DE102013227230A1

DE102013227230A1 - Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels und entsprechendes Verfahren

Info

Publication number: DE102013227230A1
Application number: DE201310227230
Authority: DE
Inventors: Junghan Yu; Kook Il Han
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2013-10-14
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2015-04-16
Also published as: CN104577156A; US20150101750A1; KR101509734B1

Abstract

Eine Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels umfasst eine untere Heizplatte, die an einer Seite einer an beiden Seiten einer Membranelektrodenanordnung vorgesehenen Gasdiffusionsschicht vorgesehen ist, wobei die untere Heizplatte Wärme an die Gasdiffusionsschicht zuführt und eine Dampfzufuhrleitung zum Zuführen von Dampf an die Gasdiffusionsschicht umfasst. Eine obere Heizplatte ist an der anderen Seite der Gasdiffusionsschicht vorgesehen, wobei die obere Heizplatte Wärme an die Gasdiffusionsschicht zuführt und eine Dampfzufuhrleitung zum Zuführen von Dampf an die Gasdiffusionsschicht umfasst. Eine Steuerung steuert/regelt eine Zufuhrzeit der Wärme und des Dampfes an die untere Heizplatte und die obere Heizplatte.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels und ein Verfahren. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung eine Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels und ein Verfahren, die eine Verformung einer Polymer-Elektrolyt-Membran durch Zuführen von Dampf, während eine Membranelektrodenanordnung und eine Gasdiffusionsschicht verbunden werden, und Verbessern der Leistung durch Beseitigen der an der Gasdiffusionsschicht verbleibenden Feuchtigkeit vermeiden.
HINTERGRUND
Wie allgemein bekannt ist, stellt eine Brennstoffzelle ein Energieerzeugungssystem dar, das direkt chemische Energie eines Brennstoffs in elektrische Energie umwandelt.
Verschiedene Arten von Brennstoffzellen umfassen eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (molten carbonate fuel cell – MCFD), eine Festoxid-Brennstoffzelle (solid oxide fuel cell – SOFC), eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (polymer electrolyte fuel cell – PEFC), eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle (phosphoric acid fuel cell – PAFC) und eine Alkali-Brennstoffzelle (alkali fuel cell – AFC) in Abhängigkeit von der Art des Elektrolyten.
Wie in 1 dargestellt, umfasst eine Membranelektrodenanordnung (MEA) in dem Brennstoffzellenstapel eine Polymer-Elektrolyt-Membran 12, eine Katalysatorschicht 11 (Anode und Kathode), die an beiden Seiten der Polymer-Elektrolyt-Membran 12 vorgesehen ist, und eine Unterdichtung 13, die an beiden Seiten der Katalysatorschicht 11 vorgesehen ist. Die Unterdichtung 13 vereinfacht die Handhabung der Membranelektrodenanordnung 10.
Unter Bezugnahme auf 2 ist eine Gasdiffusionsschicht (gas diffusion layer – GDL) 20 an beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung 10 vorgesehen. Eine Trennplatte (nicht gezeigt), an welcher ein Strömungsfeld gebildet ist, ist außerhalb der Gasdiffusionsschicht 20 zum Zuführen von Brennstoff und Luft an die Kathode und Anode angeordnet und führt durch eine chemische Reaktion erzeugtes Wasser ab.
Wasserstoff und Sauerstoff werden durch die chemische Reaktion von jeder Katalysatorschicht 11 ionisiert, wodurch eine Oxidationsreaktion in einem Wasserstoffanteil und eine Reduktionsreaktion in einem Sauerstoffanteil erzeugt werden.
Das heißt, der Wasserstoff wird an die Anode zugeführt und der Sauerstoff (Luft) wird an die Kathode zugeführt. Demzufolge wird der an die Anode zugeführt Wasserstoff in Protonen (H+) und Elektronen (e–) durch einen Katalysator einer Elektrodenschicht aufgeteilt, der an beiden Seiten der Elektrolytschicht vorgesehen ist. Nur das Proton (H+) wird selektiv an die Kathode durch die Elektrolytschicht der positiven Ionenaustauscherschicht übertragen. Gleichzeitig wird das Elektron (e–) an die Kathode durch die Gasdiffusionsschicht 20 und die Trennplatte übertragen.
In der Kathode haben das durch die Elektrolytschicht zugeführte Proton und das durch die Trennplatte zugeführte Elektron eine chemische Reaktion mit dem Sauerstoff der Luft, die an die Kathode durch eine Luftzufuhrvorrichtung zugeführt wird, und erzeugen Wasser.
Eine Bewegung der Protonen erzeugt einen Strom und Wärme wird in einer Wasser erzeugenden Reaktion erzeugt.
