DE112006000900T5

DE112006000900T5 - Brennstoffzelle, Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE112006000900T5
Application number: DE112006000900T
Authority: DE
Inventors: Naomichi Toyota Akimoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2008-02-28
Also published as: CA2604439A1; US7855023B2; CN101160682A; CN101160682B; US20090087717A1; US20100173207A1; CA2604439C; WO2006109145A1; JP2006294492A; JP4821162B2

Abstract

Brennstoffzelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Folgendes aufweist:
ein Zellenmodul, das einem Alterungsprozess unterworfen wurde, der eine Anfangs-Kriechverformung fortschreiten lässt, so dass eine Kriechverformung während des Gebrauchs im Vergleich zu einem Zellenmodul, welches keinem Alterungsprozess unterworfen wurde, verringert ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung der Brennstoffzelle.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. JP-A-2002-35985 offenbart einen Brennstoffzellenstapel. Der Brennstoffzellenstapel weist an einem Ende ein elastisches Element auf, das vorgesehen ist, um Änderungen der Spannungslast zu kompensieren. Genauer die allmähliche Lockerung oder Verringerung der Spannungskraft, die beispielsweise durch temperaturbedingte Dehnung und Kontraktion oder durch Kriechverformung in der Längsrichtung des Stapels bewirkt wird. Das elastische Element kann beispielsweise eine Tellerfeder sein, die in der Lage ist, Änderungen der Spannungslast durch Anpassung an Änderungen in der Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels, die innerhalb des wirksamen Hubbereichs der Tellerfeder liegen, auszugleichen.
Wenn eine Spannungskraft über einen längeren Zeitraum an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird, bewirkt jedoch eine Kriechverformung einer Haftschicht zwischen Separatoren des Zellenmoduls oder dergleichen, dass sich der Brennstoffzellenstapel in der Richtung, in der die Zellenmodule gestapelt sind, zusammenzieht. Wenn ein Kohlenstoffseparator verwendet wird, kann es zu einer Kriechverformung des Harz-Bindemittels des Separators selbst kommen. Wenn das Maß der Kontraktion den Betrag der Schwankung der Spannungslast, der von der Tellerfeder ausgeglichen werden kann, überschreitet, ist es nicht möglich, eine weitere Lockerung oder Abnahme der Spannungskraft zu verhindern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Vor dem Hintergrund der obigen Ausführungen schafft die vorliegende Erfindung einen Brennstoffzellenstapel, der in der Lage ist, Schwankungen in der Länge eines Brennstoffzellenstapels oder der Dicke einer Einzelzelle zu unterdrücken, ein Verfahren zur Herstellung solch einer Brennstoffzelle und eine Vorrichtung zur Herstellung der Brennstoffzelle.
Eine Brennstoffzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung schließt ein Zellenmodul ein, das einem Alterungsprozess unterworfen wurde, der die anfängliche Kriechverformung im Zellenmodul fortschreiten lässt, so dass Dimensionsänderungen aufgrund einer Kriechverformung minimiert werden können.
Gemäß dem oben genannten ersten Aspekt wird das Zellenmodul einem Alterungsprozess unterworfen, bevor es verwendet wird, so dass eine Kriechverformung des Stapels während der Verwendung der Brennstoffzelle verringert werden kann. Infolgedessen kann die notwendige Spannungslast des Brennstoffzellenstapels während der gesamten angestrebten Standzeit des Zellenmoduls beibehalten werden. Der Grund dafür ist, dass eine Kriechverformung am Anfang schnell fortschreitet (z.B. eine primäre Kriechverformung), aber sich dann verlangsamt (z.B. Stetigzustands-Kriechverformung). Die Induzierung einer Kriechverformung während eines Anfangsstadiums kann daher als vernünftiger Ansatz betrachtet werden, da das Verfahren des Ablaufenlassens einer Anfangs-Kriechverformung relativ schnell abgeschlossen werden kann.
Ebenso beinhaltet ein Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung einen Alterungsschritt, um eine Anfangs-Kriechverformung durch Anlegen mindestens einer Kompressionslast an das Zellenmodul ablaufen zu lassen. Gemäß diesem zweiten Aspekt ermöglicht die Vorsehung eines Alterungs schritts zum Ablaufenlassen einer Anfangs-Kriechverformung durch Anlegen mindestens einer Kompressionslast an ein Zellenmodul die Verringerung der Kriechverformung während des Gebrauchs der Brennstoffzelle. Infolgedessen kann die notwendige Spannungslast des Brennstoffzellenstapels während der gesamten Standzeit des Zellenmoduls beibehalten werden. Wie im vorangehenden Abschnitt beschrieben, kann das Verfahren des Ablaufenlassens einer Anfangs-Kriechverformung schnell abgeschlossen werden, da die Verformung während einer primären Kriechverformung vor einer Stabilisierung schnell vonstatten geht.
Im Alterungsschritt kann das Zellenmodul einer thermischen Last zusätzlich zu einer Kompressionslast unterworfen werden. Außerdem kann eine Kompressionslast auch für einen vorgegebenen Zeitraum angelegt werden, der kürzer ist als die angestrebte Standzeit des Produkts. Dadurch, dass im Alterungsschritt eine thermische Last zusätzlich zu einer Kompressionslast angelegt wird, kann sowohl das Fortschreiten der Kriechverformung stärker beschleunigt werden als wenn nur die Kompressionslast angelegt würde, als auch eine Kriechverformung während des tatsächlichen Gebrauchs, wo eine thermische Last auftritt, verringert werden. Außerdem kann die Alterung in einem kürzeren Zeitraum abgeschlossen werden.
