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Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellenstapel und insbesondere Brennstoffzellenstapel, die eine Brennstoffverteilerbaugruppe zum Liefern von Brennstoff an die Brennstoffzellen in solchen Stapeln verwenden, sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Brennstoffverteilerbaugruppe.
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Brennstoffzellen werden bei vielen Anwendungen als eine elektrische Energiequelle verwendet. Insbesondere werden Brennstoffzellen zur Verwendung in Kraftfahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen. Eine üblicherweise verwendete Brennstoffzellenkonstruktion verwendet eine Festpolymerelektrolyt-(„SPE“)-Membran oder Protonenaustauschmembran („PEM“), um einen Ionentransport zwischen der Anode und der Kathode bereitzustellen.
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Bei Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembrantyp wird Wasserstoff an die Anode als Brennstoff geliefert und Sauerstoff an die Kathode als das Oxidationsmittel geliefert. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (eine Mischung aus O2 und N2) vorliegen. PEM-Brennstoffzellen besitzen typischerweise eine Membranelektrodenbaugruppe („MEA“), in der eine Festpolymermembran einen Anodenkatalysator auf einer Seite und einen Kathodenkatalysator auf der entgegengesetzten Seite aufweist. Die Anoden- und Kathodenschichten einer typischen PEM-Brennstoffzelle sind aus porösen leitenden Materialien ausgebildet, wie verwobenem Graphit, graphitisierten Lagen oder Kohlepapier, um zu ermöglichen, dass der Brennstoff und das Oxidationsmittel über die den Brennstoff- und Oxidationsmittellieferelektroden zugewandten Oberfläche der Membran verteilt werden. Jede Elektrode besitzt fein geteilte Katalysatorpartikel (beispielsweise Platinpartikel), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen sind, um eine Oxidation von Wasserstoff an der Anode und eine Reduktion von Sauerstoff an der Kathode zu unterstützen. Protonen fließen von der Anode durch die ionenleitende Polymermembran an die Kathode, an der sie sich mit Sauerstoff kombinieren, um Wasser zu bilden, das von der Zelle ausgetragen wird. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar poröser Gasdiffusionsschichten („GDL“) angeordnet, die ihrerseits schichtartig zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Elemente oder Platten angeordnet sind. Die Platten dienen als Stromkollektoren für die Anode und die Kathode und enthalten geeignete Kanäle und Öffnungen, die darin ausgebildet sind, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberfläche jeweiliger Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Um effizient Elektrizität zu erzeugen, muss die Polymerelektrolytmembran einer PEM-Brennstoffzelle dünn, chemisch stabil, protonendurchlässig, nicht elektrisch leitend und gasimpermeabel sein. Bei typischen Anwendungen werden Brennstoffzellen in Gruppierungen vieler einzelner Brennstoffzellenstapel vorgesehen, um hohe Niveaus an elektrischer Leistung bereitzustellen.
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DE 10 2011 012 812 A1 offenbart einen Fluidverteilungseinsatz für eine Brennstoffzellenanordnung, der einen hohlen Einsatz mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei der hohle Einsatz zur Aufnahme in einer Einlasssammelleitung einer Brennstoffzellenanordnung angepasst ist, einen Einlass, der an dem ersten Ende des hohlen Einsatzes geformt und zur Aufnahme eines Fluids dann angepasst ist, und einen Auslass aufweist, der zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende geformt ist. Der Auslass ist zur Lieferung des Fluids an eine Mehrzahl von Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung angepasst ist, wobei der hohle Einsatz das Fluid an die Brennstoffzellen bei einem im Wesentlichen konstanten Druck liefert.
