Die
Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen und insbesondere auf
Brennstoffzellen, die in einem Stapel gehalten und mit Druck beaufschlagt sind.The
This invention relates to fuel cells and more particularly
Fuel cells, which are held in a stack and pressurized.
Brennstoffzellenstapel
umfassen typisch mehrere Brennstoffzellen, die übereinander gestapelt sind
und gegeneinander gedrückt
werden. Die mehreren gestapelten Brennstoffzellen bilden einen Brennstoffzellenzusammenbau,
der mit Druck beaufschlagt ist, um die mehreren Brennstoffzellen
in einer Druckbeziehung zu halten. Jede Brennstoffzelle umfasst
typisch eine Anodenschicht, eine Katodenschicht und einen Elektrolyten,
der zwischen der Anodenschicht und der Katodenschicht liegt. Der Brennstoffzellenzusammenbau
erfordert eine erhebliche Druckkraft, um die Brennstoffzellen des
Stapels zusammenzudrücken.
Die Notwendigkeit der Druckkraft ergibt sich aus dem Gas-Innendruck
der Reaktanden in den Brennstoffzellen sowie aus der Notwendigkeit,
einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Innenkomponenten der
Zellen aufrechtzuerhalten. Allgemein beträgt die Kraft pro Flächeneinheit
insgesamt etwa 1,34 MPa–1,41
MPa (195–205 psi),
die gleichmäßig über den
gesamten aktiven Bereich der Zelle (typisch 497–1000 cm2 (77–155 Quadratzoll)
für Kraftfahrzeugstapel)
verteilt sind. Somit beträgt
die typische Gesamtdruckkraft von Stapeln dieser Größe bei einer
Brennstoffzelle mit einer Fläche
von etwa 516 cm2 (80 Quadratzoll) etwa 68,947 kN
bis 73,396 kN (15500–16500
Pfund).Fuel cell stacks typically include a plurality of fuel cells that are stacked and pressed against each other. The plurality of stacked fuel cells form a fuel cell assembly that is pressurized to hold the plurality of fuel cells in pressure relationship. Each fuel cell typically includes an anode layer, a cathode layer, and an electrolyte located between the anode layer and the cathode layer. The fuel cell assembly requires significant compressive force to compress the fuel cells of the stack. The need for compressive force results from the internal gas pressure of the reactants in the fuel cells and the need to maintain good electrical contact between the internal components of the cells. Generally, the force per unit area is generally about 1.35 MPa-1.41 MPa (195-205 psi), which is evenly distributed over the entire active area of the cell (typically 497-1000 cm 2 (77-155 square inches) for motor vehicle stacks) are. Thus, for a fuel cell having an area of about 516 cm 2 (80 square inches), the typical total compressive force of stacks of this size is about 68.947 kN to 73.396 kN (15500-16500 pounds).
Typische
Brennstoffzellenstapelkonstruktionen des Standes der Technik konzentrieren
sich auf die Verwendung starrer Endplatten, um auf den Brennstoffzellenzusammenbau
eine Druckkraft auszuüben
und aufrechtzuerhalten. Der zusammenzudrückende Brennstoffzellenzusammenbau
liegt zwischen einem Paar starrer Endplatten. Die Endplatten werden
daraufhin zusammengedrückt
und in einer beabstandeten Beziehung gehalten, um die Druckkraft
aufrechtzuerhalten. Die Endplatten können durch eine Vielzahl von
Mitteln in einer beabstandeten Beziehung gehalten werden. Zum Beispiel
können
Spannstangen verwendet werden, die durch die Endplatten verlaufen,
um auf sie eine Druckkraft auszuüben
und sie in einer beabstandeten Beziehung zu halten. Die Spannstangen
befinden sich typisch außerhalb
des Brennstoffzellenzusammenbaus und entlang des Umfangs der Endplatten.
Außerdem werden
Seitenplatten verwendet, die entlang einer Länge des Brennstoffzellenzusammenbaus
verlaufen und an den Endplatten angebracht sind, um die Endplatten
in einer beabstandeten Beziehung zu halten und eine Druckkraft auf
den Brennstoffzellenzusammenbau aufrechtzuerhalten.typical
Concentrate fuel cell stack constructions of the prior art
focus on using rigid end plates to fuel cell assembly
to exert a compressive force
and uphold. The fuel cell assembly to be compressed
lies between a pair of rigid end plates. The end plates will be
then squeezed
and held in a spaced relationship to the compressive force
maintain. The end plates can through a variety of
Means are kept in a spaced relationship. For example
can
Tie rods are used, which run through the end plates,
to exert pressure on them
and to keep them in a spaced relationship. The tie rods
are typically outside
of the fuel cell assembly and along the perimeter of the end plates.
In addition, will
Side plates used along a length of the fuel cell assembly
run and attached to the end plates to the end plates
to maintain a spaced relationship and a compressive force
to maintain the fuel cell assembly.
Wegen
der hohen Druckkraft, die auf den Brennstoffzellenzusammenbau ausgeübt werden muss,
und wegen der Größe des aktiven
Bereichs des Brennstoffzellenzusammenbaus, über den die Druckkraft ausgeübt werden
muss, neigen starre Endplatten, die mit bestimmten Mitteln entlang
des Umfangs der starren Endplatten in einer beabstandeten Beziehung
gehalten werden, dazu, sich zu wölben
und keine allgemein gleichmäßige Druckkraft über den
gesamten aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus auszuüben. Das
heißt,
der Mittelabschnitt der starren Endplatten wölbt sich, wobei die auf den
aktiven Bereich unter den Mittelabschnitten der starren Endplatten
ausgeübte
Kraft nicht so stark ist wie die Kraft, die auf den aktiven Bereich
entlang des Umfangs der starren Endplatten ausgeübt wird.Because of
the high compressive force that must be exerted on the fuel cell assembly
and because of the size of the active one
Area of fuel cell assembly over which the compressive force is applied
must, rigid end plates tend to go along with certain means
the periphery of the rigid end plates in a spaced relationship
to be arched, to arch
and no generally uniform compressive force over the
entire active area of fuel cell assembly. The
is called,
the central portion of the rigid end plates bulges, with the on the
active area under the middle sections of the rigid end plates
practiced
Force is not as strong as the force acting on the active area
is applied along the periphery of the rigid end plates.
Versuche
des Standes der Technik, eine allgemein gleichmäßige Druckverteilung über den
aktiven Bereich zu erzeugen, umfassen sehr dicke starre Endplatten
mit äußeren Spannstangen,
starre Endplatten mit inneren Spannstangen, die durch den Brennstoffzellenzusammenbau
geleitet sind, halbstarre Endplatten mit einem Hohlraum für eine Gasblase
und die Verwendung diskreter Kraftausübungselemente wie etwa Schrauben,
die über
den Mittelabschnitten der Endplatten positioniert sind und wahlweise
in Bezug auf die Endplatten bewegt werden können, um entlang der Mittelabschnitte
der Endplatten eine Druckkraft auszuüben.tries
the prior art, a generally uniform pressure distribution over the
generate active area, include very thick rigid end plates
with outer tie rods,
rigid end plates with inner tie rods formed by fuel cell assembly
are guided, semi-rigid end plates with a cavity for a gas bubble
and the use of discrete force-applying elements such as screws,
the above
the middle portions of the end plates are positioned and optionally
with respect to the end plates can be moved to along the middle sections
the end plates exert a compressive force.
In
der starren Endplatte mit äußeren Spannstangen
verlaufen Gewindespannstangen vom Umfang der oberen Endplatte entlang
der Außenseite
des Brennstoffzellenzusammenbaus zum Umfang der unteren Endplatte,
so dass die Gesamtdruckkraft durch die Spannstange übertragen
wird. Die Endplatte muss dick genug sein, so dass eine kleine Gesamtwölbung (weniger
als ca. 25,4 μm
pro Zelle) erzielt wird. Der Nachteil dieses Systems ist, dass die
Endplatte im Vergleich zu allen anderen Optionen sehr dick sein
muss, da die Gesamtspannweite der Endplatte am größten ist
und kein anderes Verfahren verwendet wird, um eine gleichmäßige Kraft über den
gesamten aktiven Bereich zu erzeugen.In
the rigid end plate with outer tie rods
Pass threaded rods along the circumference of the upper end plate
the outside
the fuel cell assembly to the periphery of the lower end plate,
so that the total pressure transmitted by the tension rod
becomes. The end plate must be thick enough so that a small overall bulge (less
as about 25.4 microns
per cell). The disadvantage of this system is that the
End plate to be very thick compared to all other options
must because the total span of the end plate is the largest
and no other method is used to provide a uniform force over the
to create the entire active area.
Um
die Spannstangen näher
in dem Mittelabschnitt der Endplatten anordnen zu können, verlaufen
bei der starren Endplatte mit inneren Spannstangen durch den Brennstoffzellenzusammenbau
die Spannstangen durch die Mitte der Brennstoffzellen. Die Gesamtspannweite
der Biegekraft wird nun nicht über
die gesamte Breite der oberen Endplatten ausgeübt, sondern vielmehr eine kürzere Spannweite
erzielt. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, dass die Spannweite
der Endplatten verringert ist, was dazu führt, dass eine dünnere Endplatte
verwendet werden kann, besitzt aber den Nachteil, dass sie komplizierte
Bipolplatten-Abdichtmechanismen erfordert, damit die Spannstangen durch
den Brennstoffzellenzusammenbau gehen können.In order to arrange the tie rods closer to the center portion of the end plates, in the rigid end plate with inner tie rods by the fuel cell assembly, the tie rods pass through the center of the fuel cells. The total span of the bending force is now not exercised over the entire width of the upper end plates, but rather achieved a shorter span. This arrangement has the advantage that the span of the end plates is reduced, which results in a thinner end plate can be used, but has the disadvantage that it requires complicated Bipolplatten-sealing mechanisms, so that the tie rods through the fuel cell assembly.
Bei
der halbstarren Endplatte mit einem Hohlraum für eine Gasblase ist die Unterseite
der oberen Endplatte ausgehöhlt,
in dem Endplattenhohlraum eine Blase positioniert und die Blase
mit Druck beaufschlagt, um die gewünschte Druckbelastung des Stapels
zu erzeugen. Nun kann sich die obere Endplatte selbst etwas biegen,
während
die Blase die gleichmäßige Kraftverteilung über den
gesamten aktiven Bereich aufrechterhält. Diese Anordnung besitzt
den Vorteil, dass die Konstruktionskomponente der oberen Endplatte
dünner
hergestellt werden kann, da sie sich beträchtlich biegen darf, besitzt
aber den Nachteil, dass sie einen Hohlraum in der Endplatte erfordert,
mit dem Ergebnis, dass sich die Gesamtdicke der Endplatte erheblich
erhöht.at
the semi-rigid end plate with a cavity for a gas bubble is the bottom
hollowed out of the upper end plate,
a bubble is positioned in the endplate cavity and the bladder
pressurized to the desired compressive load of the stack
to create. Now the upper end plate can bend itself a bit,
while
the bubble the even force distribution over the
maintains the entire active area. This arrangement has
the advantage that the design component of the upper end plate
thinner
can be made, as it may bend considerably owns
but the disadvantage that it requires a cavity in the end plate
with the result that the total thickness of the end plate considerably
elevated.
Bei
der Verwendung diskreter Kraftausübungselemente sind diese über den
Mittelabschnitten der Endplatten positioniert und werden wahlweise
in Bezug auf die Endplatten bewegt, um entlang der Mittelabschnitte
der Endplatten eine Druckkraft auszuüben. Diese Anordnung besitzt
den Vorteil, dass die auf die verschiedenen Orte der Endplatten, über denen
ein diskretes Kraftausübungselement
positioniert ist, angewendete Druckkraft fein abgestimmt werden
kann, besitzt aber den Nachteil, dass sie zusätzliche Mechanismen, um die
diskreten Kraftausübungselemente
zu erhalten, sowie einen sich wiederholenden Prozess des Festziehens
der verschiedenen diskreten Kraftausübungselemente erfordert, um
eine allgemein gleichmäßige Kraftverteilung
auf den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus zu erreichen.at
The use of discrete force application elements are these over the
Mid-sections of the end plates are positioned and optional
in relation to the end plates moved to along the middle sections
the end plates exert a compressive force. This arrangement has
the advantage of being on the different places of the endplates over which
a discrete force applying element
is positioned, applied compressive force to be fine tuned
can, but has the disadvantage that they have additional mechanisms to the
discrete force application elements
as well as a repetitive process of tightening
the various discrete force application elements required to
a generally uniform force distribution
to reach the active area of the fuel cell assembly.
Somit
besteht ein Bedarf an einer Brennstoffzellenstapelkonstruktion mit
Endplatten, die entlang des aktiven Bereichs des Brennstoff zellenzusammenbaus
eine allgemein gleichmäßige Druckkraft ausüben, ohne
dass sie übermäßig dicke
Endplatten oder die Verwendung zusätzlicher Mittel zum Anwenden
einer Druckkraft auf die Mittelabschnitte der Endplatten erfordert.Consequently
There is a need for a fuel cell stack construction
Endplates running along the active area of the fuel cell assembly
to exert a generally uniform compressive force, without
that she is overly fat
Endplates or the use of additional means for applying
requires a compressive force on the central portions of the end plates.
Die
Erfindung ist auf eine Vorrichtung zur Schaffung einer Brennstoffzellenstapelkonstruktion gerichtet,
die den Brennstoffzellenzusammenbau zusammendrückt und über den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus
eine allgemein gleichmäßige Druckkraft
ausübt.
Genauer ist diese Erfindung auf Varianten der Konstruktion der Endplatten
gerichtet, die die Verteilung der Druckkraft über den aktiven Bereich des
Brennstoffzellenzusammenbaus verbessern.The
The invention is directed to an apparatus for providing a fuel cell stack construction,
which compresses the fuel cell assembly and across the active area of the fuel cell assembly
a generally uniform compressive force
exercises.
More specifically, this invention is directed to variants of the construction of the end plates
directed the distribution of compressive force over the active area of the
Improve fuel cell assembly.
Ein
elektrochemischer Brennstoffzellenstapel der Erfindung umfasst mehrere
Brennstoffzellen, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind,
so dass sie einen Brennstoffzellenzusammenbau bilden. Der Brennstoffzellenzusammenbau
besitzt ein gegenüberliegendes
erstes Ende und zweites Ende. Benachbart zu dem ersten Ende und
zu dem zweiten Ende des Brennstoffzellenzusammenbaus sind eine erste
Endplatte bzw. eine zweite Endplatte mit gegenüberliegenden Innen- und Außenflächen angeordnet.
