DE69916515T2

DE69916515T2 - Anordnung zur Befestigung eines Stapels von Brennstoffzellenelementen

Info

Publication number: DE69916515T2
Application number: DE69916515T
Authority: DE
Inventors: Narutoshi Wako-shi Sugita; Koji Wako-shi Okazaki; Takeshi Wako-shi Yamagami; Takashi Wako-shi Komura
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1998-02-17
Filing date: 1999-02-16
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2019-02-17
Also published as: JP4031860B2; JPH11233132A; CA2262189A1; CA2262189C; EP0936689A1; US6258475B1; EP0936689B1; DE69916515D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befestigungsstruktur für einen Brennstoffzellenstapel von Brennstoffzellen, welche jeweils eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode umfassen, die in einer einander zugewandten Beziehung beiderseits eines zwischen diesen angeordneten Elektrolyts angeordnet sind, wobei zwischen den gestapelten Brennstoffzellen Separatoren angeordnet sind und an jeweils gegenüberliegenden Enden der Mehrzahl von Brennstoffzellen Endplatten angeordnet sind.
Gut bekannt ist ein Brennstoffzellenstapel, welcher eine Mehrzahl von Brennstoffzellen umfasst, die sich mit Separatoren abwechseln und die jeweils eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode umfassen, die in einander zugewandter Beziehung beiderseits einer zwischen diesen angeordneten Festpolymerlektrolytmembran angeordnet sind. Der bekannte Brennstoffzellenstapel arbeitet wie folgt: Ein der Anodenelektrode zugeführtes wasserstoffhaltiges Gas, d. h. ein Brenngas, wird an einer kathalytischen Elektrode in Wasserstoffionen umgewandelt und die Wasserstoffionen bewegen sich durch die geeignet befeuchtete Festpolymerelektrolytmembran in Richtung zur Kathodenelektrode. Elektronen, welche in Verbindung mit der Bewegung der Wasserstoffionen erzeugt werden, werden einem externen Stromkreis zur Verwendung als elektrische Gleichstromenergie zugeführt. Da der Kathodenelektrode ein oxidierendes Gas, wie ein Sauerstoffgas oder Luft, zugeführt wird, reagieren die Wasserstoffionen, die Elektronen und der Sauerstoff an der Kathodenelektrode zu Wasser.
Nimmt der Kontaktwiderstand in den Brennstoffzellen zu, so verursacht der innere Widerstand einen zunehmenden Verlust, was in einem Abfall der Spannung über dem Brennstoffzellenstapel resultiert. Es ist daher notwendig, Soll-Befestigungskräfte derart auf die Brennstoffzellen auszuüben, dass dadurch der auf die Elektrodenflächen ausgeübte Druck gleichmäßig bereitgestellt wird, um den Kontaktwiderstands zu reduzieren.
Beispielsweise offenbart die japanische offen gelegte Patentveröffentlichung Nr. 58-164168 einen Brennstoffzellenstapel, welcher gestapelte Zellenblöcke, die jeweils einen Stapel von sich mit Separatorplatten abwechselnden Einheitszellen enthalten, zwischen den Zellblöcken angeordnete feste Zwischenplatten sowie ein Paar an jeweils gegenüberliegenden Enden des Zellenblockstapels gelegener Endplatten umfasst. Die gestapelten Zellenblöcke sind aneinander durch Bolzen befestigt, welche durch die Separatorplatten und die Endplatten verlaufen. Abgedichtete Behälter, welche mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, sind zwischen den Zwischen- und Endplatten und den Zellenblöcken eingebracht. Die abgedichteten Behälter sind von einer ausreichenden Größe, um die gesamten Endflächen der zugeordneten Zellenblöcke abzudecken und weisen flexible Endwände auf, die mit diesen Zellenblöcken in Kontakt gehalten sind. Die abgedichteten Behälter sind durch Leitungen miteinander in Fluidverbindung gehalten.
Ein Nachteil des offenbarten Brennstoffzellenstapels liegt jedoch darin, dass aufgrund der Tatsache, dass die mit Flüssigkeit gefüllten abgedichteten Behälter zwischen den Zwischen- und Endplatten und den Zellenblöcken eingebracht sind, Kanäle für ein wasserstoffhaltiges Gas, ein oxidierendes Gas und ein den Zellenblöcken zuzuführendes Kühlmittel nicht in den Zwischen- und Endplatten und den Zellenblöcken definiert werden können. Der Brennstoffzellenstapel muss daher zusätzliche Kanäle aufweisen, welche um die Zwischen- und Endplatten und die Zellenblöcke herum verlaufen, um ein wasserstoffhaltiges Gas, ein oxidierendes Gas und ein Kühlmittel zu führen. Als Ergebnis ist der Brennstoffzellenstapel in seiner gesamten Struktur relativ komplex und er kann nicht gewichtsreduziert und kompakt hergestellt werden.