In diesem Fall kann der vorgegebene Zeitraum auf der Basis (i) der Korrelation zwischen einem Umfang der Änderung der Dicke des Zellenmoduls und der kumulativen Zeit, über die die Kompressionskraft an das Zellenmodul angelegt wird, (ii) der Untergrenze des wirksamen Hubs des elastischen Körpers, der im Stapel vorgesehen ist; oder (iii) des Betrages der temperaturbedingten Kontraktion des Stapels bestimmt werden.
Die thermische Last kann dadurch angelegt werden, dass ein erwärmtes Fluid durch einen Fluidströmungsweg des Zellenmoduls strömen gelassen wird. Druck kann an das erwärmte Fluid angelegt werden. Die Anlegung einer thermischen Last durch einen Fluidströmungsweg des Brennstoffzellenmoduls macht es möglich, die thermische Last leicht anzulegen, und außerdem in einem Zustand, der dem Zustand nahe kommt, in dem das Brennstoffzellenmodul tatsächlich verwendet wird. Ferner ist das Anlegen von Druck an das erwärmte Fluid wirksam, um die Kriechverformung des Separators zu beschleunigen, wenn der Separator ein Kohlenstoffseparator ist.
Das Herstellungsverfahren gemäß dem zweiten Aspekt kann auch einen Alterungsschritt, um eine Anfangs-Kriechverformung ablaufen zu lassen, indem nach dem Stapeln zuerst eine Kompressionslast an ein Zellenmodul angelegt wird, und einen zusätzlichen Spannungsschritt, um den Brennstoffzellenstapel nach dem Alterungsschritt zusätzlich zu spannen, einschließen. Das Herstellungsverfahren kann auch einen Alterungsschritt zum Ablaufenlassen einer Anfangs-Kriechverformung durch Anlegen von mindestens einer Kompressionslast an ein Zellenmodul vor dem Stapeln und einen Zusammensetzschritt zum Zusammensetzen des Zellenmoduls zu einem Stapel, nachdem die Anfangs-Kriechverformung abgelaufen ist, umfassen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zusammenbauen einer Brennstoffzelle gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung. Die Vorrichtung führt das Verfahren des Zusammenbauens, insbesondere den Alterungsprozess, automatisch durch.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die genannten und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitende Zeichnung klar, wobei gleiche Bezugszahlen verwendet werden, um gleiche Elemente darzustellen, und wobei
1 ein Ablaufschema eines Herstellungsverfahrens einer Brennstoffzelle gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist;
2 ein Ablaufschema eines Herstellungsverfahrens einer Brennstoffzelle gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung ist;
3 ein Graph ist, der eine Kennlinie (Kriechverformung + temperaturbedingter Kontraktionsbetrag) gegen (Betriebsdauer) der Brennstoffzelle und eines Herstellungsverfahrens dafür zeigt;
4 eine Seitenansicht der Brennstoffzelle gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist;
5 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Abschnitts der Brennstoffzelle gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist;
6 eine Vorderansicht einer Zelle ist, die zur Brennstoffzelle gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen der Erfindung zusammengesetzt ist; und
7 ein Kennliniengraph von Last gegen Lageveränderung eines elastischen Körpers, der zur Brennstoffzelle gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen der Erfindung zusammengesetzt ist, ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden eine Brennstoffzelle, bei der es sich entweder um einen Brennstoffzellenstapel oder eine Einzelzelle handeln kann, und ein Herstellungsverfahren dafür gemäß der Erfindung mit Bezug auf 1 bis 7 beschrieben.
1 stellt eine Brennstoffzelle und ein Herstellungsverfahren dafür gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. 2 stellt eine Brennstoffzelle und ein Herstellungsverfahren dafür gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. 3 bis 7 können sowohl auf die erste als auch auf die zweite Ausführungsform der Erfindung angewendet werden.
Gleiche Bezugszahlen im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden verwendet, um gleiche und ähnliche Teile in der ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung darzustellen.
Zunächst werden eine Brennstoffzelle (entweder eine Brennstoffzelle oder eine Einzelzelle) und ein Herstellungsverfahren dafür, die im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gleich oder ähnlich sind, mit Bezug auf 1, 3, und 4 bis 7 beschrieben.
Die Brennstoffzelle, die Gegenstand der Brennstoffzelle und des Verfahren zu deren Herstellung gemäß der Erfindung ist, ist beispielsweise eine Protonentauschermembran (PEM)-Brennstoffzelle. Diese Brennstoffzelle wird beispielsweise in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug eingebaut, kann aber auch in einem anderen Objekt als einem Fahrzeug verwendet werden.
Wie in 4 bis 6 dargestellt, wird die PEM-Brennstoffzelle 10 aus einzelnen Brennstoffzellen (auch als „Einheitszellen", „Einzelzellen" oder einfach „Zellen" bezeichnet), in denen eine Membran/Elektroden-Anordnung (MEA) 19 und ein Separator 18 aufeinander gestapelt sind, ausgebildet.
