DE112007002034T5

DE112007002034T5 - Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE112007002034T5
Application number: DE112007002034T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Toyota-shi Watanabe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2027-08-09
Also published as: CN101512810B; US8076044B2; CN101512810A; JP5098493B2; JP2008084839A; WO2008026450A1; CA2657182C; CA2657182A1; DE112007002034B4; US20090246595A1

Abstract

Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen umfassend:
eine Grundplatte zur Befestigung
eines Brennstoffzellenstapels umfassend
eine erste Endplatte,
eine auf der ersten Endplatte angeordnete Stromsammelplatte, und
eine Mehrzahl von auf der Stromsammelplatte gestapelten Zelleneinheiten; und
Druckmittel zum Pressen des Brennstoffzellestapels, wobei die Vorrichtung eine Brennstoffzelle durch Befestigung einer zweiten Endplatte an einem gepreßten Brennstoffzellenstapel zusammenfügt, und umfaßt
einen Brenngasversorgungskanal für die Zufuhr eines Brenngases für die Prüfung zum Brennstoffzellenstapel,
einen Brenngasabführkanal für die Ableitung eines Brenngases für die Prüfung aus dem Brennstoffzellenstapel,
einen Versorgungskanal für die Zufuhr eines als Oxidationsmittel dienenden Gases für die Prüfung zum Brennstoffzellenstapel,
einen Abführkanal für die Ableitung eines als Oxidationsmittel dienenden Gases für die Prüfung vom Brennstoffzellenstapel,
einen Kühlmittelversorgungskanal für die Zufuhr eines Kühlmittels für die Prüfung zum Brennstoffzellenstapel, und
einen Kühlmittelabführkanal für die Ableitung eines Kühlmittels für die Prüfung aus dem...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen und insbesondere eine Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen, die eine Grundplatte zur Montage eines Brennstoffzellenstapels umfaßt, der eine erste Endplatte, eine auf der ersten Endplatte angeordnete Stromsammelplatte und einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die auf der Stromsammelplatte gestapelt sind, und ein Preßmittel zum Zusammenpressen des Brennstoffzellenstapels einschließt, wobei die Vorrichtung die Brennstoffzellen durch Befestigung einer zweiten Endplatte am zusammengepreßten Zellenstapel zusammenfügt.
STAND DER TECHNIK
Die hohe Leistungsfähigkeit und ausgezeichnete Umweltverträglichkeit von Brennstoffzellen hat in den vergangenen Jahren Beachtung gefunden. Brennstoffzellen erzeugen im allgemeinen elektrische Energie durch die chemische Reaktion eines Wasserstoffgases mit Luftsauerstoff. Die chemische Reaktion des Sauerstoffs mit dem Wasserstoff hat die Erzeugung von Wasser zum Ergebnis. Brennstoffzellen schließen Phosphorsäurebrennstoffzellen, Schmelzkarbonatbrennstoffzellen, Festoxidbrennstoffzellen, alkalische Brennstoffzellen und Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran ein. Unter diesen haben die Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran aufgrund ihrer Vorteile besondere Beachtung gefunden, nämlich der Startfähigkeit bei Raumtemperatur, der schnellen Startzeit und dergleichen. Deshalb werden Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran häufig in Fahrzeugen, z. B. Automobilen, verwendet.
Eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran wird hergestellt durch das Stapeln einer Mehrzahl von Zelleneinheiten, Stromsammelplatten, Endplatten und dergleichen. Die zusammengebaute Brennstoffzelle wird dann Überprüfungen hinsichtlich der Leistungserzeugung, möglicher Gasleckage und dergleichen unterzogen. Beispielsweise beschreibt die japanische offengelegte Patentanmeldung Nr. 2001-23665 (Patentdokument 1) ein Gasleckage-Testverfahren zur Feststellung eines Gaslecks in Form eines Brenngaslecks oder eines Oxidationsgaslecks in einem Brennstoffzellenstapel.
Herkömmlicherweise erfolgen der Zusammenbau und die Prüfung einer Brennstoffzelle derart, daß zunächst die Zelleneinheiten geprüft werden, dann die Brennstoffzelle zusammengebaut wird und schließlich die Ausführung der Leistungserzeugung der zusammengebauten Brennstoffzelle geprüft wird. Zur Überprüfung der Leistungserzeugung der Zelleneinheiten wird zunächst eine Mehrzahl von Zelleneinheiten in einer Spannvorrichtung zur Überprüfung der Leistungserzeugung der Zelleneinheiten gestapelt. Dann erfolgt die Prüfung der Leistungserzeugung der Zelleneinheit durch Zufuhr eines Brenngases für die Prüfung, eines Oxidationsgases für die Prüfung und eines Kühlmittels für die Prüfung zur Mehrzahl der gestapelten Zelleneinheiten. Nach der Prüfung der Leistungserzeugung der Zelleneinheiten wird jede Zelleneinheit aus der Spannvorrichtung zur Überprüfung der Leistungserzeugung der Zelleneinheiten herausgenommen. Falls eine fehlerhafte Zelleneinheit festgestellt wurde, wird sie durch eine fehlerfreie Zelleneinheit ersetzt.
Nach der Überprüfung der Leistungserzeugung der Zelleneinheiten wird eine Mehrzahl von Zelleneinheiten, Stromsammelplatten und dergleichen zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels mittels einer Spannvorrichtung gestapelt und dann durch Zufügung einer Endplatte und dergleichen zum Brennstoffzellenstapel eine Brennstoffzelle hergestellt. Danach wird die hergestellte Brennstoffzelle aus der stapelbildenden Spannvorrichtung entnommen und eine Verrohrung für die Versorgung und eine Verrohrung für die Entsorgung und dergleichen für der Prüfung dienendes Brenngas, Oxidationsmittelgas, Kühlmittel und dergleichen werden an der Brennstoffzelle befestigt und danach wird die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle geprüft. Nach der Überprüfung der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle werden alle Verrohrungen für die Versorgung und die Entsorgung und dergleichen für der Prüfung dienendes Brenngas, Oxidationsmittelgas, Kühlmittel und dergleichen von der Brennstoffzelle entfernt.
Somit müssen während des Zusammenbaus und der Prüfung der Brennstoffzelle die Spann- und andere Vorrichtungen für jede Überprüfung der Leistungserzeugung montiert und demontiert werden, weil die Überprüfung der Leistungserzeugung der Zelleneinheiten, die Brennstoffzellenherstellung und die Überprüfung der Leistungserzeugung der Brennstoffzellen alle unter Verwendung unterschiedlicher Spann- und andere Vorrichtungen durchgeführt werden. Ebenso müssen für die Prüfung der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle die Verrohrungen für die Versorgung und die Entsorgung und dergleichen für das der Prüfung dienende Brenngas, Oxidationsmittelgas, Kühlmittel und dergleichen an der zusammengebauten Brennstoffzelle montiert und von ihr demontiert werden. Deshalb weist die herkömmliche Herstellung und Prüfung die Nachteile erhöhter Arbeit für die Herstellung und verringerter Produktivität auf.
