DE112005002971B4

DE112005002971B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112005002971B4
Application number: DE112005002971.9T
Authority: DE
Inventors: Benno Andreas-Schott; Stephen Raiser
Original assignee: General Motors LLC
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2025-11-01
Also published as: JP2008523575A; WO2006065367A3; US20060127730A1; CN100544089C; US7238441B2; CN101116207A; WO2006065367A2; JP5006796B2; DE112005002971T5

Abstract

Brennstoffzellensystem, umfassend: ein Gehäuse (16); einen Brennstoffzellenstapel (12), der in dem Gehäuse (16) zum Erzeugen von elektrischer Energie angeordnet ist; ein elektrisches Leitungssystem, das einen negativen Pol (20), der mit einer dritten elektrischen Kollektorplatte (32) verbunden ist, die an einem ersten Ende (22) des Brennstoffzellenstapels (12) angeordnet ist, und einen positiven Pol (18) umfasst, der mit einer ersten elektrischen Kollektorplatte (26) verbunden ist, die an dem ersten Ende (22) des Brennstoffzellenstapels (12) angeordnet ist und von der dritten Kollektorplatte (32) durch eine Isolationsschicht (36) getrennt ist, wobei eine der beiden Kollektorplatten (26, 32) mit einer an einem zweiten Ende (24) des Brennstoffzellenstapels (12) angeordneten zweiten elektrischen Kollektorplatte (34) verbunden ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und insbesondere integrierte Sammelschienen zur Verwendung bei einem Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 7, wie er beispielsweise aus der US 2004/0247987 A1 bekannt geworden ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Brennstoffzellensysteme umfassen einen Brennstoffzellenstapel, der auf der Grundlage einer Reaktion zwischen einem wasserstoffbasierten Zufuhrgas (z. B. reinem Wasserstoff oder einem Wasserstoffreformat) und einem Oxidation smittelzufuhrgas (z. B. reinem Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltender Luft) elektrische Energie erzeugt. In Brennstoffzellen vom Protonenaustauschmembrantyp (PEM-Typ) wird das wasserstoffbasierte Zufuhrgas an eine Anode der Brennstoffzelle geliefert und wird ein Oxidationsmittel an eine Kathode der Brennstoffzelle geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die einen dünnen, protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymermembranelektrolyt umfasst, der die Anode an einer seiner Seiten und die Kathode an der gegenüberliegenden Seite aufweist. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar von elektrisch leitenden Elementen angeordnet, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und in ihnen geeignete Kanäle und/oder Öffnungen für eine Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über den Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren enthalten. Üblicherweise sind mehrere einzelne Brennstoffzellen zusammen gestapelt, um einen PEM-Brennstoffzellenstapel zu bilden.
Üblicherweise sind mehrere Brennstoffzellenstapel in Serie angeordnet und über externe Hochspannungs-Verbindungsdrähte verbunden, wie es in 3 gezeigt ist. Die Verwendung von externen Verbindungsdrähten erhöht das Volumen, das Gewicht und die Komplexität des Brennstoffzellenstapelsystems. Insbesondere weisen Brennstoffzellenstapel typischerweise einen positiven Pol 102 und einen negativen Pol 104 auf, die an entgegengesetzten Enden des Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet sind. Somit ist es, um mehrere Brennstoffzellenstapel 100, 100a in Serie zu verbinden, erforderlich, dass die externen Hochspannungsdrähte 106 von einem Ende eines Brennstoffzellenstapels 100 zu einem anderen Ende eines benachbarten Brennstoffzellenstapels 100a führen, wie es in 3 gezeigt ist. Die externen Drähte 106 sind nicht durch Schalter geschützt und tragen zu einer erhöhten elektromagnetischen Interferenz (EMI) bei, die eine Abschirmung oder einen anderweitigen Schutz erfordert. Die externen Drähte 106 tragen auch zu zusätzlichen Abdichtungsanforderungen bei. Folglich erfordern vollständig isolierte und abgeschirmte Drähte ein großes Volumen und erhöhen vollständig isolierte und abgeschirmte Drähte das Gewicht des Brennstoffzellensystems.