Diese Membran/Elektroden-Anordnung schließt eine Elektrolytmembran (auch als „Elektrolyt" bezeichnet) 11, bei der es sich um eine Ionentauschermembran handelt, eine Elektrode (Anode) 14, bei der es sich um eine Katalysatorschicht handelt, die auf der Oberfläche der Elektrolytmembran 11 angeordnet ist, und eine Elektrode (Kathode) 17, bei der es sich um eine Katalysatorschicht handelt, die auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnet ist, ein. Eine Diffusionsschicht 13 ist auf der Anodenseite zwischen der Membran/Elektroden-Anordnung 19 und dem Separator 18 vorgesehen, und eine andere Diffusionsschicht 16 ist auf der Kathodenseite zwischen der Membran/Elektroden-Anordnung 19 und dem Separator 18 vorgesehen. Der Separator 18 schließt einen anodenseitigen Separator und einen kathodenseitigen Separator ein. Ein Brenngas-Strömungsweg 27 für die Zuführung eines Brenngases (wie Wasserstoff) zur Anode 14 ist in der Oberfläche des anodenseitigen Separators 18, der die Diffusionsschicht 13 berührt, ausgebildet, und ein Oxidationsgas-Strömungsweg 28 für die Zuführung von Oxidationsgas (wie Sauerstoff, in der Regel Luft) zur Kathode 17 ist in der Oberfläche des kathodenseitigen Separators 18, der die Diffusionsschicht 16 berührt, ausgebildet. Ebenso sind Strömungswege 26 für die Zuführung eines Kühlmediums in den Oberflächen der Separatoren 18, die den Oberflächen, die den Diffusionsschichten 13 und 16 entgegengesetzt sind, ausgebildet.
Ein Brennstoffzellenstapel 23 schließt eine Vielzahl von Zellenmodulen ein, von denen jedes mindestens eine Zelle 10 (in dem Fall, dass eine Zelle pro Modul vorhanden ist, sind Zelle und Modul das Gleiche) aufweist, die aufeinander gestapelt sind, um einen Zellenstapelköper zu bilden. Der Zellenstapelkörper ist zwischen Anschlüssen 20, Isolatoren 21 und Endplatten 22 an beiden Seiten in Zellenstapelrichtung angeordnet. Die Endplatten 22 an beiden Enden sind mittels Mutter und Bolzen 25 an einem Spannelement 24 (wie einer Spannplatte), das in Zellstapelrichtung an der Außenseite des Zellenstapelkörpers verläuft, fixiert. Eine Stapelspannungslast wird in Zellstapelrichtung an den Zellenstapelkörper angelegt.
Ein elastischer Körper 35, wie beispielsweise eine Tellerfeder 35, ist zwischen der Endplatte 22 an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 23 und einer Druckplatte 34 an der Innenseite dieser Endplatte vorgesehen und legt die Spannungslast an den Stapel an. Auch wenn die Länge des Zellstapelkörpers aufgrund einer Kriechverformung oder einer temperaturbedingten Ausdehnung und Kontraktion oder dergleichen schwankt, wird diese Schwankung somit innerhalb des elastischen Verformungsbereichs des elastischen Körpers 35 absorbiert, so dass die Spannungslast sich nicht wesentlich ändert. Der Ausgangswert der Stapel-Spannungslast kann beispielsweise durch Drehen einer Stellschraube 36, die in eine Öffnung eingeschraubt wird, die in der Endplatte 22 vorgesehen ist, um ihre Achse und Anpassen ihrer Position in Zellstapelrichtung angepasst werden.
Auf der Seite der Brennstoffzelle 10, wo die Anode 14 angeordnet ist, findet eine Ionenreaktion statt, welche den Wasserstoff in Wasserstoffionen (Protonen) und Elekt ronen spaltet. Die Wasserstoffionen wandern durch die Elektrolytmembran 11 zur Kathodenseite. Gleichzeitig vereinigen sich auf der Seite der Brennstoffzelle 10, wo die Kathode 17 angeordnet ist, Sauerstoff, die Wasserstoffionen und die Elektronen (die Elektronen, die an der Anode der angrenzenden MEA erzeugt werden, passieren den Separator, oder die Elektronen, die an der Anode der Zelle an einem Ende in Zellstapelrichtung erzeugt werden, passieren einen äußeren Kreislauf und kommen an der Kathode der Zelle auf der anderen Seite an) in einer Reaktion, um Wasser zu erzeugen. Diese Reaktion ist wie folgt.
Anodenseite: H₂ → 2H⁺ + 2e^–
Kathodenseite: 2H⁺ + 2e^– + (1/2)O₂ → H₂O
Der Separator 18 ist ein Kohlenstoffseparator, ein Metallseparator, ein Metallseparator, der mit einem Harzrahmen kombiniert ist, oder ein leitender Harzseparator.
Der Separator 18 schließt nahe seinem Randabschnitt einen einlassseitigen Brenngasverteiler 30a, einen auslassseitigen Brenngassammler 31b, einen einlassseitigen Kühlmittelverteiler 29a und einen auslassseitigen Kühlmittelsammler 29b ein. Der Brenngas-Strömungsweg 27 ist an der Oberfläche des anodenseitigen Separators 18, die auf die Diffusionsschicht 13 gerichtet ist, ausgebildet. Ebenso ist der Oxidationsgas-Strömungsweg 28 in der Oberfläche des kathodenseitigen Separators 18, die auf die Diffusionsschicht gerichtet ist, ausgebildet. Der Kühlmittel-Strömungsweg 26 ist in den Oberflächen des Separators 18, die den Seiten, die auf die Diffusionsschichten gerichtet sind, entgegengesetzt sind, ausgebildet.