Die Innenflächen
der Endplatte sind den Enden des Brennstoffzellenzusammenbaus zugewandt. Die
erste Endplatte und die zweite Endplatte sind in einer beabstandeten
Beziehung gehalten, so dass die erste Endplatte und die zweite Endplatte
eine Druckkraft auf den Brennstoffzellenzusammenbau ausüben. Die
Innenfläche
der ersten Endplatte und/oder der zweiten Endplatte ist konturiert,
so dass auf den Brennstoffzellenzusammenbau eine allgemein gleichmäßige Druckkraft
ausgeübt
wird. Die konturierte Innenfläche
kann so konfiguriert sein, dass die Innenfläche von der wenigstens einen
Endplatte zu dem Ende des Brennstoffzellenzusammenbaus verläuft. Vorzugsweise
ist die Endplatte mit der konturierten Innenfläche so konturiert, dass die
Dicke der Endplatte von ihrem Umfang bis zu ihrer Mitte zunimmt,
wobei sie in ihrer Mitte maximal ist. Optional können die Innenflächen der
ersten Endplatte und der zweiten Endplatte so konturiert sein, dass
sie von der ersten Endplatte und von der zweiten Endplatte zu dem
ersten Ende bzw. zu dem zweiten Ende des Brennstoffzellenzusammenbaus
verlaufen, so dass auf den Brennstoffzellenzusammenbau eine allgemein
gleichförmige
Druckbelastung ausgeübt
wird.One
The electrochemical fuel cell stack of the invention comprises several
Fuel cells arranged in a stack configuration
so that they form a fuel cell assembly. The fuel cell assembly
has an opposite one
first end and second end. Adjacent to the first end and
to the second end of the fuel cell assembly are a first
End plate or a second end plate arranged with opposite inner and outer surfaces.
The inner surfaces
the end plate faces the ends of the fuel cell assembly. The
first end plate and the second end plate are spaced apart
Held relationship, leaving the first end plate and the second end plate
exert a compressive force on the fuel cell assembly. The
palm
the first end plate and / or the second end plate is contoured,
so that the fuel cell assembly has a generally uniform compressive force
exercised
becomes. The contoured inner surface
can be configured so that the inner surface of the at least one
End plate extends to the end of the fuel cell assembly. Preferably
the end plate with the contoured inner surface is contoured so that the
Thickness of the end plate increases from its periphery to its center
being at its maximum in the middle. Optionally, the inner surfaces of the
first end plate and the second end plate be contoured so that
from the first end plate and from the second end plate to the
first end or to the second end of the fuel cell assembly
run so that the fuel cell assembly a general
uniform
Pressure applied
becomes.
In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein elektrochemischer Brennstoffzellenstapel
mehrere Brennstoffzellen, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet
sind, so dass sie einen Brennstoffzellenzusammenbau bilden. Der Brennstoffzellenzusammenbau
besitzt ein gegenüberliegendes
erstes Ende und zweites Ende. Benachbart zu dem ersten Ende und
zu dem zweiten Ende des Brennstoffzellenzusammenbaus sind eine erste
Abstandsplatte bzw. eine zweite Abstandsplatte mit gegenüberliegenden
Innen- und Außenflächen angebracht.
Die Innenflächen
der Abstandsplatten sind den Enden des Brennstoffzellenzusammenbaus zugewandt.
Benachbart zu der ersten Abstandsplatte und zu der zweiten Abstandsplatte
sind eine erste Endplatte und eine zweite Endplatte mit gegenüberliegenden
Innen- und Außenflächen angebracht,
wobei die Abstandsplatten zwischen den Endplatten und den Enden
des Brennstoffzellenzusammenbaus liegen. Die Innenflächen der
Endplatten sind den Außenflächen der
Abstandsplatten zugewandt. Die erste Endplatte und die zweite Endplatte
sind in einer beabstandeten Beziehung gehalten, so dass die erste
Endplatte und die zweite Endplatte eine Druckkraft auf die Abstandsplatten
und auf den Brennstoffzellenzusammenbau ausüben. Wenigstens eine der Oberflächen wenigstens
einer der Abstandsplatten oder einer der Endplatten ist so konturiert,
dass auf den Brennstoffzellenzusammenbau eine allgemein gleichmäßige Druckkraft
ausgeübt
wird.In an alternative embodiment of the invention, an electrochemical fuel cell stack includes a plurality of fuel cells arranged in a stack configuration to form a fuel cell assembly. The fuel cell assembly has an opposite first end and second end. Adjacent to the first end and the second end of the fuel cell assembly are a first spacer plate and a second spacer plate having opposed inner and outer surfaces, respectively. The inner surfaces of the spacer plates face the ends of the fuel cell assembly. Adjacent to the first spacer plate and the second spacer plate, there are attached a first end plate and a second end plate having opposed inner and outer surfaces, the spacer plates lying between the end plates and the ends of the fuel cell assembly. The inner surfaces of the end plates face the outer surfaces of the spacer plates. The first end plate and the second end plate are held in a spaced relationship so that the first end plate and the second end plate exert a compressive force on the spacer plates and on the fuel cell assembly. At least one of the surfaces of at least one of the spacer plates or one of the end plates is contoured to the fuel cell assembly is applied a generally uniform compressive force.
In
einer anderen alternativen Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein elektrochemischer Brennstoffzellenstapel
mehrere Brennstoffzellen, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet
sind, so dass sie einen Brennstoffzellenzusammenbau bilden. Der Brennstoffzellenzusammenbau
besitzt ein gegenüberliegendes
erstes Ende und zweites Ende. Benachbart zu dem ersten Ende und
zu dem zweiten Ende des Brennstoffzellenzusammenbaus sind eine erste
bzw. eine zweite Anschlussplatte angebracht. Benachbart zu der ersten
und zu der zweiten Anschlussplatte sind eine erste bzw. eine zweite
Endplatte angebracht, wobei die Anschlussplatten zwischen den Endplatten
und den Enden des Brennstoffzellenzusammenbaus liegen. Die erste
Anschlussplatte und/oder die zweite Anschlussplatte sind an der
ersten Endplatte oder an der zweiten Endplatte angebracht, so dass
die Steifheit der ersten Anschlussplatte und/oder der zweiten Anschlussplatte
zur Steifheit der angebrachten Endplatte beiträgt. Die erste Endplatte und
die zweite Endplatte sind in einer beabstandeten Beziehung gehalten,
so dass die erste Endplatte und die zweite Endplatte eine Druckkraft
auf den Brennstoffzellenzusammenbau ausüben. Optional kann der Brennstoffzellenzusammenbau
außerdem
wenigstens eine Abstandsplatte enthalten. Die wenigstens eine Abstandsplatte liegt
zwischen der wenigstens einen Anschlussplatte und der ersten Endplatte
oder der zweiten Endplatte. Die wenigstens eine Abstandsplatte ist
an der wenigstens einen Anschlussplatte und an der ersten Endplatte
oder an der zweiten Endplatte angebracht, so dass die Steifheit
der wenigstens einen Abstandsplatte zur Steifheit der angebrachten
Endplatte beiträgt.In
another alternative embodiment
The invention includes an electrochemical fuel cell stack
multiple fuel cells arranged in a stack configuration
so that they form a fuel cell assembly. The fuel cell assembly
has an opposite one
first end and second end. Adjacent to the first end and
to the second end of the fuel cell assembly are a first
or a second connection plate attached. Adjacent to the first
and to the second terminal plate are a first and a second, respectively
Attached end plate, wherein the connection plates between the end plates
and the ends of the fuel cell assembly. The first
Connection plate and / or the second connection plate are at the
first end plate or attached to the second end plate, so that
the stiffness of the first connection plate and / or the second connection plate
contributes to the rigidity of the attached end plate. The first end plate and
the second end plate is held in a spaced relationship,
such that the first end plate and the second end plate have a compressive force
exercise on the fuel cell assembly. Optionally, the fuel cell assembly
Furthermore
contain at least one spacer plate. The at least one spacer plate is located
between the at least one terminal plate and the first end plate
or the second end plate. The at least one spacer plate is
on the at least one connection plate and on the first end plate
or attached to the second end plate so that the stiffness
the at least one spacer plate for rigidity of the attached
End plate contributes.
Weitere
Anwendungsgebiete der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung sichtbar. Selbstverständlich sind die ausführliche
Beschreibung und spezifische Beispiele, obgleich sie die bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung angeben, lediglich für Veranschaulichungszwecke
bestimmt und sollen den Umfang der Erfindung nicht beschränken.Further
Areas of application of the invention will become apparent from the following detailed
Description visible. Of course, the detailed ones are
Description and specific examples, although they are the preferred ones
embodiment
of the invention, for illustrative purposes only
are not intended to limit the scope of the invention.
Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen
beschrieben; in diesen zeigen:The
The invention will be described below by way of example with reference to the drawings
described; in these show:
1 eine
perspektivische Ansicht eines elektrochemischen Brennstoffzellenstapels
der Erfindung; 1 a perspective view of an electrochemical fuel cell stack of the invention;
2 eine
vereinfachte Querschnittsdarstellung des elektrochemischen Brennstoffzellenstapels aus 1 längs der
Linie 2-2; 2 a simplified cross-sectional view of the electrochemical fuel cell stack 1 along the line 2-2;
3 eine
perspektivische Teilexplosionsdarstellung des elektrochemischen
Brennstoffzellenstapels aus 1, die die
Anbringung einer Seitenplatte an dem elektrochemischen Brennstoffzellenstapel
zeigt; 3 a perspective exploded view of the electrochemical fuel cell stack 1 showing the attachment of a side plate to the electrochemical fuel cell stack;
4 eine
vereinfachte Teilansicht, die Einzelheiten einer Brennstoffzelle
zeigt; 4 a simplified partial view showing details of a fuel cell;
5A–5G Querschnittsansichten
verschiedener Konfigurationen für
die Endplatte und für die
Abstandsplatte des elektrochemischen Brennstoffzellenstapels; 5A - 5G Cross-sectional views of various configurations for the end plate and the spacer plate of the electrochemical fuel cell stack;
6A eine
Draufsicht einer konturierten Innenfläche einer Endplatte gemäß den Prinzipien
der Erfindung; 6A a plan view of a contoured inner surface of an end plate according to the principles of the invention;
6B eine
Querschnittsansicht der Endplatte aus 6A längs der
Linie B-B; 6B a cross-sectional view of the end plate 6A along the line BB;
6C eine
Querschnittsansicht der Endplatte aus 6A längs der
Linie C-C; 6C a cross-sectional view of the end plate 6A along the line CC;
7A–7B Teilquerschnittsansichten einer
Endanordnung eines elektrochemischen Brennstoffzellenstapels der
Erfindung, die verschiedene Arten der Anbringung der Endanordnung
zeigen; 7A - 7B Partial cross-sectional views of an end assembly of an electrochemical fuel cell stack of the invention, showing various ways of mounting the end assembly;
8 eine
perspektivische Ansicht einer in einem elektrochemischen Brennstoffzellenstapel
der Erfindung verwendeten Abstandsplatte, die die Verwendung von
Bohrungen zur Verringerung des Gewichts der Abstandsplatte zeigt; 8th a perspective view of a spacer plate used in an electrochemical fuel cell stack of the invention, showing the use of holes to reduce the weight of the spacer plate;
9A–9B vereinfachte
Querschnittsansichten des elektrochemischen Brennstoffzellenstapels
aus 1, die das Zusammendrücken des Brennstoffzellenzusammenbaus
bzw. des Brennstoffzellenstapels mit einer Druckkraft mit einer
vorgegebenen Stärke
F veranschaulichen; 9A - 9B simplified cross-sectional views of the electrochemical fuel cell stack from 1 illustrating the compression of the fuel cell assembly or fuel cell stack with a compressive force of a predetermined magnitude F;
10A–10B vereinfachte Querschnittsansichten des elektrochemischen
Brennstoffzellenstapels aus 1, die das
Zusammendrücken
des Brennstoffzellenzusammenbaus und des Brennstoffzellenstapels
um eine vorgegebene Strecke D veranschaulichen; 10A - 10B simplified cross-sectional views of the electrochemical fuel cell stack from 1 depicting the compression of the fuel cell assembly and the fuel cell stack by a predetermined distance D;
11 einen
Ablaufplan der Schritte des Verfahrens mit vorgegebener Druckkraft
zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels gemäß den Prinzipien
der Erfindung; 11 a flow chart of the steps of the method with predetermined compressive force for producing a fuel cell stack according to the principles of the invention;
12 einen
Ablaufplan der Schritte des Verfahrens mit vorgegebener Zusammendrückstrecke
um eine vorgegebene Strecke zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels
gemäß den Prinzipien der
Erfindung; und 12 a flow chart of the steps of the method with predetermined compression stroke by a predetermined distance for the production of a fuel cell stack according to the principles of the invention; and
13 einen
Ablaufplan der Schritte der Verwendung von Abstandsplatten zur Herstellung
eines Brennstoffzellenstapels mit einer vorgegebenen oder einheitlichen
Länge. 13 a flowchart of the steps of the use of spacer plates for producing a fuel cell stack with a predetermined or uniform length.
Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen) ist dem Wesen
nach lediglich beispielhaft und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder
Verwendungen in keiner Weise einschränken.The
following description of the preferred embodiments) is the essence
merely by way of example and is the invention, its application or
Limit uses in any way.
In
den 1 und 2 ist ein elektrochemischer
Brennstoffzellenstapel 20 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Der Brennstoffzellenstapel 20 enthält mehrere
Brennstoffzellen 22, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet
sind, so dass sie einen Brennstoffzellenzusammenbau 24 mit
einem gegenüberliegenden
oberen Ende 26 und unteren Ende 28 sowie mit einer
Drucklänge 30 und
mit einer wie in 10A gezeigten drucklosen Länge 31 dazwischen
bilden. Der Brennstoffzellenzusammenbau 24 liegt zwischen der
oberen Endanordnung 32 und der unteren Endanordnung 34.
Die obere Endanordnung 32 und die untere Endanordnung 34 sind
durch eine Seitenwand in einer fest beabstandeten Beziehung gehalten.