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Aufgabe der Erfindung ist, eine Brennstoffverteilerbaugruppe und ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, mit denen es möglich ist, eine Verbesserung der Verteilung von Brennstoff an jede Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel zu erreichen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist eine Brennstoffverteilerbaugruppe für einen Brennstoffzellenstapel bereitgestellt, der eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweist. Der Brennstoffverteiler umfasst eine Außenschale, die eine Lage umfasst, sowie eine Innenschale, die in der Außenschale positioniert ist. Die Lage ist gekrümmt, um eine zentrale Längskammer, einen ersten Längsrand und einen zweiten Längsrand zu definieren. Die Außenschale weist auch eine Innenwandfläche und eine Außenwandfläche auf. Der erste Längsrand und der zweite Längsrand definieren kombiniert einen Längsschlitz. Der erste Längsrand ist einwärts zu der Längskammer gebogen, um eine Längslippe zu bilden. Die Innenschale ist in der Außenschale positioniert. Die Innenschale umfasst eine Mehrzahl von Rippen, die sich auswärts erstrecken und mit der Innenwandfläche der Außenschale in Kontakt treten. Die Innenschale, die Außenschale, die Lippe und die Rippen definieren eine Mehrzahl von Strömungskanälen. Die Innenschale weist eine Länge auf, entlang der eine Mehrzahl von Durchbrechungen in einem teilweise schraubenförmigen Muster positioniert ist. Die Innenschale nimmt Brennstoff auf, der an die Mehrzahl von Durchbrechungen geliefert wird, so dass der Brennstoff in den Strömungskanälen strömt und aus dem Schlitz zur Einführung in die Brennstoffzellen austritt.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist eine Brennstoffverteilerbaugruppe für einen Brennstoffzellenstapel vorgesehen, der eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweist. Der Brennstoffverteiler weist eine Außenschale und eine Innenschale auf, die in der Außenschale positioniert ist. Die Außenschale weist eine Lage auf, die gekrümmt ist, um eine zentrale Längskammer, einen ersten Längsrand und einen zweiten Längsrand zu definieren. Die Außenschale weist eine Innenwandfläche und eine Außenwandfläche auf. Der erste Längsrand und der zweite Längsrand definieren einen Längsschlitz, wobei der erste Längsrand einwärts zu der Längskammer gebogen ist, um eine Längslippe zu bilden. Die Innenschale weist eine Mehrzahl von Rippen, einen ersten Schalenabschnitt und einen zweiten Schalenabschnitt auf. Die Rippen erstrecken sich auswärts und stehen mit der Innenwandfläche der Außenschale in Kontakt. Der erste Schalenabschnitt ist an dem zweiten Schalenabschnitt befestigt, um die Innenschale zu bilden. Jede Rippe erstreckt sich teilweise um die Innenschale und weist ein erstes Rippenende und ein zweites Rippenende auf, so dass die Lippe nahe dem ersten Rippenende positioniert ist. Die Innenschale, die Außenschale, die Lippe und die Rippen definieren kombiniert eine Mehrzahl von Strömungskanälen. Die Innenschale weist eine Länge auf, entlang der eine Mehrzahl von Durchbrechungen in einem teilweise schraubenförmigen Muster positioniert ist. Die Innenschale nimmt Brennstoff auf, der an die Mehrzahl von Durchbrechungen geliefert wird, so dass Brennstoff in den Strömungskanälen strömt und aus dem Längschlitz austritt.
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Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Ausbilden der Brennstoffverteiler, wie oben dargestellt, vorgesehen. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Extrusionsformen einer ersten Kunststoffzusammensetzung, um eine Außenschale zu bilden. Die Außenschale weist eine Lage auf, die eine zentrale Längskammer, einen ersten Längsrand und einen zweiten Längsrand definiert. Die Außenschale weist eine Innenwandfläche und eine Außenwandfläche auf. Der erste Längsrand und der zweite Längsrand definieren einen Längsschlitz, wobei der erste Längsrand einwärts zu der Längskammer gebogen ist, um eine Längslippe zu bilden. Es wird eine zweite Kunststoffzusammensetzung spritzgeformt, um einen ersten Schalenabschnitt zu bilden, der eine erste Mehrzahl von Rippenabschnitten aufweist, die sich von einer Außenfläche des ersten Schalenabschnitts auswärts erstrecken. Eine dritte Kunststoffzusammensetzung wird spritzgeformt, um einen zweiten Schalenabschnitt zu bilden, der eine zweite Mehrzahl von Rippenabschnitten aufweist, die sich von einer Außenfläche des zweiten Schalenabschnitts auswärts erstrecken. Der erste Schalenabschnitt ist an dem zweiten Schalenabschnitt befestigt, um die Innenschale zu bilden, wobei die erste Mehrzahl von Rippenabschnitten mit der zweiten Mehrzahl von Rippenabschnitten zusammen passt, um eine Mehrzahl von Rippen zu bilden. Jede Rippe erstreckt sich teilweise um die Innenschale und weist ein erstes Rippenende und ein zweites Rippenende auf, so dass die Lippe nahe dem ersten Rippenende positioniert ist. Die Innenschale wird in der Außenschale dadurch angeordnet, dass die Außenschale über die Innenschale geschoben wird. Die Innenschale, die Außenschale, die Lippe und die Rippen definieren kombiniert eine Mehrzahl von Strömungskanälen. Die Innenschale weist eine Länge auf, entlang der eine Mehrzahl von Durchbrechungen in einem teilweise schraubenförmigen Muster positioniert ist. Die Innenschale nimmt Brennstoff auf, der an die Mehrzahl von Durchbrechungen geliefert wird, so dass Brennstoff in den Strömungskanälen strömt und aus dem Längsschlitz austritt.