Ferner sind die Zellenblöcke den jeweiligen mit Flüssigkeit gefüllten, abgedichteten Behältern zugeordnet, welche miteinander in Verbindung stehen. Es ist demzufolge nicht möglich, die Befestigungskräfte individuell für die jeweiligen Zellenblöcke zu regulieren.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Befestigungsstruktur für einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, welche jeweils einen Elektrolyt sowie den Elektrolyt sandwichartig zwischen sich aufnehmende Anoden- und Kathodenelektroden aufweisen, mit Separatoren, welche jede einzelne der Brennstoffzellen sandwichartig zwischen sich aufnehmen, sowie mit Erdplatten, welche an jeweils gegenüberliegenden Enden der Mehrzahl von Brennstoffzellen angeordnet sind, bereit, wobei die Befestigungsstruktur umfasst: eine Flüssigkeitskammer, welche bei Verwendung abgedichtet ist und an einer äußeren Fläche von wenigstens einer der Endplatten fern einer inneren Fläche derselben, die den Brennstoffzellen zugewandt ist, angeordnet ist; eine Flächendruckerzeugungsflüssigkeit, welche in die Flüssigkeitskammer gefüllt ist; und Druckbeaufschlagungsmittel, welche an einer äußeren Fläche der anderen Endplatte fern einer inneren Fläche derselben, die den Brennstoffzellen zugewandt ist, angeordnet sind, zum Drücken der Brennstoffzellen in Richtung zu der einen der Endplatten.
Die vorliegende Erfindung stellt somit zumindestens in seinen bevorzugten Formen eine Befestigungsstruktur für einen Brennstoffzellenstapel bereit, welche dazu geeignet ist, den Brennstoffzellenstapel leichtgewichtig und kompakt bereitzustellen, und welche imstande ist, zuverlässig optimale Befestigungskräfte auf den Brennstoffzellenstapel auszuüben.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun, lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine horizontale Querschnittsansicht eines Brennstoffzellenstapels ist, welcher eine Befestigungsstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält,
2 eine perspektivische Explosionsansicht einer Brennstoffzelle des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels ist,
3 eine perspektivische Ansicht einer Stützplatte der Befestigungsstruktur gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
4 eine ausgebrochene horizontale Querschnittsansicht einer Befestigungsstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
5 eine ausgebrochene horizontale Querschnittsansicht einer Befestigungsstruktur gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
6 eine ausgebrochene horizontale Querschnittsansicht einer Befestigungsstruktur gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist,
7 eine horizontale Querschnittsansicht eines Brennstoffzellenstapels ist, welcher eine Befestigungsstruktur gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält, und
8 eine horizontale Querschnittsansicht eines Brennstoffzellenstapels ist, welcher eine Befestigungsstruktur gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
9 ist eine ausgebrochene horizontale Querschnittsansicht einer Befestigungsstruktur gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
10 ist eine ausgebrochene horizontale Querschnittsansicht einer Befestigungsstruktur gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
11 ist eine ausgebrochene horizontale Querschnittsansicht einer Befestigungsstruktur gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1 gezeigt ist, enthält ein Brennstoffzellenstapel 12 eine Befestigungsstruktur 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 umfasst der Brennstoffzellenstapel 12 einen horizontalen Stapel von Brennstoffzellen 14, welche jeweils zwischen ersten und zweiten Separatoren 16, 18 sandwichartig aufgenommen sind.
Wie in 2 gezeigt ist, umfasst jede der Brennstoffzellen 14 eine Festpolymerelektrolytmembran 20, eine Anodenelektrode 22 und eine Kathodenelektrode 24, die an jeweils gegenüberliegenden Flächen der Festpolymerelektrolytmembran 20 angeordnet sind, sowie erste und zweite Gasdiffusionsschichten 23, 25, die jeweils eine entsprechend an der Anodenelektrode 22 und der Kathodenelektrode 24 angeordnete poröse Schicht, etwa aus Kohlepapier, umfassen.
Die Struktur einer jeden der Brennstoffzellen 14 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 2 im Detail beschrieben.
In einem oberen Bereich der Festpolymerelektrolytmembran 20 ist in dieser ein Loch 26a definiert, um durch dieses ein Brenngas wie etwa ein wasserstoffhaltiges Gas zu führen, ein Loch 26b ist definiert, um durch dieses ein Kühlmittel zu führen und ein längliches Loch 26c ist definiert, um durch dieses ein oxidierendes Gas wie etwa Luft zu führen. In einem unteren Bereich der Festpolymerelektrolytmembran 20 ist in dieser ein Loch 28a definiert, um durch dieses das Brenngas zu führen, ein Loch 28b ist definiert, um durch dieses das Kühlmittel zu führen, und ein längliches Loch 28c ist definiert, um durch dieses ein oxidierendes Gas zu führen. Die Festpolymerelektrolytmembran 20 weist außerdem Positionierlöcher 30a, 30b auf, welche jeweils im oberen und unteren Bereich derselben definiert sind.
In einem oberen Bereich des ersten Separators 16, welcher eine Platte umfasst, ist in diesem ein Loch 32a definiert, um durch dieses das Brenngas zu führen, ein Loch 32b ist definiert, um durch dieses das Kühlmittel zu führen, und ein längliches Loch 32c ist definiert, um durch dieses das oxidierende Gas zu führen. In einem unteren Bereich des ersten Separators 16 ist in diesem ein Loch 34a definiert, um durch dieses das Brenngas zu führen, ein Loch 34b ist definiert, um durch dieses das Kühlmittel zu führen, und ein längliches Loch 34c ist definiert, um durch dieses das oxidierende Gas zu führen. Der erste Separator 16 weist außerdem Positionierlöcher 36a, 36b auf, welche jeweils im oberen und unteren Bereich desselben definiert sind.