Wenn der Brennstoffzellenstapel laminiert wird, ist ein Integrationsverfahren der Membranelektrodenanordnung 10 und der Gasdiffusionsschicht 20 erforderlich. Im Allgemeinen wird das Integrationsverfahren in folgende zwei Verfahren unterteilt:
Zuerst, wie in 2(a) gezeigt, bringt eine katalysatorbeschichtete Membran (catalyst coated membrane – CCM) die Katalysatorschicht 11 der Polymer-Elektrolyt-Membran 12 direkt auf. Die CCM erfordert ein separates Verfahren zum Verbinden der Gasdiffusionsschicht 20. Weil die CCM von der Membranelektrodenanordnung 10 und der Gasdiffusionsschicht 20 getrennt wird, müssen die Membranelektrodenanordnung 10 und die Gasdiffusionsschicht 20 beim Herstellen des Brennstoffzellenstapels durch Laminieren einer Mehrzahl von Elementarzellen verbunden werden. Die CCM verbindet die Membranelektrodenanordnung 10 und die Gasdiffusionsschicht 20 durch thermische Kompression.
Wie in 2(b) gezeigt, verbindet ein katalysatorbeschichtetes Substrat (catalyst coated substrate – CCS) oder eine katalysatorbeschichtete Gasdiffusionsschicht (catalyst coated gas diffusion layer – CCGDL), die die Katalysatorschicht 11 der Gasdiffusionsschicht 20 direkt aufbringen, die Gasdiffusionsschicht 20 und die Membranelektrodenanordnung 10 durch thermische Kompression. Weil das CCS die Katalysatorschicht 11 und die Polymer-Elektrolyt-Membran 12 zum Herstellen der Membranelektrodenanordnung 10 verbindet, werden die Membranelektrodenanordnung 10 und die Gasdiffusionsschicht 20 durch thermische Kompression verbunden.
Wie in 3 gezeigt, wenn die Membranelektrodenanordnung 10 und die Gasdiffusionsschicht 20 durch thermische Kompression verbunden werden, wird eine Grenzschicht 15 zwischen der Katalysatorschicht 11 und der Gasdiffusionsschicht 20 gebildet und eine Grenzschicht 16 zwischen der Gasdiffusionsschicht 20 und der Unterdichtung 13 wird an der Membranelektrodenanordnung 10 der CCM gebildet.
Eine Brennstoffzellenreaktion tritt an der Grenzschicht 15 auf, die zwischen der Katalysatorschicht 11 und der Gasdiffusionsschicht 20 gebildet wird, und die Brennstoffzellenreaktion findet nicht an der Grenzschicht 16 statt, die zwischen der Unterdichtung 13 und der Gasdiffusionsschicht 20 gebildet wird. Die Membranelektrodenanordnung 10 und die Gasdiffusionsschicht 20 werden nach Aufbringen eines Ionomers wie Nafion auf die Gasdiffusionsschicht 20 zum Verbessern des Haftvermögens thermisch komprimiert. Aber in diesem Fall, weil eine Materialeigenschaft der Grenzschicht 15 und Grenzschicht 16 hydrophil ist, unterscheidet sich die tatsächliche Leistung von einer erforderlichen Leistung.
Ferner ist es schwierig, die unterschiedlichen Größen der einzelnen Teile aufgrund einer thermischen Verformung der Polymer-Elektrolyt-Membran 12 zu handhaben, wenn die Membranelektrodenanordnung 10 und die Gasdiffusionsschicht 20 durch thermische Kompression verbunden werden. Insbesondere werden diese Probleme schwerwiegender, wenn die Dicke der Polymer-Elektrolyt-Membran 12 für kleinere Brennstoffzellen abnimmt.
Um eine ausreichende Leistung der Brennstoffzelle zu erzielen, muss eine ausreichende Feuchtigkeit an die Polymer-Elektrolyt-Membran 12 zugeführt werden. Jedoch, weil die Membranelektrodenanordnung 10 und die Gasdiffusionsschicht 20 durch thermische Kompression verbunden werden, trocknet die Polymer-Elektrolyt-Membran 12 aus und die Leistung der Brennstoffzelle wird herabgesetzt.
Die oben in diesem Hintergrundabschnitt offenbarten Informationen dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Offenbarung und sie können demzufolge Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels und ein -Verfahren bereit, die eine thermische Verformung einer Polymer-Elektrolyt-Membran verhindern können, wenn eine Membranelektrodenanordnung und eine Gasdiffusionsschicht durch thermische Kompression verbunden werden.
Ferner stellt die vorliegende Offenbarung eine Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels und ein -Verfahren bereit, die verhindern können, dass sich die Leistung einer Brennstoffzelle durch eine trockene Polymer-Elektrolyt-Membran verschlechtert, wenn eine Membranelektrodenanordnung und eine Gasdiffusionsschicht durch thermische Kompression verbunden werden.