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Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle vorsieht, die einen Brennstoffzellenstapel enthält;
- 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels ist, der einen Brennstoffverteiler enthält;
- 3 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffverteilers ist;
- 4 eine Explosionsdarstellung des Brennstoffverteilers von 3 ist;
- 5A ein Schnitt ist, der eine Draufsicht eines Strömungskanals zeigt;
- 5B ein Schnitt ist, der eine Seitenansicht eines Strömungskanals zeigt;
- 5C eine perspektivische Ansicht eines Strömungskanals ist;
- 6A und 6B perspektivische Ansichten eines ersten Abschnitts einer Innenschale sind, die in dem Brennstoffverteiler von 2 verwendet ist;
- 7A und 7B perspektivische Ansichten eines zweiten Abschnitts einer Innenschale sind, die in dem Brennstoffverteiler von 2 verwendet sind;
- 8 eine perspektivische Ansicht des ersten Abschnitts der 6 und 7 ist, der zusammenpasst, damit eine Innenschale gebildet wird;
- 9 eine perspektivische Ansicht des zweiten Abschnitts der 6 und 7 ist, der zusammenpasst, damit eine Innenschale gebildet wird;
- 10 eine Schnittansicht des Bodens der Innenschale des Brennstoffverteilers von 2 ist; und
- 11 ein schematisches Flussdiagramm ist, das die Herstellung des Brennstoffverteilers von 2 zeigt.
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Mit Bezug auf 1 ist ein schematischer Schnitt einer Brennstoffzelle vorgesehen, die eine Ausführungsform einer faserhaltigen Lage enthält. Eine Protonenaustauschmembran-(PEM)-Brennstoffzelle 10 weist eine ionenleitende Polymermembran 12 auf, die zwischen einer Kathodenkatalysatorlage 14 und einer Anodenkatalysatorlage 16 angeordnet ist. Die Brennstoffzelle 10 weist auch Strömungsfeldplatten 18, 20, Gaskanäle 22 und 24 und Gasdiffusionsschichten 26 und 28 auf. Während des Betriebs der Brennstoffzelle wird ein Brennstoff, wie Wasserstoff, der Strömungsfeldplatte 20 auf der Anodenseite zugeführt und ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, wird der Strömungsfeldplatte 18 an der Kathodenseite zugeführt. Wasserstoffionen, die von der Anodenkatalysatorschicht 16 erzeugt werden, wandern durch die ionenleitende Polymermembran 12, wo sie an der Kathodenkatalysatorschicht 14 reagieren, um Wasser zu bilden. Dieser elektrochemische Prozess erzeugt einen elektrischen Strom durch eine Last, die mit den Strömungsfeldplatten 18, 20 verbunden ist. Typischerweise ist eine Mehrzahl von Brennstoffzellen der allgemeinen Konstruktion der Brennstoffzelle 10 in einen Brennstoffzellenstapel integriert. Vorteilhafterweise wird ein Reaktandengas (d.h. Wasserstoff oder Sauerstoff) an Strömungsfeldplatten 18 und/oder 20 durch einen Strömungsverteiler geliefert, wie nachfolgend dargestellt ist.
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Mit Bezug auf 2 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit einem Strömungsverteiler vorgesehen. Der Brennstoffzellenstapel 30 weist eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 10i auf. Bei einer Ausführung weist jede Brennstoffzelle der Mehrzahl von Brennstoffzellen 10i die allgemeine Konstruktion von 1 auf. Der Brennstoffverteiler 32 liefert einen ersten Reaktanden an entweder die Kathodenseite oder die Anodenseite jeder Brennstoffzelle in der Mehrzahl von Brennstoffzellen 10i.