Das Brenngas strömt aus dem einlassseitigen Brenngasverteiler 30a in den Brenngas-Strömungsweg 27 und dann aus dem auslassseitigen Brenngassammler 30b.
Auf ähnliche Weise strömt das Oxidationsgas aus dem einlassseitigen Oxidationsgasverteiler 31a im Oxidationsgas-Strömungsweg 28 und dann aus dem auslassseitigen Oxidationsgassammler 31b.
Ebenso strömt das Kühlmittel aus dem einlassseitigen Kühlmittelverteiler 29a in den Kühlmittel-Strömungsweg 26 und dann aus dem auslassseitigen Kühlmittelsammler 29b.
Eine Haftschicht 33 sorgt für eine Abdichtung um die Fluidströmungswege zwischen Separatoren oder zwischen dem Separator und der Membran der Zelle 10. Eine Dichtung 32 oder ein Haftmittel wird verwendet, um für eine Abdichtung zwischen Zellenmodulen zu sorgen.
Eine Kriechverformung findet in der Haftschicht 33 und dem Separator 18 statt, wenn der Separator 18 ein Kohlenstoffseparator ist), wenn eine Stapelspannungslast an die Zelle 10 angelegt wird, ebenso wie wenn eine Stapelspannungslast und eine thermische Last (eine Betriebstemperatur von etwa 80 Grad Celsius) an die Brennstoffzelle 10 angelegt werden, beispielsweise wenn die Brennstoffzelle in Betrieb ist. Wie von der Linie A in 3 dargestellt, steigt der Verformungsbetrag, der auf eine Kriechverformung zurückgeht, wenn die Gesamt-Betriebsdauer des Brennstoffzellenstapels 23 zunimmt.
Eine Kriechverformung des Zellenstapelkörpers des Brennstoffzellenstapels 23 ist kein Problem, solange der Betrag innerhalb der Grenzen der Absorption durch eine elastische Verformung des elastischen Elements 35, das an einem Ende des Brennstoffzellenstapels 23 vorgesehen ist, liegt. Wenn dieser Kriechverformungsbetrag die Absorptionsgrenze durch eine elastische Verformung des elastischen Elements 35 übersteigt (d.h. wenn er die Untergrenze S des wirksamen Hubs der Tellerfeder 35 in 3 überschreitet), steigt der elektrische Widerstand zwischen jeder Zelle 10 ebenso wie der elektrische Widerstand zwischen dem Separator 18 und den Diffusionsschichten 13 und 16 in der Zelle 10. Dies führt zu einer Abnahme der Brennstoffzellenleistung, und die Wahrscheinlichkeit für einen Fluidaustritt steigt.
Um die Wahrscheinlichkeit, dass dieses Problem auftritt, zu minimieren, wird die Brennstoffzelle (der Stapel 23 oder die Einzelzelle 10) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, die ein Zellenmodul einschließt, einem Alterungsprozess unterzogen, der die Anfangs-Kriechverformung ablaufen lässt, bevor das Zellenmodul in die Brennstoffzelle eingebaut wird. Infolgedessen ist eine Kriechverformung über die Standzeit des Zellenmoduls im Vergleich zu einem Zellenmodul, das keinem Alterungsprozess unterzogen wurde, verringert.
Ebenso ist ein Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle (des Stapels 23 oder der Einzelzelle 10) gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle (des Stapels 23 oder der Einzelzelle 10), das einen Alterungsschritt zum Ablaufenlassen einer Anfangs-Kriechverformung durch Anlegen mindestens einer Kompressionslast an ein Zellenmodul, bevor das Zellenmodul in die Brennstoffzelle eingebaut wird, einschließt.
Der Stapel 23 kann insgesamt oder separat pro Einzelzelle 10 einer Alterung unterzogen werden.
Der Ausdruck Alterung bezeichnet ein Ablaufenlassen einer Anfangs-Kriechverformung des Zellenmoduls durch Anlegen mindestens einer Kompressionslast (entweder nur einer Kompressionslast oder sowohl einer Kompressionslast als auch einer thermischen Last) für einen vorgegebenen Zeitraum H an das Zellenmodul (entweder vor oder nach dem Stapeln des Zellenmoduls). Die Kompressionslast entspricht einer Stapelspannungslast. Die thermische Last ist eine Last, die dadurch an das Zellenmodul angelegt wird, dass die Temperatur beispielsweise auf die Brennstoffzellen-Betriebstemperatur oder eine Temperatur, der die Zelle standhalten kann und die über der Brennstoffzellen-Betriebstemperatur liegt, erhöht wird.
Ebenso kann ein vorgegebener Zeitraum H ein Zeitraum sein, der auf der Korrelation zwischen einem Umfang der Änderung (Kriechverformung + temperaturbedingter Kompressionsbetrag) der Dicke des Zellenmoduls und der kumulativen Zeit h, für die die Kompressionslast an das Zellenmodul angelegt wird, basiert, wie in 3 dargestellt.
Der vorgegebene Zeitraum H kann auch ein Zeitraum sein, der auf einer Untergrenze des wirksamen Hubs des elastischen Körpers (der Tellerfeder in dem dargestellten Beispiel) des Stapels 23 basiert.
Der vorgegebene Zeitraum H kann auch ein Zeitraum sein, der auf der Basis des temperaturbedingten Kompressionsbetrags des Stapels 23 (oder des Zellenmoduls) bestimmt wird.