In der derzeit bevorzugten Ausführungsform
enthält
die Seitenwand wenigstens eine Seitenplatte 36. Die Seitenplatten 36 halten
die obere Endanordnung 32 und die untere Endanordnung 34 in
einer beabstandeten Beziehung, so dass sie eine Druckkraft auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausüben. In Übereinstimmung
mit der bekannten Brennstoffzellenstapeltechnologie enthält der Brennstoffzellenstapel 20 die
Einlässe 37,
die Auslässe 38 und
die (nicht gezeigten) Durchgänge
zum Zuführen
und Ablassen der Reaktanden und Kühlfluidströme zu/von dem Brennstoffzellenzusammenbau 24.In the 1 and 2 is an electrochemical fuel cell stack 20 shown in accordance with a preferred embodiment of the invention. The fuel cell stack 20 contains several fuel cells 22 which are arranged in a stack configuration so that they have a fuel cell assembly 24 with an opposite upper end 26 and lower end 28 as well as with a print length 30 and with a like in 10A shown unpressurized length 31 form in between. The fuel cell assembly 24 lies between the upper end assembly 32 and the lower end assembly 34 , The upper end assembly 32 and the lower end assembly 34 are held in a fixed spaced relationship by a sidewall. In the presently preferred embodiment, the side wall includes at least one side plate 36 , The side plates 36 hold the upper end assembly 32 and the lower end assembly 34 in a spaced relationship, giving them a compressive force on the fuel cell assembly 24 exercise. In accordance with the known fuel cell stack technology, the fuel cell stack contains 20 the inlets 37 , the outlets 38 and the passages (not shown) for supplying and venting the reactants and cooling fluid streams to / from the fuel cell assembly 24 ,
Wie
in 4 zu sehen ist, enthält der Brennstoffzellenzusammenbau 24 mehrere
sich wiederholende Einheiten oder Brennstoffzellen 22 mit
einer MEA (Membran-Elektroden-Einheit) 40 und einem Paar
Bipolplattenanordnungen 42, die auf den gegenüberliegenden
Seiten der MEA 40 angeordnet sind. Jede Bipolplattenanordnung 42 enthält eine Kühlmittelverteilungsschicht 42c,
die zwischen zwei Gasverteilungsschichten 42g liegt. Zwischen
der Kühlmittelverteilungsschicht 42c und
der Gasverteilungsschicht 42g liegt eine undurchlässige Trennplatte 44,
die das Kühlmittel
enthält
und den Anoden- und Katodengasstrom trennt. Wenn zwischen einer
Anodengasverteilungsschicht 42ga einer Zelle und der Katodengasverteilungsschicht 42gc der
benachbarten Zelle eine MEA 40 liegt, ist eine Brennstoffzelle 22 gebildet.
Wie im Gebiet bekannt ist, kann die MEA 40 eine Vielzahl
von Formen annehmen. Zum Beispiel kann die MEA 40 eine
Polymerelektrolytmembran sein. Vorzugsweise ist die Polymerelektrolytmembran
eine dünne
verstärkte
Membran mit einer Dicke in der Größenordnung von etwa 0,018 μm. Die dünne verstärkte Polymerelektrolytmembran
ist wesentlich dünner
als die in Brennstoffzellen des Standes der Technik verwendete Polymerelektrolytmembran
mit einer Dicke von etwa 0,178 mm. Die in der Erfindung verwendete
dünne und
verstärkte
Polymerelektrolytmembran repräsentiert
einen kleineren Prozentsatz der Länge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 und
zeigt erheblich weniger Gleiten oder Spannungsrelaxation als die
in Brennstoffzellenstapeln des Standes der Technik verwendete dickere Polymerelektrolytmembran.As in 4 can be seen contains the fuel cell assembly 24 several repeating units or fuel cells 22 with an MEA (membrane-electrode unit) 40 and a pair of bipolar plate assemblies 42 on the opposite sides of the MEA 40 are arranged. Each bipolar plate arrangement 42 contains a coolant distribution layer 42c that exist between two gas distribution layers 42g lies. Between the coolant distribution layer 42c and the gas distribution layer 42g lies an impermeable partition plate 44 containing the coolant and separating the anode and Katodenengasstrom. When between an anode gas distribution layer 42ga a cell and the cathode gas distribution layer 42gc the neighboring cell an MEA 40 is a fuel cell 22 educated. As is known in the art, the MEA 40 take on a variety of forms. For example, the MEA 40 a polymer electrolyte membrane. Preferably, the polymer electrolyte membrane is a thin reinforced membrane having a thickness of the order of about 0.018 μm. The thin reinforced polymer electrolyte membrane is substantially thinner than the polymer electrolyte membrane used in prior art fuel cells having a thickness of about 0.178 mm. The thin and reinforced polymer electrolyte membrane used in the invention represents a smaller percentage of the length 30 of fuel cell assembly 24 and shows significantly less slip or stress relaxation than the thicker polymer electrolyte membrane used in prior art fuel cell stacks.
Die
Brennstoffzellen 22 sind in einer Stapelkonfiguration angeordnet,
so dass sie den Brennstoffzellenzusammenbau 24 bilden.
Die Anzahl der Brennstoffzellen 22, die benachbart zueinander
gestapelt sind, so dass sie den Brennstoffzellenzusammenbau 24 bilden,
kann variieren. Die Anzahl der Brennstoffzellen 22, die
genutzt werden, um den Brennstoffzellenzusammenbau 24 zu
bilden, hängt von
den Anforderungen an den Brennstoffzellenstapel 20 ab.
Das heißt,
wenn ein größerer oder
leistungsfähigerer
Brennstoffzellenstapel 20 gewünscht ist, wird die Anzahl
der Brennstoffzellen 22 in dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 erhöht. Wie
im Gebiet bekannt ist, müssen
die Brennstoffzellen 22 mit Druck be aufschlagt werden,
so dass sie einen höheren
Wirkungsgrad besitzen und mehr Leistung erzeugen. Somit wird der
Brennstoffzellenzusammenbau 24 zwischen der oberen Endanordnung 32 und der
unteren Endanordnung 34 mit Druck beaufschlagt. Um den
Wirkungsgrad des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 und jeder
Brennstoffzelle 22 in dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 maximal
zu machen, wird der (nicht gezeigte) aktive Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 vorzugsweise gleichmäßig mit
Druck beaufschlagt.The fuel cells 22 are arranged in a stack configuration so that they assemble the fuel cell 24 form. The number of fuel cells 22 that are stacked adjacent to each other so that they assemble the fuel cell 24 form, may vary. The number of fuel cells 22 that are used to fuel cell assembly 24 depends on the requirements of the fuel cell stack 20 from. That is, if a larger or more powerful fuel cell stack 20 is desired, the number of fuel cells 22 in the fuel cell assembly 24 elevated. As is known in the field, the fuel cells have to 22 Be pressurized so that they have a higher efficiency and generate more power. Thus, the fuel cell assembly becomes 24 between the upper end assembly 32 and the lower end assembly 34 pressurized. To the efficiency of the fuel cell assembly 24 and every fuel cell 22 in the fuel cell assembly 24 to make maximum becomes the active region (not shown) of the fuel cell assembly 24 preferably uniformly pressurized.
Erneut
anhand der 2 und 3 ist die obere
Endanordnung 32 benachbart zum oberen Ende 26 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 positioniert. Die obere
Endanordnung 32 enthält
eine obere Endplatte 45 mit einer gegenüberliegenden Innenfläche 46 und
Außenfläche 48.
Die Innenfläche 46 der
oberen Endplatten 45 ist dem oberen Ende 26 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 zugewandt. Die obere Endplatte 45 besitzt
zahlreiche Öffnungen 50,
die ermöglichen,
dass die verschiedenen Einlässe 37 und
Auslässe 38 mit
den Fluiddurchgängen verbunden
sind, die von dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 in die
Umgebung des Brennstoffzellenstapels 20 verlaufen. Dasjenige
Ende des Brennstoffzellenstapels 20, das die mit den Durchgängen verbundenen
Einlässe 37 und
Auslässe 38 besitzt,
wird auch als das "nasse
Ende" bezeichnet.Again using the 2 and 3 is the upper end assembly 32 adjacent to the upper end 26 of fuel cell assembly 24 positioned. The upper end assembly 32 contains an upper end plate 45 with an opposite inner surface 46 and outer surface 48 , The inner surface 46 the upper end plates 45 is the upper end 26 of fuel cell assembly 24 facing. The upper end plate 45 has numerous openings 50 that allow the different inlets 37 and outlets 38 connected to the fluid passages of the fuel cell assembly 24 in the vicinity of the fuel cell stack 20 run. The end of the fuel cell stack 20 that the inlets connected to the passages 37 and outlets 38 is also referred to as the "wet end".
Die
untere Endanordnung 34 ist benachbart zum unteren Ende 28 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 positioniert. Die untere
Endanordnung 34 enthält
eine untere Endplatte 58 mit einer Innenfläche 60 und
einer Außenfläche 62,
die einander gegenüberliegen.
Die untere Endplatte 58 ist so orientiert, dass die Innenfläche 60 der
unteren Endplatte 58 dem unteren Ende 28 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 zugewandt
ist. Wenn es keine mit den Fluiddurchgängen verbundenen Einlässe und
Auslässe
gibt, die durch die untere Endanordnung 34 ge hen, ist das
untere Ende 28 des Brennstoffzellenstapels 20 auch
als das "trockene
Ende" bekannt.The lower end assembly 34 is adjacent to the lower end 28 of fuel cell assembly 24 positioned. The lower end assembly 34 contains a lower end plate 58 with an interior area 60 and an outer surface 62 that face each other. The lower end plate 58 is oriented so that the inner surface 60 the lower end plate 58 the lower end 28 of fuel cell assembly 24 is facing. When there are no inlets and outlets connected to the fluid passages through the lower end assembly 34 is the bottom end 28 of the fuel cell stack 20 also known as the "dry end".
Optional,
aber bevorzugt, können
sich zwischen dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 und der
oberen Endplatte 45 und/oder der unteren Endplatte 58 eine
oder mehrere Abstandsplatten 52 befinden. Die Abstandsplatte 52 ist
zwischen der Endplatte 45, 58 und dem Ende 26, 28 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 positioniert, wobei die
Innenfläche 54 der
Abstandsplatte 52 dem Ende 26, 28 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 zugewandt
ist und die Außenfläche 55 der
Abstandsplatte 52 der Innenfläche 54, 60 der
Endplatte 45, 58 zugewandt ist. Wenn an dem Ende 26, 28 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine Anschlussplatte 56 positioniert ist,
ist die Abstandsplatte 52 zwischen der Anschlussplatte 56 und
der Endplatte 45, 58 positioniert, wobei die Innenfläche 54 der
Abstandsplatte 52 der Anschlussplatte 56 zugewandt
ist. Die Abstandsplatte 52 trennt die Endplatte 45, 58 von
der Anschlussplatte 56. Die Abstandsplatten 52 sind
so in den Endanordnungen 32, 34 orientiert, dass
die Dicke 57 der Abstandsplatte 52 auf die Länge 30 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 ausgerichtet ist. Während die
bevorzugte Ausführungsform
eine Abstandsplatte 52 veranschaulicht, die der oberen
Endanordnung 32 und der unteren Endanordnung 34 zugeordnet
ist, erkennt der erfahrene Praktiker, dass die Anzahl und der Ort
der Abstandsplatten 52 je nach Konstruktion und Anwendung
des Brennstoffzellenstapels 20 variieren kann.Optional, but preferred, may be between fuel cell assembly 24 and the upper end plate 45 and / or the lower end plate 58 one or more spacer plates 52 are located. The spacer plate 52 is between the end plate 45 . 58 and the end 26 . 28 of fuel cell assembly 24 positioned, with the inner surface 54 the spacer plate 52 the end 26 . 28 of fuel cell assembly 24 is facing and the outer surface 55 the spacer plate 52 the inner surface 54 . 60 the end plate 45 . 58 is facing. If at the end 26 . 28 of fuel cell assembly 24 a connection plate 56 is positioned, is the spacer plate 52 between the connection plate 56 and the end plate 45 . 58 positioned, with the inner surface 54 the spacer plate 52 the connection plate 56 is facing. The spacer plate 52 separates the end plate 45 . 58 from the connection plate 56 , The spacer plates 52 are so in the final arrangements 32 . 34 oriented that the thickness 57 the spacer plate 52 on the length 30 of fuel cell assembly 24 is aligned. While the preferred embodiment is a spacer plate 52 illustrates that of the upper end assembly 32 and the lower end assembly 34 The experienced practitioner recognizes that the number and location of the spacer plates 52 depending on the design and application of the fuel cell stack 20 can vary.
Die
obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 besitzen
jeweils eine Umfangsseitenwand 64, die die Innenflächen 46, 60 von
den Außenflächen 48, 62 trennt.
Die Umfangsseitenwand 46 an der oberen Endplatte 45 und
an der unteren Endplatte 58 ist auf die Länge 30 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 ausgerichtet. Wie in den
Figuren ge zeigt ist, besitzen der Brennstoffzellenstapel 20, die
obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 vorzugsweise
eine allgemein rechteckige Form. Die Umfangsseitenwände 64 der
rechteckig geformten oberen Endplatte 45 und der rechteckig
geformten unteren Endplatte 58 umfassen ein erstes und
ein zweites Paar gegenüberliegender
Seitenwände 66, 68,
die allgemein senkrecht zueinander sind. Das erste und das zweite
Paar der gegenüberliegenden Seitenwände 66, 68 besitzt
jeweils eine oder mehrere Gewindebohrungen 70, die Gewindebefestigungselemente 80 aufnehmen,
die die Seitenplatten 36 an der oberen Endplatte 45 und
an der unteren Endplatte 58 befestigen.The upper end plate 45 and the lower end plate 58 each have a peripheral side wall 64 that the inner surfaces 46 . 60 from the outside surfaces 48 . 62 separates. The peripheral side wall 46 at the upper end plate 45 and at the lower end plate 58 is on the length 30 of fuel cell assembly 24 aligned. As shown in the figures GE shows, have the fuel cell stack 20 , the upper end plate 45 and the lower end plate 58 preferably a generally rectangular shape. The peripheral side walls 64 the rectangular shaped upper end plate 45 and the rectangular shaped lower end plate 58 include a first and a second pair of opposing sidewalls 66 . 68 which are generally perpendicular to each other. The first and second pairs of opposite side walls 66 . 68 each has one or more threaded holes 70 , the threaded fasteners 80 pick up the side plates 36 at the upper end plate 45 and at the lower end plate 58 Fasten.
Wie
oben erwähnt
wurde, üben
die obere Endanordnung 32 und die untere Endanordnung 34 eine
Druckkraft auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 aus.
Die auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausgeübte Druckkraft
wird durch die obere Endplatte 45 und durch die untere
Endplatte 58 erzeugt, die in einer fest beabstandeten Beziehung
gehalten sind. Vorzugsweise sind die obere Endplatte 45 und
die untere Endplatte 58 durch die Seitenplatten 36 in
einer fest beabstandeten Beziehung gehalten. Jede Seitenplatte 36 besitzt
ein gegenüberliegendes
erstes Ende 72 und zweites Ende 74 sowie eine
Länge 76 dazwischen.