Eine Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst eine untere Heizplatte, die an einer Seite einer an beiden Seiten einer Membranelektrodenanordnung vorgesehenen Gasdiffusionsschicht vorgesehen ist, wobei die untere Heizplatte Wärme an die Gasdiffusionsschicht zuführt und eine Dampfzufuhrleitung zum Zuführen von Dampf an die Gasdiffusionsschicht umfasst. Eine obere Heizplatte, die an einer anderen Seite einer Gasdiffusionsschicht vorgesehen ist, führt die Wärme an die Gasdiffusionsschicht zu und umfasst eine Dampfzufuhrleitung zum Zuführen von Dampf an die Gasdiffusionsschicht. Eine Steuerung ist eingerichtet, um eine Zufuhrzeit der Wärme und des Dampfes zu der unteren Heizplatte und der oberen Heizplatte zu steuern/regeln.
Die Steuerung steuert/regelt die Wärme und den Dampf, die an die untere Heizplatte und die obere Heizplatte für einen Zeitraum und die thermische Kompression der Membranelektrodenanordnung und der Gasdiffusionsschicht zugeführt werden. Die Steuerung steuert/regelt ferner, dass die Wärme nur an die untere Heizplatte und die obere Heizplatte für den Zeitraum und die thermische Kompression der Membranelektrodenanordnung und der Gasdiffusionsschicht zugeführt wird.
Die Steuerung steuert/regelt, dass die Wärme an die untere Heizplatte und die obere Heizplatte für einen Zeitraum zugeführt wird und die Membranelektrodenanordnung und die thermische Kompression der Gasdiffusionsschicht. Die Steuerung steuert/regelt ferner, dass der Dampf wiederholt an die untere Heizplatte und die obere Heizplatte für den Zeitraum zugeführt wird, während die Wärme an die untere Heizplatte und die obere Heizplatte zugeführt wird.
Zumindest eine untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung ist an einer unteren Seite der unteren Heizplatte zum Abführen von Feuchtigkeit von der Gasdiffusionsschicht nach außen angeordnet und zumindest eine obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung ist an einer oberen Seite der oberen Heizplatte zum Abführen der Feuchtigkeit von der Gasdiffusionsschicht nach außen angeordnet.
Die untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung und die obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung sind an einem mittleren Abschnitt der unteren Heizplatte beziehungsweise der oberen Heizplatte angeordnet und die Dampfzufuhrleitung ist an der Außenseite der Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung gebildet.
Die Dampfzufuhrleitung und die untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung, die an der unteren Heizplatte angeordnet sind, stehen miteinander in Verbindung und die Dampfzufuhrleitung und die obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung, die an der oberen Heizplatte angeordnet sind, stehen miteinander in Verbindung. Die untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung und die obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung sind in der Lage, geöffnet und geschlossen zu werden.
Ein Herstellungsverfahren eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst ein thermisches Komprimieren einer Membranelektrodenanordnung und einer Gasdiffusionsschicht durch Zuführen von Wärme und Dampf für einen Zeitraum durch eine untere Heizplatte und eine obere Heizplatte an beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung. Eine Restfeuchtigkeit in der Gasdiffusionsschicht wird durch Zuführen von Wärme an die Membranelektrodenanordnung und die Gasdiffusionsschicht durch die untere Heizplatte und die obere Heizplatte für den Zeitraum beseitigt.
Die Restfeuchtigkeit in der Gasdiffusionsschicht wird durch eine Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung abgeführt, die an einer unteren Seite der unteren Heizplatte beziehungsweise einer oberen Seite der oberen Heizplatte angeordnet ist.
Ein Herstellungsverfahren eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung umfasst ein thermisches Komprimieren einer Membranelektrodenanordnung und einer Gasdiffusionsschicht durch Zuführen von Wärme und Dampf für einen Zeitraum durch die die Gasdiffusionsschicht, die an beiden Seiten einer Membranelektrodenanordnung vorgesehen ist. Feuchtigkeit wird wiederholt für den Zeitraum zugeführt, während Wärme an die Membranelektrodenanordnung und die Gasdiffusionsschicht durch die untere Heizplatte und die obere Heizplatte zugeführt wird.
Eine Restfeuchtigkeit in der Gasdiffusionsschicht wird durch eine Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung abgeführt, die jeweils an einer unteren Seite der unteren Heizplatte und einer oberen Seite der oberen Heizplatte angeordnet ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungen sind für die Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung vorgesehen und die Lehre der vorliegenden Offenbarung sollte nicht nur von den beigefügten Zeichnungen abgeleitet werden.
1 zeigt schematisch eine allgemeine Membranelektrodenanordnung.
2 zeigt schematisch ein Verbindungsverfahren einer Membranelektrodenanordnung und einer Gasdiffusionsschicht gemäß dem Stand der Technik.
3 zeigt eine zum Teil vergrößerte Ansicht von 2(A).
