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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Offenbarung betrifft allgemein Brennstoffzellensysteme und im Spezielleren eine Kompressionserhaltungseinhausung, die mit Komponenten gebildet ist, die durch umgebördelte Verbindungsausgestaltungen gekoppelt sind.
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HINTERGRUND
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Brennstoffzellen sind eine saubere, effiziente und umweltverantwortliche Leistungsquelle für Fahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen. Die Brennstoffzelle entwickelt sich immer stärker zu einer potenziellen Alternative für die traditionellen Verbrennungsmotoren, die in modernen Fahrzeugen zum Einsatz kommen. In Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembran-(PEM, vom engl. proton exchange membrane)-Typ bildet eine dünne, feste elektrolytische Membran mit einer Elektrode und einem Katalysator benachbart zu beiden Seiten eine Membranelektrolytanordnung (MEA). Die MEA umfasst allgemein auch poröse, leitfähige Materialien, die als Gasdiffusionsmedium (DM) bekannt sind, und die an der Anode und der Kathode anliegen und Reaktandengase an diese verteilen. Wasserstoff wird als Brennstoff der Anode zugeführt, wo er in der Gegenwart eines Katalysators elektrochemisch reagiert, um Elektronen und Protonen zu erzeugen. Die Elektronen werden in einem Kreislauf von der Anode zu der Kathode geleitet, und die Protonen wandern durch den Elektrolyt hindurch zu der Kathode, wo Sauerstoff in der Gegenwart eines Katalysators elektrochemisch reagiert, um Sauerstoffanionen zu erzeugen. Die Sauerstoffanionen reagieren mit den Protonen, um Wasser als das Brennstoffzellen-Reaktionsprodukt zu bilden.
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Die MEA und das DM bilden zusammen mit beliebigen isolierenden Dichtungen eine modulare Elektrodenanordnung (UEA, vom engl. unitized electrode assembly), die zwischen einem Paar von elektrisch leitfähigen Platten angeordnet ist. Die Platten dienen als Stromkollektoren für die Elektroden und weisen geeignete darin gebildete Öffnungen, Kanäle und Durchgänge auf, um die gasförmigen Reaktanden über den jeweiligen Elektroden zu verteilen und das Kühlmittel der Zelle zuzuführen. PEM-Brennstoffzellen sind typischerweise in Reihe geschaltet und übereinander gestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
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Ein Brennstoffzellenstapel wird üblicherweise unter Kompression zusammengebaut, um die Brennstoffzellen abzudichten und um einen geringen elektrischen Grenzflächen-Kontaktwiderstand zwischen den Reaktandenplatten und den verschiedenen Komponenten der UEA sicherzustellen und aufrechtzuerhalten. Der Grenzflächen-Kontaktwiderstand in einem PEM-Brennstoffzellenstapel nimmt mit zunehmender Kompressionsbelastung deutlich ab. Eine gewünschte Kompressionsbelastung auf dem Brennstoffzellenstapel liegt typischerweise in einem Bereich zwischen etwa 50 und etwa 400 psi und wird durch ein Kompressionserhaltungs-Einhausungsgehäuse aufrechterhalten, die den Brennstoffzellenstapel beherbergt. Kompressionserhaltungssysteme sind oft überkomprimiert gebaut, um einen gewissen Kompressionsverlust auszugleichen, der auftritt, wenn die anfängliche Kompressionskraft entfernt wird. Außerdem ist bekannt, dass sich die MEA bei Änderungen der Feuchtigkeit und Temperaturen ausdehnt und zusammenzieht; es ist z. B. bekannt, dass sich die MEA in herkömmlichen Brennstoffzellenstapeln im Betrieb bis zu etwa 50% ihrer ursprünglichen Dicke ausdehnt. Kompressionserhaltungseinhausungen müssen so gebaut sein, dass sie die durch Membrananschwellen produzierten Verformungen, die sowohl bei einer Membranausdehnung als auch bei einer Kompressionsbelastungsentspannung in dem Brennstoffzellenstapel auftreten können, aufnehmen oder bewältigen.
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Eine Brennstoffzellenstapelanordnung erfordert einen beträchtlichen Betrag an Kompressionskraft, um die Brennstoffzellen des Stapels zusammenzuquetschen. Die Notwendigkeit einer Kompressionskraft ergibt sich aus dem inneren Gasdruck der Reaktanden innerhalb der Brennstoffzellen und der Notwendigkeit, einen guten elektrischen Kontakt zwischen den inneren Komponenten der Zellen aufrechtzuerhalten. Die Spannung beträgt im Allgemeinen etwa 195–205 psi und wird gleichmäßig über die gesamte aktive Fläche der Zelle (typischerweise 55–155 Quadratzoll für Stapel in der Größe für Kraftfahrzeuge) verteilt. Für eine Brennstoffzelle mit einer Fläche von etwa 80 Quadratzoll beträgt die typische Gesamtkompressionskraft für Stapel dieser Größe somit etwa 15.600 bis 16.500 Pfund.