Jede Seitenplatte 36 ist in dem Brennstoffzellenstapel 20 so
orientiert, dass das erste Ende 72 zu der oberen Endplatte 45 benachbart
ist und das zweite Ende 74 zu der unteren Endplatte 58 benachbart
ist, wobei die Länge 76 der Seitenplatte 36 auf
die Länge 30 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 ausgerichtet ist. Optional, aber
bevorzugt, verlaufen die Seitenplatten 36 entlang der gesamten
Umfangsseitenwände 64 der Endplatten 45, 58.
Das erste Ende 72 und das zweite Ende 74 jeder
Seitenplatte 36 besitzen eine oder mehrere Öffnungen 78,
die auf die Gewindebohrungen 70 in den Umfangsseitenwänden 64 der
oberen Endplatte 45 und der unteren Endplatte 58 ausgerichtet
sind, wenn der Brennstoffzellenzusammenbau 24 mit Druck
beaufschlagt ist. Vorzugsweise haben die Öffnungen 78 am ersten
Ende 72 und/oder am zweiten Ende 74 jeder Seitenplatte 36 die
Form eines Schlitzes, so dass die obere Endplatte 45 und
die untere Endplatte 58 in einer fest beabstandeten Beziehung
gehalten sein können.
Die Schlitze ermöglichen Schwankungen
der Größe der verschiedenen
Komponenten des Brennstoffzellenstapels 20, während sie
die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 weiter
in einer fest beabstandeten Beziehung halten können. Obgleich zur Anbringung
der Seitenplatten 36 an der oberen Endplatte 45 und
an der unteren Endplatte 58 bevorzugt mechanische Gewindebefestigungselemente 80 verwendet
werden, erkennt der erfahrene Praktiker, dass zum Anbringen der
Seitenplatte 36 an der oberen Endplatte 45 und
an der unteren Endplatte 58 andere Mittel verwendet werden können, ohne
von dem durch die Ansprüche
definierten Umfang der Erfindung abzuweichen. Diesbezüglich sollte
die durch die Seitenplatten 36 und die Endplatten 45, 58 gebildete
Verbindung ausreichen, um der relativen Drehung an der Grenzfläche dazwischen
zu widerstehen. Beispielsweise können
das erste Ende 72 und/oder das zweite Ende 74 der
Seitenplatten 36 durch andere mechanische Befestigungsmittel
wie etwa Niete oder Stifte oder durch verschiedene Verbindungsmittel
wie etwa Schweißen, Hartlöten oder
Kleben an der jeweiligen oberen Endplatte 45 und/oder unteren
Endplatte 58 befestigt sein, wobei dies weiterhin im Erfindungsgedanken liegt.
Außerdem
kann selbstverständlich
eines der Enden 72, 74 der Seitenplatten 36 gebogen
sein, so dass es ein (nicht gezeigtes) Halteelement bildet, das an
einer der Endplatten 45, 48 positioniert sein
kann, um die Endplatte 45, 48 zu halten, während das
gegenüberliegende
Ende 72, 74 der Seitenplatten 36 an der
gegenüberliegenden
Endplatte 45, 48 angebracht ist und die Endplatten
in einer fest beabstandeten Beziehung hält.As mentioned above, the upper end assembly practice 32 and the lower end assembly 34 a compressive force on the fuel cell assembly 24 out. The on fuel cell assembly 24 applied pressure force is through the upper end plate 45 and through the lower end plate 58 generated in a fixed spaced relationship. Preferably, the upper end plate 45 and the lower end plate 58 through the side plates 36 held in a fixed spaced relationship. Every side plate 36 has an opposite first end 72 and second end 74 as well as a length 76 between. Every side plate 36 is in the fuel cell stack 20 so oriented that the first end 72 to the upper end plate 45 is adjacent and the second end 74 to the lower end plate 58 is adjacent, the length 76 the side plate 36 on the length 30 of fuel cell assembly 24 is aligned. Optionally, but preferably, the side panels run 36 along the entire peripheral side walls 64 the end plates 45 . 58 , The first end 72 and the second end 74 each side plate 36 have one or more openings 78 on the tapped holes 70 in the peripheral side walls 64 the upper end plate 45 and the lower end plate 58 are aligned when the fuel cell assembly 24 is pressurized. Preferably, the openings 78 at the first end 72 and / or at the second end 74 each side plate 36 the shape of a slot, leaving the upper end plate 45 and the lower end plate 58 can be held in a fixed spaced relationship. The slots allow for variations in the size of the various components of the fuel cell stack 20 while holding the upper end plate 45 and the lower end plate 58 can continue to hold in a fixed spaced relationship. Although for mounting the side plates 36 at the upper end plate 45 and at the lower end plate 58 preferably mechanical threaded fasteners 80 The experienced practitioner recognizes that for attaching the side plate 36 at the upper end plate 45 and at the lower end plate 58 other means may be used without departing from the scope of the invention as defined by the claims. In this regard, that should be through the side plates 36 and the end plates 45 . 58 formed compound to resist the relative rotation at the interface between them. For example, the first end 72 and / or the second end 74 the side plates 36 by other mechanical fastening means such as rivets or pins or by various connection means such as welding, brazing or gluing to the respective upper end plate 45 and / or lower end plate 58 be attached, and this is still within the spirit of the invention. In addition, of course, one of the end up 72 . 74 the side plates 36 be bent so that it forms a (not shown) retaining element, which on one of the end plates 45 . 48 can be positioned to the end plate 45 . 48 while holding the opposite end 72 . 74 the side plates 36 at the opposite end plate 45 . 48 attached and holds the end plates in a fixed spaced relationship.
Bei
Bedarf kann jede Seitenplatte 36 eine oder mehrere Öffnungen 82 besitzen,
die ermöglichen,
dass ein Anschlussblock 83 an der Anschlussplatte 56 ins
Innere des Brennstoffzellenstapels 20 verläuft. Vorzugsweise
ist jede Seitenplatte 36 elektrisch geerdet, wobei sie
den Brennstoffzellenzusammenbau 24 vor elektromagnetischer
Störung
schützt. Außerdem ist
jede Seitenplatte 36 vorzugsweise aus Metall hergestellt.
Die Seitenplatten 36, die dazu verwendet werden, die obere
Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 in einer
fest beabstandeten Beziehung zu halten, sind so bemessen, dass sie
die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 in
der fest beabstandeten Beziehung halten, während die obere Endplatte 45 und
die untere Endplatte 58 eine Druckkraft auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausüben und
aufrechterhalten. Da die Breite der Seitenplatte 36 verhältnismäßig groß ist, ist
eine verhältnismäßige kleine
Dicke erforderlich, um die zum Übertragen
der Druckbelastung erforderliche Zugfestigkeit zu liefern. Dieser
Aspekt der Erfindung repräsentiert
gegenüber
der herkömmlichen
Verwendung axialer Stäbe
um und/oder durch den Brennstoffzellenzusammenbau Gewichtseinsparungen.If necessary, each side plate 36 one or more openings 82 own, that allow a terminal block 83 on the connection plate 56 inside the fuel cell stack 20 runs. Preferably, each side plate 36 electrically grounded, igniting the fuel cell assembly 24 protects against electromagnetic interference. Besides, every side plate is 36 preferably made of metal. The side plates 36 which are used to the upper end plate 45 and the lower end plate 58 in a fixed spaced relationship are sized to be the top end plate 45 and the lower end plate 58 hold in the tightly spaced relationship while the upper end plate 45 and the lower end plate 58 a compressive force on the fuel cell assembly 24 exercise and maintain. Because the width of the side plate 36 is relatively large, a relatively small thickness is required to provide the tensile strength required to transfer the compressive load. This aspect of the invention represents weight savings over the conventional use of axial rods around and / or through fuel cell assembly.
Vorzugsweise
schließt
die eine oder schließen
die mehreren Seitenplatten 36 wenigstens einen Abschnitt
des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 ein, um für den Brennstoffzellenzusammenbau 24 einen
Schutz vor versehentlicher Beschädigung
zu schaffen. Noch bevorzugter schließen die Seitenplatten 36 den
gesamten Brennstoffzellenzusammenbau 24 ein, wobei sie
eine Schutzhülle
für ihn
und für
den gesamten Brennstoffzellenstapel 20 schaffen. Dementsprechend
sind die Seitenplatten 36 so bemessen, dass sie Stöße, Schläge sowie
weitere verschiedenartige schädliche
Einwirkungen aushalten, während
sie den Brennstoffzellenzusammenbau 24 und den Brennstoffzellenstapel 20 vor
Beschädigung
im Ergebnis des Stoßes,
des Schlags oder der weiteren schäd lichen Einwirkung schützen. Auf
diese Weise bewirken die Seitenplatten 36 nicht nur, dass
die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 in
einer fest beabstandeten Beziehung gehalten sind, die eine Druckbelastung
auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausübt und aufrechterhält, sondern schafft
sie außerdem
eine Schutzhülle
für den
Brennstoffzellenzusammenbau 24 und für den Brennstoffzellenstapel 20.
Die Verwendung der Seitenplatten 36 zur Ausführung der
Schutzfunktion beseitigt die Notwendigkeit einer Zusatzkonstruktion,
die in herkömmlichen
Brennstoffzellenstapeln um den Brennstoffzellenstapel 20 angeordnet
ist, um einen Schutz vor versehentlichen Stößen, Schlägen oder anderen schädlichen
Einwirkungen auf den Brennstoffzellenstapel 20 zu schaffen.Preferably, the one or close includes the plurality of side plates 36 at least a portion of the fuel cell assembly 24 one for fuel cell assembly 24 to provide protection against accidental damage. More preferably, the side plates close 36 the entire fuel cell assembly 24 a protective case for him and for the entire fuel cell stack 20 create. Accordingly, the side plates 36 designed to withstand shocks, impacts and other various types of harmful effects while fuel cell assembly 24 and the fuel cell stack 20 Protect against damage as a result of shock, impact or other harmful effects. In this way, the side plates effect 36 not only that, the upper end plate 45 and the lower end plate 58 are held in a fixed spaced relationship that places a compressive load on the fuel cell assembly 24 and maintains, but also creates a protective cover for the fuel cell assembly 24 and for the fuel cell stack 20 , The use of the side plates 36 to perform the protection function eliminates the need for an ancillary structure in conventional fuel cell stacks around the fuel cell stack 20 is arranged to provide protection against accidental shock, shock or other harmful effects on the fuel cell stack 20 to accomplish.
Die
optional in der oberen Endanordnung 32 und/oder in der
unteren Endanordnung 34 enthaltenen Abstandsplatten 52 dienen
einer Vielzahl von Zwecken. Das heißt, die Abstandsplatten 52 können aus
einem oder aus mehreren Gründen
in dem Brennstoffzellenstapel 20 enthalten sein. Zum Beispiel
können
die Abstandsplatten 52 verwendet werden, um die obere Endplatte 45 und/oder
die untere Endplatte 58 von den Anschlussplatten 56 zu
trennen. Wie oben erwähnt
wurde, sind die Anschlussplatten 56 elektrisch leitend
und werden dazu verwendet, über
den Anschlussblock 83 Strom aus dem Brennstoffzellenstapel 20 zu
entnehmen. Wenn die obere Endplatte 45 und/oder die untere
Endplatte 58 elektrisch leitend sind, kann die zwischen
der oberen Endplatte 45 und/oder der unteren Endplatte 58 und den
Anschlussplatten 56 positionierte Abstandsplatte 52 dazu
verwendet werden, die obere Endplatte 45 und/oder die untere
Endplatte 58 von den Anschlussplatten 56 elektrisch
zu isolieren. Außerdem
können die
Abstandsplatten 52 dazu verwendet werden, die Gesamtabmessungen
des Brennstoffzellenstapels 20 zu steuern. Das heißt, zwischen
dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 und der oberen Endplatte 45 und/oder
der unteren Endplatte 58 können eine oder mehrere Abstandsplatten 52 positioniert
sein, um einen Brennstoffzellenstapel 20 mit einer vorgegebenen
Länge zu
schaffen, während
die Endanordnungen 32, 34, wie im Folgenden ausführlicher
erörtert wird,
weiter eine Druckkraft auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausüben. Derzeit
bevorzugt hat die Abstandsplatte bzw. haben die Abstandsplatten 52 eine
Dicke 57 im Bereich von etwa 8–18 mm, um eine angemessene
elektrische Isolation und einheitliche Abmessung des Brennstoffzellenstapels 20 zu schaffen.
Der Fachmann auf dem Gebiet erkennt aber, dass die besondere Anwendung
und die besondere Konstruktionsspezifikation die Dickenbereiche 57 der
Abstandsplatte(n) 52 vorschreiben. Wie im Folgenden ausführlicher
erörtert
wird, können
die Abstandsplatten 52 außerdem zusammen mit der oberen
Endplatte 45 und/oder mit der unteren Endplatte 58 dazu
verwendet werden, eine allgemein gleichmäßige Druckbelastung auf den
Brennstoffzellenzusammenbau 24 auszuüben.The optional in the upper end assembly 32 and / or in the lower end assembly 34 contained spacer plates 52 serve a variety of purposes. That is, the spacer plates 52 may be in the fuel cell stack for one or more reasons 20 be included. For example, the spacer plates 52 used to the upper end plate 45 and / or the lower end plate 58 from the connection plates 56 to separate. As mentioned above, the terminal plates are 56 electrically conductive and are used over the terminal block 83 Power from the fuel cell stack 20 refer to. If the upper end plate 45 and / or the lower end plate 58 are electrically conductive, which can be between the upper end plate 45 and / or the lower end plate 58 and the connection plates 56 positioned spacer plate 52 used to the upper end plate 45 and / or the lower end plate 58 from the connection plates 56 electrically isolate. In addition, the spacer plates 52 used to calculate the overall dimensions of the fuel cell stack 20 to control. That is, between fuel cell assembly 24 and the upper end plate 45 and / or the lower end plate 58 can have one or more spacer plates 52 be positioned to a fuel cell stack 20 with a given length to create, while the end arrangements 32 . 34 , as will be discussed in more detail below, continues to exert a compressive force on the fuel cell assembly 24 exercise. Presently preferred is the spacer plate or have the spacer plates 52 a thickness 57 in the range of about 8-18 mm, to ensure adequate electrical insulation and uniform dimension of the fuel cell stack 20 to accomplish. However, it will be recognized by those skilled in the art that the particular application and design specification are the thickness ranges 57 the spacer plate (s) 52 prescribe. As will be discussed in more detail below, the spacer plates 52 also together with the upper end plate 45 and / or with the lower end plate 58 be used to provide a generally uniform pressure load on the fuel cell assembly 24 exercise.
Vorzugsweise
sind die Abstandsplatten 52 nicht leitend und können zum
elektrischen Isolieren verschiedener Komponenten des Brennstoffzellenstapels 20 dienen.