Demgemäß ist es ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen vorzusehen, die die Anzahl der für die Herstellung und Prüfung erforderlichen Mannstunden reduziert, während sie zugleich die Herstellungsproduktivität der Brennstoffzelle verbessert.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Eine Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Grundplatte zur Befestigung eines Brennstoffzellenstapels, der eine erste Endplatte, eine auf der ersten Endplatte angeordnete Stromsammelplatte und eine Mehrzahl von auf der Stromsammelplatte gestapelten Zelleneinheiten einschließt und Druckmittel zum Pressen des Brennstoffzellestapels, wobei die Vorrichtung eine Brennstoffzelle durch Befestigung einer zweiten Endplatte an einem gepreßten Brennstoffzellenstapel zusammenfügt und einen Brenngasversorgungskanal für die Zufuhr eines Brenngases für die Prüfung zum Brennstoffzellenstapel, einen Brenngasabführkanal für die Ableitung eines Brenngases für die Prüfung aus dem Brennstoffzellenstapel, einen Versorgungskanal für die Zufuhr eines als Oxidationsmittel dienenden Gases für die Prüfung zum Brennstoffzellenstapel, einen Abführkanal für die Ableitung eines als Oxidationsmittel dienenden Gases für die Prüfung vom Brennstoffzellenstapel, einen Kühlmittelversorgungskanal für die Zufuhr eines Kühlmittels für die Prüfung zum Brennstoffzellenstapel und einen Kühlmittelabführkanal für die Ableitung eines Kühlmittels für die Prüfung aus dem Brennstoffzellenstapel umfaßt, und wobei der Brenngasversorgungskanal, der Brenngasabführkanal, der Versorgungskanal für die Zufuhr eines als Oxidationsmittel dienenden Gases, der Abführkanal für die Ableitung eines als Oxidationsmittel dienenden Gases, der Kühlmittelversorgungskanal und der Kühlmittelabführkanal jeweils mit einer Brenngasversorgungsöffnung, einer Brenngasabführöffnung, einer Versorgungsöffnung für ein als Oxidationsmittel dienendes Gas, einer Abführöffnung für die ein als Oxidationsmittel dienendes Gas, einer Kühlmittelversorgungsöffnung und einer Kühlmittelabführöffnung verbunden sind, die an der ersten Endplatte vorgesehen sind.
Eine Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Erfindung kann derart gestaltet sein, daß der Brenngasversorgungskanal, der Brenngasabführkanal, der Versorgungskanal für die Zufuhr eines als Oxidationsmittel dienenden Gases, der Abführkanal für die Ableitung eines als Oxidationsmittel dienenden Gases, der Kühlmittelversorgungskanal und der Kühlmittelabführkanal jeweils durch in einer Grundplatte vorgesehene Öffnungen mit der Brenngasversorgungsöffnung, der Brenngasabführöffnung, der Versorgungsöffnung für ein als Oxidationsmittel dienendes Gas, der Abführöffnung für ein als Oxidationsmittel dienendes Gas, der Kühlmittelversorgungsöffnung und der Kühlmittelabführöffnung verbunden sind, die an der ersten Endplatte vorgesehen sind.
Eine Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Erfindung kann derart gestaltet sein, daß die Ausstattung weiter ein Führungsteil zur Führung einer Mehrzahl gestapelter Zelleneinheiten in einer Stapelrichtung und ausgebildet aus einem Isoliermaterial umfaßt.
Eine Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Erfindung kann derart gestaltet sein, daß die Ausstattung weiter ein Führungsteil zur Führung einer Mehrzahl gestapelter Zelleneinheiten in einer Stapelrichtung und einen Gleitmechanismus zur Aufrechterhaltung eines kontaktfreien Zustands zwischen der Mehrzahl gestapelter Zelleneinheiten und dem Führungsteil während einer Leistungserzeugungsprüfung umfaßt.
Eine Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Erfindung kann derart gestaltet sein, daß die zweite Endplatte am Brennstoffzellenstapel mittels einer Spannplatte befestigt ist.
Eine Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen gemäß der vorliegenden Erfindung kann derart gestaltet sein, daß Zusammenbau und Prüfung der Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln gleichzeitig ausgeführt wird.
Wenn eine Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen nach der vorliegenden Erfindung benutzt wird, wie sie oben beschrieben ist, kann der für den Zusammenbau der Brennstoffzelle und die Leistungserzeugungsprüfung erforderliche Arbeitsaufwand reduziert werden, während zugleich die Produktivität der Brennstoffzellenfertigung verbessert wird, weil die Leistungserzeugungsprüfung der Zelleneinheiten, der Zusammenbau der Brennstoffzelle und die Leistungserzeugungsprüfung der Brennstoffzelle alle durch Benutzug nur der Vorrichtung für die Montage und Prüfung ausgeführt werden können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Bennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung einer ersten Endplatte gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zur Prüfung der Leistungserzeugung der Zelleneinheit bei der Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen darstellt, sowie eine Prüfvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Ansicht, die ein Verfahren zur Prüfung der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle bei der Herstellung der Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine Seitenansicht, die eine Gestaltung eines in der Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthaltenen, der Preßfläche folgenden Mechanismus;
8 ist eine schematische Darstellung eines konkaven Elements in einem ersten, metallischen Basisabschnitt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine schematische Darstellung eines konvexen Elements in einem zweiten, metallischen Basisabschnitt gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 ist eine Seiteansicht, die einen Zustand zeigt, in dem die Zelleneinheiten und dergleichen in der Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gestapelt sind, wobei der Abstand zwischen den Stapelenden durch die Linien A und B bezeichnet ist;
11 ist eine Seitenansicht, die eine Aktion eines der Preßfläche folgenden Mechanismus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wenn die Länge A zwischen den Enden des Brennstoffzellenstapels kürzer ist als die Länge B (Länge A < Länge B); und
12 ist eine Seitenansicht, die eine Aktion des der Preßfläche folgenden Mechanismus gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wenn eine Länge A auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels länger ist als eine Länge B auf dessen anderer Seite (Länge A > Länge B).
BESTE ART DIE ERFINDUNG AUSZUFÜHREN
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail beschrieben. Es wird nun die Gestaltung einer Brennstoffzelle beschrieben. Die 1 ist eine schematische Darstellung einer Brennstoffzelle 10. Die in 1 gezeigte Brennstoffzelle 10 besitzt eine Anordnung von zwei Reihen von Brennstoffzellenstapeln 12. Die Anordnung der Brennstoffzellenstapel 12 in der Brennstoffzelle 10 ist natürlich nicht auf zwei Reihen beschränkt. Der Brennstoffzellenstapel 12 wird durch Stapeln einer Mehrzahl von Zelleneinheiten 14, einer Stromsammelplatte 16 und dergleichen gebildet.
Eine Zelleneinheit 14 ist derart gestaltet, daß eine Katalysatorschicht auf jeder Seite einer Elektrolytmembran und eine auf jede Katalysatorschicht aufgebrachte Gasdiffusionsschicht eine Membran-Elektroden-Anordnung bilden und ein Separator auf die Membran-Elektroden-Anordnung aufgeschichtet ist.
Die Elektrolytmembran hat die Funktion, auf einer Anodenseite erzeugte Wasserstoffionen zu einer Kathodenseite zu bewegen. Eine Ionenaustauschmembran aus einem chemisch stabilen Fluorkohlenstoffharz, z. B. Perfluorcarbonsulfonsäure (Perfluorocarbonsulphonic acid) wird als Material für die Elektrolytmembran verwendet.
Die Katalysatorschicht besitzt eine Funktion, die Oxidationsreaktion des Wasserstoffs auf der Anodenseite und die Reduktionsreaktion des Sauerstoffs auf der Kathodenseite. Die Katalysatorschicht schließt einen Katalysator und einen Katalysatorträger ein. Allgemein ist ein Katalysator in Partikelform am Katalysatorträger angeklebt, um den Reaktionsbereich der Elektrode zu vergrößern. Oft werden Platin oder Elemente der Platingruppe mit kleiner Aktivierungsüberspannung für die Oxidationsreaktion des Wasserstoffs und Reduktionsreaktion des Sauerstoffs als Katalysator verwendet. Gewöhnlich wird ein Kohlenstoffmaterial wie Carbon Black als Katalysatorträger eingesetzt.
Die Gasdiffusionsschicht dient dazu, Gase in die Katalysatorschicht zu diffundieren, wie beispielsweise ein Wasserstoffgas, ein Brenngas und ein als Oxidationsmittel dienendes Gas, und Elektronen zu bewegen. Ein Kohlefasergewebe, Kohlepapier oder ein anderes elektrisch leitendes Material kann als Gasdiffusionsschicht benutzt werden. Die Membran-Elektroden-Anordnung kann zusammengefügt werden, indem die Elektrolytmembran, die Katalysatorschicht und die Gasdiffusionsschicht geschichtet und die Elektrolytmembran, die Katalysatorschicht und die Gasdiffusionsschicht heiß gepreßt werden.