Der vorgegebene Zeitraum H kann wie beispielsweise im Graphen für (Kriechverformung + temperaturbedingter Kompressionsbetrag) gegen Betriebszeit h in 3 dargestellt erhalten werden. Das heißt, in dem Graphen ist eine durchbrochene Linie B, die parallel zur Linie A verschoben ist, unter der Linie A gezeichnet. Der Abstand zwischen den beiden Linien ist ein Wert, der bei oder über einem Betrag E liegt, um den die Linie A die Untergrenze S für den wirksamen Hub (wie 4 mm mit dem Stapel) der Tellerfeder 35 zur angestrebten Standzeit L (beispielsweise 5 Jahre) überschreitet. Dann wird eine vertikale Linie gezogen, die von einem Punkt C, wo die durchbrochene Linie B einen temperaturbedingten Kompressionsbetrag T (wie 1 mm mit dem Stapel) schneidet, zur Betriebsdauerachse verläuft. Der vorgegebene Zeitraum H kann dann als Wert H auf der Betriebszeitachse an einem Punkt D, wo diese vertikale Achse die Betriebszeitachse schneidet, erhalten werden. Der vorgegebene Zeitraum H liegt beispielsweise zwischen 20 und 50 Stunden, und genauer zwischen 30 und 40 Stunden, d.h. er ist kurz im Vergleich zur angestrebten Zeit L (beispielsweise 5 Jahre).
Ferner kann in dem Alterungsprozess die thermische Last dadurch an das Brennstoffzellenmodul angelegt werden, dass ein erwärmtes Fluid (heißes Wasser oder Gas, das auf etwa 80 bis 100 Grad Celsius erwärmt wurde) durch die Fluidströmungswege 26, 27 und 28 des Zellenmoduls laufen gelassen wird. Die Anlegung sowohl einer Kompressionslast als auch einer thermischen Last macht es möglich, eine Kriechverformung in einem kurzen Zeitraum fortschreiten zu lassen.
Genauer kann auch der folgende Modus angewendet werden.

(A) Eine Kriechverformung wird dadurch fortschreiten gelassen, dass eine thermische Last an das Zellenmodul angelegt wird, indem Wasser, das auf die höchste Betriebstemperatur erwärmt wurde, durch die Stapel-Kühlmittelleitung zirkulieren gelassen wird. Das Wasser kann unter Druck gesetzt werden, so dass gleichzeitig eine Drucklast angelegt wird. Außerdem können Stickstoff und Luft in die Gasleitungen geliefert und unter Druck gesetzt werden. Die Drucklast ist wirksam, um eine Anfangs-Kriechverformung (eine Kriechverformung eines Harz-Bindemittels eines Kohlenstoffseparators) eines Separators durch Anlegen von Druck an den Separator ablaufen zu lassen.
(B) Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Verfahren kann auch ein Verfahren zum Anlegen von Temperatur- und Kompressionslasten angewendet werden, indem warmes Wasser durch sowohl die Kühlmittel- als auch die Gasleitungen laufen gelassen wird. Ein weiteres Verfahren, das angewendet werden kann, ist die Anlegung von Temperatur- und Kompressionslasten an das Zellenmodul, indem ein erwärmtes Gas, wie Stickstoff, in umgekehrter Richtung durch die Kühlmittel- und Gasleitungen laufen gelassen wird.
(C) Die Brennstoffzelle kann betrieben werden, um Leistung zu erzeugen und gleichzeitig Kompressionslasten an jede Zelle/jedes Modul anzulegen. Wenn die Brennstoffzelle betrieben wird, um Leistung zu erzeugen, kann zusätzlich zu einem Ablaufenlassen einer Anfangs-Kriechverformung aufgrund einer Katalysatoraktivierung und einer angemessenen Menge an Feuchtigkeit, die an die Elektrolytmembran angelegt wird, auch eine Spannungserhöhungswirkung (ein Konditionierungseffekt) erwartet werden.
(D) Ein Verfahren zum Anlegen von temperaturbedingten und Kompressionslasten durch Einbringen des Stapels in eine thermostatische Kammer oder einen Ofen kann ebenfalls angewendet werden.

Nun werden der Betrieb und die Wirkungen der Brennstoffzelle (des Stapels 23 oder der Einzelzelle 10) und das Herstellungsverfahren dafür gemäß der ersten und zweiten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Bei der vorangehenden Brennstoffzelle (dem Stapel 23 oder der Einzelzelle 10) wird ein Alterungsprozess an das Zellenmodul angelegt, bevor dieses verwendet wird. Infolgedessen kann eine Kriechverformung der Brennstoffzelle (des Stapels 23 oder der Einzelzelle 10), während diese verwendet wird, verringert werden.
Außerdem schließt das oben genannte Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle (des Stapels oder der Einzelzelle (10) einen Alterungsschritt ein, um eine Anfangs-Kriechverformung ablaufen zu lassen, indem zumindest eine Kompressionslast an ein Zellenmodul angelegt wird. Infolgedessen kann eine Kriechverformung der Brennstoffzelle (des Stapels oder der Einzelzelle 10) während ihres Gebrauchs verringert werden.