Somit sind die Abstandsplatten 52 vorzugsweise aus einem
nicht leitenden Material wie etwa Kunststoff hergestellt. Noch bevorzugter
sind die Abstandsplatten 52 aus einem Hochleistungsspezialkunststoff
hergestellt. Der zur Herstellung der einen oder der mehreren Abstandsplatten 52 verwendete
Hochleistungsspezialkunststoff ist unter der Stärke der Druckbelastung, die
auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausgeübt wird,
verhältnismäßig inkompressibel
(d. h. weist nur eine unbedeutende Spannungsrelaxation auf), um
die Druckbelastung von der oberen Endplatte 45 und/oder
von der unteren Endplatte 58 auf das jeweilige obere Ende 26 bzw.
untere Ende 28 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 zu übertragen.
Insbesondere Polyphenylensulfid hat sich als besonders wirksames
Material erwiesen, aus dem die Abstandsplatten 52 hergestellt
sein können.
Polyphenylensulfid wird unter dem Markenzeichen RYTON PPS von der
Chevron Phillips Chemical Company, L. P., und unter dem Markenzeichen
FORTRON von der Celanese AG aus Frankfurt, Deutschland, vertriebenen.
Wie in 7 zu sehen ist, haben die Abstandsplatten 52 vorzugsweise
einen Durchbruch oder mehrere Durchbrüche 84, die das Gewicht
der Abstandsplatten 52 verringern.Preferably, the spacer plates 52 non-conductive and may be used to electrically insulate various components of the fuel cell stack 20 serve. Thus, the spacer plates 52 preferably made of a non-conductive material such as plastic. Even more preferred are the spacer plates 52 made of a high-performance special plastic. The egg for the production nen or more spacer plates 52 High performance specialty plastic used is under the strength of the pressure load on the fuel cell assembly 24 is relatively incompressible (ie has only insignificant stress relaxation) to the compressive load from the upper end plate 45 and / or from the lower end plate 58 on the respective upper end 26 or lower end 28 of fuel cell assembly 24 transferred to. In particular, polyphenylene sulfide has proven to be a particularly effective material from which the spacer plates 52 can be made. Polyphenylene sulfide is marketed under the trademark RYTON PPS by Chevron Phillips Chemical Company, LP, and under the trademark FORTRON by Celanese AG of Frankfurt, Germany. As in 7 can be seen, have the spacer plates 52 preferably a breakthrough or multiple breakthroughs 84 that the weight of the spacer plates 52 reduce.
Wie
oben erwähnt
wurde, sind die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 durch
die Seitenplatten 36 in einer fest beabstandeten Beziehung
gehalten, wobei sie auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 eine
Druckbelastung ausüben.
Wie zuvor beschrieben wurde, sind die obere Endplatte 45 und
die untere Endplatte 58 durch die Seitenplatten 36 in
einer fest beabstandeten Beziehung gehalten. Die am oberen Ende 26 und
am unteren Ende 28 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 erzeugte Druckbelastung ändert sich
in Abhängigkeit
vom Abstand von den Umfangsseitenwänden 64 bei der Druckbelastung,
wobei sie entlang der Umfangsseitenwände 64 maximal und
in der Mitte der oberen Endplatte 45 und der unteren Endplatte 58 minimal ist.
Das heißt,
da die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 lediglich
entlang ihrer Umfangsseitenwände 64 gehalten
sind, verformen oder wölben sich
die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 in
Reaktion auf die Druckbelastung auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 sowie
darauf, dass sich die Umfangsseitenwände 64 der oberen
Endplatte 45 und der unteren Endplatte 58 nicht
wegbewegen können.
Da der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 20 teilweise
von einer gleichmäßigen Druckbelastung über den
aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 abhängt, ist
es wünschenswert, über den
gesamten aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine
allgemein gleichmäßige Druckbelastung
aufrechtzuerhalten.As mentioned above, the upper end plate 45 and the lower end plate 58 through the side plates 36 held in a fixed spaced relationship, relying on the fuel cell assembly 24 exert a pressure load. As previously described, the upper end plate 45 and the lower end plate 58 through the side plates 36 held in a fixed spaced relationship. The at the top 26 and at the bottom 28 of fuel cell assembly 24 generated pressure load changes depending on the distance from the peripheral side walls 64 at the pressure load, taking along the peripheral side walls 64 maximum and in the middle of the upper end plate 45 and the lower end plate 58 is minimal. That is, because the upper end plate 45 and the lower end plate 58 only along its peripheral side walls 64 held, deform or buckle the upper end plate 45 and the lower end plate 58 in response to the pressure load on the fuel cell assembly 24 as well as the fact that the peripheral side walls 64 the upper end plate 45 and the lower end plate 58 can not move away. As the efficiency of the fuel cell stack 20 partly from a uniform pressure load across the active area of the fuel cell assembly 24 It is desirable over the entire active area of the fuel cell assembly 24 to maintain a generally uniform compressive load.
Ein
Mittel, um eine allgemein gleichmäßige Belastung zu erhalten,
besteht darin, die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 starr
zu machen, indem ihre Dicke erhöht
wird, so dass die in der oberen Endplatte 45 und in der
unteren Endplatte 58 auftretende Wölbung eine minimale Wirkung
auf den Wirkungsgrad des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 besitzt.
Allerdings können
die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 auf
diese Weise übermäßig dick
werden und ein Zusatzgewicht zu dem Brennstoffzellenstapel 20 beitragen,
wodurch sich der gewichts- und volumenspezifische Wirkungsgrad des
Brennstoffzellenstapels verschlechtert. Um verhältnismäßig starre Endplatten 45, 58 zu
vermeiden, können
diese optional an den Abstandsplatten 52 und an den Anschlussplatten 56 angebracht
sein, so dass die Steifheit der Abstandsplatten 52 und
der Anschlussplatten 56 zu der Gesamtsteifheit der Endanordnungen 32, 34 beiträgt und dadurch
die Dicke der Endplatten 45, 58, die erforderlich
ist, um über
den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine
allgemein gleichmäßige Druckbelastung
auszuüben,
zu verringert. Wie in den 7A–7B zu sehen
ist, bedeutet das, dass die Anschlussplatte 56, die Abstandsplatten 52 und
die Endplatten 45, 58 aneinander befestigt sein
können,
um ihre Steifheit zu vereinigen und Endanordnungen 32, 34 zu
bilden, die auf den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine
allgemein gleichmäßige Druckbelastung
ausüben
können.
Wie in 7A zu sehen ist, kann die Anschlussplatte 56 mittels
eines mechanischen Befestigungselements 86 wie etwa eines
Gewindebolzens oder einer Schraube mit der Abstandsplatte 52 verbunden
werden, woraufhin die verbundene Anschlussplatte 56 und
Abstandsplatte 52 mittels der mechanischen Befestigungselemente 87 an einer
der Endplatten 45, 58 angebracht werden können. Alternativ
können
die Anschlussplatte 56, die Abstandsplatten 52 und
eine der Endplatten 45, 58 alle mittels Klebeschichten 88 zwischen
den jeweiligen Komponenten angebracht werden. Dadurch verbindet
sich die Steifheit der Anschlussplatte 56 und die Steifheit
der Abstandsplatte 52 mit der Steifheit der Endplatten 45, 58,
um Endanordnungen 32, 34 zu schaffen, die eine
allgemein gleichmäßige Druckbelastung
auf den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 mit
dünneren
Endplatten 45, 58 als ohne die an den Endplatten 45, 58 angebrachte
Anschlussplatte 56 oder Abstandsplatten 52 ausüben können.One means of obtaining a generally uniform load is to use the upper end plate 45 and the lower end plate 58 making it rigid by increasing its thickness so that the upper end plate 45 and in the lower end plate 58 occurring bulge a minimal effect on the efficiency of the fuel cell assembly 24 has. However, the upper end plate can 45 and the lower end plate 58 become excessively thick in this way and an additional weight to the fuel cell stack 20 Contribute, whereby the weight and volume specific efficiency of the fuel cell stack deteriorates. To relatively rigid end plates 45 . 58 To avoid this, these can optionally be attached to the spacer plates 52 and on the connection plates 56 be attached so that the rigidity of the spacer plates 52 and the connection plates 56 to the overall stiffness of the end assemblies 32 . 34 contributes and thereby the thickness of the end plates 45 . 58 , which is required to over the active area of the fuel cell assembly 24 to exert a generally uniform pressure load, reduced. As in the 7A - 7B can be seen, it means that the connection plate 56 , the spacer plates 52 and the end plates 45 . 58 can be fastened together to consolidate their rigidity and end arrangements 32 . 34 forming on the active area of the fuel cell assembly 24 can exert a generally uniform pressure load. As in 7A can be seen, the connection plate 56 by means of a mechanical fastener 86 such as a threaded bolt or screw with the spacer plate 52 connected, whereupon the connected terminal plate 56 and spacer plate 52 by means of mechanical fasteners 87 on one of the end plates 45 . 58 can be attached. Alternatively, the connection plate 56 , the spacer plates 52 and one of the end plates 45 . 58 all by means of adhesive layers 88 be placed between the respective components. This connects the stiffness of the connection plate 56 and the rigidity of the spacer plate 52 with the stiffness of the end plates 45 . 58 to end arrangements 32 . 34 to create a generally uniform pressure load on the active area of the fuel cell assembly 24 with thinner end plates 45 . 58 as without the at the end plates 45 . 58 attached connection plate 56 or spacer plates 52 exercise.
Alternativ
und/oder zusätzlich
können
die Endplatten 45, 58 und/oder die Abstandsplatten 52 geformte
Oberflächen
besitzen, die die Wölbung
der Endplatten 45, 58 kompensieren und über den
aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine
allgemein gleichmäßige Druckbelastung
ausüben,
ohne dass übermäßig dicke
Endplatten 45, 58 erforderlich sind. Das heißt, wie
in den 5A–5G zu
sehen ist, die lediglich die obere Endplatte 45 und eine
einzelne Abstandsplatte 52 zeigen, kann die Innenfläche 46 der
oberen Endplatte 45 so bemessen sein, dass sie von der
oberen Endplatte 45 weg und zu dem oberen Ende 26 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 gekrümmt ist,
so dass die Dicke der oberen Endplatte 45 entlang einer Umfangsseitenwand 64 minimal
ist, während
sie in der Mitte der oberen Endplatte 45 maximal ist. Die Form
der Innenfläche 46 der
oberen Endplatte 45 ist so konturiert, dass sie die Wölbung berücksichtigt, die
in der oberen Endplatte 45 auftritt, da diese entlang ihrer
Umfangsseitenwand 64 in einer fest beabstandeten Beziehung
von der oberen Endplatte 58 gehalten wird, während auf
den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine
Druckbelastung mit einer gewünschten
Stärke
ausgeübt
wird. Die 6A–6C zeigen
eine beispielhafte Kontur der Innenfläche 46 der oberen
Endplatte 45. Wie zu sehen ist, besitzt die obere Endplatte 45 etwa
in ihrer Mitte die maximale Dicke.Alternatively and / or additionally, the end plates 45 . 58 and / or the spacer plates 52 possess shaped surfaces that the curvature of the end plates 45 . 58 compensate and over the active area of the fuel cell assembly 24 exert a generally uniform compressive load without excessively thick end plates 45 . 58 required are. That is, like in the 5A - 5G you can only see the upper end plate 45 and a single spacer plate 52 can show the inner surface 46 the upper end plate 45 Be sized so that they are from the upper end plate 45 away and to the top 26 of fuel cell assembly 24 is curved, so the thickness of the upper end plate 45 along a peripheral side wall 64 is minimal while in the middle of the upper end plate 45 is maximum. The shape of the inner surface 46 the upper end plate 45 is contoured to reflect the curvature in the upper endplate 45 occurs as these along their peripheral side wall 64 in a fixed spaced relationship from the upper end plate 58 is kept while on the active area of the fuel cell assembly 24 a compressive load is applied with a desired magnitude. The 6A - 6C show an exemplary contour of the inner surface 46 the upper end plate 45 , As can be seen, the upper endplate has 45 approximately in their midst the maximum thickness.
Alternativ
und/oder zusätzlich
können
die Innen- und/oder die Außenfläche 54, 55 der
Abstandsplatte 52 so konturiert sein, dass sie die in der
oberen Endplatte 45 auftretende Wölbung berücksichtigen. Das heißt, die
Abstandsplatte 52 kann so konfiguriert sein, dass ihre
Dicke entlang ihres Umfangs minimal und in ihrer Mitte maximal ist.
Zum Beispiel kann die Innenfläche 54 der
Abstandsplatte 52, wie in 5G gezeigt
ist, so konturiert sein, dass sie von der Abstandsplatte 52 zu
dem oberen Ende 26 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 verläuft, oder
kann die Außenfläche 55 der
Abstandsplatte 52, wie in 5E zu
sehen ist, so konturiert sein, dass sie von der Abstandsplatte 52 zu
der oberen Endplatte 45 verläuft, so dass durch die Endplatte 45 auf
den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine allgemein
gleichmäßige Druckbelastung
ausgeübt werden
kann. Wie in 5F zu sehen ist, können alternativ
sowohl die Innenfläche 54 als
auch die Außenfläche 55 der
Abstandsplatte 52 so konturiert sein, dass sie von der
Abstandsplatte 52 zu dem oberen Ende 26 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 bzw.
zu der Innenfläche 46 der
oberen Endplatte 45 verlaufen, so dass auf den aktiven
Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine allgemein gleichmäßige Druckbelastung
ausgeübt
werden kann.Alternatively and / or additionally, the inner and / or the outer surface 54 . 55 the spacer plate 52 be contoured so that they are in the upper endplate 45 take account of curvature occurring. That is, the spacer plate 52 can be configured so that its thickness is minimal along its circumference and maximum in its center. For example, the inner surface 54 the spacer plate 52 , as in 5G shown to be contoured from the spacer plate 52 to the upper end 26 of fuel cell assembly 24 runs, or may be the outer surface 55 the spacer plate 52 , as in 5E can be seen so contoured that they are from the spacer plate 52 to the upper end plate 45 runs so that through the end plate 45 on the active area of the fuel cell assembly 24 a generally uniform pressure load can be exerted. As in 5F can be seen, alternatively, both the inner surface 54 as well as the outer surface 55 the spacer plate 52 be contoured to that of the spacer plate 52 to the upper end 26 of fuel cell assembly 24 or to the inner surface 46 the upper end plate 45 run so that on the active area of the fuel cell assembly 24 a generally uniform pressure load can be exerted.