Der Separator wird auf die Gasdiffusionsschicht der Membran-Elektroden-Anordnung aufgebracht und hat die Funktion, ein Brenngas und ein als Oxidationsmittel dienendes Gas in den ihr benachbarten Zelleneinheiten 14 von einander zu trennen. Überdies hat der Separator die Funktion, die ihm benachbarten Zelleneinheiten 14 elektrisch zu verbinden. Im Separator sind ein Gaskanal für den Durchfluß eines Brenngases und eines als Oxidationsmittel dienenden Gases, ein Kühlmittelkanal, durch den ein Kühlmittel wie ein langlebiges Kühlmittel und Wasser und dergleichen zur Kühlung der Zelleneinheiten 14 fließt, und dergleichen ausgebildet. Der Separator kann aus einem metallischen Material gebildet werden, wie Edelstahl, aus Kohlenstoffmaterial oder anderem geeignetem, elektrisch leitendem Material.
Die Stromsammelplatte 16 besitzt eine Funktion, den in einer Mehrzahl von gestapelten Zelleneinheiten 14 erzeugten Gleichstrom zu sammeln. Ein metallisches Material wie Edelstahl oder Kupfer, ein Kohlenstoffmaterial oder ein anderes elektrisch leitendes Material kann für die Stromsammelplatte 16 benutzt werden. Mit Gold plattierte Metallbleche, wie Edelstahl und Kupfer können ebenfalls für die Stromsammelplatte 16 verwendet werden.
Die Endplatten 20, 34 sind an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels 12 angebracht. Die Endplatten 12 können aus metallischem Material, wie Edelstahl gebildet sein. In der ersten Endplatte 20 sind Öffnungen für die Zuführung und Abführung eines Brenngases, eines als Oxidationsmittel dienenden Gases und eines Kühlmediums vorgesehen. Die 2 ist eine schematische Darstellung der ersten Endplatte 20. Die erste Endplatte 20 ist mit einer Brenngaszuführöffnung 22 für die Zuleitung eines Brenngases zum Brennstoffzellenstapel 12 versehen, mit einer Brenngasableitungsöffnung 24 zur Abführung des Brenngases, das einer elektrochemischen Reaktion unterzogen wurde, aus dem Brennstoffzellenstapel, eine Zuführöffnung 26 für das als Oxidationsmittel dienende Gas für die Zuführung des als Oxidationsmittel dienenden Gases zum Brennstoffzellenstapel 12, eine Ableitungsöffnung 28 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, zur Abführung des als Oxidationsmittel dienenden Gases, das einer elektrochemischen Reaktion unterzogen wurde, aus der Brennstoffzelle 12, eine Kühlmittelzuführöffnung 30 für die Zuführung eines Kühlmittels zum Brennstoffzellenstapel 12 und eine Kühlmittelableitungsöffnung 32 zur Abführung eines Kühlmittels aus dem Brennstoffzellenstapel 12.
In der Brenngaszuführöffnung 22, der Brenngasableitungsöffnung 24, der Zuführöffnung 26 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, der Ableitungsöffnung 28 für das als Oxidationsmittel dienendes Gas, der Kühlmittelzuführöffnung 30 und der Kühlmittelableitungsöffnung 32 sind um die jeweiligen Öffnungen Dichtungsrillen ausgebildet. Ein O-Ring, eine Dichtung oder dergleichen aus Gummi oder dergleichen zur Abdichtung eines Brenngases, eines als Oxidationsmittel dienenden Gases und eines Kühlmittels wird in jede Dichtungsrille eingepaßt. Weil zwei Reihen von Brennstoffzellenstapeln in der in 1 gezeigten Brennstoffzelle 10 vorgesehen sind, sind in der ersten Endplatte 20 an zwei Orten Brenngaszuführöffnungen 22, Brenngasableitungsöffnungen 24, Zuführöffnungen 26 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, Ableitungsöffnungen 28 für das als Oxidationsmittel dienendes Gas, Kühlmittelzuführöffnungen 30 und Kühlmittelableitungsöffnungen 32 vorgesehen.
In 1 ist, wie unten beschrieben, in der zweiten Endplatte 34 für jeden Brennstoffzellenstapel 12 eine Öffnung für den Durchtritt eines Betätigungselements eines Druckzylinders zur Druckübertragung auf den Brennstoffzellenstapel 12 vorgesehen. In der in 1 gezeigten Brennstoffzelle 10 sind die Öffnungen an zwei Orten der Endplatte 34 vorgesehen, weil zwei Reihen von Brennstoffzellenstapeln vorgesehen sind. Es ist auch für jeden Brennstoffzellenstapel 12 in der zweiten Endplatte 34 eine Lasteinstellschraube zur Einstellung einer auf den Brennstoffzellenstapel 12 einen Druck ausübenden Last vorgesehen.
Ein Federgehäuse (spring box) 36 hat die Funktion, die Gleichförmigkeit des auf den Brennstoffzellenstapel 12 ausgeübten Drucks zu Erhöhen und eine Last zu messen, die auf den Brennstoffstapel 12 einwirkt. Das Federgehäuse 36 ist zwischen der zweiten Endplatte 34 und einem Isolierelement 38 im Brennstoffzellenstapel angeordnet. Das Federgehäuse 36 ist mit einer Mehrzahl von Federn zwischen zwei Druckplatten versehen. Deshalb kann die Gleichförmigkeit des auf den Brennstoffzellenstapel 12 durch das Federgehäuse 36 ausgeübten Drucks weiter erhöht werden und die Belastung des Brennstoffzellenstapels 12 kann in Übereinstimmung mit dem Federweg gemessen werden. Natürlich ist die Anordnung nicht auf das Federgehäuse 36 beschränkt und es können Druckplatten oder dergleichen mit Belastungszellen beispielsweise an 2 bis 12 Positionen eingesetzt werden.
Eine Spannplatte 40 ist an der ersten Endplatte 20 und der zweiten Endplatte 34 z. B. mit Bolzen 42 befestigt. Zwei Spannplatten 40 für jeden Brennstoffzellenstapel 12 sind an der Brennstoffzelle 10 befestigt. Die Spannplatte 40 hat die Funktion, einen vorgegebenen Druck auf den Brennstoffzellenstapel 12 auszuüben. Dies stellt die Dichtungsfähigkeit in Bezug auf ein Brenngas, ein als Oxidationsmittel dienendes Gas und ein Kühlmittel beispielsweise zwischen den Zelleneinheiten 14, zwischen der Zelleneinheit 14 und der Stromsammelplatte 16 und zwischen der Stromsammelplatte 16 und der ersten Endplatte 20 sicher.
Es wird nun eine Gestaltung der Brennstoffzellenanordnung und der Prüfvorrichtung beschrieben. Die 3 ist eine schematische Darstellung der Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen.
Eine erste Grundplatte 52 ist eine Grundplatte für die Befestigung des Brennstoffzellenstapels 12 einschließlich der ersten Endplatte 20, der auf der ersten Endplatte 20 positionierten Stromsammelplatte 16 und der Mehrzahl von auf der Stromsammelplatte 16 gestapelten Zelleneinheiten 14. Die erste Grundplatte 52 kann aus einem metallischen Material, wie Edelstahl, gebildet sein.
Eine Mehrzahl von Reihen von Brennstoffzellenstapeln 12 kann auf der ersten Grundplatte 52 angebracht sein. Obwohl die 3 ein Beispiel zeigt, bei dem zwei Reihen von Brennstoffzellenstapeln 12 auf der ersten Grundplatte 52 angebracht sind, ist die Konstruktion der Brennstoffzelle 10 nicht auf zwei Reihen beschränkt, vielmehr kann eine Reihe oder es können drei oder mehr Reihen vorgesehen werden.