4 zeigt schematisch eine Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt schematisch eine Draufsicht einer unteren Heizplatte und einer oberen Heizplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
6 zeigt schematisch einen Verbindungsprozess einer Membranelektrodenanordnung und einer Gasdiffusionsschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
7 zeigt schematisch einen Graphen mit einem Temperaturprofil, wenn eine Membranelektrodenanordnung und eine Gasdiffusionsschicht verbunden werden, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
8 zeigt schematisch einen Verbindungsprozess einer Membranelektrodenanordnung und einer Gasdiffusionsschicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
9 zeigt einen Graphen eines Dampfzuführungsverfahrens in Abhängigkeit von der Zeit, wenn eine Membranelektrodenanordnung und eine Gasdiffusionsschicht verbunden werden, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen Ausführungsbeispiele der Offenbarung dargestellt sind. Wie der Fachmann erkennen würde, können die beschriebenen Ausführungsformen auf verschiedene Weise geändert werden, ohne von der Lehre oder dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Um die vorliegende Offenbarung klar zu beschreiben, werden Teile, die nicht mit der Beschreibung im Zusammenhang stehen, weggelassen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente in der gesamten Beschreibung.
Darüber hinaus sind die Größe und die Dicke von jeder in den Zeichnungen gezeigten Konfiguration für ein besseres Verständnis und zur einfacheren Beschreibung willkürlich dargestellt, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht darauf beschränkt. In den Zeichnungen sind die Dicken der Schichten, Folien/Dünnschichten, Platten/Paneelen, Bereiche, etc. zur Verdeutlichung übertrieben dargestellt.
Eine Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung betrifft eine Verbindungsvorrichtung einer Membranelektrodenanordnung einer Brennstoffzelle und einer Gasdiffusionsschicht, die an beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung vorgesehen ist.
Die Membranelektrodenanordnung weist eine Polymer-Elektrolyt-Membran, eine Katalysatorschicht (Anode und Kathode), die an beiden Seiten der Polymer-Elektrolyt-Membran vorgesehen ist, und eine Unterdichtung, die an beiden Seiten der Katalysatorschicht vorgesehen ist, auf. Die Gasdiffusionsschicht (gas diffusion layer – GDL) ist an beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung vorgesehen.
4 zeigt schematisch eine Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung und 5 zeigt schematisch eine Draufsicht einer unteren Heizplatte und einer oberen Heizplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
Wie in 4 und 5 dargestellt, umfasst die Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels eine untere Heizplatte 30, die an einer Seite einer an beiden Seiten einer Membranelektrodenanordnung vorgesehenen Gasdiffusionsschicht 20 vorgesehen ist, wobei die untere Heizplatte 30 Wärme an die Gasdiffusionsschicht 20 zuführt und eine Dampfzufuhrleitung 32 zum Zuführen von Dampf an die Gasdiffusionsschicht 20 umfasst. Eine obere Heizplatte 40 ist an der anderen Seite der Gasdiffusionsschicht 20 vorgesehen, führt Wärme an die Gasdiffusionsschicht zu und umfasst eine Dampfzufuhrleitung 42 zum Zuführen von Dampf an die Gasdiffusionsschicht 20. Eine Steuerung steuert eine Zufuhrzeit der Wärme und des Dampfes an die untere Heizplatte 30 und die obere Heizplatte 40.
Die untere Heizplatte 30 und die obere Heizplatte 40, die mit Wärme von einer Wärmequelle (nicht gezeigt) versorgt werden, pressen die Membranelektrodenanordnung 10 und die Gasdiffusionsschicht 20 zusammen.
Die Dampfzufuhrleitung 32, die mit Dampf von einer Dampfquelle (nicht gezeigt) versorgt wird und den Dampf an die Membranelektrodenanordnung 10 und die Gasdiffusionsschicht 20 zuführt, ist in der unteren Heizplatte 30 und der oberen Heizplatte 40 gebildet. Wenn die Membranelektrodenanordnung 10 und die Gasdiffusionsschicht 20 thermisch zusammengepresst werden, wenn Feuchtigkeit an die Membranelektrodenanordnung 10 zugeführt wird, ist es möglich, zu verhindern, dass die Polymer-Elektrolyt-Membran 12 verformt wird. Insbesondere wird die thermische Verformung erhöht, wenn die Dicke der Polymer-Elektrolyt-Membran gemäß der Verkleinerung des Brennstoffzellenstapels dünner gemacht wird. Demzufolge ist es möglich, unterschiedliche Größen der einzelnen Teile zu handhaben, wenn die Feuchtigkeit an die Membranelektrodenanordnung 10 zugeführt wird.
5 zeigt schematisch eine Draufsicht einer unteren Heizplatte und einer oberen Heizplatte gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
Wie in 5 dargestellt, ist zumindest eine untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung 34 an einer unteren Seite der unteren Heizplatte 30 gebildet. Die Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung 34 strömt an der Gasdiffusionsschicht 20 erzeugte Feuchtigkeit aus. Zumindest eine obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung (nicht gezeigt) ist an einer oberen Seite der oberen Heizplatte 40 gebildet. Die obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung strömt die an der Gasdiffusionsschicht 20 erzeugte Feuchtigkeit aus.