Infolgedessen kann sowohl im Fall der Brennstoffzelle (des Stapels 23 oder der Einzelzelle 10) als auch im Fall des Herstellungsverfahrens der Brennstoffzelle (des Stapels 23 oder der Einzelzelle 10) die notwendige Spannungslast auf den Brennstoffzellenstapel 23 immer innerhalb der Soll-Lebenszeit L gehalten werden Das heißt, wie in 3 dargestellt, liegt die Betriebszeit h innerhalb der Soll-Lebenszeit L und die durchbrochene Linie B, welche die Kennlinie einer Brennstoffzelle anzeigt, die die Zellenmodule enthält, auf welche der Alterungsschritt angewendet wurde, liegt unter der Untergrenze S für den wirksamen Hub der Tellerfeder, und die Kriechverformung + der Umfang der temperaturabhängigen Kompression liegt immer innerhalb des wirksamen Hubs S der Tellerfeder. Somit kann auch dann, wenn die Kriechverformung des Stapels fortschreitet, die Änderung der Stapellänge von der Tellerfeder 35 absorbiert werden, so dass die Spannungskraft im Wesentlichen konstant gehalten werden kann. In diesem Fall ist die Last-zu-Hub-Kennlinie der Tellerfeder 35 eine, die einen im Wesentlichen flachen Abschnitt F in der Mitte aufweist, wie in 7 dargestellt. Daher kann die Stapelspannungskraft unter Verwendung dieses im Allgemeinen flachen Abschnitts F im Wesentlichen konstant gehalten werden.
Wie auch in 3 aus der durchgezogenen Linie A, welche die Kennlinie des Standes der Technik darstellt, klar wird, schreitet eine Kriechverformung in einem frühen Stadium schnell voran und nimmt dann im Laufe der Zeit ab. Somit kann eine Induzierung einer Kriechverformung im Anfangsstadium als vernünftiger Ansatz betrachtet werden, da sie mittels eines Verfahrens durchgeführt werden kann, das nur so viel Zeit braucht, wie es dauert, dass eine Kriechverformung in diesem Stadium abläuft, d.h. sie ist ein schneller Prozess.
Zusätzlich zur Kompressionslast kann im Alterungsschritt auch eine thermische Last an das Zellenmodul angelegt werden. Infolgedessen kann der Fortschritt der Kriechverformung im Vergleich zu einem Fall, in dem nur eine Kompressionslast angelegt wird, beschleunigt werden. Außerdem kann eine Kriechverformung während des tatsächlichen Gebrauchs der Brennstoffzelle, wo eine thermische Belastung wirkt, verringert werden.
Außerdem wird das Alter dadurch durchgeführt, dass zumindest eine Kompressionslast für einen vorgegebenen Zeitraum H an das Zellenmodul angelegt wird (dieser vorgegebene Zeitraum ist im Vergleich zur angestrebten Standzeit kurz. Infolgedessen kann die Alterung schnell durchgeführt werden.
In diesem Fall ist der vorgegebene Zeitraum H ein Zeitraum, der aus 3 oder dergleichen erhalten werden kann.
Ebenso wird die thermische Last dadurch angelegt, dass ein erwärmtes Fluid durch die Fluidströmungswege 26, 27 und 28 des Zellenmoduls fließen gelassen wird. Infolgedessen kann die thermische Last (Temperaturlast) sowohl einfach als auch in einem Zustand, der dem Zustand ähnelt, in dem das Zellenmodul tatsächlich verwendet wird, angelegt werden.
Ferner wird an das erwärmte Fluid ein Druck angelegt, was wirksam ist, um eine Kriechverformung des Separators 18 zu beschleunigen, wenn der Separator 18 ein Kohlenstoffseparator ist.
Nun werden der Aufbau, der Betrieb und die Wirkungen von Abschnitten erklärt, die für die einzelnen Ausführungsbeispiel der Erfindung spezifisch sind.
[Erstes Ausführungsbeispiel] – 1
Die Brennstoffzelle (der Stapel 23 oder die Einzelzelle 10) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird gemäß 1 hergestellt. Außerdem ist das Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle (des Stapels 23 oder der Einzelzelle 10) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Herstellungsverfahren gemäß den in 1 dargestellten Schritten. Das Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle (des Stapels 23 oder der Einzelzelle 10) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle, das einen Alterungsschritt 103, der eine Anfangs-Kriechverformung ablaufen lässt, indem er nach dem Stapeln zumindest eine Kompressionslast an ein Zellenmodul anlegt, und einen zusätzlichen Spannungsschritt 104, um den Brennstoffzellenstapel 23 nach dem Alterungsschritt 103 zusätzlich zu spannen, einschließt.
In der Brennstoffzelle (dem Stapel 123 oder der Einzelzelle 10) und dem Herstellungsverfahren dafür gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden, wie in 1 dargestellt, die Zellenmodule in Schritt 101 laminiert und gestapelt und in Schritt 102 gespannt. Ein Alterungsprozess wird dann an den Stapel (das Zellenmodul des Stapels) in Schritt 103 angelegt, wonach der Stapel 23 dann in Schritt 104 zusätzlich gespannt wird. Dann wird in Schritt 105 eine Überprüfung des fertigen Stapels durchgeführt, der dann in Schritt 106 versandt wird.
Was den Ablauf und die Wirkungen des ersten Ausführungsbeispiels betrifft, so wird in 3 nach dem Spannen in Schritt 103 eine Alterung für einen vorgegebenen Zeitraum H durchgeführt, während dem eine Kriechverformung vom Startpunkt zum Punkt G fortschreitet. Dann wird in Schritt 104 eine zusätzliche Spannung in einem Umfang durchgeführt, der E entspricht, um die Kriechverformung vom Punkt G zum Punkt C zu bringen. Dann steigt im Laufe des Gebrauchs die Kriechverformung vom Punkt C entlang der durchbrochenen Linie B. Auch wenn die angestrebte Standzeit in der Betriebszeit h erreicht wird, bleibt die Kriechverformung aber immer noch im wirksamen Hub S der Tellerfeder.