In
den 5A–5G sind
verschiedene Vertauschungen der Formgebung der Innenfläche 54 und
der Außenfläche 55 der
Abstandsplatte 52 und der Innenfläche 46 der oberen
Endplatte 45 gezeigt. Die konturierte Form der Oberflächen der
oberen Endplatte 45 und/oder der Abstandsplatte 52 kann
so bemessen sein, dass nicht nur die Wölbung der oberen Endplatte 45,
sondern auch die Wölbung
der unteren Endplatte 58 berücksichtigt ist, so dass sowohl das
obere Ende 26 als auch das untere Ende 28 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine
allgemein gleichmäßige Druckbelastung
aufnehmen. Selbstverständlich
können
die Innenfläche 60 der
unteren Endplatte 58 und die Innenfläche 54 und die Außen fläche 55 einer
Abstandsplatte 52 in der unteren Endanordnung 34 gleichfalls
so konturiert oder geformt sein, dass die Komponenten der unteren
Endanordnung 34 auf den aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine
allgemein gleichmäßige Druckbelastung
ausüben.
Der erfahrene Praktiker erkennt, dass in der Innenfläche 46 verschiedene
lokale Merkmale ausgebildet sein können, um eine gleichmäßigere Druckbelastung über den
aktiven Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 zu
erhalten. Somit können
die Oberflächen
der Komponenten der oberen Endanordnung 32 und/oder der der
unteren Endanordnung 34 selbstverständlich entweder einzeln oder
gleichzeitig so konturiert oder geformt sein, dass auf den aktiven
Bereich des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 eine allgemein
gleichmäßige Druckbelastung
ausgeübt
wird. Selbstverständlich
sind die in den verschiedenen Figuren gezeigten Abmessungen für Erläuterungszwecke übertrieben
und stehen nicht im richtigen Verhältnis zu den Komponenten des
Brennstoffzellenstapels 20. Das heißt, die Wölbung der Endplatten 45, 58 und
die Korrektur durch die Formgebung der Oberflächen der Endplatten 46, 58 und/oder
der Abstandsplatten 52 sind zur besseren Erläuterung
der Prinzipien der Erfindung selbstverständlich übertrieben. Selbstverständlich sollen
die Begriffe "obere" und "untere" zur Beschreibung
der verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 20 nicht
als absolute Bezugnahme, sondern vielmehr als Relativbeziehung der Komponenten
des Brennstoffzellenstapels 20 verstanden werden.In the 5A - 5G are different permutations of the shape of the inner surface 54 and the outer surface 55 the spacer plate 52 and the inner surface 46 the upper end plate 45 shown. The contoured shape of the upper endplate surfaces 45 and / or the spacer plate 52 can be sized so that not only the curvature of the upper end plate 45 , but also the curvature of the lower end plate 58 is taken into account, so that both the upper end 26 as well as the lower end 28 of fuel cell assembly 24 to absorb a generally uniform pressure load. Of course, the inner surface 60 the lower end plate 58 and the inner surface 54 and the outside surface 55 a spacer plate 52 in the lower end assembly 34 also be contoured or shaped so that the components of the lower end assembly 34 on the active area of the fuel cell assembly 24 exert a generally uniform pressure load. The experienced practitioner realizes that in the inner surface 46 various local features may be formed to provide more even pressure loading across the active area of the fuel cell assembly 24 to obtain. Thus, the surfaces of the components of the upper end assembly 32 and / or the lower end assembly 34 of course, either individually or simultaneously contoured or shaped so that the active area of the fuel cell assembly 24 a generally uniform pressure load is applied. Of course, the dimensions shown in the various figures are exaggerated for illustrative purposes and are not in proportion to the components of the fuel cell stack 20 , That is, the curvature of the end plates 45 . 58 and the correction by the shaping of the surfaces of the end plates 46 . 58 and / or the spacer plates 52 are of course exaggerated to better explain the principles of the invention. Of course, the terms "upper" and "lower" are intended to describe the various components of the fuel cell stack 20 not as an absolute reference, but rather as a relative relationship of the components of the fuel cell stack 20 be understood.
Obgleich
der Brennstoffzellenstapel 20 allgemein mit einer rechteckigen
Konfiguration beschrieben und veranschaulicht ist, kann die Form
des Brennstoffzellenstapels 20 selbstverständlich eine Vielzahl
von Konfigurationen annehmen, wobei sie weiter in dem durch die
Ansprüche
definierten Umfang der Erfindung liegt. Zum Beispiel können der Brennstoffzellenstapel 20,
der Brennstoffzellenzusammenbau 24, die obere End anordnung 32 und
die untere Endanordnung 34 zylindrisch sein. Wenn der Brennstoffzellenstapel 20 zylindrisch
ist, kann die Seitenplatte 36 eine einzige zylindrische
Hülse sein, in
die die obere Endanordnung 32 und die untere Endanordnung 34 und
der Brennstoffzellenzusammenbau 24 eingeführt sind.
Außerdem
könnten
die Seitenplatten 36 Abschnitte einer zylindrischen Hülse sein,
die die Komponenten des Brennstoffzellenstapels 20 umschließt. Somit
sollte die Verwendung des Begriffs "Seitenplatte" nicht auf eine ebene Platte beschränkt sein,
sondern vielmehr als eine Platte verstanden werden, die eben oder
gekrümmt
sein kann oder eine Vielzahl von Formen annehmen kann, die die besondere
Form des Brennstoffzellenstapels 20 vorschreibt.Although the fuel cell stack 20 is described and illustrated generally with a rectangular configuration, the shape of the fuel cell stack 20 Of course, assume a variety of configurations, further lying within the scope of the invention defined by the claims. For example, the fuel cell stack can 20 , the fuel cell assembly 24 , the upper end arrangement 32 and the lower end assembly 34 be cylindrical. When the fuel cell stack 20 is cylindrical, the side plate can 36 a single cylindrical sleeve into which the upper end assembly 32 and the lower end assembly 34 and the fuel cell assembly 24 are introduced. Besides, the side plates could 36 Sections of a cylindrical sleeve which are the components of the fuel cell stack 20 encloses. Thus, the use of the term "side plate" should not be limited to a flat plate, but rather should be understood as a plate that may be flat or curved or take a variety of shapes that the particular shape of the fuel cell stack 20 prescribes.
Wie
zuvor festgestellt wurde, besitzt der Brennstoffzellenstapel 20 einen
Brennstoffzellenzusammenbau 24, der mit einer Druckbelastung
gehalten wird, so dass der Brennstoffzellenzusammenbau 24 einen
höheren
Wirkungsgrad besitzt. Ferner umfasst die Erfindung verschiedene
Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels 20 mit
einem Brennstoffzellenzusammenbau 24 unter einer Druckbelastung.
In einem ersten Verfahren, dem Verfahren mit vorgegebener Druckbelastung,
werden der Brennstoffzellenzusammenbau 24 und/oder der Brennstoffzellenstapel 20,
wie in den 9A–9B und 11 zu
sehen ist, mit einer äußeren Druckbelastung
zusammengedrückt,
die eine innere Druckbelastung mit einer vorgegebenen Stärke F auf
den Brennstoffzellenzusammenbau 24 erzeugt. Daraufhin werden
die Seitenplatten 36 an der oberen Endplatte 45 und
an der unteren Endplatte 58 befestigt, um die obere Endplatte 45 und
die untere Endplatte 58 in einer fest beabstandeten Beziehung
zu halten, wenn die äußere Druckbelastung
von dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 und/oder von dem
Brennstoffzellenstapel 20 entfernt wird. Da die obere Endplatte 45 und
die untere Endplatte 58 in einer festen räumlichen
Beziehung gehalten werden, nachdem die äußere Druckbelastung entfernt worden
ist, wird durch die obere Endplatte 45 und durch die untere
Endplatte 58 wie im Folgenden ausführlicher diskutiert auf den
Brennstoffzellenzusammenbau 24 weiter eine innere Druckbelastung
ausgeübt.As stated previously, the fuel cell stack has 20 a fuel cell assembly 24 which is held with a compressive load, allowing the fuel cell assembly 24 has a higher efficiency. Furthermore, the invention comprises various methods for producing position of a fuel cell stack 20 with a fuel cell assembly 24 under a pressure load. In a first method, the pressure applied method, the fuel cell assembly becomes 24 and / or the fuel cell stack 20 as in the 9A - 9B and 11 can be seen, compressed with an external compressive load, the internal pressure load with a predetermined strength F on the fuel cell assembly 24 generated. Then the side plates become 36 at the upper end plate 45 and at the lower end plate 58 attached to the upper end plate 45 and the lower end plate 58 in a fixed spaced relationship when the external pressure load from the fuel cell assembly 24 and / or from the fuel cell stack 20 Will get removed. Because the upper end plate 45 and the lower end plate 58 are held in a fixed spatial relationship after the external compressive load has been removed, by the upper end plate 45 and through the lower end plate 58 as discussed in more detail below on the fuel cell assembly 24 further exerted an internal pressure load.
Wie
in den 10A–10B und 12 zu sehen
ist, werden der Brennstoffzellenzusammenbau 24 und/oder
der Brennstoffzellenstapel 20 in einem zweiten Verfahren,
dem Verfahren mit vorgegebener Zusammendrückstrecke, durch eine äußere Druckbelastung
C um eine vorgegebene Strecke D zusammengedrückt. Mit anderen Worten, die
Stärke der äußeren Druckbelastung
ist ausreichend, um den Brennstoffzellenzusammenbau 24 um
eine vorgegebene Strecke D zusammenzudrücken. Daraufhin werden (wie
im Folgenden ausführlicher
beschrieben wird) die Seitenplatten 36 an der oberen Endplatte 45 und
an der unteren Endplatte 58 angebracht. Daraufhin wird
die äußere Druckbelastung
entfernt. Die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 bleiben in
ihrer fest beabstandeten Beziehung. Der Brennstoffzellenzusammenbau 24 bleibt
allgemein um die vorgegebene Strecke D zusammengedrückt, um eine
innere Druckbelastung darauf auszuüben.As in the 10A - 10B and 12 can be seen, the fuel cell assembly 24 and / or the fuel cell stack 20 in a second method, the method with predetermined compression line, compressed by an external pressure load C by a predetermined distance D. In other words, the magnitude of the external pressure load is sufficient to fuel cell assembly 24 to compress a given distance D. Thereupon (as will be described in more detail below) the side plates 36 at the upper end plate 45 and at the lower end plate 58 appropriate. Then the external pressure load is removed. The upper end plate 45 and the lower end plate 58 stay in their tightly spaced relationship. The fuel cell assembly 24 generally remains compressed by the predetermined distance D to exert an internal compressive load thereon.
Wie
zuvor festgestellt wurde, umfasst das Verfahren mit vorgegebener
Druckbelastung zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels 20 mit
einem Brennstoffzellenzusammenbau 24 unter einer Druckbelastung
mit einer vorgegebenen Stärke
F das Anwenden einer äußeren Druckbelastung
auf den Brennstoffzellenstapel 20. Das Verfahren mit vorgegebener
Druckbelastung enthält
die folgenden Schritte: 1) Positionieren des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 zwischen
der oberen Endplatte 45 und der unteren Endplatte 58,
wobei das obere Ende 26 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 zu
der oberen Endplatte 45 benachbart ist und das untere Ende 28 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 zu der unteren Endplatte 58 benachbart
ist; 2) Anwenden einer äußeren Druckkraft
auf die Endplatte 45 und/oder auf die Endplatte 58,
so dass der Brennstoffzellenzusammenbau 24 zusammengedrückt wird
und auf ihn eine innere Druckkraft mit einer vorgegebenen Stärke F ausgeübt wird;
3) Anbringen der Seitenplatten 36 an den Endplatten 45, 58,
wobei das erste Ende 72 und das zweite Ende 74 der
Seitenplatten 36 an der oberen Endplatte 45 bzw.
an der unteren Endplatte 58 angebracht werden; und 4) Entfernen
der auf die Endplatte 45 und/oder auf die Endplatte 58 angewendeten äußeren Druckkraft,
wobei die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 in
einer fest beabstandeten Beziehung bleiben, so dass sie auf den
Brennstoffzellenzusammenbau 24 eine Druckkraft ausüben, die
allgemein gleich der vorgegebenen Stärke F ist. Dadurch schafft
das Verfahren mit vorgegebener Druckbelastung einen Brennstoffzellenstapel 20, dessen
Druckkraft allgemein gleich der auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausgeübten Kraft mit
der Stärke
F ist.As stated previously, the predetermined pressure loading method comprises manufacturing a fuel cell stack 20 with a fuel cell assembly 24 under a compressive load of a predetermined magnitude F, applying an external compressive load to the fuel cell stack 20 , The pressurized process includes the following steps: 1) Position the fuel cell assembly 24 between the upper end plate 45 and the lower end plate 58 , the upper end 26 of fuel cell assembly 24 to the upper end plate 45 is adjacent and the lower end 28 of fuel cell assembly 24 to the lower end plate 58 is adjacent; 2) Apply an external compressive force to the end plate 45 and / or on the end plate 58 so that the fuel cell assembly 24 is compressed and an internal compressive force with a predetermined strength F is exerted on him; 3) Attach the side plates 36 at the end plates 45 . 58 , where the first end 72 and the second end 74 the side plates 36 at the upper end plate 45 or at the lower end plate 58 be attached; and 4) removing the on the end plate 45 and / or on the end plate 58 applied external compressive force, wherein the upper end plate 45 and the lower end plate 58 stay in a tightly spaced relationship so that they can rely on the fuel cell assembly 24 exert a compressive force which is generally equal to the predetermined strength F. As a result, the method with a predetermined pressure load creates a fuel cell stack 20 , whose pressure force is generally equal to that on fuel cell assembly 24 applied force with the strength F is.
Wenn
zum Zusammenbau eines Brennstoffzellenstapels 20 das Verfahren
mit vorgegebener Zusammendrückstrecke
verwendet wird, werden der Brennstoffzellenstapel 20 und/oder
der Brennstoffzellenzusammenbau 24 demgegenüber um eine
vorgegebene Strecke D anstatt mit einer Druckkraft mit einer vorgegebenen
Stärke
F zusammengedrückt. Der
Bezugspunkt für
die vorgegebene Strecke D könnte
eine Gesamtlänge
des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 selbst, sein. Somit
wird im Folgenden nur das Zusammendrücken des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 um
die vorgegebene Strecke D und nicht das Zusammendrücken des
Brennstoffzellenstapels 20 erwähnt. Allerdings könnte das
Zusammendrücken
des Brennstoffzellenstapelzusammenbaus 24 um die vorgegebene
Strecke D selbstverständlich
auch durch Zusammendrücken
des Brennstoffzellenstapels 20 um die vorgegebene Strecke
D erfolgen. Vorzugsweise entspricht die vorgegebene Strecke D dem
Anwenden einer solchen Druckkraft auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24,
die zu einem Betrieb des Brennstoffzellenstapels 20 mit hohem
Wirkungsgrad führt.