Der erste Separator 16 weist eine Fläche 16a auf, welche der Anodenelektrode 22 zugewandt ist. Die Fläche 16a weist eine Mehrzahl von parallelen vertikalen Nuten 38 auf, welche in dieser definiert sind und welche mit den Löchenr 32a, 34a in Verbindung stehen, um das Brenngas durch diese zu führen. Die Nuten 38 dienen als ein Kanal, um das Brenngas von dem Loch 32a zu dem Loch 34a zu führen. Das Brenngas wird durch die Nuten 38 zu der Anodenelektrode 22 zugeführt. Der erste Separator 16 weist eine entgegengesetzte Fläche 16b auf, welche von der Anodenelektrode 22 weg weist. Die Fläche 16b weist eine Mehrzahl von parallelen vertikalen Nuten 40 auf, welche dann definiert sind und mit den Löchern 32b, 34b in Verbindung stehen, um das Kühlmittel durch diese hindurch zu führen.
In einem oberen Bereich des zweiten Separators 18, welcher ebenfalls eine Platte umfasst, sind in diesem ein Loch 42a definiert, um das Brenngas durch dieses hindurch zu führen, ein Loch 42b ist definiert, um das Kühlmittel durch dieses hindurch zu führen, und ein längliches Loch 42c ist definiert, um das oxidierende Gas durch dieses hindurch zu führen. In einem unteren Bereich des zweiten Separators 18 ist in diesem ein Loch 44a definiert, um das Brenngas durch dieses hindurch zu führen, ein Loch 44b ist definiert, um das Kühlmittel durch dieses hindurch zu führen, und ein längliches Loch 44c ist definiert, um das oxidierende Gas durch dieses hindurch zu führen. Im oberen und unteren Bereich des zweiten Separators 18 sind in diesem jeweils Positionierlöcher 46a, 46b definiert.
Der zweite Separator 18 weist eine Fläche 18a auf, welche der Kathodenelektrode 24 zugewandt ist. Die Fläche 18a weist eine Mehrzahl von parallelen vertikalen Nuten 48 auf, welche in dieser definiert sind und mit den Löchern 42c, 44c in Verbindung stehen, um das oxidierende Gas durch diese zu führen. Das oxidierende Gas wird durch die Nuten 48 der Kathodenelektrode 24 zugeführt. Der zweite Separator 18 weist eine entgegengesetzte Fläche 18b auf, welche von der Kathodenelektrode 24 weg weist. Die Fläche 18b weist eine Mehrzahl von parallelen vertikalen Nuten 50 auf, welche in dieser definiert sind und mit den Löchern 42b, 44b in Verbindung stehen, um das Kühlmittel durch diese hindurch zu führen. Die Nuten 50 in dem zweiten Separator 18 und die Nuten 40 in dem ersten Separator 16 dienen gemeinschaftlich als ein Kanal für das Kühlmittel.
Wie in 1 gezeigt, sind Endplatten 52a, 52b an jeweiligen Enden des horizontalen Stapels von Brennstoffzellen 14 angeordnet. Die Endplatten 52a, 52b sind mit einer Last 54 verbunden, um von den Brennstoffzellen 14 entladene elektrische Energie der Last 54 zuzuführen. Isolierplatten 56a, 56b sind gegen die jeweiligen Endplatten 52a, 52b fern der Brennstoffzellen 14 gehalten und eine erste und eine zweite Endplatte 58, 60 sind gegen die jeweilige erste und zweite Endplatte 56a, 56b fern der Endplatten 52a, 52b gehalten. Die erste und zweite Endplatte 56a, 56b weisen Löcher (nicht gezeigt) zum Zuführen des Brenngases, des oxidierenden Gases und des Kühlmittels zu den gestapelten Brennstoffzellen 14 und zum Entladen des Brenngases, des oxidierenden Gases und des Kühlmittels von den gestapelten Brennstoffzellen 14. Diese Löcher in der ersten und der zweiten Endplatte 56a, 56b sind mit externen Geräten (nicht gezeigt) verbunden.
Die Befestigungsstruktur 10 umfasst eine Flüssigkeitskammer 62, welche an einer äußeren Fläche 58a der ersten Endplatte 58 anliegend und entfernt von einer inneren, den Brennstoffzellen 14 zugewandten Fläche der ersten Endplatte 58 angeordnet ist, eine nicht komprimierbare, einen Oberflächendruck erzeugende Flüssigkeit 64 wie Silikonöl, welche in die Flüssigkeitskammer 62 gefüllt ist, und einen Druckbeaufschlagungsmechanismus 66, welcher an der äußeren Fläche 60a der zweiten Endplatte 60 entfernt von der inneren, den Brennstoffzellen 14 zugewandten Fläche der zweiten Endplatte 60 anliegend gehalten ist, um die Brennstoffzellen 14 in Richtung der ersten Endplatte 58 zu drücken.