Mit der ersten Grundplatte 52 sind Rohrleitungen, nämlich eine Brenngasversorgungsleitung 54, eine Brenngasabführleitung 56, eine Versorgungsleitung 58 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, eine Abführleitung 60 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, eine Kühlmittelversorgungsleitung 62 und eine Kühlmittelabführleitung 64, verbunden. Die Brenngasversorgungsleitung 54 kann beispielsweise ein Brenngasversorgungskanal sein für die Zufuhr eines Brenngases für die Prüfung, wie Wasserstoffgas, zum Brennstoffzellenstapel, und die Brenngas abführleitung 56 ist ein Brenngasabführkanal für die Ableitung eines Brenngases, das für Prüfzwecke einer elektrochemischen Reaktion unterzogen wurde, aus dem Brennstoffzellenstapel 12. Die Versorgungsleitung 58 für das als Oxidationsmittel dienende Gas kann beispielsweise ein Versorgungskanal sein für die Zufuhr eines als Oxidationsmittel dienenden Gases für Prüfzwecke, wie Luft, zum Brennstoffzellenstapel 12, und die Abführleitung 60 für das als Oxidationsmittel dienende Gas ist ein Abführkanal für die Ableitung eines Oxidationsgases, das einer elektrochemischen Reaktion unterzogen wurde, aus der Brennstoffzelle 12. Die Kühlmittelversorgungsleitung 62 kann beispielsweise ein Kühlmittelversorgungskanal sein für die Zufuhr eines Kühlmittels, wie eines langlebigen Kühlmittels, für Prüfzwecke zum Brennstoffzellenstapel 12, und die Kühlmittelabführleitung 64 ist ein Kühlmittelabführkanal zur Ableitung eines Kühlmittels für Prüfzwecke nach der Kühlung des Brennstoffzellenstapels 12 aus diesem.
Die Brenngasversorgungsleitung 54, die Brenngasabführleitung 56, die Versorgungsleitung 58 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, die Abführleitung 60 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, die Kühlmittelversorgungsleitung 62 und eine Kühlmittelabführleitung 64 sind alle mit der ersten Grundplatte 52 verbunden, so daß sie verbindbar sind mit der Brenngaszuführöffnung 22, der Brenngasableitungsöffnung 24, der Zuführöffnung 26 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, der Ableitungsöffnung 28 für das als Oxidationsmittel dienendes Gas, der Kühlmittelzuführöffnung 30 und der Kühlmittelableitungsöffnung 32, die auf der ersten Endplatte 20 vorgesehen sind.
Weil der einen Gleitmechanismus aufweisende Verbindungsabschnitt vorzugsweise zwischen der ersten Grundplatte 52 und der ersten Endplatte 20 angeordnet ist, folgt der Verbindungsabschnitt selbst dann, wenn ein Ende der ersten Endplatte 20 sich während der Leistungserzeugungsprüfung der Brennstoffzelle 10 verwirft oder biegt, mit dem Gleitmechanismus nach und stellt dadurch die Abdichtung für das Brenngas für die Prüfung, das als Oxidationsmittel dienendes Gas für die Prüfung und das Kühlmittel für die Prüfung zwischen der ersten Grundplatte 52 und der ersten Endplatte 20 sicher. Wenn der mit dem Gleitmechanismus versehene Verbindungsabschnitt zwischen der ersten Grundplatte 20 und der ersten Endplatte 52 vorgesehen ist, ist es zudem vorzuziehen, daß die erste Grundplatte 52 flacher ausgeführt wird, um die Dichtungseigenschaft zwischen der ersten Grundplatte 52 und der ersten Endplatte 20 zu verbessern.
In der ersten Grundplatte 52 können Öffnungen für den Durchtritt der Brenngasversorgungsleitung 54, der Brenngasabführleitung 56, der Versorgungsleitung 58 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, der Abführleitung 60 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, der Kühlmittelversorgungsleitung 62 und der Kühlmittelabführleitung 64 vorgesehen sein, um der Brenngasversorgungsleitung 54, der Brenngasabführleitung 56, der Versorgungsleitung 58 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, der Abführleitung 60 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, der Kühlmittelversorgungsleitung 62 und der Kühlmittelabführleitung 64 unter Verwendung von Schraubverbindungen oder dergleichen die direkte Verbindung mit der Brenngaszuführöffnung 22, der Brenngasableitungsöffnung 24, der Zuführöffnung 26 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, der Ableitungsöffnung 28 für das als Oxidationsmittel dienendes Gas, der Kühlmittelzuführöffnung 30 und der Kühlmittelableitungsöffnung 32 zu ermöglichen, die jeweils in der ersten Endplatte 20 vorgesehen sind. Das hilft, Leckagen des Brenngases für die Prüfung, des als Oxidationsmittel dienenden Gases für die Prüfung und des Kühlmittels für die Prüfung selbst dann zu unterdrücken, wenn die erste Endplatte sich, an der Spannplatte 40 befestigt, verbiegt oder verwirft.
Wenn zwei Reihen von Brennstoffzellenstapeln 12 auf der ersten Grundplatte 52 befestigt sind, wie in 3 gezeigt, sind die Brenngasversorgungsleitung 54, die Brenngasabführleitung 56, die Versorgungsleitung 58 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, die Abführleitung 60 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, die Kühlmittelversorgungsleitung 62 und die Kühlmittelabführleitung 64, die sich jeweils in zwei Rohre verzweigen, mit der Brenngaszuführöffnung 22, der Brenngasableitungsöffnung 24, der Zuführöffnung 26 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, der Ableitungsöffnung 28 für das als Oxidationsmittel dienendes Gas, der Kühlmittel zuführöffnung 30 und der Kühlmittelableitungsöffnung 32 verbunden, die jeweils auf der ersten Endplatte 20 des Brennstoffzellenstapels 12 vorgesehen sind
Zudem sind vorzugsweise die Brenngasversorgungsleitung 54, die Brenngasabführleitung 56, die Versorgungsleitung 58 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, die Abführleitung 60 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, die Kühlmittelversorgungsleitung 62 und die Kühlmittelabführleitung 64 mit einem gemeinsamen Verbindungsstück 66 verbunden, wodurch die sechs Leitungen durch das gemeinsame Verbindungsstück 66 an einem Ort mit einer Versorgungseinheit verbunden werden können, um ein Brenngas für die Prüfung, ein als Oxidationsmittel dienendes Gas für die Prüfung und ein Kühlmittel für die Prüfung zuzuführen.
Ein Führungsteil 68 besitzt eine Funktion als Bezugselement zur Führung einer Mehrzahl von gestapelten Zelleneinheiten 14 in einer Stapelrichtung und ist an der ersten Grundplatte 52 derart befestigt, daß es in Kontakt mit der Zelleneinheit 14 steht. Die Zelleneinheiten 14 können dadurch gleichförmiger gestapelt werden, daß die Mehrzahl der Zelleneinheiten 14 durch Anlage am Führungsteil 68 in Stapelrichtung geführt werden. Wie in 3 gezeigt, ist beispielsweise das Führungsteil 68 für jeden Brennstoffzellenstapel 12 vorzugsweise auf der Vorderseite des Brennstoffzellenstapels 12 an zwei Positionen und an dessen Seite an einer Position vorgesehen. Natürlich ist die Anordnung eines Führungsteils 68 nicht auf diese Anordnung beschränkt und andere Anordnungen können unter Berücksichtigung anderer Bedingungen angewandt werden. Auch kann das Führungsteil 68 mit einem Mechanismus versehen werden, der in der Lage ist, die Länge des Führungsteils 68 entsprechend der Höhe des Brennstoffzellenstapels 12 einzustellen.