Die vorgegebene Strecke D zum Zusammendrücken des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 kann
auf eine Vielzahl von Arten bestimmt werden. Zum Beispiel kann die
vorgegebene Strecke D anhand des Zusammendrückens um eine feste Strecke
für jede
in dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 enthaltene Brennstoffzelle 22 berechnet
werden oder, wie im Folgenden ausführlicher diskutiert wird, auf
empirischen Daten aus früherer Erfahrung
beim Zusammendrücken
von Brennstoffzellenzusammenbauen 24 mit einer bekannten
Anzahl von Brennstoffzellen 22 beruhen. Wenn die vorgegebene
Strecke D bestimmt worden ist, wird auf den Brennstoffzellenstapel 20 eine äußere Druckbelastung
angewendet, so dass der Brennstoffzellenstapel 20 und/oder
der Brennstoffzellenzusammenbau 24 um die vorgegebene Strecke
D zusammengedrückt
werden. Daraufhin werden die Seitenplatten 36 an der oberen
Endplatte 45 und an der unteren Endplatte 58 angebracht
und wird die äußere Druckbelastung
entfernt. Der resultierende Brennstoffzellenstapel 20 besitzt
einen Brennstoffzellenzusammenbau 24, der um die vorgegebene
Strecke D zusammengedrückt
ist und eine innere Druckbelastung besitzt, die dem Betrieb des
Brennstoffzellenstapels 20 mit hohem Wirkungsgrad entspricht.When to assemble a fuel cell stack 20 the method with predetermined compression line is used, the fuel cell stack 20 and / or the fuel cell assembly 24 In contrast, compressed by a predetermined distance D instead of a compressive force with a predetermined strength F. The reference point for the given distance D could be an overall length of the fuel cell assembly 24 himself, his. Thus, in the following, only the compression of the fuel cell assembly will be described 24 by the predetermined distance D and not the compression of the fuel cell stack 20 mentioned. However, compression of the fuel cell stack assembly could 24 of course, by the predetermined distance D also by compressing the fuel cell stack 20 done by the predetermined distance D. Preferably, the predetermined distance D corresponds to the application of such a compressive force to the fuel cell assembly 24 leading to an operation of the fuel cell stack 20 with high efficiency leads. The predetermined distance D for compressing the fuel cell assembly 24 can be determined in a variety of ways. For example, the predetermined distance D may be calculated by compressing a fixed distance for each in the fuel cell assembly 24 included fuel cell 22 or, as will be discussed in more detail below, based on empirical data from previous experience in compressing fuel cells 24 with a known number of fuel cells 22 based. When the predetermined distance D has been determined, it is applied to the fuel cell stack 20 applied an external pressure load, so that the fuel cell stack 20 and / or the fuel cell assembly 24 zusammenge to the predetermined distance D be pressed. Then the side plates become 36 at the upper end plate 45 and at the lower end plate 58 attached and the external pressure load is removed. The resulting fuel cell stack 20 has a fuel cell assembly 24 , which is compressed by the predetermined distance D and has an internal pressure load, the operation of the fuel cell stack 20 corresponds with high efficiency.
Wenn
die vorgegebene Strecke D rechnerisch (d. h. anhand des Zusammendrückens jeder Brennstoffzelle
um eine feste Strecke) ermittelt wird, wird jede Brennstoffzelle 22 um
eine gegebene Strecke zusammengedrückt. Die vorgegebene Strecke D,
um die der Brennstoffzellenzusammenbau 24 zusammenzudrücken ist,
wird dadurch berechnet, dass die Anzahl der Brennstoffzellen 22,
n, in dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 mit der festen
Strecke d multipliziert wird, um die jede Brennstoffzelle 22 zusammenzudrücken ist.
Mit anderen Worten, es wird die Gleichung D = n·d verwendet. Die feste Strecke, um
die jede Brennstoffzelle 22 zusammenzudrücken ist,
wird also so gewählt,
dass auf die Brennstoffzelle 22 eine Druckkraft ausgeübt wird,
deren Stärke
allgemein einem Betrieb des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 mit
hohem Wirkungsgrad entspricht. Das heißt, die feste Strecke d, um
die jede Brennstoffzelle 22 zusammenzudrücken ist,
beruht auf den physikalischen Eigenschaften der Brennstoffzellen 22 und auf
der Stärke
des Drucks, den die Brennstoffzellen 22 benötigen, um
mit hohem Wirkungsgrad zu arbeiten. Der resultierende Brennstoffzellenstapel 20 besitzt
einen Brennstoffzellenzusammenbau 24, der um die vorgegebene
Strecke D zusammengedrückt
ist und eine Druckbelastung besitzt, die dem Betrieb des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 mit
hohem Wirkungsgrad entspricht.When the predetermined distance D is computationally determined (ie, by compressing each fuel cell by a fixed distance), each fuel cell becomes 22 compressed by a given distance. The given distance D to the fuel cell assembly 24 is to be compressed by calculating the number of fuel cells 22 , n, in the fuel cell assembly 24 is multiplied by the fixed distance d to each fuel cell 22 is to squeeze. In other words, the equation D = n · d is used. The fixed route to each fuel cell 22 is to be compressed, so it is chosen so that the fuel cell 22 a compressive force is exerted, the strength of which is generally an operation of the fuel cell assembly 24 corresponds with high efficiency. That is, the fixed distance d to which each fuel cell 22 is due to the physical properties of the fuel cells 22 and on the strength of the pressure that the fuel cells 22 need to work with high efficiency. The resulting fuel cell stack 20 has a fuel cell assembly 24 , which is compressed by the predetermined distance D and has a compressive load, the operation of the fuel cell assembly 24 corresponds with high efficiency.
Wenn
die vorgegebene Strecke D zum Zusammendrücken des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 auf
empirischen Daten beruht, wird sie gegenüber dem Zusammendrücken jeder
Brennstoffzelle 22 um eine feste Strecke aus früheren Erfahrungen
beim Zusammendrücken
von Brennstoffzellenzusammenbauen 24 mit einer bekannten
Druckbelastung bestimmt. Die resultierende vorgegebene Strecke D
kann für
beide Verfahren gleich sein. Wegen der allgemeinen Einheitlichkeit
der Zusammensetzung der Brennstoffzellen 22, die ein Brennstoffzellenzusammenbau 24 umfasst,
kann für
jeden Typ einer Brennstoffzelle 22 eine allgemeine Korrelation zwischen
der Anzahl der Brennstoffzellen 22 und der Zusammendrückstrecke
des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 und/oder des Brennstoffzellenstapels 20,
die auftritt, wenn auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 eine
Druckkraft mit einer bekannten Stärke ausgeübt wird, aufgestellt werden.
Die Korrelation kann dazu verwendet werden, anhand der Anzahl der Brennstoffzellen 22,
die der Brennstoffzellenzusammenbau 24 umfasst, die vorgegebene
Strecke D zu bestimmen, um die der Brennstoffzellenzusammenbau 24 zusammenzudrücken ist,
um auf ihn eine Druckkraft mit einer gewünschten Stärke auszuüben. Empirische Daten zeigen
z. B., dass auf Brennstoffzellenzusammenbaue, die 50 und 200 Brennstoffzellen
enthalten und um eine Strecke X bzw. 4X zusammengedrückt werden,
eine Druckkraft mit der gewünschten
Stärke
ausgeübt
wird. Ein Brennstoffzellenstapel 20 mit einem Brennstoffzellenzusammenbau 24,
der 100 ähnliche
Brennstoffzellen 22 umfaßst, würde um eine Strecke 2X zusammengedrückt werden
und sollte anhand der Korrelation allgemein eine Druckkraft mit
der gleichen gewünschten
Stärke auf
den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausüben.If the predetermined distance D for compressing the fuel cell assembly 24 Based on empirical data, it is against compressing each fuel cell 22 to build a fixed route from previous experience in compressing fuel cells 24 determined with a known pressure load. The resulting predetermined distance D may be the same for both methods. Because of the general uniformity of the composition of the fuel cells 22 that a fuel cell assembly 24 can, for each type of fuel cell 22 a general correlation between the number of fuel cells 22 and the compression line of the fuel cell assembly 24 and / or the fuel cell stack 20 That Occurs When On Fuel Cell Assembly 24 a compressive force with a known strength is exercised, are placed. The correlation can be used based on the number of fuel cells 22 that the fuel cell assembly 24 includes determining the predetermined distance D to that of the fuel cell assembly 24 is to press on it to exert a compressive force with a desired strength. Empirical data shows z. For example, on fuel cell assemblies containing 50 and 200 fuel cells and compressed by a distance X and 4X, respectively, a compressive force of the desired magnitude is applied. A fuel cell stack 20 with a fuel cell assembly 24 , the 100 similar fuel cells 22 would be compressed by a distance 2X and based on the correlation should generally apply a compressive force of the same desired magnitude to the fuel cell assembly 24 exercise.
Da
es in der Zusammensetzung irgendeines gegebenen Typs der Brennstoffzelle 22 eine
gewisse Streuung gibt, kann die auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 ausgeübte Druckkraft
variieren. Der Betrag der Schwankung der resultierenden Druckkraft
hängt von
der Genauigkeit der Korrelationen und von der Streuung der Brennstoffzellen 22 ab. Vorzugsweise
variiert die resultierende Druckkraft innerhalb eines akzeptablen
Bereichs um die gewünschte
Stärke,
so dass die Schwankung eine vernachlässigbare Wirkung auf den Wirkungsgrad
des Brennstoffzellenstapels 20 hat. Dadurch liefert das Verfahren
mit empirischen Daten einen Brennstoffzellenstapel 20 mit
einem Brennstoffzellenzusammenbau 24, auf den eine Druckkraft
ausgeübt
wird, die allgemein gleich einer gewünschten Stärke ist, die dem Betrieb des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 mit hohem Wirkungsgrad
entspricht, wenn dieser um die vorgegebene Strecke D zusammengedrückt ist.As it is in the composition of any given type of fuel cell 22 There may be some dispersion, which may be due to the fuel cell assembly 24 applied compressive force vary. The amount of fluctuation of the resultant pressing force depends on the accuracy of the correlations and the dispersion of the fuel cells 22 from. Preferably, the resulting compressive force varies within an acceptable range around the desired magnitude, such that the fluctuation has a negligible effect on the efficiency of the fuel cell stack 20 Has. As a result, the empirical data method provides a fuel cell stack 20 with a fuel cell assembly 24 to which a compressive force is applied, which is generally equal to a desired magnitude, the operation of the fuel cell assembly 24 with high efficiency, when it is compressed by the predetermined distance D.
Wie
oben erwähnt
wurde, können
die Abstandsplatten 52 verwendet werden, um einen Brennstoffzellenstapel 20 mit
einer vorgegebenen oder einheitlichen Länge L zu schaffen. Das heißt, die
Abstandsplatten 52 können
in dem Brennstoffzellenstapel 20 verwendet werden, um Raum
zu belegen, so dass der Brennstoffzellenstapel 20 eine
vorgegebene oder einheitliche Länge
L besitzt. Eine einheitliche Länge
L bietet viele Vorteile. Beispielsweise ermöglicht eine einheitliche Länge L, dass
die Brennstoffzellenstapel leicht gewechselt werden können, und
außerdem,
dass die Vorrichtungen, in denen der Brennstoffzellenstapel 20 genutzt
wird, genormte Räume
für den
Brennstoffzellenstapel 20 besitzen.As mentioned above, the spacer plates can 52 used to make a fuel cell stack 20 with a given or uniform length L to create. That is, the spacer plates 52 can in the fuel cell stack 20 used to occupy space, leaving the fuel cell stack 20 has a given or uniform length L. A uniform length L offers many advantages. For example, a uniform length L allows the fuel cell stacks to be easily changed, as well as the devices in which the fuel cell stack 20 is used, standardized spaces for the fuel cell stack 20 have.
Die
Erfindung schafft verschiedene wie in den 13a–13b gezeigte Zusammenbaufolgen für einen
Brennstoffzellenstapel mit einer einheitlichen Länge L. Die gewünschte vorgegebene
oder einheitliche Länge
L des Brennstoffzellenstapels 20 kann entweder eine bekannte
Länge wie
etwa eine Industrienorm oder eine gewählte Länge sein. Auf jeden Fall ist
die Gesamtlänge
L eine bekannte Größe. Die
Dicke der oberen Endplatte 45 und der unteren Endplatte 58,
irgendwelcher in dem Brennstoffzellenstapel 20 verwendeter
Anschlussplatten 56 sowie irgendwelcher weiterer Komponenten
der Endanordnungen 32, 34 kann gemessen werden,
so dass sie bekannte Größen sind.
Anhand dieser bekannten Größen/Abmessungen
kann der Raum in dem Brennstoffzellenstapel 20 berechnet
werden, in dem der Brennstoffzellenzusammenbau 24 angeordnet werden
soll, so dass er ebenfalls eine bekannte Größe ist. Das heißt, die
Länge des
Raums in dem Brennstoffzellenstapel 20, in dem der Brennstoffzellenzusammenbau 24 angeordnet
werden soll, ist gleich der vorgegebenen oder einheitlichen Länge L des
Brennstoffzellenstapels 20, abzüglich der Abmessungen der Endplatten 45, 58,
irgendwelcher Anschlussplatten 56 sowie irgendwelcher weiterer
Komponenten, aus denen die Endanordnungen 32, 34 aufgebaut
sind. Die einzige unbekannte Abmessung ist die Drucklänge 30 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24. Die Drucklänge 30 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 kann je nach dem Verfahren, das
wie oben erörtert
zur Herstellung des Brennstoffzellenstapels 20 verwendet
wird, und nach der Anzahl der Brennstoffzellen 22, die
der Brennstoffzellenzusammenbau 24 umfasst, variieren.The invention provides various as in the 13a - 13b shown assembly sequences for a fuel cell stack with a uniform length L. The desired predetermined or uniform length L of the fuel cell stack 20 may be either a known length such as an industry standard or a selected length. In any case, the total length L is a known size. The thickness of the upper end plate 45 and the lower end plate 58 , any in the fuel cell stack 20 used connection plates 56 as well as any other components of the end assemblies 32 . 34 can be measured so that they are known sizes. Based on these known sizes / dimensions of the space in the fuel cell stack 20 be calculated in which the fuel cell assembly 24 should be arranged so that it is also a known size. That is, the length of the space in the fuel cell stack 20 in which the fuel cell assembly 24 is to be arranged, is equal to the predetermined or uniform length L of the fuel cell stack 20 , minus the dimensions of the end plates 45 . 58 , any connection plates 56 as well as any other components that make up the end assemblies 32 . 34 are constructed. The only unknown dimension is the print length 30 of fuel cell assembly 24 , The printing length 30 of fuel cell assembly 24 may vary depending on the method discussed above for producing the fuel cell stack 20 is used, and according to the number of fuel cells 22 that the fuel cell assembly 24 includes, vary.