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, das sich mit geringerem Verdrahtungsaufwand mit anderen Brennstoffzellensystemen verdrahten lässt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellensystem gelöst, das die Merkmale des Anspruches 1 oder des Anspruches 7 aufweist.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem mit einem integralen elektrischen Leitungssystem bereit. Die durch einen Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Energie wird von dem Brennstoffzellenstapel durch das elektrische Leitungssystem übertragen. Sowohl das elektrische Leitungssystem als auch der Brennstoffzellenstapel sind in dem gleichen Gehäuse gehalten, was eine externe Verdrahtung reduziert, die zum Verbinden mehrerer Brennstoffzellenstapel erforderlich ist.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der hierin nachfolgend bereitgestellten detaillierten Beschreibung ersichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen leichter verständlich, wobei:
1 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellensystems ist, das eine integrierte Sammelschiene gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellensystems von 1 ist; und
3 eine perspektivische Ansicht eines Brennstoffzellensystems des Stands der Technik ist, das separate Brennstoffzellenstapel umfasst, die mit externen Hochspannungsdrähten in Serie verbunden sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezug nehmend auf 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12 (schematisch gezeigt), der mit einem elektrischen Leitungssystem 14 gekoppelt ist. Der Brennstoffzellenstapel 12 und das elektrische Leitungssystem 14 sind beide in einem Gehäuse 16 angeordnet, von dem ein Teil mit gestrichelten Linien dargestellt ist.
Der Brennstoffzellenstapel 12 erzeugt elektrische Energie, die über benachbarte positive und negative Pole 18, 20, die mit dem elektrischen Leitungssystem 14 verbunden sind, aus dem Brennstoffzellenstapel 12 geleitet wird. Wie in 2 gezeigt weist der Brennstoffzellenstapel 12 ein erstes Ende 22 und ein zweites Ende 24 auf, die beide mit dem elektrischen Leitungssystem 14 gekoppelt sind. Insbesondere umfasst das elektrische Leitungssystem 14 eine erste Stromkollektorplatte 26 in Verbindung mit dem positiven Pol 18 und eine zweite Stromkollektorplatte 34 in Verbindung mit dem negativen Pol 20, wie es hierin ausführlich beschrieben wird. Die erste Stromkollektorplatte 26 steht mit dem ersten Ende 22 des Brennstoffzellenstapels 12 in Verbindung, während die zweite Stromkollektorplatte 34 mit dem zweiten Ende 24 des Brennstoffzellenstapels 12 in Verbindung steht. Die zweite Stromkollektorplatte 34 ist über eine leitende Sammelschiene 30, die mit einer dritten Stromkollektorplatte 32 verbunden ist, mit dem negativen Pol 20 gekoppelt.
Die erste Stromkollektorplatte 26 umfasst den positiven Pol 18. Der positive Pol 18 ist positiv geladen. Die erste Stromkollektorplatte 26 ist elektrisch leitend und kann aus jedem elektrisch leitenden Material hergestellt sein, wie beispielsweise Kupfer. Die erste Stromkollektorplatte 26 steht mit dem ersten Ende 22 des Brennstoffzellenstapels 12 in Verbindung, sodass die von dem Brennstoffzellenstapel 12 erzeugte elektrische Energie dort hindurch gelangt. Die erste Stromkollektorplatte 26 ist von der dritten Stromkollektorplatte 32 durch eine Isolationsschicht 36 getrennt.
Sowohl die zweite als auch die dritte Stromkollektorplatte 34, 32 ist elektrisch leitend und kann aus jedem elektrisch leitenden Material hergestellt sein, wie beispielsweise Kupfer. Die erste Isolationsschicht 36 kann aus jedem im Wesentlichen nicht leitenden Material hergestellt sein. Die dritte Stromkollektorplatte 32 ist benachbart zu einer oberen Kappe 64 des Gehäuses 16 angeordnet und umfasst den negativen Pol 20, der negativ geladen ist. Die dritte Stromkollektorplatte 32 umfasst ferner eine Öffnung 40 für eine kontaktfreie Aufnahme des positiven Pols 18 von der ersten Stromkollektorplatte 26 dort hindurch. Ein Koppelflansch 42 an der dritten Stromkollektorplatte 32 koppelt die Leitende Sammelschiene 30 mit der dritten Stromkollektorplatte 32. Genauer gesagt umfasst der Koppelflansch 42 mehrere Öffnungen 44 für eine Aufnahme mehrerer Standardbefestigungseinrichtungen 46 dort hindurch. Die leitende Sammelschiene 30 ist über die Befestigungseinrichtungen 46 mit dem Koppelflansch 42 gekoppelt gezeigt, jedoch kann auch jeder andere geeignete Befestigungsmechanismus verwendet werden, wie beispielsweise Schweißen, Klebstoffe, Crimpen oder Nieten. Die leitende Sammelschiene 30 ist ferner mit der zweiten Stromkollektorplatte 34 gekoppelt.