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Kompressionserhaltungseinhausungen sind gebaut, um einen gewünschten Kontaktdruck zwischen den Bipolarplatten, dem DM und den Katalysatorschichten aufrechtzuerhalten. Es ist auch bekannt, dass unter typischen Betriebsbelastungen ein begrenztes Maß an Zusammendrücken des DM stattfindet, wenn jedoch übermäßige Kompressionsbelastungen auf das DM angewendet werden, kann die Kraft das DM physikalisch verschlechtern, indem in einem unerwünschten Ausmaß Kohlefasern zerbrochen oder Bindemittel, welche die Kohlefasern aneinander binden, aufgebrochen werden. Es ist daher allgemein wünschenswert, dass eine entsprechende Kompressionsbelastung aufrechterhalten wird und ein gewünschter elektrischer Widerstand vorgesehen wird, der gewünschte Bereich während eines Betriebes des Brennstoffzellenstapels jedoch nicht überschritten wird. Eine Kompressionserhaltungseinhausung umfasst typischerweise eine Anzahl von Komponenten, die miteinander gekoppelt sind und zusammenwirken, um eine Kompression auf dem Brennstoffzellenstapel aufrechtzuerhalten oder zu halten. Es gibt viele verschiedene Bauformen von Kompressionserhaltungseinhausungen, von denen jede einen oder mehrere spezielle behauptete Vorteile gegenüber der anderen bietet.
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Der herkömmliche strukturelle Kompressionserhaltungs-Aufbau konzentriert sich auf die Verwendung von steifen Endplatten und Spannstäben, um eine Kompressionskraft auf die Brennstoffzellenanordnung anzuwenden und aufrechtzuerhalten. Die Vielzahl von Brennstoffzellen oder Brennstoffzellenanordnung, die zusammengedrückt werden soll/en, wird zwischen einem Paar von steifen Endplatten eingebaut. Die Endplatten werden dann durch Spannstäbe zusammengedrückt, die sich durch die Endplatten hindurch oder um diese herum erstrecken und eine Kompressionskraft auf die Endplatten ausüben. Außerdem erstrecken sich die Spannstäbe typischerweise über die Oberfläche der Endplatten hinaus und vergrößern dadurch das Volumen der Stapelstruktur. Wenn die Stapelstruktur Spannstäbe verwendet, die um den Umfang der Endplatte herum verteilt sind, um eine Kompressionskraft auf die Brennstoffzellenanordnung auszuüben, kann das richtige Festziehen der Spannstäbe, um die gewünschte Kompressionskraft auszuüben, schwierig sein. Das heißt, die Spannstäbe müssen in einem vorbestimmten Muster gespannt werden, um zu versuchen, eine gleichmäßig verteilte Kompressionsbelastung auf die Brennstoffzellenanordnung anzuwenden. Wenn jeder Spannstab festgezogen wird, ändert sich jedoch die durch die Endplatten ausgeübte Kompressionsbelastung, sodass jeder Spannstab mehrere Male in einem sich wiederholenden Prozess erneut festgezogen werden muss, um eine allgemein gleichmäßige Kompressionskraft auf der Brennstoffzellenanordnung zu erreichen. Außerdem erstrecken sich die Spannstäbe in der Regel über die Oberfläche der Endplatten hinaus und vergrößern dadurch das Volumen der Stapelstruktur.
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Herkömmliche Brennstoffzellenstapel-Einhausungen haben geschraubte Verbindungen verwendet, um eine Stapelbelastung zu halten. Die Schrauben wurden in Aluminiumgussteile im Inneren von Endeinheit-Anordnungen geschraubt und haben dem System beträchtliches Gewicht und Sperrigkeit hinzugefügt. Da ferner die montierte Länge von Teil zu Teil variiert, ändert sich die Position der Nassendeinheit, die die Plattform für die Einheit des unteren Endes ist, in dem sich Reaktandenverteiler und der Rest der Teile, aus denen sie gebaut ist, befinden, und bringt Gestaltungskomplexitäten im Rest der Anlage mit sich. Es können Gleitverbindungen erforderlich sein, um die Stapelhöhenschwankung zu tolerieren. Außer dass die Struktur schwierig von der Umgebung abzudichten ist, bringt die Verwendung von großen geschraubten Verbindungen zusätzlich eine Ausfallart im Zusammenhang mit den Verbindungen mit sich. Erhöhte Montagezeit und -kosten wie auch der vergrößerte Unterbringungsraum stellen pragmatische Überlegungen bei herkömmlichen Konstruktionen dar.
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Es wäre vorteilhaft, eine Stapelstruktur vorzusehen, die eine Kompressionskraft einfacher auf die Brennstoffzellenanordnung übertragen kann, und noch vorteilhafter, wenn das die Kompressionskraft anwendende Mittel der Stapelstruktur ein minimales Volumen hinzufügte. Des Weiteren wäre es vorteilhaft, eine Kompressionserhaltungseinhausung vorzusehen, die genügend Kompressionskraft hält, während sie die Brennstoffzellenanordnung von der Umgebung abdichtet, und die auch ein minimales Volumen hinzufügt. Es wäre auch vorteilhaft, eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Kompressionserhaltungseinhausung vorzusehen, die wirksam ist, um Verformungen aufzunehmen, die durch betriebliches Membrananschwellen und einen Kompressionsspannungsabbau in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt werden.