Wie
oben festgestellt wurde, können
bei dem Verfahren mit vorgegebener Druckbelastung Abstandsplatten 52 verwendet
werden, um einen Brennstoffzellenstapel 20 mit einer vorgegebenen oder
einheitlichen Länge
L herzustellen, wobei auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 eine
Druckbelastung ausgeübt
wird, die allgemein gleich der vorgegebenen Stärke F ist. Hierzu muss entweder die
Drucklänge 30 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 oder die Drucklänge des
Brennstoffzellenstapels 20 bestimmt werden, so dass die
geforderte gemeinsame Dicke der einen oder der mehreren Abstandsplatten 52 ermittelt
werden kann.As stated above, in the method with a predetermined compressive load, spacer plates can be used 52 used to make a fuel cell stack 20 with a given or uniform length L to produce, with the fuel cell assembly 24 a compressive load is applied which is generally equal to the predetermined magnitude F. For this, either the print length must 30 of fuel cell assembly 24 or the pressure length of the fuel cell stack 20 be determined so that the required common thickness of the one or more spacer plates 52 can be determined.
Die
Drucklänge 30 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 kann auf eine der folgenden
Arten bestimmt werden: (1) Zusammendrücken des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 mit
einer äußeren Druckbelastung,
so dass eine innere Druckbelastung mit der vorgegebenen Stärke F erhalten
wird, und Messen der Drucklänge 30,
wie in 9A zu sehen ist; oder (2) Zusammendrücken des
Brennstoffzellenstapels 20 mit einer äußeren Belastung, so dass auf den
Brennstoffzellenzusammenbau 24 eine innere Druckbelastung
mit einer vorgegebenen Stärke
F ausgeübt
wird, wie in 9B zu sehen ist, und entweder
(A) Messen der Drucklänge 30 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24; oder (B) Messen der Drucklänge des
Brennstoffzellenstapels 20 und Berechnen der Drucklänge 30 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 durch Subtrahieren der
bekannten Abmessungen der Endplatten 45, 58, der
Anschlussplatten 56 sowie irgendwelcher weiterer Komponenten
der Endanordnungen 32, 34. Wenn die Drucklänge 30 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 bestimmt worden ist, kann
die äußere Druckbelastung von
dem Brennstoffzellenzusammenbau 24 oder von dem Brennstoffzellenstapel 20 entfernt
werden. Die Drucklänge 30 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 wird dazu verwendet, die
geforderte gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52 für die Herstellung
des Brennstoffzellenstapels 20 mit der vorgegebenen oder
ein heitlichen Länge
L zu berechnen. Die geforderte gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52 ist (wie
oben diskutiert wurde) gleich der Differenz zwischen der Länge des
Raums, in dem der Brennstoffzellenzusammenbau 24 angeordnet
werden soll, und der Drucklänge 30 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24. Somit kann die geforderte
gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52 berechnet werden.The printing length 30 of fuel cell assembly 24 can be determined in one of the following ways: (1) Compress the fuel cell assembly 24 with an external compressive load, so that an internal compressive load of the predetermined magnitude F is obtained, and measuring the pressure length 30 , as in 9A you can see; or (2) compressing the fuel cell stack 20 with an external load, so that on the fuel cell assembly 24 an internal pressure load of a predetermined magnitude F is exerted, as in 9B can be seen, and either (A) measuring the print length 30 of fuel cell assembly 24 ; or (B) measuring the pressure length of the fuel cell stack 20 and calculating the print length 30 of fuel cell assembly 24 by subtracting the known dimensions of the end plates 45 . 58 , the connection plates 56 as well as any other components of the end assemblies 32 . 34 , When the printing length 30 of fuel cell assembly 24 has been determined, the external pressure load from the fuel cell assembly 24 or from the fuel cell stack 20 be removed. The printing length 30 of fuel cell assembly 24 is used to the required common thickness of the spacer plates 52 for the production of the fuel cell stack 20 with the predetermined or uniform length L to calculate. The required common thickness of the spacer plates 52 is equal to the difference between the length of the space in which the fuel cell assembly is (as discussed above) 24 should be arranged, and the printing length 30 of fuel cell assembly 24 , Thus, the required common thickness of the spacer plates 52 be calculated.
Alternativ
kann die Drucklänge
des Brennstoffzellenstapels 20 mit einer inneren Druckbelastung
auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 mit der vorgegebenen
Stärke
F verwendet werden. Die Drucklänge
des Brennstoffzellenstapels 20 kann dadurch bestimmt werden,
dass der Brennstoffzellenstapel 20 mit einer äußeren Druckbelastung
zusammengedrückt
wird, so dass auf den Brennstoffzellenzusammenbau 24 eine
innere Druckbelastung mit der vorgegebenen Stärke F ausgeübt wird, und daraufhin die
Drucklänge
des Brennstoffzellenstapels 20 gemessen wird. Daraufhin
wird die äußere Druckbelastung
auf den Brennstoffzellenstapel entfernt. Es wird die Differenz zwischen
der vorgegebenen oder einheitlichen Länge L des Brennstoffzellenstapels 20 und
der gemessenen Drucklänge
des Brennstoffzellenstapels 20 berechnet. Die berechnete
Differenz ist die geforderte gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52.Alternatively, the pressure length of the fuel cell stack 20 with an internal pressure load on the fuel cell assembly 24 be used with the predetermined strength F. The pressure length of the fuel cell stack 20 can be determined by the fuel cell stack 20 is compressed with an external compressive load, so that on the fuel cell assembly 24 an internal pressure load is applied with the predetermined strength F, and then the pressure length of the fuel cell stack 20 is measured. Then the external pressure load on the fuel cell stack is removed. It becomes the difference between the predetermined or uniform length L of the fuel cell stack 20 and the measured pressure length of the fuel cell stack 20 calculated. The calculated difference is the required common thickness of the spacer plates 52 ,
Wenn
die geforderte gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52 bestimmt
worden ist, werden eine oder mehrere Abstandsplatten 52 mit
der geforderten gemeinsamen Dicke gewählt. Die gewählten Abstandsplatten 52 werden
zwischen der oberen Endplatte 45 und/oder der unteren Endplatte 58 und dem
jeweiligen oberen Ende 26 und/oder unteren Ende 28 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 positioniert. Die Abstandsplatten 52 werden
so orientiert, dass die gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52 auf
die Länge 30 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 ausgerichtet ist. Daraufhin
wird der Brennstoffzellenstapel 20 durch An wenden einer äußeren Druckbelastung
auf ihn zusammengedrückt, so
dass er allgemein die vorgegebene oder einheitliche Länge L erhält. Die
resultierende innere Druckbelastung des Brennstoffzellenstapels 20 mit
der vorgegebenen oder einheitlichen Länge L sollte allgemein gleich
der vorgegebenen Stärke
F sein. Daraufhin werden die Seitenplatten 36 an der oberen
Endplatte 45 und an der unteren Endplatte 58 befestigt, so
dass die obere Endplatte 45 und die untere Endplatte 58 den
Brennstoffzellenstapel 20 allgemein auf der vorgegebenen
oder einheitlichen Länge
L halten. Schließlich
wird die äußere Druckbelastung
von dem Brennstoffzellenstapel 20 entfernt. Der resultierende Brennstoffzellenstapel 20 besitzt
eine Länge,
die allgemein gleich der vorgegebenen oder einheitlichen Länge L ist,
wobei der Brennstoffzellenzusammenbau 24 allgemein mit
der vorgegebenen Stärke
F zusammengedrückt
ist.If the required common thickness of the spacer plates 52 has been determined, one or more spacer plates 52 chosen with the required common thickness. The selected spacer plates 52 be between the upper end plate 45 and / or the lower end plate 58 and the respective upper end 26 and / or lower end 28 of fuel cell assembly 24 positioned. The spacer plates 52 are oriented so that the common thickness of the spacer plates 52 on the length 30 of fuel cell assembly 24 is aligned. Then the fuel cell stack becomes 20 compressed by applying an external compressive load on it so that it generally receives the predetermined or uniform length L. The resulting internal pressure load of the fuel cell stack 20 with the given or uniform length L should generally be equal to the predetermined magnitude F. Then the side plates become 36 at the upper end plate 45 and at the lower end plate 58 attached, leaving the upper end plate 45 and the lower end plate 58 the fuel cell stack 20 generally on the predetermined or uniform length L hold. Finally, the external pressure load from the fuel cell stack becomes 20 away. The resulting fuel cell stack 20 has a length which is generally equal to the predetermined or uniform length L, wherein the fuel cell assembly 24 is generally compressed with the predetermined strength F.
In
dem Verfahren mit vorgegebener Zusammendrückstrecke zur Herstellung eines
Brennstoffzellenstapels 20 können ebenfalls Abstandsplatten 52 genutzt
werden, um einen Brennstoffzellenstapel 20 mit vorgegebener
oder einheitlicher Länge
L herzustellen. Die geforderte gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52 beruht
auf der gewünschten
vorgegebenen oder einheitlichen Länge L für den Brennstoffzellenstapel 20,
auf der Drucklänge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 und
auf der Dicke der Komponenten, die die Endanordnungen 32, 34 umfassen.
Die Drucklänge 30 des
Brennstoffzellenzusammenbaus 24 wird durch Subtraktion
der vorgegebenen Strecke D von der drucklosen Länge 31 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 berechnet.
Um die geforderte gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52 zu
liefern, werden von der vorgegebenen oder einheitlichen Länge L des
Brennstoffzellenstapels 20 die Drucklänge 30 des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 und
die Dicke der Endplatten 45, 58, der Anschlussplatten 56 sowie
irgendwelcher weiterer Komponenten, die die Endanordnungen 32, 34 umfassen,
subtrahiert. Daraufhin werden die Abstandsplatten 52 so
gewählt,
dass die gemeinsame Dicke der Abstandsplatten 52 allgemein
gleich der geforderten Gesamtdicke ist. Daraufhin werden die gewählten Abstandsplatten 52 wie
oben diskutiert zu dem Brennstoffzellenstapel 20 hinzugefügt. Der
resultierende Brennstoffzellenstapel 20 besitzt allgemein
die gewünschte
vorgegebene oder einheitliche Länge
L, einen Brennstoffzellenzusammenbau 24, der allgemein
um die vorgegebene Strecke D zusammengedrückt ist, und eine innere Druckbelastung,
die dem Betrieb des Brennstoffzellenzusammenbaus 24 mit
hohem Wirkungsgrad entspricht.In the method with predetermined compression line for producing a fuel cell stack 20 can also spacer plates 52 be used to a fuel cell stack 20 produce with predetermined or uniform length L. The required common thickness of the spacer plates 52 is based on the desired predetermined or uniform length L for the fuel cell stack 20 , on the printing length 30 of fuel cell assembly 24 and on the thickness of the components that make up the end assemblies 32 . 34 include. The printing length 30 of fuel cell assembly 24 is by subtracting the predetermined distance D from the unpressurized length 31 of fuel cell assembly 24 calculated. To the required common thickness of the spacer plates 52 to be supplied are of the predetermined or uniform length L of the fuel cell stack 20 the printing length 30 of fuel cell assembly 24 and the thickness of the end plates 45 . 58 , the connection plates 56 as well as any other components that make up the end assemblies 32 . 34 include, subtracted. Then the spacer plates become 52 chosen so that the common thickness of the spacer plates 52 is generally equal to the required total thickness. Then the selected spacer plates 52 as discussed above for the fuel cell stack 20 added. The resulting fuel cell stack 20 generally has the desired predetermined or uniform length L, a fuel cell assembly 24 , which is generally compressed by the predetermined distance D, and an internal compressive load associated with the operation of the fuel cell assembly 24 corresponds with high efficiency.
Wenn
hier ein Begriff mit dem Adverb "allgemein" quantifiziert ist,
soll dies selbstverständlich
bedeuten, dass die Größe des beschriebenen
Faktors innerhalb eines akzeptablen Toleranzbereichs der gewünschten
Größe liegt.If
here a term with the adverb "general" is quantified,
this should of course
mean that the size of the described
Factor within an acceptable tolerance range of the desired
Size is.
Die
Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur und
somit sind Variationen, die nicht vom Schutzumfang der Erfindung
abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich
anzusehen. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang
der Erfindung zu betrachten.The
Description of the invention is merely exemplary in nature and
Thus, variations are not within the scope of the invention
as are within the scope of the invention
to watch. Such modifications are not intended as a departure from the scope of protection
to consider the invention.
ZusammenfassungSummary
Ein
elektrochemischer Brennstoffzellenstapel (20) der Erfindung
besitzt einen Brennstoffzellenzusammenbau (24), der zwischen
einer oberen Anschlussplatte (56) und einer unteren Anschlussplatte (56)
angeordnet ist, die wiederum zwischen einer oberen Endplatte (45)
und einer unteren Endplatte (58) angeordnet sind. Optional
können
zwischen die Endplatten (45, 58) und die Anschlussplatten
(56) Abstandsplatten (52) eingefügt sein.
Die Endplatten (45, 58) und/oder die Abstandsplatten
(52) können konturierte
Oberflächen
besitzen, um auf den Brennstoffzellenzusammenbau (24) eine
allgemein gleichmäßige Druckbelastung
anzuwenden. Die Anschlussplatten (56), die Abstandsplatten
(52) und die Endplatten (45, 58) können miteinander
verbunden sein, so dass sie starre Endanordnungen (32, 34)
bilden, die den Brennstoffzellenzusammenbau (24) zusammendrücken.An electrochemical fuel cell stack ( 20 ) of the invention has a fuel cell assembly ( 24 ), which is connected between an upper connecting plate ( 56 ) and a lower connection plate ( 56 ), which in turn is arranged between an upper end plate ( 45 ) and a lower end plate ( 58 ) are arranged. Optionally, between the end plates ( 45 . 58 ) and the connection plates ( 56 ) Spacer plates ( 52 ). The endplates ( 45 . 58 ) and / or the spacer plates ( 52 ) may have contoured surfaces to access the fuel cell assembly ( 24 ) apply a generally uniform pressure load. The connection plates ( 56 ), the spacer plates ( 52 ) and the end plates ( 45 . 58 ) can be connected to each other so that they have rigid end arrangements ( 32 . 34 ) forming the fuel cell assembly ( 24 ) compress.