Eine Stützplatte 68 ist der Flüssigkeitskammer 62 benachbart angeordnet, welche zwischen der Stützplatte 68 und der ersten Endplatte 58 sandwichartig aufgenommen ist. Die Stützplatte 68 ist dünner als die erste Endplatte 58 und flexibler als die erste Endplatte 58. Ein flexibles Metallblech 70, wie ein Aluminiumblech, ist durch Schweißen, Löten oder Klebverbinden an einer inneren Fläche der Stützplatte 68 befestigt, welche der ersten Endplatte 58 zugewandt ist. Die Flüssigkeitskammer 62 ist zwischen dem flexiblen Metallblech 70 und der Stützplatte 68 definiert.
Wie in 3 gezeigt ist, weist die Stützplatte 68, welche von rechteckiger Form ist, einen Flüssigkeitseinlassanschluss 72 auf, welcher darin an einer Ecke derselben definiert und an einer Außenfläche derselben geöffnet ist, um das Silikonöl 64 in die Flüssigkeitskammer 62 zu füllen. Der Flüssigkeitseinlassanschluss 72 wird normalerweise durch eine Dichtungsscheibe 74 und einen Dichtungsbolzen 76 geschlossen. Die Stützplatte 68 weist außerdem einen Sensoranbringungsanschluss 78 auf, der in dieser an einer Position diagonal gegenüber dem Flüssigkeitseinlassanschluss 72 definiert ist, und ein Drucksensor 82 ist in dem Sensoranbringungsanschluss 78 mit eine Scheibe 80 montiert. Der Drucksensor 82 dient dazu, den Druck des Silikonöls 64 in der Flüssigkeitskammer 62 zu erfassen. Die Stützplatte 68 weist vier Bolzenlöcher 84 auf, welche in den jeweiligen Ecken derselben definiert sind.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst der Druckbeaufschlagungsmechanismus 66 ein Paar Scheibenfedern 86, deren eines Ende in Anlage gegen die Außenfläche 60a der zweiten Endplatte 50 jeweils gehalten ist. Eine Anbringungsplatte 88 ist in Anlage gegen ein entgegengesetztes Ende der Scheibenfedern 86 angeordnet. Die Anbringungsplatte 88, welche von rechteckiger Form ist, weist vier Bolzenlöcher 90 auf, welche in den jeweiligen Ecken derselben definiert sind. Bolzen 92 sind von den Bolzenlöchern 84 in der Stützplatte 68 in die Bolzenlöcher 90 in der Anbringungsplatte 88 eingeführt. Muttern 94 sind über die jeweiligen, außen mit Gewinden versehenen Enden der Bolzen 92 nahe der Anbringungsplatte 88 geschraubt. Während in der illustrierten Ausführungsform der Druckbeaufschlagungsmechanismus 66 das einzelne Paar von Scheibenfedern 86 umfasst, kann der Druckbeaufschlagungsmechanismus 66 zwei oder mehrere Paare von Scheibenfedern 86 umfassen.
Der Betrieb der Befestigungsstruktur 10 gemäß der ersten Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben.
Die mit den ersten und zweiten Separatoren 16, 18 kombinierten Brennstoffzellen 14 werden gestapelt und die Endplatten 52a, 52b, die Isolierplatten 56a, 56b und die ersten und zweiten Endplatten 58, 60 werden in Anlage gegen die entgegengesetzten Enden der Mehrzahl von Brennstoffzellen 14 platziert. Die Stützplatte 68 wird in Position gebracht, wobei die Flüssigkeitskammer 62 in Anlage gegen die Außenfläche 58a der ersten Endplatte 58 gehalten wird. Die Scheibenfedern 86 und die Anbringungsplatte 88 werden an der Außenfläche 60a der zweiten Endplatte 60 in Position gebracht.
Die Bolzen 92 werden von den Bolzenlöchern 84 in der Stützplatte 68 in die Bolzenlöcher 90 in der Anbringungsplatte 88 eingeführt. Danach werden die Muttern 94 über die jeweiligen, außen mit Gewinde versehenen Enden der Bolzen 92 nahe der Anbringungsplatte 88 geschraubt. Die gestapelten Brennstoffzellen 14 sind nun fest zwischen der Stützplatte 68 und der Anbringungsplatte 88 eingebunden. Genauer übt jeder der Bolzen 92 eine Befestigungslast von 500 kg aus und das Silikonöl 64, welches in der Flüssigkeitskammer 62 abgedichtet eingeschlossen ist, weist einen Druck im Bereich von 6 bis 7 kg/cm² auf, während der Brennstoffzellenstapel 12 in Betrieb ist. Die Anoden- und Kathodenelektroden 22, 24 einer jeden der Brennstoffzellen 14 weisen jeweils eine Flächengröße von 150 mm × 150 mm auf.
Wenn das Brenngas durch die Nuten 38 eines jeden der ersten Separatoren 16 strömt, so wird das Brenngas der Anodenelektrode 22 einer jeden der Brennstoffzellen 14 zugeführt. Strömt das oxidierende Gas durch die Nuten 48 eines jeden der zweiten Separatoren 18, so wird das oxidierende Gas der Kathodenelektrode 24 einer jeden der Brennstoffzellen 14 zugeführt. Das Kühlmittel wird durch die Nuten 40, 50 der ersten und zweiten Separatoren 16, 18 zum Kühlen der Brennstoffzellen 14 auf eine vorbestimmte Temperatur zugeführt. In den Brennstoffzellen 14 werden Elektronen erzeugt und fließen durch die Endplatten 52a, 52b zur Last 54, wo sie als elektrische Gleichstromenergie genutzt werden.