Das Führungsteil 68 wird vorzugsweise aus einem Isoliermaterial gebildet, weil die Gestaltung des Führungsteils 68 aus einem Isoliermaterial einen Kurzschluß zwischen dem Führungsteil 68 und der Mehrzahl gestapelter Zelleneinheiten 14 verhindern und die Durchführung der Prüfung der Leistungserzeugung ohne Entfernung des Führungsteils 68 von der Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen ermöglichen kann. Beispielsweise kann ein Kunstharzmaterial, wie ein Epoxidharz, oder ein keramisches Material, wie Aluminiumoxid, als Isoliermaterial verwendet werden. PEEK-(Polyetheretherketon)-Harz wird vorzugsweise als Isoliermaterial benutzt. Obwohl der Gebrauch eines aus PEEK-Harz gefertigten Führungsteils die Stapelungsgenauigkeit verbessert, weil PEEK-Harz eine größere Hitzebeständigkeit aufweist als ein Epoxidharz, ist natürlich das Isoliermaterial nicht auf die obigen Materialien beschränkt.
In Fällen, in welchen das Führungsteil 68 aus metallischem Material, wie Edelstahl, gebildet ist, wird vorzugsweise ein Gleitmechanismus vorgesehen, der zur Aufrechterhaltung eines kontaktfreien Zustands zwischen der Mehrzahl gestapelter Zelleneinheiten 14 und dem Führungsteil 68 befähigt ist, weil das Führungsteil 68 mit dem Gleitmechanismus rückwärts gleiten kann, um einen Kurzschluß aufgrund eines Kontakts zwischen der Mehrzahl gestapelter Zelleneinheiten 14 und dem Führungsteil 68 zu verhindern. Demgemäß kann die Prüfung der Leistungserzeugung durchgeführt werden, ohne das Führungsteil 68 von der Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen abzunehmen.
Während der Prüfung der Leistungserzeugung kann, wenn es erforderlich ist, den Brennstoffzellenstapel 12 wegen der Kontaktfreiheit zwischen der Mehrzahl der gestapelten Zelleneinheiten 14 und dem Führungsteil 68 festzuhalten, ein den Gleitmechanismus aufweisendes Halteteil vorgesehen werden, das aus einem Isoliermaterial besteht und den Brennstoffzellenstapel 12 aufnimmt und festhält. Dies ist eine besonders wichtige Überlegung wenn die Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen eine horizontale Bauart aufweist, weil es dann insbesondere notwendig ist, den Brennstoffzellenstapel 12 festzuhalten. Das oben beschriebene Kunstharzmaterial, keramische Material oder dergleichen kann als Isoliermaterial verwendet werden. Der obige Gleitmechanismus kann ein Gleitmechanismus sein, wie er im allgemeinen für bewegliche Teile benutzt wird.
Ein in einer zweiten Grundplatte 72 angeordneter Druckzylinder 70 dient als Preßmittel, um Druck auf den Brennstoffzellenstapel 12 auszuüben. Ein Stellglied des Druckzylinders 70 ist durch den Öffnungsabschnitt in der zweiten Endplatte 34 eingeführt und befähigt, auf den Brennstoffzellenstapel 12 Druck über das Federgehäuse 36 und dergleichen auszuüben. Dies kann die Dichtungseigenschaften zwischen den Zelleneinheiten 14, zwischen den Zelleneinheiten 14 und der Stromsammelplatte 16, zwischen der Stromsammelplatte 16 und der Endplatte und dergleichen in Bezug auf ein Brenngas für die Prüfung, ein Oxidationsmittelgas für die Prüfung und ein Kühlmittel verbessern, Ein üblicher hydraulischer Servozylinder oder dergleichen kann als Druckzylinder 70 benutzt werden. Die Preßmittel sind natürlich nicht auf den Druckzylinder 70 beschränkt und es kann Druck auf den Brennstoffzellenstapel 12 auch durch Anwendung anderer Mittel ausgeübt werden, wie beispielsweise eine Kugelumlaufspindel oder dergleichen.
Ein Druckpunkt für die Druckausübung auf den Brennstoffzellenstapel 12 mittels des Druckzylinders 70 und über das Federgehäuse 36 und dergleichen ist vorzugsweise und beispielsweise an einer anderen Stelle vorgesehen als einem Druckpunkt zur Einstellung einer Belastung mittels einer Lasteinstellschraube 76, die in der zweiten Endplatte 34 vorgesehen ist. Deshalb kann die Spannplatte 40 an der ersten Spannplatte 20 und der zweiten Endplatte 34 bei einem Zustand angebracht werden, bei welchem auf den Brennstoffzellenstapel 12 eine Belastung nicht durch Ausübung einer Vorbelastung mittels des Druckzylinders 70 übertragen wird. Deshalb kann die Spannplatte 40 leicht in einer vorgegebenen Befestigungsposition angebracht werden, und dies kann die Flexibilität beim Anbringen der Spannplatte 40 verbessern.
Wenn auf der ersten Grundplatte 52 eine Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln 12 vorgesehen ist, wird vorzugsweise für jeden Brennstoffzellenstapel 12 ein Druckzylinder 70 vorgesehen. Wenn beispielsweise zwei Reihen von Brennstoffzellenstapeln 12 auf der ersten Grundplatte 52 vorgesehen sind, wie dies in 3 gezeigt ist, ist an jedem Brennstoffzellenstapel 12 ein Druckzylinder 70 vorgesehen, so daß insgesamt zwei Druckzylinder 70 an der zweiten Grundplatte 72 angebracht sind. Weil dadurch, daß auf diese Weise für jeden Brennstoffzellenstapel 12 ein Druckzylinder 70 vorgesehen ist, die Belastung individuell ausgeübt werden kann, ist es möglich, die auf jeden der Brennstoffzellenstapel 12 ausgeübte Belastung leichter einzustellen, als wenn ein einheitlicher Druck auf die Mehrzahl der Reihen von Brennstoffzellenstapeln 12 mittels eines einzigen Druckzylinders 70 ausgeübt wird.
Ein Verfahren für den Zusammenbau und die Prüfung der Brennstoffzelle 10 wird nun beschrieben. Zunächst werden die erste Endplatte 20 und die zweite Endplatte 34 in die Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen eingesetzt. Die erste Endplatte 20 wird dann an der ersten Grundplatte 52 befestigt. Sodann werden die Brenngaszuführöffnung 22, der Brenngasableitungsöffnung 24, der Zuführöffnung 26 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, der Ableitungsöffnung 28 für das als Oxidationsmittel dienendes Gas, der Kühlmittelzuführöffnung 30 und der Kühlmittelableitungsöffnung 32, die an der ersten Endplatte 20 vorgesehen sind, jeweils mit der Brenngasversorgungsleitung 54, der Brenngasabführleitung 56, der Versorgungsleitung 58 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, der Abführleitung 60 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, der Kühlmittelversorgungsleitung 62 und der Kühlmittelabführleitung 64 verbunden.
Die Stromsammelplatte 16 wird an der ersten Endplatte 20 angeordnet, die Mehrzahl der Zelleneinheiten 14 werden auf der Stromsammelplatte 16 gestapelt, indem sie in Stapelrichtung durch das Führungsteil 68 geführt werden. Eine weitere Stromsammelplatte 16 wird auf die Mehrzahl von gestapelten Zelleneinheiten 14 aufgelegt und das Isolierelement 38 oberhalb dieser weiteren Stromsammelplatte 16 angeordnet. Dann wird das Federgehäuse 36 auf dem Isolierelement 38 angeordnet, so daß der Brennstoffzellenstapel 12 ausgebildet ist.