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Es wäre wünschenswert, einen vereinfachten Aufbau für eine Kompressionserhaltungseinhausung zu entwickeln, der die Anzahl der Komponenten minimiert, die erforderlich sind, um das Zusammendrücken des Brennstoffzellenstapels aufrechtzuerhalten, und die die Masse des Brennstoffzellensystems minimiert, ohne erwünschte Toleranzen zu gefährden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Demzufolge haben die gegenständlichen Erfinder ein Brennstoffzellensystem entwickelt, dass diese und andere Nachteile auf dem Gebiet der Brennstoffzellen überwindet. Das hierin offenbarte Brennstoffzellensystem beseitigt die Notwendigkeit großer geschraubter Verbindungen in der Kompressionserhaltungseinhausung und damit alle Ausfallarten im Zusammenhang mit diesen Verbindungen. Durch eine vereinfachte Gestaltung werden Montagebandkosten reduziert. Der Ersatz von Schnurdichtungen und anderen bekannten Abdichtungsmechanismen durch Cure-In-Place(CIP)- und Form-In-Place(FIP)-Dichtungen, die direkt auf das Metallblech aufgetragen werden, reduziert die Kosten und die Sperrigkeit und reduziert kritische Einbauraumerfordernisse. Gleitverbindungen, die typischerweise benötigt werden, um Stapelhöhenschwankungen zu tolerieren, können beseitigt werden, um die Gestaltung der restlichen Anlage weiter zu vereinfachen.
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Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems umfasst eine Brennstoffzellenstapelanordnung mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, die zwischen einer ersten Endplatte und einer zweiten Endplatte angeordnet sind, wobei der Brennstoffzellenstapel innerhalb einer Kompressionserhaltungseinhausung eingeschlossen ist. Die Kompressionserhaltungseinhausung umfasst eine obere Kompressionsschale, die in Kontakt benachbart der ersten Endplatte angeordnet ist, und eine untere Kompressionsschale, die in Kontakt benachbart der zweiten Endplatte angeordnet ist, wobei jede Kompressionsschale eine umgebördelte Kante aufweist, die sich in Richtung einer umgebördelten Kante der anderen Kompressionsschale und im Wesentlichen koplanar mit dieser erstreckt, und zumindest ein Seitenblech, wobei jedes Seitenblech eine erste umgebördelte Kante, die über eine verblockende Bördelverbindung mit der oberen Kompressionsschale gekoppelt ist, und eine zweite umgebördelte Kante, die über eine verblockende Bördelverbindung mit der unteren Kompressionsschale gekoppelt ist, aufweist. Eine erste Endkappe und eine zweite Endkappe sind an der Vorderseite bzw. der Hinterseite der Kompressionserhaltungseinhausung [engl. compression retention disclosure] angeordnet.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform weist jede Kompressionsschale eine Erweiterung in Richtung und im Wesentlichen koplanar mit einer Erweiterung der anderen Kompressionsschale auf. Die Erweiterung von der oberen Kompressionsschale bildet eine obere Seitenwand und die Erweiterung von der unteren Kompressionsschale bildet eine untere Seitenwand. Jede Seitenwand weist eine umgebördelte Kante auf, und die umgebördelten Kanten sind durch zumindest ein C-Kupplungselement gekoppelt, das den umgebördelten Kanten entgegengesetzt ist und die umgebördelte Kante der oberen Seitenwand mit der umgebördelten Kante der unteren Seitenwand verblockt, um eine verblockte Bördelverbindung zu bilden.
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Weitere Ausführungsformen sehen Verfahren zum Herstellen des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung vor. In einigen Ausführungsformen wird ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel unter einer im Wesentlichen anhaltenden Kompressionskraft hergestellt, indem ein Brennstoffzellenstapel in einer Kompressionserhaltungseinhausung eingeschlossen wird, die mit verblockenden Bördelverbindungen gebildet ist. Die Kompressionserhaltungseinhausung umfasst eine obere Kompressionsschale, die in Kontakt benachbart einer ersten Endplatte angeordnet ist, eine untere Kompressionsschale, die in Kontakt benachbart einer zweiten Endplatte angeordnet ist, und jede Kompressionsschale weist eine umgebördelte Kante auf, die sich in Richtung der umgebördelten Kante der anderen Kompressionsschale und im Wesentlichen koplanar mit dieser erstreckt. Die Einhausung umfasst zumindest ein Seitenblech, wobei jedes Seitenblech eine erste umgebördelte Kante, die über eine obere verblockende Bördelverbindung mit der oberen Kompressionsschale gekoppelt ist, und eine zweite umgebördelte Kante, die über eine untere verblockende Bördelverbindung mit der unteren Kompressionsschale gekoppelt ist, aufweist. Es wird eine anfängliche Kompressionskraft auf die Kompressionsschale angewendet, die hinreichend ist, um zu bewirken, dass die umgebördelten Kanten der Kompressionsschalen die entsprechende entgegengesetzte umgebördelte Kante des Seitenblechs überlappen. Wenn die anfängliche Kompressionskraft gelöst wird, verblocken die entgegengesetzten umgebördelten Kanten, um die oberen und unteren verblockenden Bördelverbindungen zu bilden, was eine gehaltene/anhaltende Kompressionskraft auf dem Brennstoffzellenstapel zur Folge hat, die im Wesentlichen der Gesamt-Spannkraft der Kompressionserhaltungseinhausung entspricht. Die Differenz zwischen der anfänglichen Kompressionskraft und der Gesamt-Spannkraft der Kompressionserhaltungseinhausung nimmt das betriebliche Membrananschwellen des Brennstoffzellenstapels annähernd auf. Die Kompressionserhaltungseinhausung besitzt eine hinreichende Festigkeit, um beim betrieblichen Anschwellen des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen abgedichtet zu bleiben.