Gemäß der ersten Ausführungsform wird die Flüssigkeitskammer 62 in Anlage gegen die Außenfläche 58a der ersten Endplatte 58 positioniert, wobei das flexible Metallblech 70 dazwischen angeordnet ist, und der Druck des in die Flüssigkeitskammer 62 eingefüllten Silikonöls 64 presst die erste Endplatte 58 gleichmäßig gegen die Mehrzahl von Brennstoffzellen 14. Somit übt die erste Endplatte 58 einen gleichmäßigen Flächendruck auf die ersten und zweiten Separatoren 16, 18 aus, um dadurch auf jede der Brennstoffzellen 14 Soll-Befestigungskräfte wirken zu lassen, was es ermöglicht, ein gewünschtes Leistungsvermögen der elektrischen Energieerzeugung effizient aufrecht zu erhalten.
Selbst wenn die Stützplatte 68 unter dem Druck des Silikonöls 64 in der Flüssigkeitskammer 62 deformiert wird, kann das Silikonöl 64 einen gleichmäßigen Flächendruck auf die erste Endplatte 58 ausüben. Die Stützplatte 68 kann daher bemerkenswert dünn sein. Das Vorhandensein der Stützplatte 68 ermöglicht es, dass die erste Endplatte 58 ebenfalls dünn ist. Als Konsequenz kann das Gewicht des Brennstoffzellenstapels 12 reduziert werden und der Brennstoffzellenstapel 12 kann insgesamt kompakt hergestellt werden.
Da die Flüssigkeitskammer 62 an der Außenfläche 58a der ersten Endplatte 58 positioniert ist, kann die erste Endplatte 58 verschiedene Löcher zum Zuführen des Brenngases, des oxidierenden Gases und des Kühlmittels zu den Brennstoffzellen 14 aufweisen. Dementsprechend kann der Brennstoffzellenstapel 12 in seiner Gesamtstruktur effizient vereinfacht werden.
Die Scheibenfedern 86 sind an der Außenfläche 60a der zweiten Endplatte 60 angeordnet. Die Scheibenfedern 86 sind dahingehend wirksam, dass sie die zweite Endplatte 60 gleichmäßig in Richtung zur ersten Endplatte 58 hin pressen, und außerdem dahingehend, dass sie den Unterschied zwischen einer Expansion des strukturellen Körpers des Brennstoffzellenstapels, einschließlich den Brennstoffzellen 14, und einer Expansion der Bolzen 82 aufgrund deren unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten effizient aufnehmen.
Der Druck des Silikonöls 64 in der Flüssigkeitskammer 62 wird durch den Drucksensor 82 erfasst, welcher an der Stützplatte 68 montiert ist. Die Menge an Silikonöl 64 in der Flüssigkeitskammer 62 kann auf Grundlage des Drucks des Silikonöls 64 in der Flüssigkeitskammer 62, der durch den Drucksensor 82 erfasst wird, reguliert werden.
4 zeigt einen Ausschnitt einer Befestigungsstruktur 100 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Teile der Befestigungsstruktur 100, welche mit denen der Befestigungsstruktur 10 gemäß der ersten Ausführungsform identisch sind, sind mit identischen Bezugszeichen bezeichnet und werden im Folgenden nicht im Detail beschrieben.
In der Befestigungsstruktur 100 sind teilsphärsche Scheiben 102 und teilsphärische Sitze 108 zwischen Bolzen 92a der Bolzen 92 und der Stützplatte 68 angeordnet. Werden die Bolzen 92 gespannt, um die Brennstoffzellen 14 zu pressen, so wird die Stützplatte 68 nach außen durchgebogen, wobei ihre Ecken durch die teilsphärischen Scheiben 102 und die teilsphärischen Sitze 104 in Position gehalten bleiben. Da die teilsphärischen Scheiben 102 und die teilsphärischen Sitze 104 den Ecken der Stützplatte 68 erlauben, bezüglich der Bolzen 92 abgewinkelt zu sein, verhindern sie, dass die Stützplatte 68 an ihren Ecken nahe der Bolzen 92 übermäßige Spannungen entwickelt. Die Stützplatte 68 wird daher vor einer Beschädigung aufgrund solcher übermäßigen Spannungen geschützt.
5 zeigt einen Ausschnitt einer Befestigungsstruktur 120 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 5 gezeigt ist, wird ein flexibles Metallblech 124 wie ein dünnes Aluminiumblech durch Schweißen, Löten oder Klebverbinden an der äußeren Fläche 122a einer Endplatte 122 befestigt. Die Flüssigkeitskammer 126, welche mit Silikonöl 64 gefüllt ist, ist zwischen dem flexiblen Metallblech 124 und der Endplatte 122 definiert. Eine Stützplatte 128 ist neben der Flüssigkeitskammer 126 positioniert, welche sandwichartig zwischen der Stützplatte 128 und der äußeren Fläche 122a der Endplatte 122 aufgenommen ist. Die Stützplatte 128 ist in Richtung zur Endplatte 122 hin durch Bolzen 92 gepresst. Ein gleichmäßiger Flächendruck wird auf die Endplatte 122 durch das Silikonöl 64 in der Flüssigkeitskammer 126 ausgeübt. Die Befestigungsstruktur 120 bietet dieselben Vorteile wie die der Befestigungsstruktur 10 gemäß der ersten Ausführungsform.