Wenn die Wärme und die Feuchtigkeit durch die untere Heizplatte 30 und die obere Heizplatte 40 zugeführt werden, wird eine Restfeuchte zwischen der unteren Heizplatte 30 und der oberen Heizplatte 40 verdampft. In einem solchen Fall ist es schwierig, die an einem mittleren Anschnitt der Gasdiffusionsschicht 20 verbleibende Feuchtigkeit zu verdampfen. Daher werden die Membranelektrodenanordnung 10 und die Gasdiffusionsschicht 20 nicht gleichmäßig verbunden und die tatsächliche Leistung der Brennstoffzelle kann sich von einer vorhergesagten Leistung unterscheiden.
Die Feuchtigkeit wird durch die Feuchtigkeitsverdampfungsbohrungen 34, 44, die an der unteren Heizplatte 30 und der oberen Heizplatte 40 gebildet sind, abgeführt/ausgeströmt, wodurch die Membranelektrodenanordnung 10 und die Gasdiffusionsschicht 20 gleichmäßig verbunden werden und die Leistung und Haltbarkeit der Brennstoffzelle verbessert werden.
Eine Mehrzahl von Feuchtigkeitsverdampfungsbohrungen 34, 44 kann an der unteren Heizplatte 30 und der oberen Heizplatte 40 gebildet sein. Wie in 5 gezeigt, kann eine Anordnung der Feuchtigkeitsverdampfungsbohrungen 34, 44 variieren.
Wie in 5(a) und 5(b) gezeigt, sind die Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung3n 34, 44 dicht an einem mittleren Abschnitt der unteren Heizplatte 30 und der oberen Heizplatte 40 angeordnet. Eine Mehrzahl von Dampfzufuhrleitungen 32, 42 ist außerhalb der Feuchtigkeitsverdampfungsbohrungen 34 angeordnet. In einem solchen Fall wird die Restfeuchte an der Gasdiffusionsschicht 20 effizient abgeführt.
Wie in 5(c) und 5(d) gezeigt, können die Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung 34 und die Dampfzufuhrleitung 32 abwechselnd angeordnet sein. Somit können die Membranelektrodenanordnung 10 und die Gasdiffusionsschicht 20 gleichmäßig verbunden werden.
Die Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung 34 kann mit der Dampfzufuhrleitung 32 in Verbindung stehen und die Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung 34 kann in der Lage sein, geöffnet und geschlossen zu werden.
Wenn die an der unteren Heizplatte 30 und der oberen Heizplatte 40 angeordneten Feuchtigkeitsverdampfungsbohrungen geschlossen werden, wird die Feuchtigkeit an die Gasdiffusionsschicht 20 zugeführt. Wenn die Feuchtigkeitsverdampfungsbohrungen geöffnet werden, wird die Restfeuchte an der Gasdiffusionsschicht 20 nach außen abgeführt.
Nachstehend wird ein Verbindungsprozess der Membranelektrodenanordnung 10 und der Gasdiffusionsschicht 20 unter Verwendung der Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung ausführlich beschrieben.
6 zeigt schematisch einen Verbindungsprozess einer Membranelektrodenanordnung und einer Gasdiffusionsschicht gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
Wie in 6(a) bis 6(d) gezeigt, wird die Gasdiffusionsschicht 20 an einer oberen Seite der unteren Heizplatte 30 angeordnet. Die Membranelektrodenanordnung 10 wird an einer oberen Seite der Gasdiffusionsschicht 20 angeordnet und eine weitere Gasdiffusionsschicht 20 wird an einer oberen Seite der Membranelektrodenanordnung 10 angeordnet. Die obere Heizplatte 40 wird an der oberen Seite der weiteren Gasdiffusionsschicht 20 angeordnet.
Unter Bezugnahme auf 6(e) bis 6(g) werden die Membranelektrodenanordnung 10 und ein Paar von Gasdiffusionsschichten 20 zwischen der oberen Heizplatte 40 und der unteren Heizplatte 30 angeordnet und Wärme und Dampf werden an die Membranelektrodenanordnung 10 und das Paar von Gasdiffusionsschichten 20 durch die obere Heizplatte 40 und die untere Heizplatte 30 für eine Zeitdauer zugeführt, wodurch die Membranelektrodenanordnung 10 mit dem Paar von Gasdiffusionsschichten 20 verbunden wird. Nachdem die Membranelektrodenanordnung 10 und das Paar von Gasdiffusionsschichten 20 für eine Zeitdauer thermisch komprimiert sind, während Wärme und Dampf zugeführt werden, werden die Membranelektrodenanordnung 10 und das Paar von Gasdiffusionsschichten 20 für eine Zeitdauer thermisch komprimiert, während lediglich Wärme zugeführt wird. Schließlich wird die Gasdiffusionsschicht 20 von der oberen Heizplatte 40 und der unteren Heizplatte 30 getrennt.