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Mit Bezug auf die 3 und 4 sind Schemata eines Brennstoffverteilers vorgesehen. 3 ist eine perspektivische Ansicht des Brennstoffverteilers, während 4 eine Explosionsdarstellung des Brennstoffverteilers ist. Der Brennstoffverteiler 32 weist eine Außenschale 34 und eine Innenschale 36 auf. Die Innenschale 36 und die Außenschale 34 sind jeweils unabhängig voneinander Kunststoff. Die Außenschale 34 weist eine Lage 38 auf, die gekrümmt ist, um eine zentrale Längskammer 40, einen ersten Längsrand 42 und einen zweiten Längsrand 44 zu bilden. Die Außenschale 34 weist auch eine Innenwandfläche 46 und eine Außenwandfläche 48 auf. Der erste Längsrand 42 und der zweite Längsrand 44 definieren kombiniert einen Längsschlitz 50. Der erste Längsrand ist einwärts zu der Längskammer gebogen, um eine Längslippe 52 zu bilden. Die Innenschale 36 ist in der Außenschale 34 positioniert. Die Innenschale 36 definiert einen Innenhohlraum, der Brennstoff aufnimmt, und weist eine Mehrzahl von Rippen 54 auf, die sich auswärts erstrecken und mit der Innenwandfläche 46 der Außenschale 36 in Kontakt stehen, wenn die Innenschale 36 darin positioniert ist. Jede Rippe der Mehrzahl von Rippen erstreckt sich teilweise um die Innenschale und weist ein erstes Rippenende und ein zweites Rippenende auf, so dass die Lippe nahe dem ersten Rippenende positioniert ist. Die Innenschale 36, die Außenschale 34, die Lippe 52 und die Rippen 54 definieren kombiniert eine Mehrzahl von Strömungskanälen 56. Charakteristisch ist eine Innenschale 56 aus einem ersten Schalenabschnitt 58 und einem zweiten Schalenabschnitt 60 gebildet, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Der erste Schalenabschnitt 58 ist an dem zweiten Schalenabschnitt 60 befestigt, um die Innenschale 36 zu bilden, wobei die erste Mehrzahl von Rippenabschnitten 541 mit der zweiten Mehrzahl von Rippenabschnitten 542 zusammenpasst, um eine Mehrzahl von Rippen 54 zu bilden. Die Innenschale 36 weist eine Länge I1 auf, entlang der eine Mehrzahl von Durchbrechungen 62 in einem teilweise schraubenförmigen Muster positioniert ist. Die Innenschale 36 nimmt Brennstoff auf, der an die Mehrzahl von Durchbrechungen 62 geliefert wird, so dass Brennstoff von dem Innenhohlraum und dann in den Strömungskanälen 56 strömt und von dem Schlitz 50 zur Einführung in die Brennstoffzellen 10i ( 2) austritt. Der Brennstoffverteiler 32 weist auch eine Abdichtkomponente 64 zum Abdichten an dem feuchten Ende und eine Abdichtkomponente 66 zum Abdichten an dem trockenen Ende auf.
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Mit Bezug auf die 5A, 5B und 5C sind Schemata vorgesehen, die den Zusammenbau einer Innenschale 36, der Außenschale 34, der Lippe 52 und der Rippen 54 zeigen, um Strömungskanäle 56 zu bilden. Die Rippen 54 und 54' definieren die oberen und unteren Flächen des Strömungskanals 56. Die Innenschalenfläche 68 der Innenschale 36 und die Innenwandfläche 46 bilden die Seitenwandflächen des Strömungskanals 56. Schließlich verschließt die Lippe 52 das Ende des Strömungskanals 56 kappenartig. Bei einer Ausführung weist die Innenschale 36 eine Mehrzahl von Kerben 70 auf, die mit einer Mehrzahl von Nuten 71 in der Außenschale 34 zusammenpassen, wenn die Innenschale in der Außenschale positioniert ist. Die Strömung f1 von dem Innenhohlraum 53 tritt in den Strömungskanal 56 über die Durchbrechung 58 ein und strömt in den Kanal 56 zu dem Schlitz 50.
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Mit Bezug auf die 6A, 6B, 7A, 7B und 8 sind Schemata vorgesehen, die den Zusammenbau der Innenschale 36 aus dem ersten Schalenabschnitt 58 und dem inneren zweiten Abschnitt 60 zeigen. Der erste Schalenabschnitt 58 ist an dem zweiten Schalenabschnitt 60 befestigt, um eine Innenschale 36 zu bilden. Typischerweise weist der erste Schalenabschnitt Randdetails 72, 74 auf, die jeweils mit Randdetails 76, 78 des zweiten Randabschnitts 60 zusammenpassen. Bei einer Ausführung weisen die ersten Randdetails 74, 76 Randvorsprünge auf, und Randdetails 72, 78 weisen Randschlitze auf.