Eine Leistungserzeugungsprüfung der Zelleneinheit 14 wird dadurch ausgeführt, daß durch den Druckzylinder 70 über das Federgehäuse 36 ein Druck mit vorgegebener Last auf den Brennstoffzellenstapel 12 ausgeübt wird. Die 4 zeigt ein Leistungserzeugungsprüfverfahren für die Zelleneinheit 14 in der Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen. Weil das Führungsteil 68 aus einem Isoliermaterial besteht, kann eine Leistungserzeugungsprüfung der Zelleneinheit 14 ohne Entfernung des Führungsteils 68 von der Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen erfolgen.
Zunächst werden eine Versorgungseinheit 74 für die Zufuhr eines Brenngases für die Prüfung, eines Oxidationsmittelgases für die Prüfung und eines Kühlmittels für die Prüfung und die Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen mit einander mittels eines Verbindungsstücks 75 der Versorgungseinheit und des Verbindungsstücks 66 der Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen verbunden. Demgemäß werden die Brenngasversorgungsleitung 54, die Brenngasabführleitung 56, die Versorgungsleitung 58 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, die Abführleitung 60 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, die Kühlmittelversorgungsleitung 62 und die Kühlmittelabführleitung 64, die in der Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen enthalten sind, jeweils mit einer in die Versorgungseinheit 74 einbezogenen Brenngasversorgungsleitung 78, Brenngasabführleitung 80, Versorgungsleitung 82 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, Abführleitung 84 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, Kühlmittelversorgungsleitung 86 und Kühlmittelabführleitung 88 verbunden.
Eine Leistungserzeugungsprüfung der Zelleneinheit 14 wird wie folgt durchgeführt: ein Brenngas für die Prüfung wird über die Brenngasversorgungsleitung 54 dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt; ein als Oxidationsmittel dienendes Gas wird über die Versorgungsleitung 58 für das als Oxidationsmittel dienende Gas dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt; ein Kühlmittel wird über die Kühlmittelversorgungsleitung 62 dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt; ein Reaktionsgas, das einer elektrochemischen Reaktion unterzogen wurde, wird vom Brennstoffzellenstapel 12 über die Brenngasabführleitung 56 und die Abführleitung 60 für das als Oxidationsmittel dienende Gas abgeführt und ein Kühlmittel wird, nachdem es der Kühlung gedient hat, aus dem Brennstoffzellenstapel 12 über die Kühlmittelabführleitung 64 abgeleitet. Falls bei einer Leistungserzeugungsprüfung der Zelleneinheit 14 ein fehlerhaftes Erzeugnis festgestellt wird, wird die Belastung durch den Druckzylinder 70 aufgehoben und das fehlerhafte Erzeugnis wird dann entfernt und ersetzt.
Nach der Leistungserzeugungsprüfung der Zelleneinheit wird die Brennstoffzelle 10 durch Befestigung der zweiten Endplatte 34 am Brennstoffzellenstapel 12 zusammengebaut. In einem Zustand, in welchem eine Vorbelastung durch den Druckzylinder 70 auf den Brennstoffzellenstapel 12 einwirkt, werden die beiden, auf der zweiten Endplatte 34 vorgesehenen Lasteinstellschrauben 76 mit dem Federgehäuse 36 verbunden. Dann wird in einem Zustand, in dem die Vorbelastung auf den Brennstoffzellenstapel 12 ausgeübt wird, die Spannplatte 40 an der ersten Endplatte 20 und der zweiten Endplatte 34 mit Bolzen oder dergleichen befestigt. Nach dem Anbringen der Spannplatte 40 wird der Brennstoffzellenstapel 12 mit den beiden Lasteinstellschrauben 76 zentriert. Danach wird die durch den Druckzylinder 70 auf den Brennstoffzellenstapel 12 ausgeübte Vorbelastung aufgehoben und dann die Belastung des Brennstoffzellenstapels 12 unter Verwendung der Lasteinstellschrauben 76 eingestellt. Die Belastung des Brennstoffzellenstapels 12 wird mit dem Federgehäuse 36 gemessen. Nachdem die Belastung des Brennstoffzellenstapels 12 eingestellt ist, ist der Zusammenbau der Brennstoffzelle 10 vollendet.
Nachfolgend wird eine Leistungserzeugungsprüfung der Brennstoffzelle 10 für die zusammengebaute Brennstoffzelle 10 durchgeführt. Die 5 ist eine Ansicht, die eine Verfahren zur Leistungserzeugungsprüfung der Brennstoffzelle 10 in der Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen zeigt. Die Leistungserzeugungsprüfung wird mit der an der Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen befestigten Brennstoffzelle 10 durchgeführt. Bei der Leistungserzeugungsprüfung der Brennstoffzelle 10 kann auch der Leistungserzeugungstest durchgeführt werden, ohne das Führungsteil 68 von der Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen abzunehmen.
Zunächst wird bei der Leistungserzeugungsprüfung der Brennstoffzelle 10 wie bei der Leistungserzeugungsprüfung der Zelleneinheit die Versorgungseinheit 74 zur Zufuhr eines Brenngases für die Prüfung, eines Oxidationsmittelgases für die Prüfung und eines Kühlmittels für die Prüfung und die Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen mit einander durch das Verbindungsstück 75 der Versorgungseinheit 74 und das Verbindungsstück 66 der Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen verbunden. Demgemäß werden die jeweils in die Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen einbezogene Brenngasversorgungsleitung 54, die Brenngasabführleitung 56, die Versorgungsleitung 58 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, die Abführleitung 60 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, die Kühlmittelversorgungsleitung 62 und die Kühlmittelabführleitung 64 mit der Brenngasversorgungsleitung 78, Brenngasabführleitung 80, Versorgungsleitung 82 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, Abführleitung 84 für das als Oxidationsmittel dienende Gas, Kühlmittelversorgungsleitung 86 und Kühlmittelabführleitung 88 verbunden, die jeweils in die Vorsorgungseinheit 74 einbezogen sind.
Dann wird die Leistungserzeugungsprüfung der Brennstoffzelle 10 wie folgt durchgeführt: ein Brenngas für die Prüfung wird über die Brenngasversorgungsleitung 54 dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt, ein als Oxidationsmittel dienendes Gas für die Prüfung wird über die Versorgungsleitung 58 für das als Oxidationsmittel dienende Gas dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt und ein Kühlmittel für die Prüfung wird über die Kühlmittelversorgungsleitung 62 dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt, ein einer elektrochemischen Reaktion unterzogenes Reaktionsgas wird vom Brennstoffzellenstapel 12 über die Brenngasabführleitung 56 und die Abführleitung 60 für das als Oxidationsmittel dienende Gas abgeleitet und das durch die Brennstoffzelle 10 geführte Kühlmittel für die Prüfung wird vom Brennstoffzellenstapel 12 über die Kühlmittelabführleitung 64 abgeleitet. Eine in Bezug auf die Leistungserzeugung geprüfte Brennstoffzelle 10 wird aus der Vorrichtung 50 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen entnommen und in einem Gehäuse für eine Brennstoffzelle befestigt.
Deshalb kann durch die oben beschriebene Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen der Arbeitsaufwand für den Zusammenbau und die Prüfung jeder Zelle reduziert und die Produktivität bei der Fertigung der Brennstoffzelle verbessert werden, weil die Prüfung der Leistungserzeugung der Zelleneinheiten, der Zusammenbau der Brennstoffzelle und Leistungserzeugungsprüfung der Brennstoffzelle durch die Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen allein durchgeführt werden kann.
Durch Anwendung der oben beschriebenen Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen, in der der Brenngasversorgungskanal, der Brenngasabführkanal, der Versorgungskanal für das als Oxidationsmittel dienende Gas, der Abführkanal für das als Oxidationsmittel dienende Gas, der Kühlmittelversorgungskanal und der Kühlmittelabführkanal direkt durch die in der Grundplatte vorgesehenen Öffnungen mit der ersten Endplatte verbunden sind, kann eine Leckage eines Brenngases für die Prüfung, eines als Oxidationsmittel dienenden Gases für die Prüfung und eines Kühlmittels für die Prüfung verhindert werden, selbst wenn die erste Endplatte durch die Spannplatte gebogen oder verzogen wird.
