definiert einen Durchgang, durch den bei Injektion das Dichtmittel fließt. Wie in 5 gezeigt ist, kann zumindest eine der Platten 6, 8 ein Loch 37 aufweisen, das darin benachbart dem Abschnitt 32 mit gewundener Form der Membran 28 geformt ist, damit das Dichtmittel hindurchfließt und auch eine Dichtung zwischen den Platten 6, 8 beispielsweise an einem Randteil des Brennstoffzellenstapels 2 zwischen der Dichtungswulstform und einer Plattenfügestelle formt. Wie in den 7 und 8 gezeigt ist, kann das Loch 37 auch ein Fließen des Dichtmittels in die Plattenverbindung vor den Tunneln in dem Brennstoffzellenstapel 2 zulassen.
-
Bei bestimmten Ausführungsformen kann ein Unterdruck an dem Hohlraum 34 gezogen werden, um die Injektion des Dichtmittels in den Hohlraum 34 zu unterstützen. Bei anderen Ausführungsformen wird das Dichtmittel unter einem Druck injiziert, der das Dichtmittel durch den durch den Hohlraum 34 definierten Durchgang treibt. Geeignete Unterdruck- und Injektionsdrücke können nach Bedarf gewählt werden.
-
Als ein nicht beschrankendes Beispiel kann die Injektion des Dichtmittels in den Hohlraum 34 durch einen Einguss 38 ausgeführt werden, der durch die Platten 6, 8 definiert ist, wie in 1 gezeigt ist. Der Einguss 38 steht in Fluidkommunikation mit einem Durchlass 40, der in jeder der Platten 6, 8 geformt ist. Als ein nicht beschrankendes Beispiel können die Durchlässe 40, durch die das Dichtmittel in den Einguss 38 injiziert wird, Bezugslöcher zur Ausrichtung der Platten 6, 8 in dem Stapel während der Montage des Brennstoffzellenstapels 2 sein. Der Fachmann kann nach Bedarf andere Durchlässe 40 zur Injektion des Dichtmittels wählen.
-
Das Dichtmittel wird anschließend gehärtet, um die Wulstdichtung 36 an der Membran 28 zu formen. Der Fachmann erkennt, dass die Schritte zum Härten der Wulstdichtung 36 hauptsächlich durch das gewählte Dichtmittel bestimmt sind. Beispielsweise wird der Schritt zum Härten des Dichtmittels typischerweise bei Raumtemperatur oder einer erhöhten Temperatur ausgeführt. Wenn das Dichtmittel thermisch aktiviert ist und der Schritt zum Härten des Dichtmittels bei der erhöhten Temperatur ausgeführt wird, können die Platten 6, 8 vor der Injektion des Dichtmittels erhitzt werden, um die erhöhte Temperatur zu bewirken und das Dichtmittel in die Wulstdichtung 36 zu härten. Die Platten 6, 8 können auch erhitzt werden, nachdem das Dichtmittel injiziert worden ist. Alternative Mittel zum Härten des Dichtmittels und zum Formen der Wulstdichtung 36, wie Strahlungsexposition oder die Verwendung zweiteilig härtender Dichtmittel als nicht beschrankende Beispiele können ebenfalls innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Andere Materialien, wie schäumende elastomere Fluide, können ebenfalls als das die Wulstdichtung 36 formende Dichtmittel verwendet werden.
-
Vor dem Schritt zum Injizieren des Dichtmittels in den Hohlraum 34 kann der Stapel zumindest teilweise komprimiert werden. Die Teilkompression des Stapels bei diesem Schritt komprimiert den Hohlraum 34, der den Durchgang bildet, durch den das Dichtmittel bei Injektion fließt. Die Teilkompression dichtet die Membran 28 der Unterdichtung 4 an jede der Platten 6, 8 ab und hält einen Druck des nicht gehärteten Dichtmittels während des Injektionsschritts. Die Teilkompression wird nach dem Schritt zur Injektion des Dichtmittels in den Hohlraum 34 entlastet, um eine Expansion des Dichtmittels in dem Hohlraum 34 zuzulassen und ein Wachsen des Hohlraums 34 zu einer nicht komprimierten Höhe zuzulassen. Das Dichtmittel kann gleichermaßen in die Wulstdichtung 36 mit einer selben Höhe aushärten. Nach dem Härten des Dichtmittels, um die Wulstdichtung 36 zu bilden, kann der Brennstoffzellenstapel 2 zur weiteren Montage in ein Brennstoffzellensystem vollständig komprimiert werden.
-
Die 9–12 zeigen den Brennstoffzellenstapel 2' gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Ein ähnlicher Aufbau, wie oben für die 1–8 beschrieben ist, umfasst dieselben Bezugszeichen, gefolgt durch ein Strichindexsymbol (') zu Zwecken der Klarheit.
-
Bezug nehmend auf die 9–12 kann die Unterdichtung 4' die Membran 28' mit sowohl dem Innenabschnitt 30' als auch dem Abschnitt 32' mit gewundener Form besitzen. Der Abschnitt 32' mit gewundener Form umfasst das Paar von Hauptmulden 42' mit der dazwischen angeordneten Spitze 44'. Die Spitze 44' umfasst eine Nebenmulde 46', die einen anderen Hohlraum 48' definiert. Eine Durchbrechung 50' ist in der Nebenmulde 46' geformt. Wenn das Dichtmittel in den Hohlraum 34' während der Herstellung der Dichtungswulst 36' injiziert wird, fließt das Dichtmittel auch durch die Durchbrechung 50'. Beide Hohlräume 34', 48' werden dadurch mit dem Dichtmittel gefüllt.