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In anderen Verfahrensausführungsformen weist jede Kompressionsschale eine Erweiterung in Richtung und im Wesentlichen koplanar mit einer Erweiterung der anderen Kompressionsschale auf. Die Erweiterungen bilden Seitenwände, die jeweils eine umgebördelte Kante aufweisen. Die umgebördelten Kanten der Seitenwände sind einander nicht entgegengesetzt; stattdessen sind sie in der gleichen Richtung umgebördelt. Es wird eine anfängliche Kompressionskraft angewendet, um die umgebördelten Kanten innerhalb eines vorbestimmten Abstandes voneinander zu bringen, und die umgebördelten Kanten können durch Verpflocken in dieser Position gehalten werden. Ein entgegengesetztes C-Kupplungselement mit einer vorbestimmten Länge, welche mit dem vorbestimmten Abstand übereinstimmt, wird in Position geschoben, um eine doppelte verblockende Bördelverbindung zu bilden, welche die Seitenwände koppelt. Die gehaltene Kompression ist niedriger als die anfängliche Kompression, und die Kompressionserhaltungseinhausung ist in der Lage, ein betriebliches Anschwellen der Brennstoffzellenmembranen aufzunehmen.
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Die Kompressionsschalen und Seitenwände des Brennstoffzellenstapels können zur positionellen Stabilität und Festigkeit an die Endkappen der umgebördelten Einhausung geschweißt oder durchsetzgefügt werden. Die Festigkeit der umgebördelten Verbindungen gestattet die Fertigung von Kompressionsschalen und Endplatten mit leichteren Verbundwerkstoffmaterialien.
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Diese und andere Vorteile, Ausführungsformen und Details werden unter Bezugnahme auf die nachfolgend dargelegte/n Zeichnungen und detaillierte Beschreibung erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Während die Patentbeschreibung mit Ansprüchen schließt, die Ausführungsformen der Erfindung besonders hervorheben und eindeutig beanspruchen, wird angenommen, dass die vorliegende Erfindung aus der nachfolgenden Beschreibung bestimmter Beispiele in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich wird. In den Zeichnungen stellen gleiche Bezugsziffern in den verschiedenen Ansichten durchweg gleiche Elemente dar, und verschiedene Komponenten der Zeichnungen sind nicht unbedingt maßstabgetreu illustriert.
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1A zeigt eine schematische koronale Querschnitts-Scheibenansicht einer exemplarischen Kompressionserhaltungseinhausung eines Brennstoffzellensystems in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Erfindung, die das Koppeln von Seitenblechen mit einer oberen und einer unteren Kompressionsschale über verblockende Bördelverbindungen illustriert.
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1B zeigt eine vergrößerte Darstellung eines gekennzeichneten eingerahmten Abschnitts von 1A, die eine verblockende umgebördelte Verbindung illustriert, welche eine umgebördelte Kante mit einem Seitenblech koppelt.
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2A zeigt eine perspektivische Darstellung einer oberen Kompressionsschale in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Erfindung.
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2B zeigt eine schematische koronale Querschnittsansicht einer oberen Kompressionsschale in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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3A ist eine schematische koronale Querschnittsansicht einer Kompressionserhaltungseinhausung eines Brennstoffzellensystems in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der Erfindung, die umgebördelte Kanten illustriert, welche durch ein C-Kopplungselement verblockt sind.
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3B ist eine vergrößerte Darstellung eines gekennzeichneten eingerahmten Abschnitts von 3A, die umgebördelte Kanten zeigt, welche durch ein C-Kupplungselement verblockt sind.
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4 ist eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Positionieren eines C-Kupplungselements, um eine Kopplung von zwei umgebördelten Kanten in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der Erfindung zu bewirken.
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5 zeigt ein Kompressionserhaltungssystem, bei welchem der obere Abschnitt aufgeschnitten ist, um das Koppeln und Abdichten einer Seitenwand an eine Endkappe zu zeigen.