Durch die Anwendung der obigen Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen kann das Führungsteil zur Führung der Mehrzahl gestapelter Zelleneinheiten in der Stapelrichtung, das aus Isoliermaterial gefertigt ist, einen Kurzschluß zwischen den Zelleneinheiten und dem Führungsteil während der Leistungserzeugungsprüfung der Zelleneinheiten und während der Leistungserzeugungsprüfung der Brennstoffzelle verhindern und die Leistungserzeugungsprüfung kann ohne Entfernung des Führungsteils von der Vorrichtung für die Montage und Prüfung erfolgen.
Durch die Anwendung der oben beschrieben Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen, bei der der Gleitmechanismus vorgesehen ist, der in der Lage ist, einen kontaktfreien Zustand zwischen dem Führungsteil und den Zelleneinheiten aufrecht zu erhalten, kann ein Kurzschluß zwischen den Zelleneinheiten und dem Führungsteil während der Leistungserzeugungsprüfung verhindert werden, und die Leistungserzeugungsprüfung kann ohne Entfernung des Führungsteils von der Vorrichtung für die Montage und Prüfung durchgeführt werden, selbst wenn das Führungsteil aus elektrisch leitendem Material, wie einem metallischen Material, besteht.
Eine Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Die 6 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen. In der folgenden Beschreibung sind Elemente, die jenen in der obigen Beschreibung entsprechen, durch gleiche Bezugszahlen gekennzeichnet und ihre detaillierte Beschreibung wird nicht wiederholt. Die Vorrichtung 100 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen umfaßt einen Preßflächenfolgemechanismus 102, der einer Neigung einer Endfläche im Brennstoffzellenstapel 12 folgt. Die 7 ist eine Seitenansicht, die eine Gestaltung des Preßflächenfolgemechanismus 102 zeigt, wie sie in die Vorrichtung 100 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen eingeschlossen ist.
Der Preßflächenfolgemechanismus 102, der einen ersten metallischen Basisabschnitt 104 einschließt, der am Druckzylinder 70 befestigt ist, und einen zweiten metallischen Basisabschnitt 106 zur Druckausübung auf das Federgehäuse 36, kann Druck gleichmäßiger auf eine geneigte Endfläche ausüben, selbst wenn die Endfläche des Brennstoffzellenstapels 12 schräg gestellt oder geneigt ist. Der erste metallische Basisabschnitt 104 ist mit einem Innengewinde oder dergleichen zur Befestigung am Druckzylinder 70 versehen. Der zweite metallische Basisabschnitt 106 ist mit einer Mehrzahl von Druckstangen 107 versehen, um Druck auf das Federgehäuse 36 auszuüben. Die Druckstangen 107 werden über die in der zweiten Endplatte 34 vorgesehenen Öffnungen eingeführt, um den Druck auf das Federgehäuse 36 zu übertragen.
Der erste metallische Basisabschnitt 104 und der zweite metallische Basisabschnitt 106 sind gleitfähig miteinander verbunden, um den Druck gleichmäßiger auf die geneigte Endfläche z übertragen, selbst wenn eine Neigung der Endfläche des Brennstoffzellenstapels auftritt. Ein konkaves Element 108 ist am ersten metallischen Basisabschnitt 104 vorgesehen und ein konvexes Element 110 am zweiten metallischen Basisabschnitt. Die 8 ist eine schematische Darstellung des konkaven Elements 108 des ersten metallischen Basisabschnitts 104. Die 8(A) ist eine Draufsicht auf das konkave Element 108 und 8(B) eine Schnittansicht des konkaven Elements 108 gemäß der Linie X-X. Das konkave Element 108 ist mit einer konkaven Oberfläche 112 versehen, die in Kontakt mit dem konvexen Element 110 steht, und einer Mehrzahl von Befestigungslöchern 113. Die 9 ist eine schematische Darstellung des konvexen Elements 110 der zweiten metallischen Basis 106. Die 9(A) ist eine Draufsicht auf das konvexe Element 110 und die 9(B) eine Schnittansicht des konvexen Elements 110 gemäß der Linie Y-Y. Das konvexe Element 110 ist mit einer konvexen Oberfläche 114 versehen, die in Kontakt mit dem konkaven Element 108 steht, sowie mit einer Mehrzahl von Befestigungslöchern 115.
Der erste metallische Basisabschnitt 104 und der zweite metallische Basisabschnitt 106 sind durch den Kontakt der konkaven Oberfläche 112 des konkaven Elements 108 des ersten metallischen Abschnitts 104 mit der konvexen Oberfläche 114 des konvexen Elements 110 des zweiten metallischen Basisabschnitts 106 gleitfähig miteinander verbunden. Falls die Endfläche des Brennstoffzellenstapels sich neigt, bewegen sich gleitend die konkave Oberfläche 112 des konkaven Elements 108 des ersten metallischen Basisabschnitts 104 und die konvexe Oberfläche 114 des konvexen Elements 110 des zweiten metallischen Basisabschnitts 106 relativ zueinander und der Preßflächenfolgemechanismus 102 folgt der Neigung der Endfläche des Brennstoffzellenstapels 12, wodurch sichergestellt wird, daß der Druck gleichförmiger auf die geneigte Endfläche übertragen wird.
Vorzugsweise ist die konkave Oberfläche 112 des konkaven Elements 108 des ersten metallischen Basisabschnitts 104 eine konkave Kugelfläche, und die konvexe Oberfläche 114 des konvexen Elements 110 des zweiten metallischen Basisabschnitts 106 ist eine konvexe Kugelfläche. Durch eine derartige Konstruktion kann der Preßflächenfolgemechanismus 102 der geneigten Endfläche im allgemeinen um ein Zentrum der Endfläche als einem Rotationszentrum folgen, selbst wenn eine Neigung der Endfläche des Brennstoffzellenstapels 12 auftritt. Selbstverständlich ist die konkave Oberfläche 112 des konkaven Elements 108 beim ersten metallischen Basisabschnitt 104 nicht auf eine konkave Kugelfläche beschränkt und die konvexe Oberfläche 114 des konvexen Elements 110 beim zweiten metallischen Basisabschnitt 106 ist nicht auf eine konvexe Kugelfläche beschränkt, über deren Konstruktion kann jeweils unter Berücksichtigung anderer Bedingungen entschieden werden. Überdies kann die konkave Oberfläche einstückig mit dem ersten konkaven Basisabschnitt 104 ausgebildet werden und die konvexe Oberfläche kann einstückig mit dem zweiten metallischen Basisabschnitt 106 ausgebildet werden. Abhängig von anderen Bedingungen kann die konvexe Oberfläche am ersten metallischen Basisabschnitt 104 und die konkave Oberfläche am zweiten metallischen Basisabschnitt 106 ausgebildet werden.
Es wird nun eine Aktion des Preßflächenfolgemechanismus 102 beschrieben. Die 10 ist eine Seitenansicht, die einen Zustand zeigt, bei welchem die Zelleneinheiten 14 und dergleichen in der Vorrichtung 100 für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen gestapelt sind. Die Zelleneinheiten 14 und dergleichen sind längs des Führungsteils 68 gestapelt. Die Länge A von einem zum anderen Ende auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels 12 mit den gestapelten Zelleneinheiten und die Länge B auf dessen anderer Seite können unterschiedlich sein. In einem solchen Fall verläuft die Endfläche des Brennstoffzellenstapels 12 schräg oder geneigt.