-
Es sei angemerkt, dass das Füllen beider Hohlräume 34', 48' mit dem Dichtmittel und das anschließende Härten des Dichtmittels vorteilhafterweise eine überlegene Dichtung der Unterdichtung 4' für beide Platten 6', 8' bereitstellen können. Beispielsweise erlaubt, wie in 9 gezeigt ist, die Durchbrechung 50' die Ausbildung der Dichtung auf beiden Seiten der Unterdichtung 4 und fügt dadurch die Mehrzahl von Zellen des Brennstoffzellenstapels 2 aneinander. Wie in 10 gezeigt ist, erlaubt das Zusammenwirken des Lochs 37' und der Durchbrechung 50' einen Fluss zwischen dem Hohlraum 34' und der Plattenfügestelle, was in einer weiteren Abdichtung der Platten 6', 8' resultiert. Das Loch 37' und die Durchbrechung 50' können nach Bedarf im Wesentlichen dieselbe Größe und Form besitzen oder eine andere Größe und Form besitzen. Wie in 11 gezeigt ist, erlaubt das Zusammenwirken des Lochs 37' und der Durchbrechung 50' auch den Fluss des Dichtmittels zu einer Kluft des Hohlraums 34' benachbart einem Schweißbereich, um einen Spalt und eine anschließende Leckage während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 2' zu vermeiden. Wie in 12 gezeigt ist, kann zumindest eine der Platten 6, 8 auch ein flaches Gebiet 53' besitzen, um ein Biegen zuzulassen und die Dichtungslast auf eine Kühlmittelfügestelle in einem Sammelleitungsteil des Brennstoffzellenstapels 2 zu übertragen.
-
Die 13–14 zeigen den Brennstoffzellenstapel 2'' gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Ein ähnlicher Aufbau, wie oben für die 1–8 und die 9–12 diskutiert ist, umfasst dieselben Bezugszeichen, gefolgt durch ein Doppelstrichindexsymbol ('') für die Zwecke der Klarheit.
-
Der Brennstoffzellenstapel 2'' kann eine Doppelwulstvorgehensweise mit zusammenwirkenden Löchern 37'' in den Platten 6'', 8'' und den Durchbrechungen 50'' in der Unterdichtung 4'' aufweisen, um eine Erstreckung des Dichtmittels von der Platte 6'' zu der Platte 8'' während des Verfahrens zum Herstellen der Wulstdichtung 36'' zu ermöglichen. Die Membran 28'' ist zur Flexibilität ausreichend dünn, jedoch steif genug, um Fülldrücke während des Herstellprozesses handzuhaben. Der Abschnitt 32'' mit gewundener Form der Membran 28'' ist so ausgelegt, dass er sich unter Teilkompression ausbreitet.
-
Wie in 13 gezeigt ist, können die Randmerkmale 54'' auch in die Unterdichtung 4'' integriert sein, um die Ränder der Platten 6'', 8'' zu schützen. Die Randmerkmale 54'' können sich auswärts von der Wulstdichtung 36'' und abwärts zu einem Rand von einer der Platten 6'', 8'' erstrecken. Die Randmerkmale 54'' können als externer Zellenstapelbezugspunkt dienen und auch eine Zellenstapelrückhaltung durch verschachtelnde oder wechselnd verriegelnde Konfigurationen der Randmerkmale 54'' unterstützen.
-
Die Unterdichtung 4'' kann auch mit internen Ausrichtungsmerkmalen (nicht gezeigt) zum Ausrichten der MEA 14'' und der Diffusionsmediumschichten 16'', 18'' an der Unterdichtung 4'' versehen sein. Die inneren Ausrichtungsmerkmale können auch zum Ausrichten der UEA, die die MEA 14'' und die Diffusionsmediumschichten 16'', 18'' aufweist, mit den Platten 6'', 8'' verwendet werden. Gleichermaßen sei angemerkt, dass Merkmale zur Bezugspunktverstärkung und zum Beeinflussen des Reaktandenflusses, wie wabenartige Merkmale zur Reduzierung von Bypassflüssen, ebenfalls in die Unterdichtung 4'' unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Offenbarung integriert werden können.
-
Mit weiterem Bezug auf die 13 und 14 kann der Innenabschnitt 30'' der Membran 28'' verjüngt sein, um eine Zeltbildung der Membran 28'' an einem Rand der Unterdichtung 4'', der die MEA 14'' überlappt und an diese angrenzt, zu minimieren. Beispielsweise kann der verjüngte Innenabschnitt 30'' die Protonenaustauschmembran der MEA 14'' um etwa 6 mm überlappen. Der Fachmann kann den verjüngten Innenabschnitt 30'' nach Bedarf in größerem oder geringerem Ausmaß überlappen. Die Diffusionsmediumschichten 16'', 18'' können gleichermaßen, wie gezeigt ist, entweder vor oder während der Montage mit der MEA 14 verjüngt werden.
-
Während gewisse repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt worden sind, sei dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Erfindung durchgeführt werden können, der ferner in den folgenden angefügten Ansprüchen beschrieben ist.