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Die Zeichnungen sollen in keiner Weise einschränkend sein, und es wird in Erwägung gezogen, dass verschiedene Ausführungsformen der Erfindung in vielfältiger anderer Art und Weise ausgeführt werden können, die solche einschließen, welche in den Zeichnungen nicht unbedingt gezeigt sind. Die beigefügten Zeichnungen, die in der Patentbeschreibung beinhaltet sind und einen Teil derselben bilden, illustrieren verschiedene Aspekte der der vorliegenden Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären, wobei jedoch verständlich ist, dass diese Erfindung nicht auf die genauen Einrichtungen beschränkt ist, welche gezeigt sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Merkmale und Vorteile der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen offensichtlich, welche Beispiele spezifischer Ausführungsformen umfassen, die eine umfassende Darstellung der Erfindung bieten sollen. Für Fachleute werden verschiedene Abwandlungen von dieser Beschreibung und von der Anwendung der Erfindung offensichtlich sein. Der Schutzumfang soll nicht auf die speziellen offenbarten Formen beschränkt sein und die Erfindung deckt alle Abwandlungen, Äquivalente und Alternativen ab, die in den Geist und den Schutzumfang der Erfindung fallen, wie durch die Ansprüche definiert.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „bevorzugt”, „allgemein” und „typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht.
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Es wird darauf hingewiesen, dass für die Zwecke der Beschreibung und Definition der vorliegenden Erfindung die Ausdrücke „im Wesentlichen” und „annähernd” hierin verwendet werden, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeschrieben werden kann. Der Ausdruck „im Wesentlichen” wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies zu einer Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes führt.
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Bezug nehmend auf die 1A und 1B ist eine Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung schematisch gezeigt. Es ist verständlich, dass Besonderheiten eines typischen Brennstoffzellensystems, die nicht notwendig sind, um den Schutzumfang von hierin beschriebenen Ausführungsformen zu verstehen oder zu definieren, entweder nicht gezeigt sind oder nur im notwendigen Detail gezeigt sind. Das hierin offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzellenstapelanordnung 5 mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen 10, die zwischen einer ersten Endplatte 15 und einer zweiten Endplatte 20 angeordnet sind. Es ist eine koronale Querschnitts-Scheibenansicht einer Ausführungsform eines Kompressionserhaltungseinhausungs 25-Gehäuses der Brennstoffzellenstapelanordnung 5 gezeigt. Eine Kompressionserhaltungseinhausung 25 ist gebaut, um eine Kompressionskraft auf Komponenten des Brennstoffzellenstapels aufrechtzuerhalten, die notwendig ist, um einen hinreichenden Kontakt aufrechtzuerhalten und um den Kontaktwiderstand zwischen Komponenten der Brennstoffzelle zu verringern.
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Die Kompressionserhaltungseinhausung 25 umfasst eine obere Kompressionsschale 30 benachbart der ersten Endplatte 15. Die Kompressionsschale 30 kann mithilfe einer Form-In-Place- oder Cure-In-Place-Dichtung zu der Endplatte 15 abgedichtet sein oder kann an die Endplatte 15 genietet, durchsetzgefügt oder geschweißt sein, um eine Abdichtung gegenüber der Umgebung bereitzustellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Kompressionsschale 30 mit einem Stempel- und Matrizen-Durchsetzfügeverfahren wie z. B. dem durch die BTM Corporation vermarkteten Tog-L-LocTM-Verfahren an der Endplatte 15 befestigt werden. In einigen Ausführungsformen kann eine Isolierschicht zwischen der Kompressionsschale 30 und der Endplatte 15 angeordnet sein und kann in dem Befestigungs/Abdichtungsmechanismus enthalten sein. Wie hierin verwendet, bedeutet „benachbart” nicht, dass eine dazwischentretende Isolierschicht ausgeschlossen ist. Die untere Kompressionsschale 35 kann auch benachbart einer zweiten Endplatte 20, allgemein an dem nassen Ende der Brennstoffzellenstapelanordnung 5 in Kontakt stehen.
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Die obere Kompressionsschale 30 und die untere Kompressionsschale 35 können jeweils zumindest eine umgebördelte Kante 50 aufweisen, die sich in Richtung und i, Wesentlichen koplanar mit einer umgebördelten Kante 55 der anderen Kompressionsschale erstreckt. Die Bördelungen sind in Bezug aufeinander in entgegengesetzter Orientierung. Wie hierin verwendet, bedeutet „entgegengesetzte Orientierung”, dass die Bördelungen in entgegengesetzten Richtungen orientiert sind und dadurch in der Lage sind, ineinander einzugreifen, um eine umgebördelte Verbindung 60 zu bilden. Die Kompressionserhaltungseinhausung 25 umfasst auch zumindest ein Seitenblech 45, das sich um den Umfang der Stapelanordnung 5 herum wickeln kann. Die seitlichen Kanten können überlappen und einen Saum bilden, der abgedichtet wird. Wo seitliche Kanten der Seitenbleche überlappen, können Cure-In-Place- und/oder Form-In-Place-Dichtmittel verwendet werden, um die Kanten zu befestigen, die eine sichere Abdichtung gegenüber der Umgebung bilden. In anderen Ausführungsformen umfasst die Kompressionserhaltungseinhausung 25 mehr als ein Seitenblech 45. Jedes Seitenblech 45 umfasst eine erste umgebördelte Kante 50, die über eine verblockende Bördelverbindung 60 mit der oberen Kompressionsschale 30 gekoppelt ist, und eine zweite umgebördelte Kante 55, die über eine verblockende Bördelverbindung 60 mit der unteren Kompressionsschale 35 gekoppelt ist.
