DE60204309T2

DE60204309T2 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE60204309T2
Application number: DE60204309T
Authority: DE
Inventors: Ching-Ho Colin CHEN; Walter Frank POPIELAS; G. Kanu SHAH; F. Dennis PERSON
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Automotive Systems Group LLC
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2022-02-23
Also published as: EP1511104A1; AU2002252067A1; WO2002069416A2; CN1297024C; WO2002069416A3; US20020119362A1; CN1528025A; DE60204309D1; EP1386370A2; KR20040008128A; CA2437835A1; US6605380B2; BR0207214A; EP1386370B1; MXPA03007465A; JP2004522261A; ATE296486T1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte Brennstoffzellenanordnungen zum Erzeugen von Leistung bzw. Energie und, genauer gesagt, verbesserte Dichtungsstrukturen, die auf einzelne Brennstoffzellenplatten angewendet werden, die über Bolzenverbindungen aneinander befestigt sind.
Beschreibung des Standes der Technik
Es ist bekannt, elastische Dichtungswulste an die Flächen von Brennstoffzellenplatten zur Steuerung von Fluidflüssen zwischen einer Vielzahl von solchen Platten anzuwenden, die für einen solchen Zweck gestapelt und über Bolzen verbunden sind. Bei einer typischen Brennstoffzellenanordnung werden während des herkömmlichen Zusammenbaus einer Brennstoffzellenvorrichtung Vielzahlen von solchen Platten parallel in Sandwichbauweise mit einem Fläche-an-Fläche-Muster zusammen angeordnet. Die Platten werden durch elastische Dichtungswulste voneinander beabstan det gehalten, die klebend bzw. haftend an die Fläche von wenigstens einer von irgendwelchen zwei benachbarten Platten bondiert bzw. geklebt sind. Die Dichtungswulste definieren Pfade oder Kanäle für Fluide, um zwischen den Platten zu fließen, und somit werden Fluidelektrolyte zum Transferieren von Energie auf diese Weise verwendet, wie es von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt werden wird.
Die Zellenplatten, die bei der gewöhnlichen Brennstoffzelle verwendet werden, sind spröde, da sie typischerweise aus Zusammensetzungen ausgebildet sind, die Graphit enthalten. Somit muss während einer Brennstoffzellenkonstruktion, -herstellung oder -reparatur besonders in Bezug auf die Handhabung der Platten aufgepasst werden, um sicherzustellen, dass die spröden Platten nicht beschädigt oder gefährdet sein werden. Ein solches Aufpassen erstreckt sich sogar auf die Handhabung nach einer Herstellung der Brennstoffzelle um ein physikalisches Biegen oder Zerbrechen der spröden Platten zu vermeiden.
Der Punkt der Sprödigkeit wird insbesondere durch die Verwendung von Bolzenverbindungen durch Öffnungen verschlimmert, die über die Peripherie bzw. den Umfang der gestapelten Platten verteilt sind. In solchen Fällen können die Öffnungen um signifikante Abstände von den mittleren Bereichen der Platten beabstandet sein, die die Fluid-Dichtungswulste enthalten, die dazu geeignet sind, Flüsse von Elektrolyten zwischen den Platten zu steuern. Somit kann das Drehen der Schraubeb- bzw. Bolzenverbindungen zur Befestigung der Platten aneinander tatsächlich Biegemomente in den Platten einführen, da die dazwischen positionierten Fluid-Dichtungswulste dazu neigen, der Befestigung bzw. dem Anziehen von Bolzen um die peripheren Ränder der Platten entgegenzuwirken. Solche Momente neigen dazu, möglicherweise zu einem Zerbrechen der spröden Platten zu führen, und zwar insbesondere während irgendeiner Behandlung von Brennstoffzellenstrukturen nach einer Herstellung, wie es angegeben ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, wie sie im Anspruch 1 beansprucht ist.
Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Brennstoffplattenkonstruktion zur Verfügung, wobei eine Dichtungswulstdicke über den Oberflächenbereich der Platte gesteuert wird, einschließlich derjenigen Bereiche um Bolzenöffnungen, die zum Befestigen der Platten aneinander verwendet werden, bei einer Anstrengung zum Abmildern einer Überspannung oder eines Zerbrechens der normalerweise spröden Platten. Somit wird eine Vielzahl von parallelen, gestapelten Platten, die die vorliegende Erfindung verkörpern, durch eine Vielzahl von diskreten bzw. getrennten Dichtungswulsten getrennt, die über wenigstens einer von irgendwelchen zwei einander gegenüberliegenden Platten angeordnet sind. Bei einer bevorzugten Form werden die Dichtungswulste auf die Flächen der Platten durch Siebdrucktechniken aufgetragen, um genaue Dicken zu erzeugen. Die Dichtungswulste sind elastisch, vorzugsweise aus elastischem Material, ausgebildet und haben veränderte Dicken oder Plattenflächenhöhen, um Variationen bezüglich Spannungspegeln unterzubringen, die dann erzeugt werden, wenn solche Platten unter herkömmlichen Brennstoffzellenherstellungstechniken miteinander verschraubt bzw. durch Bolzen aneinander angebracht werden. Somit sind die Wulste auf eine Installation einer Vielzahl von Brennstoffzellenplatten über Bolzenverbindungen miteinander hin dazu geeignet, erwünschte Trennungen bzw. Abstände zwischen den gestapelten Platten beizubehalten.
In Bezug darauf, dass die Bereiche mit der höchsten lokalisierten Spannung typischerweise in Bereichen auftreten, die direkt neben Bolzenöffnungen sind, stellt diese Erfindung Dichtungswulste von niedrigeren Höhen oder Dicken um die Bolzenöffnungen als für die Fluid-Dichtungswulste zur Verfügung, die entfernt von den Bolzenöffnungen beabstandet sind und normalerweise dazu geeignet sind, Fluidflüsse unterzubringen. Bei demselben bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Dichtungswulste um die Bolzenöffnungen breiter, obwohl von geringerer Dicke, als die Fluid-Dichtungswulste. Somit haben die Brennstoffzellenplatten dieser Erfindung kompensierende Dicken und Breiten der Dichtungswulste um die Bolzenöffnungen relativ zu Fluid-Dichtungswulsten, die die gemeinsame Platte gemeinsam nutzen, um Spannungsbrüche und eine zugehörige vorzeitige Verschlechterung der Brennstoffzellenplatten zu minimieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffzellenplatte des Standes der Technik, welche nur Fluid-Dichtungswulste enthält; d. h. Dichtungswuls te nur in Bereichen, die von Öffnungen beabstandet sind oder nicht zu ihnen gehören.
2 ist eine Querschnittsansicht entlang Linien 2-2 der 1.
3 ist eine Draufsicht auf eine Brennstoffzellenplatte eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, welche Platte Dichtungswulste von variierten Höhen oder Dicken in sowohl Fluidpfadbereichen sowie auch um die Bolzenöffnungsbereiche enthält.
4 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linien 4-4 der 3.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nimmt man zuerst Bezug auf die 1 und 2, ist eine Brennstoffzellenplatte 10 nach dem Stand der Technik gezeigt, welche angrenzende Längen eines herkömmlichen einzelnen Fluid-Dichtungswulstes 16 enthält, der aus einer Breite und einer Höhe ausgebildet ist, die für eine geeignete Steuerung von Elektrolytflüssen in Fluidpfadbereichen 18 zwischen den Wulsten geeignet sind, nachdem die Platten 10 und 12 aneinandergeschraubt worden sind. Die Platte 12 ist wulstlos, wie es gezeigt ist, obwohl dann, wenn sie ein Teil einer Vielzahl von Brennstoffzellenplatten mit einer Brennstoffzelle ist, die Platte 12 wahrscheinlich einen angrenzenden Wulst 16 ähnlich zu demjenigen enthalten würde, der an der Platte 10 angeordnet ist.
Nimmt man nun insbesondere Bezug auf 2, ist ein Paar von paarweisen Bolzenlochöffnungen 20 der Platten 10 und 12 normalerweise durch Bolzen bzw. Schrauben (nicht gezeigt) aneinander befestigt. Wenn sie angezogen werden, werden die Schrauben bzw. Bolzen die Unterseite 14 der oberen Platte 12 in Richtung nach unten gegen die oberste Seite des elastischen Wulstes 16 ziehen. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass irgendein nachteiliges Überdrehen des Bolzens den Wulst 16 überkomprimieren kann, was veranlassen wird, dass die verschraubten Bereiche (20) der Platten 10 und 12 beabstandet von dem Wulst 16 sind, um sich miteinander zu biegen und unerwünschte Biegespannungen in den Platten zu erzeugen. Wie es angemerkt ist, können solche Spannungen dazu führen, dass die Platten Spannungsbrüche entwickeln, welche letztlich zu einem vorzeitigen Ausfall der Plat ten, und somit der zugehörigen Brennstoffzellenanordnung, führen können, und zwar insbesondere dann, wenn die Platten aus spröden Zusammensetzungen ausgebildet sind, wie beispielsweise denjenigen, die Graphit enthalten.