Infolgedessen wird die notwendige Spannungslast des Brennstoffzellenstapels 23 immer innerhalb der angestrebten Standzeit beibehalten.
Der Brennstoffzellenstapel kann auch nach dem Stapeln einer Alterung unterzogen werden, wodurch die Notwendigkeit, den Stapel nach dem Alterungsschritt auseinanderzunehmen und wieder zusammenzusetzen, vermieden wird.
[Zweites Ausführungsbeispiel] – 2
Die Brennstoffzelle (der Stapel 23 oder die Einzelzelle 10) gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird gemäß 2 hergestellt. Ebenso ist das Herstellungsverfahren der Brennstoffzelle (des Stapels 23 oder der Einzelzelle 10) gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Herstellungsverfahren gemäß den in 2 dargestellten Schritten. Das Herstellungsverfahren einer Brennstoffzelle (des Stapels 23 oder der Einzelzelle 10) gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung schließt einen Alterungsschritt ein, der eine Anfangs-Kriechverformung ablaufen lässt, indem er vor dem Stapeln zumindest eine Kompressionslast an ein Zellenmodul anlegt, und einen Zusammensetzschritt, in dem das Zellenmodul zu dem Stapel zusammengesetzt wird, nachdem die Anfangs-Kriechverformung fortgeschritten ist.
Bei der Brennstoffzelle (dem Stapel 23 oder der Einzelzelle 10) und dem Herstellungsverfahren dafür gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel werden, wie in 2 dargestellt, Zellenmodule in Schritt 201 versendet. Das Zellenmodul wird in Schritt 202 entweder einzeln oder mit anderen Zellenmodulen in ein Spannwerkzeug (zwischen ein oberes Spannwerkzeug und ein unteres Spannwerkzeug) eingesetzt. In Schritt 203 wird das Spannwerkzeug dann angezogen und mit dem Zellenmodul versiegelt. In Schritt 204 wird ein Alterungsprozess an das Zellenmodul angelegt. Dann wird in Schritt 205 das Zellenmodul aus dem Spannwerkzeug genommen und in einzelne Zellenmodule (in dem Fall, dass eine Vielzahl vorgesehen ist) getrennt, die dann in Schritt 206 oder Schritt 207 zum Stapel 23 zusammengesetzt werden. Im Schritt 206 werden die Zellenmodule zur Verwendung als Ersatzteile, wenn bei einer Untersuchung ein defektes Zellenmodul entdeckt wurde, wie das in Schritt 105 von 1, versandt. In Schritt 207 werden die Zellenmodule versandt, um eine Zellenmodullieferung für Werkstätten und dergleichen bereitzustellen. In dem in 2 dargestellten Verfahren gibt es keinen zusätzlichen Spannschritt 104 des Stapels, wodurch es sich von dem in 1 dargestellten Verfahren unterscheidet.
Was den Ablauf und die Wirkungen des zweiten Ausführungsbeispiels betrifft, so steigt in 3 die Kriechverformung vom Startpunkt zum Punkt G in einem Stadium, wo die Zellenmodule in das Spannwerkzeug eingesetzt werden und einer Alterung unterzogen werden. In dem Stadium, wo die Zellenmodule getrennt und zu einem Stapel zusammengesetzt werden, nimmt die Kriechverformung dann vom Punkt G zum Punkt C ab. Die Zellenmodule werden dann verwendet, wobei eine Kriechverformung vom Punkt C entlang der durchbrochenen Linie B zunimmt. Auch wenn die angestrebte Standzeit in der Betriebszeit h erreicht wird, bleibt die Kriechverformung jedoch immer noch innerhalb des wirksamen Hubs S der Tellerfeder.
Infolgedessen kann die erforderliche Spannungslast des Brennstoffzellenstapels 23 während der gesamten angestrebten Standzeit des Zellenmoduls beibehalten werden.
Der Alterungsprozess kann auch auf das Zellenmodul angewendet werden, bevor dieses zu einem Stapel zusammengesetzt wird, wodurch es möglich ist, das Zellenmodul im ersten Ausführungsbeispiel als Ersatzteil zu verwenden oder als Vorrat für eine Werkstatt.
Die Vorrichtung schließt Anordnungen für die Implementierung der wichtigsten Schritte des Verfahrens des zweiten Aspekts ein. Genauer werden Anordnungen bereitgestellt, um das Zellenmodul zu komprimieren und zu erwärmen, um eine Anfangs-Kriechverformung ablaufen zu lassen. Die Vorrichtung stellt auch eine Spannanordnung beriet, die das gestapelte Zellenmodul spannt, nachdem der Alterungsschritt abgeschlossen wurde. Die Vorrichtung kann auch ein Spannwerkzeug bereitstellen, in das ein Zellenmodul oder eine Vielzahl von Zellenmodulen eingesetzt werden können.