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Das Brennstoffzellensystem 1 ist typischerweise so gebaut, dass die Kompressionserhaltungseinhausung 25 eine anhaltende Kompressionskraft auf die Brennstoffzellenstapelanordnung 5 ausübt. Im Allgemeinen wird die Kompressionserhaltungseinhausung unter einer anfänglichen Kompression gebildet, die hinreichend ist, um die umgebördelten Kanten so zu positionieren, dass sie beim Lösen der anfänglichen Kompression verblocken. Die Komponenten der Brennstoffzellenstapelanordnung 5 werden in einer Presse angeordnet und bis zu einer vorbestimmten Tonnage zusammengedrückt, wobei ein Überkompressionsfaktor hinzugefügt wird, um zu erleichtern, dass eine Seitenspannung die Anordnung abdeckt. Der Pressendruck wird gelöst, sodass der durch die Kompressionserhaltungseinhausung 25 bei der gewünschten Betriebstonnage komprimierte Brennstoffzellenstapel zurückbleibt.
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Durch Bilden der verblockenden umgebördelten Verbindungen 60 unter einer anhaltenden Kompressionskraft (auch als gehaltene Kompressionskraft bezeichnet) werden die umgebördelte Verbindung 60 und die Seitenbleche 45 einer Gesamtzug/spannkraft unterworfen sein, die der anhaltenden Kompressionskraft im Wesentlichen entspricht. Die gegenständlichen Erfinder haben überraschenderweise entdeckt, dass die Kompressionserhaltungseinhausung 25 gemäß der Erfindung eine hinreichende Festigkeit besitzt, um selbst beim betrieblichen Anschwellen der Brennstoffzellenstapelanordnung 5 der Umgebung gegenüber im Wesentlichen abgedichtet zu bleiben.
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Ein anderer durch die vorliegende Gestaltung realisierter Nutzen umfasst die Möglichkeit der Herstellung von einsatzbereiten Seitenblechen für eine vorbestimmte Brennstoffzellenstapelhöhe. Die Stapelhöhenschwankung ist ein auf dem technischen Gebiet gut bekanntes Problem. Bei herkömmlichen Bauformen können Gleitverbindungen verwendet werden, um Stapelhöhenschwankungen zu tolerieren. In Übereinstimmung mit hierin offenbarten Ausführungsformen kann eine auf Brennstoffzellenmodul-Unterbringungsanforderungen beruhende Stapelschwankung ausgeklammert werden, um mehr nutzbaren Unterbringungsraum bereitzustellen. Die Beseitigung von Gleitverbindungen vereinfacht die Gestaltung des Rests der Teile.
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Die Abdichtung gegenüber der Umgebung wird dadurch robuster gemacht, dass Seildichtungen eliminiert und durch eine Beschichtung, die mithilfe einer beliebigen bekannten Abdichtungstechnik wie z. B. jenen, die in der Abfüllindustrie verbreitete Verwendung finden, direkt auf das Metallblech aufgebracht wird, oder durch eingeschlossenes Cure-In-Place oder Form-In-Place-Dichtungsmaterial ersetzt werden.
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Bezug nehmend auf 2A haben die gegenständlichen Erfinder mit verschiedenen Gestaltungsoptionen experimentiert und in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform ist die obere Kompressionsschale 30 allgemein kuppelförmig, wenngleich andere Formen einschließlich eines im Wesentlichen ebenen Aufbaus verwendet werden können. Die durch den umgebördelten Verbindungsaufbau verliehene Festigkeit der Abdichtung ermöglicht die Fertigung der Kompressionsschalen aus leichten Verbundwerkstoffmaterialien.
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Bezug nehmend auf 2B weist das Verbundwerkstoffmaterial gemäß einigen Ausführungsformen eine polymere Schicht und eine metallische Schicht auf. Nicht einschränkende Beispiele von geeigneten Metallen umfassen Stahl und Aluminium, und in speziellen Ausführungsformen ist der Stahl ein rostfreier Stahl oder ein hochfester Stahl. In anderen speziellen Ausführungsformen ist der Stahl ein Zweiphasen(DP, vom engl. dual phase)-Stahl und in noch anderen speziellen Ausführungsformen ist der Stahl ein Stahl mit umwandlungsbewirkter Plastizität (TRIP, vom engl. transformation induced plasticity). Sehr spezielle Ausführungsformen umfassen DP 350/600, TRIP-350/600, rostfreien Stahl, z. B. SS 304 und Kombinationen daraus. Es wird in Erwägung gezogen, dass die Kompressionsschale und die Wand aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sein können, wobei die Materialverhältnisse z. B. im Hinblick auf die Kosten optimiert sind. In einer Ausführungsform umfasst eine Kombination aus Schale und Wänden rostfreien Stahl und einen DP- oder TRIP-Stahl.