6 zeigt einen Ausschnitt einer Befestigungsstruktur 140 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 6 gezeigt ist, ist eine Flüssigkeitskammer 148, welche durch eine separate, hohle Kammer mit rechteckiger Umschließung definiert ist, die aus einem flexiblen Metallblech 146 wie einem dünnen Aluminiumblech hergestellt ist, zwischen einer Endplatte 142 und einer Stützplatte 144 angeordnet. Die Flüssigkeitskammer 148 wird mit einem Silikonöl 64 gefüllt. Die Befestigungsstruktur 140 bietet dieselben Vorteile wie die der Befestigungsstruktur 10 gemäß der ersten Ausführungsform.
7 zeigt einen Ausschnitt eines Brennstoffzellenstapels 151, welcher eine Befestigungsstruktur 150 gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält. Die Teile des Brennstoffzellenstapels 151, welche mit denen des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels 12 identisch sind, sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet und werden im Folgenden nicht im Detail beschrieben.
Wie in 7 gezeigt ist, weist die Befestigungsstruktur 150 eine relativ dicke Stützplatte 152 auf und die Flüssigkeitskammer 62 ist durch ein flexibles Metallblech 70 definiert, welches an einer inneren Fläche 152a der Stützplatte 152 befestigt ist. Eine Innendrucksteuer/regeleinheit 154, welche einen Faltenbalg 156 umfasst, weist ein Ende auf, welches an einer äußeren Fläche 152b der Stützplatte 152 befestigt ist. Der Faltenbalg 156 weist eine darin definierte Innendruckregulierkammer 158 auf, welche mit der Flüssigkeitskammer 62 durch eine Öffnung 152c in Verbindung steht, welche in der Stützplatte 152 definiert ist. Ein entgegengesetztes Ende des Faltenbalgs 156 ist durch eine Kappe 159 verschlossen.
Wenn der Brennstoffzellenstapel 151 in Betrieb ist, so dehnt sich das Silikonöl 64, welches in die Flüssigkeitskammer 62 gefüllt ist, mit der Wärme aus. Zu diesem Zeitpunkt strömt ein Abschnitt des expandierten Silikonöls 64 aus der Flüssigkeitskammer 62 in die Innendruckregulierkammer 158 in den Faltenbalg 156, welcher dann flexibel in die durch den Pfeil angezeigte Richtung expandiert, um sein Volumen zu vergrößern. Der Faltenbalg 156 kann daher effektiv die Ausdehnung des Silikonöls 64 aufnehmen.
Demzufolge wird selbst dann, wenn in der Flüssigkeitskammer 62 ein unerwünschter Druckaufbau stattfindet, der Brennstoffzellenstapel 151 vor Beschädigung geschützt und es wird verhindert, dass der Kontaktwiderstand des Brennstoffzellenstapels 151 einen übermäßigen Anstieg erleidet, was andererseits durch eine zunehmende Befestigungslast aufgrund des unerwünschten Druckaufbaus in der Flüssigkeitskammer 62 verursacht werden würde. Gewünschte Befestigungskräfte werden zuverlässig an den Brennstoffzellenstapel 151 angelegt, um ein gewünschtes Leistungsniveau für die elektrische Energieerzeugung effizient beizubehalten.
8 zeigt einen Ausschnitt eines Brennstoffzellenstapels 162, welcher eine Befestigungsstruktur 160 gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält. Die Teile des Brennstoffzellenstapels 162, welche identisch mit denen des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels 12 sind, sind mit identischen Bezugszeichen bezeichnet und werden nachfolgend nicht im Detail beschrieben.
Die Befestigungsstruktur 160 umfasst eine Flüssigkeitskammer 164, welche an der Außenfläche 60a der zweiten Endplatte 60 angeordnet ist, eine nicht komprimierbare, einen Oberflächendruck erzeugende Flüssigkeit 166, wie Silikonöl, welche in die Flüssigkeitskammer 164 gefüllt ist, und eine Stützplatte 168, welche neben der Flüssigkeitskammer 164 und sandwichartig zwischen der Stützplatte 168 und der zweiten Endplatte 60 angeordnet ist.
Ein flexibles Metallblech 170, wie in dünnes Aluminiumblech, ist durch Schweißen, Löten oder Klebverbinden an einer der zweiten Endplatte 60 zugewandten Innenfläche der Stützplatte 168 befestigt. Die Flüssigkeitskammer 164 ist zwischen dem flexiblen Metallblech 170 und der Stützplatte 168 definiert. Ein zwischen der Stützplatte 168 und der Anbringungsplatte 180 angeordneter Druckbeaufschlagungsmechanismus 66 umfasst beispielsweise vier Paare Scheibenfedern 172.
Werden die Stützplatte 168 und die Anbringungsplatte 88 durch die Bolzen 92 miteinander verbunden, so wird die erste Endplatte 58 unter dem Druck des Silikonöls 64 in der Flüssigkeitskammer 62 gepresst und die zweite Endplatte 60 wird unter dem Druck des Silikonöls 166 in der Flüssigkeitskammer 164 gepresst. Es wird somit ein gleichmäßiger Oberflächendruck auf die Brennstoffzellen 14 und die ersten und zweiten Separatoren 16, 18, welche zwischen den ersten und zweiten Endplatten 58, 60 gestapelt sind, ausgeübt. Demnach wird der Kontaktwiderstand des Brennstoffzellenstapels 162 effektiv reduziert, um ein gewünschtes Leistungsniveau für die Erzeugung elektrischer Energie beizubehalten.