ZUSAMMENFASSUNG
BRENNSTOFFZELLE, VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR HERSTELLUNG EINER BRENNSTOFFZELLE
Eine Brennstoffzelle (ein Stapel oder eine Einzelzelle) schließt ein Zellenmodul ein, das einem Alterungsprozess, der eine Anfangs-Kriechverformung fortschreiten lässt, unterzogen wird, so dass eine Kriechverformung während des Gebrauchs im Vergleich mit einem Zellenmodul, das keinem Alterungsprozess unterzogen wurde, verringert ist.
Ein Herstellungsverfahren für eine Brennstoffzelle (einen Stapel oder eine Einzelzelle) schließt einen Alterungsschritt ein, um eine Anfangs-Kriechverformung ablaufen zu lassen, indem zumindest eine Kompressionslast an ein Brennstoffzellenmodul angelegt wird.

Claims

Brennstoffzelle, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Folgendes aufweist: ein Zellenmodul, das einem Alterungsprozess unterworfen wurde, der eine Anfangs-Kriechverformung fortschreiten lässt, so dass eine Kriechverformung während des Gebrauchs im Vergleich zu einem Zellenmodul, welches keinem Alterungsprozess unterworfen wurde, verringert ist.
Herstellungsverfahren für eine Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass es Folgendes umfasst: einen Alterungsschritt, um eine Anfangs-Kriechverformung durch Anlegen einer Kompressionslast an ein Zellenmodul ablaufen zu lassen.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, wobei: in dem Alterungsschritt zusätzlich zur Kompressionslast auch eine thermische Last an das Zellenmodul angelegt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei: die Kompressionslast im Alterungsschritt über einen vorgegebenen Zeitraum an das Zellenmodul angelegt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, wobei: der vorgegebene Zeitraum auf der Basis einer korrelativen Beziehung zwischen einem Umfang der Änderung der Dicke des Zellenmoduls und einer kumulativen Zeit, über die die komprimierte Last an das Zellenmodul angelegt wird, bestimmt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, wobei: der vorgegebene Zeitraum auf der Basis einer Untergrenze des wirksamen Hubs eines elastischen Körpers, der eine elastische Kraft auf einen Stapelkörper des Zellenmoduls ausübt, bestimmt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, wobei der vorgegebene Zeitraum auf der Basis eines temperaturbedingten Kontraktionsumfangs eines gesamten Stapelkörpers des Zellenmoduls bestimmt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 3, wobei: die thermische Last dadurch angelegt wird, dass ein erwärmtes Fluid durch einen Fluidweg im Zellenmodul laufen gelassen wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei: das erwärmte Fluid unter Druck gesetzt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei: im Alterungsschritt eine Anfangs-Kriechverformung fortschreiten gelassen wird, indem die Kompressionslast nach dem Stapeln des Zellenmoduls an das Zellenmodul angelegt wird, ferner umfassend: einen Schritt zum zusätzlichen Spannen des gestapelten Zellenmoduls nach dem Alterungsschritt.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei: eine Anfangs-Kriechverformung im Alterungsschritt fortschreiten gelassen wird, indem die Kompressionslast an das Zellenmodul angelegt wird, bevor das Zellenmodul gestapelt wird, ferner umfassend: einen Schritt zum Zusammensetzen des Zellenmoduls, nachdem die Anfangs-Kriechverformung fortschreiten gelassen wurde, zu einem Abschnitt eines Zellenmodul-Stapelkörpers.
Brennstoffzelle, die anhand des Herstellungsverfahrens gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11 hergestellt wurde.
Brennstoffzelle, die Folgendes aufweist: ein Spannelement und eine Vielzahl von Zellenseparatoren, die im gestapelten Zustand durch das Spannelement gespannt werden, wobei die Zellenseparatoren Zellenseparatoren sind, in denen ein Kriechspannung in einem vorgegebenen Umfang fortschreiten gelassen wurde, bevor das Spannelement angezogen wird.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13, wobei: jeder Zellenseparator ein Aufbau ist, der eine Feststoff-Elektrolytmembran zwischen einem Paar Separatoren aufweist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 13 oder 14, ferner aufweisend: einen elastischen Körper, der eine elastische Kraft als Spannlast an die Zellenseparatoren anlegt.
Vorrichtung zur Herstellung einer Brennstoffzelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes aufweist: eine Kompressionsanordnung, die eine Kompressionslast an ein Zellenmodul anlegt, wodurch eine Anfangs-Kriechverformung im Zellenmodul fortschreiten gelassen wird.
Vorrichtung zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 16, ferner aufweisend: eine Heizanordnung, die eine thermische Last an das Zellenmodul anlegt.
Vorrichtung zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Kompressionsanordnung die Kompressionslast über einen vorgegebenen Zeitraum an das Zellenmodul anlegt.
Vorrichtung zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 17, wobei die Heizanordnung ein Fluid auf eine angemessene Temperatur erwärmt und das erwärmte Fluid durch Fluidströmungswege im Zellenmodul fließen lässt.
Vorrichtung zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 19, wobei das erwärmte Fluid unter Druck gesetzt wird.
Vorrichtung zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei das Zellenmodul gestapelt wird, bevor die Kompressionsanordnung die Kompressionslast an das Zellenmodul anlegt.
Vorrichtung zur Herstellung einer Brennstoffzelle nach Anspruch 21, ferner aufweisend: eine Spannanordnung, die das gestapelte Zellenmodul durch Spannen des Zellenmoduls mit einer erhöhten Spannungskraft, nachdem die Anfangs-Kriechverformung des Zellenmoduls fortschreiten gelassen wurde, spannt.