Als solches werden die Membranelektrodenanordnung 10 und das Paar von Gasdiffusionsschichten 20 für eine Zeitdauer thermisch komprimiert, während nur Wärme zugeführt wird, wodurch eine konstante Feuchtigkeitsmenge in der Polymer-Elektrolyt-Membran 12 beibehalten wird und eine Restfeuchte in der Gasdiffusionsschicht 20 abgeführt wird.
Wie in 7 gezeigt, wenn die Membranelektrodenanordnung 10 und die Gasdiffusionsschicht 20 thermisch komprimiert werden, ist eine Temperatur der Polymer-Elektrolyt-Membran 12 verglichen mit einer Temperatur der Gasdiffusionsschicht 20 relativ gering. Demzufolge kann die Restfeuchte in der Gasdiffusionsschicht 20 abgeführt werden und dadurch wird die Gasdiffusionsschicht 20 getrocknet. Weil die Temperatur der Polymer-Elektrolyt-Membran 12 relativ gering ist, kann die Restfeuchte in der Gasdiffusionsschicht 20 nicht einfach abgeführt werden.
Auch, wie in 5 gezeigt, wird die Feuchtigkeit in der Gasdiffusionsschicht 20 durch die Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung 34 abgeführt, die an der oberen Heizplatte 40 beziehungsweise der unteren Heizplatte 30 gebildet ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung wird ein Verbindungsprozess der Membranelektrodenanordnung 10 und der Gasdiffusionsschicht 20 unter Verwendung der Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels ausführlich beschrieben.
8 zeigt schematisch einen Verbindungsprozess einer Membranelektrodenanordnung und einer Gasdiffusionsschicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung und 9 zeigt einen Graphen eines Dampfzuführungsverfahrens in Abhängigkeit von der Zeit, wenn eine Membranelektrodenanordnung und eine Gasdiffusionsschicht verbunden werden, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
Unter Bezugnahme auf 8(a) bis 8(d) wird die Gasdiffusionsschicht 20 an einer oberen Seite der unteren Heizplatte 30 angeordnet. Die Membranelektrodenanordnung 10 wird an einer oberen Seite der Gasdiffusionsschicht 20 angeordnet und eine weitere Gasdiffusionsschicht 20 wird an einer oberen Seite der Membranelektrodenanordnung 10 angeordnet. Die obere Heizplatte 40 wird an einer oberen Seite der weiteren Gasdiffusionsschicht 20 angeordnet.
Unter Bezugnahme auf 8(e), wenn die Membranelektrodenanordnung 10 und ein Paar von Gasdiffusionsschichten 20 zwischen der oberen Heizplatte 40 und der unteren Heizplatte 30 angeordnet sind, werden Wärme und Dampf an die Membranelektrodenanordnung 10 und das Paar von Gasdiffusionsschichten 20 durch die obere Heizplatte 40 und die unteren Heizplatte 30 für eine Zeitdauer zugeführt, wodurch die Membranelektrodenanordnung 10 und das Paar von Gasdiffusionsschichten 20 verbunden werden.
9 zeigt einen Graphen eines Dampfzuführungsverfahrens in Abhängigkeit von der Zeit, wenn eine Membranelektrodenanordnung und eine Gasdiffusionsschicht verbunden werden, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. In 9 bezeichnet die horizontale Achse die Zeit und die vertikale Achse bezeichnet einen Öffnungs-/Schließzustand eines an der Dampfzufuhrleitung vorgesehenen Feuchtigkeitszufuhrventils.
Wie in 9 gezeigt, wird von der oberen Heizplatte 40 und der unteren Heizplatte 30 zugeführte Feuchtigkeit für eine Zeitdauer zugeführt und für eine Zeitdauer wiederholt blockiert/gesperrt. Das heißt, in einem Zeitraum (x), in dem keine Feuchtigkeit zugeführt wird, wird die Restfeuchte in der Gasdiffusionsschicht 20 nach außen abgeführt. In einem Zeitraum (y), in dem Feuchtigkeit zugeführt wird, wird die Feuchtigkeit an die Polymer-Elektrolyt-Membran 12 zugeführt, wodurch verhindert wird, dass die Polymer-Elektrolyt-Membran 12 austrocknet.
Eine Verbindungsleistung gemäß einer Eigenschaft der Membranelektrodenanordnung 10 und der Gasdiffusionsschicht 20 kann durch Steuern/Regeln der Zufuhrzeit und der Sperrzeit der Feuchtigkeit in geeigneter Weise optimiert werden.