9 zeigt einen Ausschnitt einer Befestigungsstruktur 180 gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 9 gezeigt ist, weist die Befestigungsstruktur 180 eine Stützplatte 182 auf sowie ein dünnes Metallblech 184, welches an einer Fläche der Stützplatte 182 befestigt ist, welche einer ersten Endplatte 58 zugewandt ist. Eine Flüssigkeitskammer 168 ist zwischen dem dünnen Aluminiumblech 184 und der Stützplatte 182 definiert. Die Flüssigkeitskammer 168 ist mit Silikonöl 64 gefüllt. Die Stützplatte 182 weist einen dann definierten Hohlraum 188 auf, welcher in Querrichtung zur Stützplatte 182, von der der ersten Endplatte 58 zugewandten Fläche der Stützplatte 182 aus, eine vorbestimmte Tiefe aufweist. In dem Hohlraum 188 ist ein Faltenbalg 190 angeordnet. Der Faltenbalg 190 weist ein geschlossenes Ende auf, welches der Flüssigkeitskammer 186 zugewandt ist, und definiert zwischen sich selbst und dem Boden des Hohlraums 188 eine Gaskammer 192.
Wenn sich das Silikonöl 64, welches in die Flüssigkeitskammer 186 gefüllt ist, unter Wärmeeinfluss ausdehnt, so vergrößert das Silikonöl 64 sein Volumen und drückt dadurch das geschlossene Ende des Faltenbalg 190 in den Hohlraum 188. Der Faltenbalg 190 wird somit in den Hohlraum 188 hinein elastisch deformiert, wodurch das Volumen der Gaskammer 192 verringert und somit das Volumen der Flüssigkeitskammer 186 erhöht wird. Demnach kann der Faltenbalg 190 die Expansion des Silikonöls 64 effektiv aufnehmen, um ein gewünschtes Leistungsniveau für die Erzeugung elektrischer Energie beizubehalten.
10 zeigt einen Ausschnitt einer Befestigungsstruktur 200 gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 10 gezeigt ist, weist die Befestigungsstruktur 200 eine Stützplatte 202 auf, durch welche quer hindurch ein gestuftes Loch 204 definiert ist, und weist einen Speicher 206 auf, welcher fest an der Stützplatte 202 angebracht und in dem gestuften Loch 204 positioniert ist. Der Speicher 206 umfasst eine Speicherhaube 210, welche mit Bolzen 208 an einem Bund großen Durchmessers des gestuften Lochs 204 befestigt ist, und eine elastische Blase 212, deren äußerer Umfangsrand zwischen der Speicherhaube 210 und dem Bund großen Durchmessers des gestuften Lochs 204 befestigt ist. Die Blase 212 und die Speicherhaube 210 definieren gemeinsam zwischen sich eine Gaskammer 214. Ein dünnes Aluminiumblech 218 ist an einer Fläche der Stützplatte 202 befestigt, welche der ersten Endplatte 58 zugewandt ist. Eine mit Silikonöl 64 gefüllte Flüssigkeitskammer 216 ist zwischen dem dünnen Aluminiumblech 184 und der Stützplatte 182 definiert. Die Blase 212 ist der Flüssigkeitskammer 216 zugewandt.
Wenn sich das in die Flüssigkeitskammer eingefüllte Silikonöl 64 unter Wärmeeinfluss ausdehnt, so erhöht das Silikonöl 64 sein Volumen und presst die Blase 212 in Richtung zur Speicherhaube 210, wodurch dieses Volumen in der Gaskammer 214 reduziert und somit das Volumen der Flüssigkeitskammer 216 erhöht wird. Demnach kann die Blase 212 effektiv die Ausdehnung des Silikonöls 64 aufnehmen, um ein gewünschtes Leistungsniveau für die Erzeugung elektrischer Energie beizubehalten.
11 zeigt einen Ausschnitt einer Befestigungsstruktur 220 gemäß einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 11 gezeigt ist, weist die Befestigungsstruktur 220 eine Stützplatte 222 und ein dünnes Aluminiumblech 224 auf, welches an einer Fläche der Stützplatte 222 befestigt ist, die einer ersten Endplatte 58 zugewandt ist. Eine Flüssigkeitskammer 226 ist zwischen dem dünnen Aluminiumblech 224 und der Stützplatte 222 definiert. Die Flüssigkeitskammer 226 ist mit Silikonöl 64 gefüllt. Die Flüssigkeitskammer 226 ist mit einem Speicher 230 durch eine zentral in der Stützplatte 222 definierte Durchgangsöffnung 228 verbunden. Der Speicher 230 umfasst ein sphärisches Gehäuse 234, welches ein Rohr 232 aufweist, das sich radial nach außen in die Durchgangsöffnung 228 hinein erstreckt und in dieser befestigt ist, sowie eine elastische Trennwand 236, welche in dem sphärischen Gehäuse 234 angeordnet ist. Die elastische Trennwand 236 unterteilt den inneren Raum des sphärischen Gehäuses 234 in eine Gaskammer 238 und in eine andere Kammer, welche durch die Durchgangsöffnung 228 mit der Flüssigkeitskammer 226 in Verbindung steht.