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In speziellen Ausführungsformen ist die polymere Schicht ein polymerer Kern 85 und das Verbundwerkstoffmaterial umfasst einen polymeren Kern 85, der zwischen einer unteren Stahlhaut 95 und einer oberen Stahlhaut 70 eingebaut ist. In sehr speziellen Ausführungsformen ist eine umgebördelte Kante einer Kompressionsschale eine Erweiterung der oberen Stahlhaut 70. Nicht einschränkende Beispiele für ein polymeres Material, das zur Herstellung des Kerns geeignet ist, umfassen Schäume wie z. B. synthetische Schäume. Synthetische Schäume sind Verbundwerkstoffmaterialien, die durch Füllen einer Metall-, Polymer- oder Keramikmatrix mit hohlen Partikeln, die Mikroballons genannt werden, „syntaktisch”, was „zusammengegeben” bedeutet, synthetisiert werden. Das Vorhandensein von hohlen Partikeln hat eine geringere Dichte, eine höhere Festigkeit und einen niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten zur Folge. Das Matrixmaterial kann aus beinahe jedem/r Metall, Polymer oder Keramik gewählt werden. Es steht eine große Vielfalt von Mikroballons einschließlich Hohlkugeln („Cenospheres”), Glas-Mikrokugeln und Kohlenstoff- und Polymer-Mikroballons zur Verfügung. Spezielle Beispiele für syntaktische Schäume umfassen Glas-Mikroballon-Epoxid, Glas-Mikroballon-Aluminium und Cenosphere-Aluminium.
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Die kompressiven Eigenschaften von syntaktischen Schäumen sind in erster Linie von den Eigenschaften der Mikroballons abhängig, während die Zugdehnungseigenschaften von dem Matrixmaterial abhängig sind, welche die Mikroballons zusammenhält. Die Eigenschaften der Materialien können angepasst werden, indem der Volumenanteil der Mikroballons in der syntaktischen Schaumstruktur geändert wird oder indem Mikroballons mit unterschiedlicher Wanddicke verwendet werden. Im Allgemeinen ist die Kompressionsstärke des Materials proportional zu seiner Dichte. Speziell geeignete Schäume umfassen syntaktische Schäume auf Epoxidbasis mit variierenden Volumenanteilen von hohlen Kalknatronglas-Mikroballons oder -Cenospheres.
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In anderen Ausführungsformen kann das gesamte Polymer-Teilstück oder ein Teil davon ein spritzgegossener Kunststoff sein, wobei der gegossene Kunststoff eine beliebige Anzahl von Kunststoffen umfasst, die auf dem technischen Gebiet hoher Kompressionsstärke bekannt sind. Ein spezielles Beispiel umfasst Nylon 6,6 und ein sehr spezielles Beispiel umfasst mit Kurzglasfasern verstärktes Nylon 6,6, z. B. mit 30% Glasfasern verstärktes Nylon 6,6. In der komplett gegossenen Ausführungsform kann etwas Epoxid oder ein anderer Klebstoff erforderlich sein, um die Haut an den Kern zu kleben.
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In Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen werden die umgebördelten Kanten 50, 55 zum Koppeln positioniert, indem eine anfängliche Kompressionskraft auf die Kompressionsschalen 30, 35 angewendet wird, die hinreichend ist, um die umgebördelten Kanten der Kompressionsschalen 30, 35 mit den entsprechenden umgebördelten Kanten des Seitenblechs 45 zu überlappen, sodass, wenn die Kompressionskraft gelöst wird, die umgebördelten Kanten verblocken, um eine obere und eine untere verblockende Bördelverbindung 60 zu bilden. Dies hat eine anhaltende Kompressionskraft auf dem Brennstoffzellenstapel 5 zur Folge, die im Wesentlichen der Gesamtspannkraft der Kompressionserhaltungseinhausung 25 entspricht. In speziellen Ausführungsformen nimmt die Differenz zwischen der anfänglichen Kompressionskraft und der Gesamtspannkraft der Kompressionserhaltungseinhausung 25 das betriebliche Membrananschwellen des Brennstoffzellenstapels annähernd auf, ohne die Abdichtung gegenüber der Umgebung zu beeinträchtigen.
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Bezug nehmend auf die 3A und 3B ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, wo anstelle der Seitenbleche die Erweiterung von der oberen Kompressionsschale 30 eine obere Seitenwand 70 bildet, und die Erweiterung von der unteren Kompressionsschale 35 eine untere Seitenwand 75 bildet. Die Seitenwände sind im Wesentlichen koplanar, und jede Seitenwand weist eine umgebördelte Kante 80 auf, die in Richtung der umgebördelten Kante 80 der entsprechenden Seitenwand orientiert ist, sodass die Bördelungen nicht entgegengesetzt sind und daher nicht in eine verblockende Position gebracht werden könnten. Zumindest ein C-Kupplungselement 85 ist den umgebördelten Kanten 80 entgegengesetzt. Die umgebördelte Kante der oberen Seitenwand 70 und die umgebördelte Kante der unteren Seitenwand 75 werden in eine fixierte Position gebracht, sodass das C-Kupplungselement 85 sich an Ort und Stelle verschiebt, um die zwei Wände über eine doppelt verblockende Bördelverbindung aneinander zu sichern. Das C-Kupplungselement 85 kann in der Länge koextensiv mit der Seitenlänge der Seitenwand sein, oder es können mehr als ein C-Kupplungselement 85 in Position gleiten, um die Seitenwände 70, 75 zu sichern.