Nimmt man nun Bezug auf die 3 und 4, ist ein Paar von paarweisen Brennstoffzellenplatten 30 und 32 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konstruiert. Die Bodenplatte 30 enthält elastische Wulste 36 und 38, wie es gezeigt ist. Die oberste Platte 32 ist der Annehmlichkeit der Beschreibung halber wulstlos gezeigt, würde aber auch wahrscheinlich Wulste 36 und 38 enthalten, wenn sie in einen Stapel von parallelen Graphitplatten eingebaut ist, um eine kommerzielle Brennstoffzellenanordnung zu bilden. Brennstoffzellenplatten, wie sie typischerweise bei den Anwendungen verwendet werden, wie sie hierin beschrieben sind, sind in dem Bereich einer Dicke von jeweils einem Viertel Inch und enthalten oft Nuten bzw. Vertiefungen (nicht gezeigt) zum Ermöglichen eines Fluidflusses.
Die Wulste 36 werden Fluid-Dichtungswulste genannt und die angrenzenden Längen der Wulste 36 sind dazu geeignet, geeignete Fluidkanäle 44 und 46 zwischen den Brennstoffzellenplatten 30 und 32 aufrechtzuerhalten, nachdem die letzteren über Öffnungen 40 über Bolzenanschlussstücke (nicht gezeigt) aneinandergeschraubt bzw. über Bolzen aneinander befestigt sind. Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel haben die angrenzenden Fluid-Dichtungwulste 36 eine einheitliche oder einzige Dicke "T", wie es in 4 gezeigt ist. Normalerweise würde die Dicke "T" etwa 0,10 Inch sein.
Die Wulste 38 wirken andererseits eher als Bolzenlastkompensationswulste als als Dichtungswulste. Somit werden die Wulste 38 Lastkompensationswulste genannt, und für diesen Zweck sind die Wulste 38 um jede Bolzenöffnung 40 angeordnet. Die Wulste 38 haben eine einheitliche geringere Dicke "t", um eine höhere vorausgesetzte lokalisierte Belastung bei Bolzenanschlussbereichen (40) der Platten 30 und 32 unterzubringen. Die Dicke "t" ist etwa 0,05 Inch. Die Wulste 38 sind auch wesentlich breiter als die Wulste 36, um die höhere Bolzenanschlussbelastung über einen größeren Bereich auszubreiten. Somit sind die Wulste 38 besonders zum Wirken gegenüber Platten-Biegemomenten geeignet, die zu dem Aneinanderschrauben der Brennstoffzellenplatten 30 und 32 gehören.
Bei dem beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel wirkt der angrenzende Wulst 36 als elastische Trennbarriere zwischen den Platten 32 und 30. Die inneren Grenzen des angrenzenden Wulstes 36 definieren die beschriebenen Brennstoffzellen-Elektrolytfluidkanäle 44 und 46. Solche Kanäle 44 und 46 werden normalerweise auf den mittleren Bereich der Platten begrenzt sein, während die Bolzenlastkompensationswulste 38 normalerweise bei den Öffnungen 40 angeordnet sein werden, die um die peripheren Ränder 48 der Platten 30 und 32 angeordnet sind. Nimmt man nun Bezug auf 4, wird es von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt werden, dass die Lastkompensationswulste 38 von geringerer Dicke als die Dichtungswulste 36 sein müssen. Darüber hinaus wird es besonders vorteilhaft sein, wenn die Wulste 38 auch breiter als die Wulste 38 sind. Somit sind die dünneren aber breiteren Bolzenöffnungskompensationswulste 38 effektiv, um einem Biegen der Platten zu widerstehen. Zum intuitiven Erkennen dieses Konzepts hat man nur die relativen Dicken der jeweiligen Wulste 36 und 38 umzukehren, wie es in 4 gezeigt ist. Es wird dann vollständig realisiert werden, dass ein dickerer Wulst 38 bei den peripheren Rändern 48 der Platten 30 und 32 eine Sicherung der oberen Platte 32 nach unten gegen die oberste Seite des Wulstes 36 nicht ermöglichen würde, um die Kanäle 44 und 46 adäquat abzudichten. Tatsächlich würden die Kompressionskräfte, die durch das Verbolzen bzw. Verschrauben der Öffnungen 40 erzeugt werden, gänzlich um die Ränder 48 der Platten bleiben.