Ferner, wie in 5 gezeigt, wird die Restfeuchte in der Gasdiffusionsschicht 20 durch die Feuchtigkeitsverdampfungsbohrungen 34, 44, die an der oberen Heizplatte 40 und der unteren Heizplatte 30 gebildet sind, gleichmäßig abgeführt.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels und dem Verfahren eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung verhindert, dass die Polymer-Elektrolyt-Membran 12 austrocknet, indem Feuchtigkeit an die Polymer-Elektrolyt-Membran 12 zugeführt wird, wodurch die Abmessungen der Polymer-Elektrolyt-Membran 12 beibehalten werden. Insbesondere, da eine thermische Verformung zunimmt, wenn die Dicke der Polymer-Elektrolyt-Membran 12 dünner gemacht wird, ist es erforderlich, die Dicke der Polymer-Elektrolyt-Membran 12 beizubehalten.
Zusätzlich, nachdem die Membranelektrodenanordnung 10 und die Gasdiffusionsschicht 20 verbunden sind, wird eine ausreichende Feuchtigkeit an die Polymer-Elektrolyt-Membran 12 beim Betreiben der Brennstoffzelle zugeführt, wodurch eine konstante Leistung beibehalten wird. Gemäß der Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels der vorliegenden Offenbarung, enthält die Polymer-Elektrolyt-Membran 12 eine konstante Menge an Feuchtigkeit, wodurch eine Aktivierungsprozesszeit reduziert wird. Die Restfeuchte in der Gasdiffusionsschicht 20 wird beseitigt, wodurch die Leistung der Brennstoffzelle verbessert wird.
Gemäß der Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels und einem Verfahren eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung wird Feuchtigkeit an die Polymer-Elektrolyt-Membran 12 zugeführt und Feuchtigkeit, die an einen Ionomer zugeführt wird, wird zu der Katalysatorschicht 11 abgegeben. Demzufolge wird eine Verbindungskraft der Gasdiffusionsschicht 20 und der Polymer-Elektrolyt-Membran 12 verbessert. Daher werden die Gasdiffusionsschicht 20 und die Polymer-Elektrolyt-Membran 12 nicht voneinander getrennt, wenn der Brennstoffzellenstapel hergestellt wird, eine Ausschussrate des Brennstoffzellenstapels wird reduziert und die Herstellungszeit wird entsprechend der Abnahme der Ausschussrate verringert.
Gemäß der Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels und einem Verfahren eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung wird Feuchtigkeit an die Polymer-Elektrolyt-Membran zugeführt, wenn die Membranelektrodenanordnung und die Gasdiffusionsschicht durch thermische Kompression verbunden werden. Demzufolge wird die Kontraktion der Polymer-Elektrolyt-Membran verhindert und die Dimensionsstabilität wird erhalten.
Ferner wird ausreichend Feuchtigkeit an die Polymer-Elektrolyt-Membran zugeführt und eine Restfeuchte wird in der Gasdiffusionsschicht beseitigt. Demzufolge wird die Leistung der Brennstoffzelle verbessert. Eine Verbindungskraft der Katalysatorschicht wird durch Zuführen der Feuchtigkeit an die Polymer-Elektrolyt-Membran verbessert, wodurch verhindert wird, dass die Katalysatorschicht von der Polymer-Elektrolyt-Membran getrennt wird.
Während diese Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als praktische Ausführungsbeispiele erachtet werden, versteht es sich, dass die Offenbarung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Im Gegensatz dazu ist sie dazu vorgesehen, um verschiedene Abänderungen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die innerhalb der Lehre und des Umfangs der beigefügten Ansprüche umfasst sind.

Claims

Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: eine untere Heizplatte, die an einer Seite einer an beiden Seiten einer Membranelektrodenanordnung vorgesehenen Gasdiffusionsschicht vorgesehen ist, wobei die untere Heizplatte Wärme an die Gasdiffusionsschicht zuführt und eine Dampfzufuhrleitung zum Zuführen von Dampf an die Gasdiffusionsschicht umfasst; eine obere Heizplatte, die an einer anderen Seite der Gasdiffusionsschicht vorgesehen ist, wobei die obere Heizplatte Wärme an die Gasdiffusionsschicht zuführt und eine Dampfzufuhrleitung zum Zuführen von Dampf an die Gasdiffusionsschicht umfasst; und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um eine Zufuhrzeit der Wärme und des Dampfes an die untere Heizplatte und die obere Heizplatte zu steuern/regeln.
Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 1, wobei die Steuerung steuert/regelt, dass die Wärme und der Dampf an die untere Heizplatte und die obere Heizplatte für eine Zeitdauer zugeführt wird und eine thermische Kompression der Membranelektrodenanordnung und der Gasdiffusionsschicht, und die Wärme nur an die untere Heizplatte und die obere Heizplatte für eine Zeitdauer zugeführt wird und eine thermische Kompression der Membranelektrodenanordnung und der Gasdiffusionsschicht zugeführt wird.
Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 1, wobei die Steuerung die Wärme, die an die untere Heizplatte und die obere Heizplatte für eine Zeitdauer und eine thermische Kompression der Membranelektrodenanordnung und der Gasdiffusionsschicht zugeführt wird, und ein wiederholtes Zuführen des Dampfes an die untere Heizplatte und die obere Platte für eine Zeitdauer steuert/regelt, während die Wärme an die untere Heizplatte und die obere Heizplatte zugeführt wird.
Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 1, wobei zumindest eine untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung an einer unteren Seite der unteren Heizplatte zum Abführen von Feuchtigkeit von der Gasdiffusionsschicht nach außen gebildet ist, und zumindest eine obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung an einer oberen Seite der oberen Heizplatte zum Abführen der Feuchtigkeit von der Gasdiffusionsschicht nach außen gebildet ist.
Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 4, wobei die untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung und die obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung an einem mittleren Abschnitt der unteren Heizplatte und der oberen Heizplatte angeordnet sind, und die Dampfzufuhrleitung an der Außenseite der Feuchtigkeitsverdampfungsbohrungen angeordnet ist.
Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 4, wobei die Dampfzufuhrleitung und die an der unteren Heizplatte gebildete untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung miteinander in Verbindung stehen, die Dampfzufuhrleitung und die an der oberen Heizplatte gebildete obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung miteinander in Verbindung stehen, und die untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung und die obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung derart gebildet sind, dass sie geöffnet und geschlossen werden können.
Herstellungsverfahren eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: thermisches Komprimieren einer Membranelektrodenanordnung und einer Gasdiffusionsschicht durch Zuführen von Wärme und Dampf für eine Zeitdauer durch eine untere Heizplatte und einer obere Heizplatte, die an beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung angeordnet sind; und Entfernen der Restfeuchte in der Gasdiffusionsschicht durch Zuführen der Wärme an die Membranelektrodenanordnung und die Gasdiffusionsschicht durch die untere Heizplatte und die obere Heizplatte für eine Zeitdauer.
Herstellungsverfahren eines Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 7, wobei die Restfeuchte in der Gasdiffusionsschicht durch eine Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung an einer unteren Seite der unteren Heizplatte und eine obere Seite der oberen Heizplatte abgeführt wird.
Herstellungsverfahren eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: thermisches Komprimieren einer Membranelektrodenanordnung und einer Gasdiffusionsschicht durch Zuführen von Wärme und Dampf für eine Zeitdauer durch die Gasdiffusionsschicht, die an beiden Seiten der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist; und wiederholtes Zuführen von Feuchtigkeit für die Zeitdauer, während die Wärme an die Membranelektrodenanordnung und die Gasdiffusionsschicht durch eine untere Heizplatte und eine obere Heizplatte zugeführt wird.
Herstellungsverfahren eines Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 9, wobei eine Restfeuchte in der Gasdiffusionsschicht durch eine Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung abgeführt wird, die jeweils an einer unteren Seite der unteren Heizplatte und einer oberen Seite der oberen Heizplatte gebildet ist.
Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 2, wobei zumindest eine untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung an einer unteren Seite der unteren Heizplatte zum Abführen von Feuchtigkeit von der Gasdiffusionsschicht nach außen angeordnet ist, und zumindest eine obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung an einer oberen Seite der oberen Heizplatte zum Abführen der Feuchtigkeit von der Gasdiffusionsschicht nach außen angeordnet ist.
Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 3, wobei zumindest eine untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung an einer unteren Seite der unteren Heizplatte zum Abführen von Feuchtigkeit von der Gasdiffusionsschicht nach außen angeordnet ist, und zumindest eine obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung an einer oberen Seite der oberen Heizplatte zum Abführen der Feuchtigkeit von der Gasdiffusionsschicht nach außen angeordnet ist.
Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 11, wobei die untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung und die obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung an einem mittleren Abschnitt der unteren Heizplatte beziehungsweise der oberen Heizplatte angeordnet sind, und die Dampfzufuhrleitung an der Außenseite der Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung angeordnet ist.
Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 11, wobei die Dampfzufuhrleitung und die untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung miteinander in Verbindung stehen, die Dampfzufuhrleitung und die obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung miteinander in Verbindung stehen, und die untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung und die obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung geöffnet und geschlossen werden können.
Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 12, wobei die untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung und die obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung an einem mittleren Abschnitt der unteren Heizplatte beziehungsweise der oberen Heizplatte angeordnet sind, und die Dampfzufuhrleitung an der Außenseite der Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung angeordnet ist.
Verbindungsvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels nach Anspruch 12, wobei die Dampfzufuhrleitung und die untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung miteinander in Verbindung stehen, die Dampfzufuhrleitung und die obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung miteinander in Verbindung stehen, und die untere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung und die obere Feuchtigkeitsverdampfungsbohrung geöffnet und geschlossen werden können.