DE10393945B4

DE10393945B4 - Verbesserte Brennstoffzellenstapelanordnung mit Endkomponenten

Info

Publication number: DE10393945B4
Application number: DE10393945.8T
Authority: DE
Inventors: Nileshkumar T. Dave; Bryan L. Duffner; Carl A. Reiser
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2023-11-19
Also published as: WO2004061997A3; JP4633473B2; US20040121212A1; AU2003294317A1; JP2006511920A; DE10393945T5; US7579100B2; WO2004061997A2; AU2003294317A8

Abstract

Eine Brennstoffzellenstapelanordnung umfasst eine Mehrzahl von im Wesentlichen gleichförmigen Brennstoffzellenkomponenten, welche in einem Stapel angeordnet sind und Endkomponenten umfasst; und Druck/Endplatten-Stromkollektoren umfasst, welche den Endkomponenten benachbart positioniert sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Brennstoffzellenstapelanordnung.
Brennstoffzellenstapelanordnungen sind typischerweise eine Mehrzahl von Brennstoffzellenkomponenten, welche in einem Stapel angeordnet sind und durch Druckplatten zusammengehalten sind. 1 zeigt eine typische konventionelle Brennstoffzellenstapelanordnung und zeigt eine einzelne Brennstoffzellenkomponente 1 in einem zentralen Bereich des Stapels, einschließlich einer Kathodenwassertransferplatte (WTP) 1a und einer Anoden- und Kühlerplatte 1b. Auf jeder Seite dieser Komponente sind vereinigte Elektrodenanordnungen (unitized electrode assemblies - UEA) 2, und diese Sequenz wird durch den Stapel wiederholt bis zur Endplattenanordnung 3, welche in konventionellen Brennstoffzellenanordnungen eine einzigartige Wassertransferplatte und eine nicht-poröse Kraftplatte 4 erfordert. End/Druckplatten 5 sind wie gezeigt. Das Interface bzw. die Grenze von Endplatte und Wassertransferplatte weist außerdem Kühlmittelkanäle auf, welche durch die nicht-poröse Grafitplatte 4 verbunden sind.
Auch in der US 2001/0036567 A1 ist eine Brennstoffzellenstapelanordnung gezeigt, wobei sich die am Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnete Separatorplatte von den übrigen Separatorplatten unterscheidet.
Diese Konfiguration weist mehrere Probleme auf, einschließlich zusätzlicher Kosten und Komplexität des Designs aufgrund einzigartiger Komponenten, welche für das Ende des Stapels erforderlich sind. Außerdem verursacht die nicht-poröse Kraftplatte, welche mit der WTP verbunden ist, zusätzliche strukturelle Komplexität, da dieses Material ein anderes Modul als der Rest der sich wiederholenden Komponenten hat. Außerdem sind Korrosionsschutzprobleme an der Stromkollektorgrenzfläche verstärkt, aufgrund einer unbekannten Umgebung in der Nähe des Stromkollektors. Aufgrund der festen Grafitplatte ist nie klar, ob die Umgebung Wasserstoff, Luft oder Wasser ist. Es ist klar, dass ein Erfordernis für verbesserte Brennstoffzellenanordnungsstrukturen besteht, um die genannten Probleme zu lösen.
Es ist daher das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Brennstoffzellenstapelanordnung zu bieten, wobei einzigartige Endzellenanordnungen vermieden werden.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine solche Anordnung zu schaffen, wobei die die dem Stromkollektor benachbarte Umgebung bekannt ist. Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden deutlich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die genannten Ziele werden durch eine Brennstoffzellenanordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung wird eine Brennstoffzellenstapelanordnung zur Verfügung gestellt, welche eine Mehrzahl von im Wesentlichen gleichartigen Brennstoffzellenkomponenten aufweist, welche in einem Stapel angeordnet sind und Endkomponenten umfassen; und Stromkollektoren, die Endplatten der Brennstoffzellenstapelanordnung sind, aufweist, welche den Endkomponenten benachbart positioniert sind.
Figurenliste
Eine detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung folgt mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen, wobei:

1 eine Brennstoffzellenstapelanordnung aus dem Stand der Technik darstellt; und
2 eine verbesserte Brennstoffzellenstapelanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenstapelanordnung 10 , welche vorzugsweise ausgestattet ist mit einzigartigen, sich wiederholenden Strukturen im gesamten Stapel, vorteilhafterweise mit zu Stromkollektoren 30 benachbarten Endkomponenten 24, 26, wobei die Struktur stark vereinfacht ist, Kosten und Herstellungskomplexität reduziert sind, Dehnungsmodul-Probleme vereinfacht sind aufgrund ähnlicher Materialien im gesamten Stapel, und Korrosionsprobleme in Verbindung mit den Endplatten verringert sind aufgrund einer den Stromkollektoren 30, die Endplatten der Brennstoffzellenstapelanordnung 10 sind, benachbarten bekannten Umgebung.
2 zeigt eine Brennstoffzellenstapelanordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, einschließlich dreier im Wesentlichen gleichförmiger Brennstoffzellenkomponenten 12, welche jeweils durch eine ebenfalls im Wesentlichen gleichförmige vereinigte Elektrodenanordnung 14 getrennt sind. Die Brennstoffzellenkomponenten 12 umfassen vorzugsweise eine Wassertransportplatte (WTP) 16 und eine Anoden- und Kühlerplatte 18, welche jeweils Kanäle zur Strömung von Brennstoff, Oxidationsmittel und/oder Kühlmittel haben, wie gewünscht. Jede Komponente 12 bildet kollektiv eine separate Wassertransferplattenanordnung, welche schematisch als 20 dargestellt ist. Komponenten 12 mit vereinigten Elektrodenanordnungen 14 definieren kollektiv die sich wiederholenden Elemente der Brennstoffzellenstapelanordnung 10. 2 zeigt eine Zellelementanordnung 22 aus sich wiederholenden Zellen mit nur drei Brennstoffzellenkomponenten 12, aus Gründen der Einfachheit, und endständige übereinstimmende Endkomponenten, welche auch mit 24 und 26 bezeichnet sind. Es wird angemerkt, dass die Zellelementanordnung 22 aus sich wiederholenden Zellen zusätzliche Komponenten 12 haben kann, welche jeweils mit den dargestellten identisch sind.
Wie Fachleuten bekannt ist, müssen Stromkollektoren 30, die Endplatten der Brennstoffzellenstapelanordnung 10 sind, zum Abnehmen des in der Zellenstapelanordnung 10 erzeugten Stroms vorgesehen sein. Solche Stromkollektoren 30 sind typischerweise den Endkomponenten 24, 26 des Stapels benachbart angeordnet und sind in der Konfiguration aus dem Stand der Technik von 1 festen Grafitplatten 4 benachbart angeordnet, was zu den genannten Nachteilen führt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Stromkollektoren 30, die Endplatten der Brennstoffzellenstapelanordnung 10 sind, vorzugsweise Vermittlungskomponenten 28 benachbart positioniert, welche eine Vermittlung zwischen der Zellelementanordnung 22 aus sich wiederholenden Zellen und dem Stromkollektor 30, welcher die Endplatte der Brennstoffzellenstapelanordnung 10 ist, ermöglichen ohne das Erfordernis für eine spezielle Übergangsendplattenanordnung, wie sie in 1 gezeigt ist.
Daher bietet die Brennstoffzellenanordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vereinfachung der Probleme bezüglich des Dehnungusmoduls, da die Endzellenstrukturen gegenüber der Brennstoffzellenstapelanordnung 10 nicht einzigartig sind. Außerdem sind die Vermittlungskomponenten 28 aus porösem Material gemacht, wie die anderen Komponenten 12 der Brennstoffzellenstapelanordnung 10 und bieten daher eine bekannte Umgebung (entweder Reaktant oder Oxidationsmittel) in dem Bereich der Vermittlungskomponenten 28, welche an die Stromkollektoren 30, die Endplatten der Brennstoffzellenstapelanordnung 10 sind, grenzen, was eine bekannte Umgebung schafft, welche bezüglich Korrosionsproblemen problemlos behandelt werden kann.
Weiterhin können gemäß der vorliegenden Erfindung die Vermittlungskomponenten 28 eine Vielzahl von potenziell unterschiedlichen Strukturen aufweisen. Beispielsweise können die Vermittlungskomponenten 28 als grafitartiges Substrat vorhanden sein, vorzugsweise mit imprägnierten Randdichtungen, um Dichtungen innerhalb der Brennstoffzellenstapelanordnung 10 aufrechtzuerhalten, was erwünscht ist.
Alternativ können die Vermittlungskomponenten 28 mit einem leitenden Polymerkissen versehen sein, vorzugsweise eines oder mehrere Polymerkissen mit einer Gaspermeabilität, welche geringer als ein Wert ist, welcher ein Lecken von Reaktanten zulassen würde, aber dennoch größer oder gleich einem Wert, welcher ausreichend ist, eine bekannte Umgebung an einer Grenzfläche zwischen Vermittlungskomponente 28 und Stromkollektor 30, welcher eine Endplatte der Brennstoffzellenstapelanordnung 10 ist, zu schaffen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Vermittlungskomponenten 28 mit einer Schicht mit feiner Partikelgröße aus Grafit oder Grafitpartikeln zwischen dem Stromkollektor.30, welcher eine Endplatte der Brennstoffzellenstapelanordnung 10 ist, und den Brennstoffzellenkomponenten 12 ausgestattet sein.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Vermittlungskomponenten 28 als ein Grafitsubstrat vorgesehen sein, mit einem externen Dichtungsring, welcher angepasst ist, das Grafitsubstrat in einer Aufnahme-Anordnung aufzunehmen, welche eine Dichtung mit einem externen Dichtungsring definiert.
Die spezifischen Betriebsdetails der in 1 und 2 gezeigten Brennstoffzellenstapelanordnungen 10, wie zusätzliche teils bezüglich bestimmter Aspekte jeder der Brennstoffzellenkomponenten 12 und Elektrodenanordnungen 14 sind Fachleuten wohl bekannt und werden hier nicht weiter beschrieben.
Gemäß der vorliegenden Erfindung versteht es sich, dass eine verbesserte Brennstoffzellenstapelanordnung 10 geschaffen wurde, wobei im Wesentlichen gleichartige Komponenten der Brennstoffzellenanordnung 10 verwendet werden, was die Herstellungskosten, Designprobleme und Ähnliches stark vereinfacht. Weil außerdem die Vermittlungskomponenten 28, wie die weiteren Brennstoffzellenkomponenten 12, mit porösem Material vorgesehen sind, vorzugsweise mit porösen Grafitflächen, kann manches Reaktantenmaterial der Zellen oder Komponenten 12 in Kontakt mit den Stromkollektoren 30, welche Endplatten der Brennstoffzellenstapelanordnung 10 sind, kommen, wodurch eine bekannte Umgebung geschaffen wird und Korrosionsprobleme vereinfacht werden.
Weiterhin vermeidet die Brennstoffzellenstapelanordnung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung eine übermäßige Komplexität in Verbindung mit unterschiedlichen Dehnungsmodulen von unterschiedlichen Materialien, was gegenüber existierenden Konstruktionen ebenfalls eine Verbesserung ist.