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Bezug nehmend auf die 2, 9 und 10 sind schematische Darstellungen von Merkmalen an den Enden eines Brennstoffverteilers vorgesehen. 9 ist eine schematische Darstellung einer Dichtung eines ersten Endes eines Brennstoffverteilers 32. Der Brennstoffverteiler 32 weist ein erstes Ende 86 und ein zweites Ende 88 auf. Bei dieser Variation sind der erste Schalenabschnitt 58 und der zweite Schalenabschnitt 60 miteinander kombiniert, um die Dichtung 84 an dem ersten Ende 86 eines Brennstoffzellenstapels zu bilden. Der erste Schalenabschnitt 58 weist einen Vorsprung 90 auf, der von einer Nut 92 in dem zweiten Schalenabschnitt 60 aufgenommen ist, um eine Dichtung 84 zu bilden. 10 sieht eine schematische Darstellung einer Dichtung an einem zweiten Ende 88 des Brennstoffverteilers 32 vor. Der erste Schalenabschnitt weist einen ersten Ringdichtungsabschnitt auf, der darin geformte O-Ringnuten 96 aufweist. Der zweite Schalenabschnitt weist einen zweiten Ringdichtungsabschnitt auf. Der erste Ringdichtungsabschnitt ist in dem zweiten Ringdichtungsabschnitt positioniert, um die Dichtung 100 zu bilden.
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Mit Bezug auf 11 ist ein Verfahren zum Herstellen der Brennstoffverteiler, wie oben dargestellt, vorgesehen. Das Verfahren umfasst einen Schritt a), bei dem eine erste Kunststoffzusammensetzung 102 (z.B. ein Kunststoffharz) extrusionsgeformt wird, um eine Außenschale 34 zu bilden. Die Außenschale weist eine Lage 38 auf, die eine zentrale Längskammer 40, einen ersten Längsrand 42 und einen zweiten Längsrand 44 definiert. Die Außenschale 34 weist eine Innenwandfläche 46 und eine Außenwandfläche 48 auf. Der erste Längsrand 42 und der zweite Längsrand 44 definieren einen Längsschlitz 50, wobei der erste Längsrand einwärts zu der Längskammer gebogen ist, um eine Längslippe 52 (in 3 gezeigt) zu bilden. Bei Schritt b) wird eine zweite Kunststoffzusammensetzung 104 spritzgeformt, um einen ersten Schalenabschnitt 58 zu bilden, der eine erste Mehrzahl von Rippenabschnitten 541 aufweist, die sich auswärts von einer Außenfläche des ersten Schalenabschnitts 58 erstrecken. Bei Schritt c) wird eine dritte Kunststoffzusammensetzung 106 spritzgeformt, um einen zweiten Schalenabschnitt 60 zu bilden, der eine zweite Mehrzahl von Rippenabschnitten 542 aufweist, die sich auswärts von einer Außenfläche des zweiten Schalenabschnitts 60 erstrecken. Bei einem Schritt d) wird ein erster Schalenabschnitt 58 an dem zweiten Schalenabschnitt 60 befestigt, um die Innenschale 36 zu bilden, wobei die erste Mehrzahl von Rippenabschnitten 541 mit der zweiten Mehrzahl von Rippenabschnitten 542 zusammenpasst, um eine Mehrzahl von Rippen 54 zu bilden. Jede Rippe 54 erstreckt sich teilweise um die Innenschale 36 und weist ein erstes Rippenende und ein zweites Rippenende auf, so dass die Lippe 52 nahe dem ersten Rippenende positioniert ist. Bei Schritt d) wird die Innenschale 36 in der Außenschale 34 dadurch angeordnet, dass die Außenschale 34 über die Innenschale 36 geschoben wird. Die Innenschale 36, die Außenschale 34, die Lippe 52 und die Rippen 54 definieren kombiniert eine Mehrzahl von Strömungskanälen 56. Die Innenschale 36 weist eine Länge 1, auf, entlang der eine Mehrzahl von Durchbrechungen 62 in einem teilweise schraubenförmigen Muster positioniert ist. Die Innenschale 36 nimmt Brennstoff auf, der an die Mehrzahl von Durchbrechungen 62 geliefert wird, so dass Brennstoff in den Strömungskanälen 56 strömt und von dem Schlitz 50 austritt.