Nimmt man nun insbesondere Bezug auf 3, wird die Ablagerung bzw. die Position der elastischen Wulste 36 und 38, die beide vorzugsweise aus elastischem Material sind, möglicherweise durch einen Siebdruck erreicht. Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass ein Siebdruck sowohl die Dicken als auch die Breiten unterbringen wird, die zum Erreichen der vorgeschlagenen Konfigurationen erforderlich sind.
Schließlich bedenkt diese Erfindung, selbst wenn die Wulste 36 und 38, wie sie beschrieben sind, von einheitlichen Dicken sind, dass die Wulste alternativ dazu als Funktion eines Abstands von den Bolzenlöchern bzw. Bolzenöffnungen variiert werden können. Somit könnte jeder Wulst 36 und 38 variable Dicken haben, die jeweils dazu geeignet sind, Variationen bezüglich einer Plattenspannung als Funktion einer Nähe von jeder Bolzenöffnung zu irgendeinem Teil von einem anderen Wulst zu reduzieren. In jedem Fall würde jedoch der erste Dichtungswulst seine größte Dicke haben, die am weitesten von irgendeiner der Öffnungen weg zeigt, wie es von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt werden wird.
Es ist zu verstehen, dass beabsichtigt ist, dass die obige Beschreibung illustrativ und nicht beschränkend ist. Viele Ausführungsbeispiele werden Fachleuten auf dem Gebiet beim Lesen der obigen Beschreibung offensichtlich werden. Daher sollte der Schutzumfang der Erfindung nicht unter Bezugnahme auf die obige Beschreibung bestimmt werden, sondern stattdessen unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche, zusammen mit dem vollen Schutzumfang von Äquivalenten, zu welchen solche Ansprüche berechtigt sind.

Claims

Vorrichtung mit wenigstens zwei parallel ausgerichteten Platten, die nahe zueinander, doch beabstandet, einander gegenüberliegen, wobei jede der Platten wenigstens eine Bolzenöffnung aufweist, wobei jede Öffnung einer Platte in Ausrichtung mit wenigstens einer Öffnung der anderen Platte ist, einem ersten elastischen Wulst, der über einem Teil der Oberfläche von einer der Platten beabstandet von den Öffnungen angeordnet ist, wobei der Wulst eine erste Dicke hat und dazu geeignet ist, eine elastische Trennbarriere zwischen den Platten zu sein, und wobei die Bereiche einer Trennung auf eine Befestigung der Platten aneinander über Bolzenelemente, die durch die Öffnungen verlaufen, hin abgedichtete Kanäle zwischen den Platten aufweisen; einem zweiten elastischen Wulst, der um die und benachbart zu der Öffnung der einen der Platten angeordnet ist, wobei der zweite elastische Wulst eine zweite Dicke hat, die geringer als die erste Dicke des ersten Wulstes ist, wobei die unterschiedliche Dicke des ersten und des zweiten Wulstes auf eine Befestigung der Platten mittels Bolzen hin eine reduzierte Spannungsausmaßvariation über die gesamten Platten zur Verfügung stellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die elastischen Wulste aus elastischem Material bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der zweite elastische Wulst breiter als der erste Wulst ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Platten Brennstoffzellenplatten sind, die aus relativ sprödem Material ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Platten Brennstoffzellenplatten sind, die aus Graphitmaterial ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei eine Vielzahl der Brennstoffzellenplatten schichtenweise angeordnet ist, wobei jede Platte den ersten und den zweiten elastischen Wulst auf einer Seite davon angeordnet hat.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei eine Vielzahl der Öffnungen in jeder Platte ausgebildet ist, wobei die überwiegende Anzahl der Öffnungen am Rand von irgendeiner gegebenen Platte angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der erste und der zweite elastische Wulst jeweils als Fluidabdichtwulste und Öffnungs/Bolzenlast-Kompensationswulste wirken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite elastische Wulst eine Vielzahl von Dicken haben, die jeweils dazu geeignet sind, Variationen bezüglich einer Plattenspannung als Funktion der Nähe jeder Bolzenöffnung innerhalb der Platte zu dem ersten elastischen Wulst zu reduzieren.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Bolzenöffnungen um den Umfang der Platten angeordnet sind und wobei der erste elastische Wulst eine Dicke hat, die als Funktion der Nähe von irgendeiner der Öffnungen zu dem ersten elastischen Wulst variabel ist, wobei der erste elastische Wulst eine größte Dicke an Stellen hat, die am weitesten entfernt von irgendeiner der Öffnungen sind.