Die leitende Sammelschiene 30 ist über einen Koppelflansch 48 mit der zweiten Stromkollektorplatte 34 verbunden. Der Koppelflansch 48 umfasst mehrere Öffnungen 50 für eine Aufnahme mehrerer Befestigungseinrichtungen 52 dort hindurch. Die leitende Sammelschiene 30 ist über die Befestigungseinrichtungen 52 mit dem Koppelflansch 48 gekoppelt gezeigt, es kann jedoch auch jeder andere geeignete Befestigungsmechanismus verwendet werden, wie beispielsweise Schweißen, Klebstoffe, Crimpen oder Nieten. Die zweite Stromkollektorplatte 34 steht mit dem zweiten Ende 24 des Brennstoffzellenstapels 12 in Verbindung und ist negativ geladen. Die zweite Stromkollektorplatte 34 umfasst ferner mehrere Öffnungen 54, die als Durchgänge für Reaktandengase dienen, wie es nachstehend beschrieben ist. Die zweite Stromkollektorplatte 34 ist benachbart zu einer zweiten Isolationsschicht 38 angeordnet.
Die zweite Isolationsschicht 38 ist zwischen der zweiten Stromkollektorplatte 34 und einer unteren Kappe 66 des Gehäuses 16 angeordnet. Die zweite Isolationsschicht 38 weist eine Nase 56 zum Befestigen der zweiten Isolationsschicht 38 an dem Gehäuse 16 und mehrere Öffnungen 58 auf, die Durchgänge für Reaktandengase bereitstellen, wie nachstehend beschrieben. Die erste Isolationsschicht 36 ist zwischen der dritten Stromkollektorplatte 32 und der ersten Stromkollektorplatte 26 angeordnet. Die erste Isolationsschicht 36 dient dazu, die erste Stromkollektorplatte 26 und den positiven Pol 18 von der negativ geladenen dritten Stromkollektorplatte 32 zu isolieren, und weist eine Öffnung 59 auf, durch die der positive Pol 18 führt. Die erste Isolationsschicht 36 umfasst auch eine Nase 60 zum Befestigen der ersten Isolationsschicht 36 an dem Gehäuse 16.
Die leitende Sammelschiene 30 koppelt die dritte Stromkollektorplatte 32 und die zweite Stromkollektorplatte 34 miteinander, sodass eine elektrische Ladung dort hindurch fließen kann. Die leitende Sammelschiene 30 umfasst mehrere Öffnungen 62 für die Aufnahme der Befestigungseinrichtungen 46 von der dritten Stromkollektorplatte 32 und der Befestigungseinrichtungen 52 von der zweiten Stromkollektorplatte 34 darin. Die leitende Sammelschiene 30 kann aus jedem leitenden Material hergestellt sein, wie beispielsweise Kupfer.
Das Gehäuse 16 weist eine obere Kappe 64, eine untere Kappe 66 und einen Hauptkörper auf, wie es in 1 mit gestrichelten Linien gezeigt ist. Die obere Kappe 64 umgibt das erste Ende 22 des Brennstoffzellenstapels 12 einschließlich der ersten Stromkollektorplatte 26, der dritten Stromkollektorplatte 32 und der ersten Isolationsschicht 36. Die untere Kappe 66 umgibt das zweite Ende 24 des Brennstoffzellenstapels 12 einschließlich der zweiten Stromkollektorplatte 34 und der zweiten Isolationsschicht 38. Die obere Kappe 64 umfasst ein Paar von Öffnungen 70 für eine Aufnahme des positiven Pols 18 von der ersten Stromkollektorplatte 26 und des negativen Pols 20 von der dritten Stromkollektorplatte 32. Die untere Kappe 66 des Gehäuses 16 umfasst einen Anodeneinlass 72a für eine Aufnahme des wasserstoffbasierten Zufuhrgases, einen Kathodeneinlass 72b für die Aufnahme des Oxidationsmittel-Zufuhrgases, und einen Kühlmitteleinlass 72c, durch den Kühlmittelfluid gelangt. Zusätzlich umfasst die untere Kappe 66 einen Anodenauslass 74a, einen Kathodenauslass 74b und einen Kühlmittelauslass 74c zum Abführen der Abgase und des Kühlmittels aus dem Brennstoffzellenstapel 12. Somit dienen die mehreren Öffnungen 54, 58 der zweiten Stromkollektorplatte 34 bzw. der zweiten Isolationsschicht 38 als Durchgänge für die Einlass- und Abgase für die Anode, die Kathode und das Kühlmittel, wenn sie in der unteren Kappe 66 positioniert sind.