Claims

Brennstoffzellenstapelanordnung (10), aufweisend: - eine Mehrzahl von gleichartigen Brennstoffzellenkomponenten (12), welche in einem Stapel angeordnet sind, und welche Endkomponenten (24, 26) umfassen, wobei jede der gleichartigen Brennstoffzellenkomponenten (12) einschließlich der Endkomponenten (24, 26) eine Kathodenwassertransferplatte (16) und eine Anoden- und Kühlerplatte (18) aufweist; wobei die gleichartigen Brennstoffzellenkomponenten (12) jeweils durch eine gleichartige vereinigte Elektrodenanordnung (14) voneinander getrennt sind, wobei die Brennstoffzellenkomponenten (12) mit den Endkomponenten (24, 26) und mit den die Brennstoffzellenkomponenten (12) trennenden Elektrodenanordnungen (14) eine Zellelementanordnung (22) aus sich wiederholenden Zellen bilden; - Stromkollektoren (30), die Endplatten der Brennstoffzellenstapelanordnung (10) sind; und - Vermittlungskomponenten (28) benachbart zu und zwischen den Endkomponenten (24, 26) und den Stromkollektoren (30), wobei die Vermittlungskomponenten (28) eine Vermittlung zwischen der Zellelementanordnung (22) und dem jeweiligen Stromkollektor (1) bereitstellen unter Verzicht auf eine spezielle Übergangsendplattenanordnung.
Brennstoffzellenstapelanordnung (10) nach Anspruch 1, bei welcher die Vermittlungskomponenten (28) ein grafitartiges Substrat mit imprägnierten Randdichtungen aufweisen.
Brennstoffzellenstapelanordnung (10) nach Anspruch 1, bei welcher die Vermittlungskomponenten (28) ein leitendes Polymerkissen aufweisen.
Brennstoffzellenstapelanordnung (10) nach Anspruch 3, bei welcher das Polymerkissen eine Gaspermeabilität hat, welche geringer als ein Wert ist, der Reaktantenleckage ermöglicht und größer-gleich einem Wert, welcher ausreichend ist, eine bekannte Umgebung an dem Stromkollektor (30) zur Verfügung zu stellen.
Brennstoffzellenstapelanordnung (10) nach Anspruch 1, bei welcher die Vermittlungskomponenten (28) eine Schicht von Grafitpartikeln an dem Stromkollektor (30) aufweisen.
Brennstoffzellenstapelanordnung (10) nach Anspruch 1, bei welcher die Vermittlungskomponenten (28) ein Grafitsubstrat und einen externen Dichtungsring aufweisen, wobei das Grafitsubstrat in dem externen Dichtungsring aufgenommen ist.