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Wie in 4 schematisch gezeigt, werden die Bördelungen mit zumindest einem C-Kupplungselement 85 verblockt, während sie unter einer anfänglichen Kompressionskraft stehen. Die anfängliche Kraft kann angewendet werden, um die umgebördelten Kanten 80 der Seitenwände in einem vorbestimmten Abstand voneinander zu positionieren, und die Position kann durch einen beliebigen Kompressions-Durchsetzfügemechanismus gehalten werden. Die vorbestimmte Länge stimmt mit einer vorbestimmten Abmessung des C-Kupplungselements 85 überein, die gestattet, dass das C-Kupplungselement 85 problemlos an die Stelle entlang der Nuten der umgebördelten Kanten 80 gleitet. Mit „übereinstimmen” ist gemeint, dass die Länge im Wesentlichen gleich oder kleiner als die „Greif”-Länge (d. h. die vertikale und nicht die Querlänge des Autos) des C-Kupplungselements, abhängig von dem Grad an gewünschter Über-Kompression, ist. Wenn die anfängliche Kompressionskraft gelöst wird, verblocken das C-Kupplungselement 85 und die umgebördelten Kanten 80 und bilden eine doppelt verblockte umgebördelte Verbindung. Die auf der umgebördelten Verbindung und den Seitenwänden erzeugte Spannkraft beim Verblocken ist ungefähr gleich der anhaltenden Kompressionskraft der Kompressionserhaltungseinhausung 25 auf der Brennstoffzellenstapelanordnung 5. Die Kompressionserhaltungseinhausung gemäß der Erfindung besitzt eine hinreichende Festigkeit, um selbst beim betrieblichen Anschwellen des Brennstoffzellenstapels, das durch die anfängliche Über-Kompression aufgenommen wird, im Wesentlichen abgedichtet zu bleiben.
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Die Kompressionsschalen 30, 35 der Kompressionserhaltungseinhausung 25 mit umgebördelten Verbindungen in Übereinstimmung mit der Offenbarung können aus einem leichteren Verbundwerkstoffmaterial gefertigt werden, wie in 2B schematisch illustriert, welches in einigen Ausführungsformen eine polymere Schicht und eine Stahlschicht umfasst. In speziellen Ausführungsformen besteht die polymere Schicht aus einem Polymer und bildet einen polymeren Kern 85, und das Verbundwerkstoffmaterial umfasst den polymeren Kern 85, der zwischen einer unteren Stahlhaut 95 und einer oberen Stahlhaut 90 eingebaut ist. Die Erweiterungen, welche die Seitenwände 70, 75 bilden, können Erweiterungen der oberen Stahlhautschichten 90 der Kompressionsschale 30, 35 sein, die mit einem Verbundwerkstoffmaterial hergestellt wird.
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Bezug nehmend auf 5 umfasst ein Kompressionserhaltungssystem in der Regel eine erste Endkappe, die über die Vorderseite hinweg positioniert ist, und eine zweite Endkappe, die über die Rückseite hinweg positioniert ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung weist eine Kante einer Seitenwand benachbart einer Endkappenkante eine Kantenlippe auf, die eine Kontaktfläche 110 mit der benachbarten Kante einer Endkappe 115 bildet, die sowohl zum Abdichten als auch zum Befestigen, z. B. mithilfe eines Metallschweißverfahrens, geeignet ist. In bestimmten Ausführungsformen wird eine Seitenwand 45 mithilfe eines Metallblech-Schweißverfahrens wie z. B. Buckelschweißen an der Kontaktfläche 110 an einer Endkappe 100 befestigt. In noch anderen Ausführungsformen kann die Seitenwand 45 mithilfe von Schlagnieten wie z. B. dem von Advel erhältlichen Fastriv® Verbindungselementsystem an der Endkappe 100 gesichert werden. In anderen Ausführungsformen kann ein Gelenk mithilfe von Löchern unter einem bekannten Abstand voneinander innerhalb von zwei benachbarten Komponenten bis zu einer oberen oder unteren Grenze vorgespannt und mit traditionellen geschraubten Verbindungselementen befestigt werden. Gewichts- und Kostenoptimierung sind Faktoren bei der Berücksichtigung der Auswahl der Verbindungselemente.
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Nach der Beschreibung der Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen wird gleichwohl einzusehen sein, dass Abwandlungen und Varianten möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist. Es wird insbesondere in Erwägung gezogen, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt auf die angeführten bevorzugten Aspekte und exemplarisch dargelegten Ausführungsformen begrenzt ist, sondern dafür die beigefügten Ansprüche maßgeblich sind.