Das Brennstoffzellensystem 10 ermöglicht die Verbindung mehrerer Brennstoffzellenstapel 12 über die nahe beieinander angeordneten positiven und negativen Pole 18, 20 anstatt durch ein komplexes sperriges Verdrahtungssystem, was den Umfang an Anordnungsraum und Gesamtgröße des Brennstoffzellensystems 10 reduziert. Zusätzlich ist die leitende Sammelschiene 30 durch Integrieren der leitenden Sammelschiene 30 in das Gehäuse 16 davor geschützt, während des Zusammenbaus berührt oder falsch gehandhabt zu werden. Die leitende Sammelschiene 30 kann auch für verschiedene Größen von Brennstoffzellenstapel 12 verwendet werden. Ferner können sowohl der positive Pol 18 der dritten Stromkollektorplatte 32 als auch der negative Pol 20 der dritten Stromkollektorplatte 32 an jeder Stelle entlang der ersten Stromkollektorplatte 26 bzw. der dritten Stromkollektorplatte 32 angeordnet werden, wie es erforderlich ist.

Claims

Brennstoffzellensystem, umfassend: ein Gehäuse (16); einen Brennstoffzellenstapel (12), der in dem Gehäuse (16) zum Erzeugen von elektrischer Energie angeordnet ist; ein elektrisches Leitungssystem, das einen negativen Pol (20), der mit einer dritten elektrischen Kollektorplatte (32) verbunden ist, die an einem ersten Ende (22) des Brennstoffzellenstapels (12) angeordnet ist, und einen positiven Pol (18) umfasst, der mit einer ersten elektrischen Kollektorplatte (26) verbunden ist, die an dem ersten Ende (22) des Brennstoffzellenstapels (12) angeordnet ist und von der dritten Kollektorplatte (32) durch eine Isolationsschicht (36) getrennt ist, wobei eine der beiden Kollektorplatten (26, 32) mit einer an einem zweiten Ende (24) des Brennstoffzellenstapels (12) angeordneten zweiten elektrischen Kollektorplatte (34) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (16) ferner umfasst: eine erste Kappe (64), die zu dem ersten Ende (22) des Brennstoffzellenstapels (12) benachbart ist und erste und zweite Öffnungen (70) für eine Aufnahme der beiden Pole (18, 20) dort hindurch umfasst; und eine zweite Kappe (66), die zu dem zweiten Ende (24) des Brennstoffzellenstapels (12) benachbart ist und mindestens einen Kanal (72a, 72b, 72c) zum Liefern von mindestens einem Reaktanden in den Brennstoffzellenstapel (12) umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die dritte Stromkollektorplatte (32) einen Koppelflansch (42) zum Koppeln mit jeweiligen ersten und zweiten Enden einer Sammelschiene (30) umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei sich der mit der ersten Stromkollektorplatte (26) verbundene positive Pol (18) durch eine Öffnung (40) in die dritte Stromkollektorplatte (32) erstreckt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die dritte Stromkollektorplatte (32) und die erste Stromkollektorplatte (26) aus Kupfer hergestellt sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Isolationsschicht (36) ferner eine Nase (60) umfasst, die beim Befestigen der Isolationsschicht (36) an dem Gehäuse (16) hilft.
Brennstoffzellensystem, umfassend: ein Gehäuse (16); einen in dem Gehäuse (16) angeordneten Brennstoffzellenstapel (12) zum Erzeugen von elektrischer Energie, der ein erstes und ein zweites Ende (22, 24) umfasst; ein elektrisches System, das eine mit dem ersten Ende (22) des Brennstoffzellenstapels (12) gekoppelte erste Stromkollektorplatte (26) zum Übertragen der elektrischen Energie an einen positiven Pol (18) und ein mit dem zweiten Ende (24) des Brennstoffzellenstapels gekoppeltes Stromkollektionssystem zum Übertragen einer elektrischen Ladung an einen negativen Pol (20) umfasst; und wobei das elektrische System in dem Gehäuse (16) gehalten ist und sich der positive Pol (18) und der negative Pol (20) an dem ersten Ende (22) des Brennstoffzellenstapels (12) befinden; dadurch gekennzeichnet, dass das Stromkollektionssystem umfasst: eine dritte Stromkollektorplatte (32), die mindestens eine Öffnung (40) umfasst, durch die der positive Pol (18) geführt ist; eine erste Isolationsschicht (36), die mindestens eine Öffnung (59) umfasst, durch die der positive Pol (18) geführt ist, und zwischen der ersten Stromkollektorplatte (26) und der dritten Stromkollektorplatte (32) angeordnet ist; eine zweite Stromkollektorplatte (34) in Verbindung mit dem zweiten Ende (24) des Brennstoffzellenstapels (12), die mindestens eine Öffnung (54) umfasst; und eine leitende Schiene (30), die mit der dritten Stromkollektorplatte (32) und der zweiten Stromkollektorplatte (34) gekoppelt ist, sodass eine elektrische Ladung dort hindurch fließen kann.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei die erste, zweite und/oder dritte Stromkollektorplatte (26, 32, 34) aus Kupfer hergestellt ist/sind.