Die 11 ist eine Seiteansicht die eine Aktion des Preßflächenfolgemechanismus 102 zeigt, wenn eine Länge A auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels kürzer ist als eine Länge B auf dessen anderer Seite (Länge A < Länge B). Wenn die Länge A auf einer Seite kürzer ist als die Länge B auf der anderen Seite, gleiten im Preßflächenfolgemechanismus 102 die konkave Oberfläche 112 des konkaven Elements 108 des ersten metallischen Basisabschnitts 104 und die konvexe Oberfläche 114 des konvexen Elements des zweiten metallischen Basisabschnitts 106 derart, daß auf den Brennstoffzellenstapel 12 Druck ausgeübt wird, wenn der zweite metallische Basisabschnitt mit einem vorgegebenen Winkel α nach der Seite mit der Länge B geneigt ist. Demgemäß kann der Druck gleichmäßiger auf den Brennstoffzellenstapel 12 übertragen werden, selbst wenn die Länge A der einen Seite kürzer ist als die Länge B der anderen Seite.
Die 12 ist eine Seitenansicht, die eine Aktion des Preßflächenfolgemechanismus 102 zeigt, wenn eine Länge A auf einer Seite des Brennstoffzellenstapels 12 länger ist als eine Länge B auf dessen anderer Seite (Länge A > B). Wenn die Länge A auf der einen Seite länger ist als die Länge B auf der anderen Seite gleiten im Preßflächenfolgemechanismus 102 die konkave Oberfläche 112 des konkaven Elements 108 des ersten metallischen Basisabschnitts 104 und die konvexe Oberfläche 114 des konvexen Elements des zweiten metallischen Basisabschnitts 106 derart, daß auf den Brennstoffzellenstapel 12 Druck ausgeübt wird, wenn der zweite metallische Basisabschnitt mit einem vorgegebenen Winkel α nach der Seite mit der Länge A geneigt ist. Demgemäß kann der Druck gleichmäßiger auf den Brennstoffzellenstapel 12 übertragen werden, selbst wenn die Länge A der einen Seite länger ist als die Länge B der anderen Seite.
Nachdem auf den Brennstoffzellenstapel 12 Druck ausgeübt ist, wird der Preßflächenfolgemechanismus 102 derart positioniert, daß die an der zweiten Endplatte 34 vorgesehenen Lasteinstellschrauben entsprechend der Neigung der Endfläche des Brennstoffzellenstapels 12 positioniert sind und der Druck durch den Druckzylinder 70 wird dann gelöst.
Wenn die vorstehend beschriebene, einen Preßflächenfolgemechanismus umfassende Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen angewandt wird, kann ein einheitlicher Druck auf die Endfläche einer Brennstoffzelle ausgeübt werden, selbst wenn die Endfläche des Brennstoffzellenstapels geneigt oder schräg ist.
Zusammenfassung
VORRICHTUNG FÜR DIE MONTAGE UND PRÜFUNG VON BRENNSTOFFZELLEN
Eine Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen, die eine erste Grundplatte umfaßt, auf der ein Brennstoffzellenstapel angebracht werden kann, der eine Stromsammelplatte einschließt, die auf einer ersten Endplatte angeordnet ist, und eine Mehrzahl von auf der Stromsammelplatte gestapelten Zelleneinheiten; und einen Druckzylinder zum Pressen des Brennstoffzellenstapels, fügt eine Brennstoffzelle durch Befestigung einer zweiten Endplatte an einem gepreßten Brennstoffzellenstapel zusammen. Die Vorrichtung ist mit einer Brenngasversorgungsleitung, einer Brenngasabführleitung, einer Versorgungsleitung für ein als Oxidationsmittel dienendes Gas, einer Abführleitung für ein als Oxidationsmittel dienendes Gas, einer Kühlmittelversorgungsleitung und einer Kühlmittelabführleitung ausgestattet, die jeweils mit einer Brenngasversorgungsöffnung, einer Brenngasabführöffnung, einer Versorgungsöffnung für ein als Oxidationsmittel dienendes Gas, einer Abführöffnung für die ein als Oxidationsmittel dienendes Gas, einer Kühlmittelversorgungsöffnung und einer Kühlmittelabführöffnung verbunden sind, die an der ersten Endplatte vorgesehen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2001-23665 [0003]

Claims

Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen umfassend: eine Grundplatte zur Befestigung eines Brennstoffzellenstapels umfassend eine erste Endplatte, eine auf der ersten Endplatte angeordnete Stromsammelplatte, und eine Mehrzahl von auf der Stromsammelplatte gestapelten Zelleneinheiten; und Druckmittel zum Pressen des Brennstoffzellestapels, wobei die Vorrichtung eine Brennstoffzelle durch Befestigung einer zweiten Endplatte an einem gepreßten Brennstoffzellenstapel zusammenfügt, und umfaßt einen Brenngasversorgungskanal für die Zufuhr eines Brenngases für die Prüfung zum Brennstoffzellenstapel, einen Brenngasabführkanal für die Ableitung eines Brenngases für die Prüfung aus dem Brennstoffzellenstapel, einen Versorgungskanal für die Zufuhr eines als Oxidationsmittel dienenden Gases für die Prüfung zum Brennstoffzellenstapel, einen Abführkanal für die Ableitung eines als Oxidationsmittel dienenden Gases für die Prüfung vom Brennstoffzellenstapel, einen Kühlmittelversorgungskanal für die Zufuhr eines Kühlmittels für die Prüfung zum Brennstoffzellenstapel, und einen Kühlmittelabführkanal für die Ableitung eines Kühlmittels für die Prüfung aus dem Brennstoffzellenstapel, und wobei der Brenngasversorgungskanal, der Brenngasabführkanal, der Versorgungskanal für die Zufuhr eines als Oxidationsmittel dienenden Gases, der Abführkanal für die Ableitung eines als Oxidationsmittel dienenden Gases, der Kühlmittelversorgungskanal und der Kühlmittelabführkanal jeweils mit einer Brenngasversorgungsöffnung, einer Brenngasabführöffnung, einer Versorgungsöffnung für ein als Oxidationsmittel dienendes Gas, einer Abführöffnung für die ein als Oxidationsmittel dienendes Gas, einer Kühlmittelversorgungsöffnung und einer Kühlmittelabführöffnung verbunden sind, die an der ersten Endplatte vorgesehen sind.
Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen nach Anspruch 1, bei welcher der Brenngasversorgungskanal, der Brenngasabführkanal, der Versorgungskanal für die Zufuhr eines als Oxidationsmittel dienenden Gases, der Abführkanal für die Ableitung eines als Oxidationsmittel dienenden Gases, der Kühlmittelversorgungskanal und der Kühlmittelabführkanal jeweils durch in einer Grundplatte vorgesehene Öffnungen mit der Brenngasversorgungsöffnung, der Brenngasabführöffnung, der Versorgungsöffnung für ein als Oxidationsmittel dienendes Gas, der Abführöffnung für ein als Oxidationsmittel dienendes Gas, der Kühlmittelversorgungsöffnung und der Kühlmittelabführöffnung verbunden sind, die an der ersten Endplatte vorgesehen sind.
Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen nach Anspruch 1, bei welcher die Ausstattung weiter umfaßt ein Führungsteil zur Führung einer Mehrzahl gestapelter Zelleneinheiten in einer Stapelrichtung und ausgebildet aus einem Isoliermaterial.
Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen nach Anspruch 1, bei welcher die Ausstattung weiter umfaßt ein Führungsteil zur Führung einer Mehrzahl gestapelter Zelleneinheiten in einer Stapelrichtung, und einen Gleitmechanismus zur Aufrechterhaltung eines kontaktfreien Zustands zwischen der Mehrzahl gestapelter Zelleneinheiten und dem Führungsteil während einer Leistungserzeugungsprüfung.
Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen nach Anspruch 1, bei welcher die zweite Endplatte am Brennstoffzellenstapel mittels einer Spannplatte befestigt ist.
Vorrichtung für die Montage und Prüfung von Brennstoffzellen nach Anspruch 1, bei welcher Zusammenbau und Prüfung der Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln gleichzeitig ausgeführt wird.