Wenn sich das Silikonöl 64, welches in die Flüssigkeitskammer 226 gefüllt ist, unter dem Wärmeeinfluss ausdehnt, so erhöht das Silikonöl 64 sein Volumen und drückt gegen die Trennwand 236, wodurch das Volumen der Gaskammer 238 reduziert wird. Demnach kann die Trennwand 236 die Ausdehnung des Silikonöls 64 effektiv aufnehmen, um ein gewünschtes Leistungsniveau zur Erzeugung elektrischer Energie beizubehalten.
Mit der Anordnung der vorliegenden Erfindung ist die Flüssigkeitskammer an der Außenfläche wenigstens einer der Endplatten an den jeweils gegenüberliegenden Enden der Mehrzahl von Brennstoffzellen positioniert und die in die Flüssigkeitskammer gefüllte Flüssigkeit übt einen gleichmäßigen Flächendruck auf die Brennstoffzellen aus. Das Leistungsvermögen der Brennstoffzellen wird demnach effektiv bei einem bestimmten Niveau aufrechterhalten. In den Endplatten können Löcher oder Kanäle für das Brenngas, das oxidierende Gas und das Kühlmittel definiert sein. Das Gewicht des Brennstoffzellenstapels kann somit reduziert werden und der Brennstoffzellenstapel kann als Ganzes kompakt hergestellt werden.
Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und im Detail beschrieben wurden, sollte verstanden sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen an diesen ausgeführt werden können, ohne den Inhalt der beigefügten Ansprüche zu verlassen.

Claims

Befestigungsstruktur für einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (14), welche jeweils einen Elektrolyt (20) sowie den Elektrolyt (20) sandwichartig zwischen sich aufnehmende Anoden- und Kathodenelektroden (22, 24) aufweisen, mit Separatoren (16, 18), welche jede einzelne der Brennstoffzellen (14) sandwichartig zwischen sich aufnehmen, sowie mit Endplatten (58, 60), welche an jeweils gegenüberliegenden Enden der Mehrzahl von Brennstoffzellen (14) angeordnet sind, wobei die Befestigungsstruktur umfasst: eine Flüssigkeitskammer (62), welche bei Verwendung abgedichtet ist und an einer äußeren Fläche (58a) von wenigstens einer der Endplatten (58) fern einer inneren Fläche derselben, die den Brennstoffzellen (14) zugewandt ist, angeordnet ist; eine Flächendruckerzeugungsflüssigkeit (64), welche in die Flüssigkeitskammer (62) gefüllt ist; und Druckbeaufschlagungsmittel (66), welche an einer äußeren Fläche (60a) der anderen Endplatte (60) fern einer inneren Fläche derselben, die den Brennstoffzellen (14) zugewandt ist, angeordnet sind, zum Drücken der Brennstoffzellen (14) in Richtung zu der einen der Endplatten (58).
Befestigungsstruktur nach Anspruch 1, welche ferner umfasst: eine neben der Flüssigkeitskammer (62) angeordnete Stützplatte (68), wobei die Flüssigkeitskammer (62) sandwichartig zwischen der Stützplatte (68) und der einen der Endplatten (58) angeordnet ist, wobei die Stützplatte (68) flexibler ist als die eine der Endplatten (58); eine Montageplatte (88), welche neben den Druckbeaufschlagungsmitteln (66) angeordnet ist, wobei die Druckbeaufschlagungsmittel (66) sandwichartig zwischen der Montageplatte (88) und der anderen Endplatte (60) angeordnet sind; und Bolzen (92), welche die Stützplatte (68) und die Montageplatte (88) aneinander befestigen, um dadurch die Mehrzahl von Brennstoffzellen (14) zu befestigen.
Befestigungsstruktur nach Anspruch 2, wobei die Flüssigkeitskammer (62) von einem Metallblech (70) definiert wird, wobei das Metallblech flexibler ist als die Stützplatte (68).
Befestigungsstruktur nach Anspruch 3, wobei das Metallblech (70) an einer Fläche der Stützplatte (68) befestigt ist.
Befestigungsstruktur nach Anspruch 3, wobei das Metallblech (124) an einer Fläche der einen der Endplatten (122) befestigt ist, wobei das Metallblech flexibler ist als die Stützplatte (68).
Befestigungsstruktur nach Anspruch 3, wobei das Metallblech (146) von der Form eines hohlen Gehäuses ist und zwischen der einen der Endplatten (142) und der Stützplatte (144) angeordnet ist, wobei das Metallblech flexibler ist als die Stützplatte (68).
Befestigungsstruktur nach Anspruch 2, 3 oder 4, welche ferner umfasst: Innendruck-Steuer-/Regelmittel (154), welche an der Stützplatte (152) angebracht sind und mit der Flüssigkeitskammer (62) in Verbindung stehen, um einen Innendruck der Flüssigkeitskammer (62) zu regulieren.
Befestigungsstruktur nach Anspruch 1, welche ferner umfasst: eine Stützplatte (152), welche neben der Flüssigkeitskammer (62) gelegen ist, wobei die Flüssigkeitskammer (62) sandwichartig zwischen der Stützplatte (152) und der einen der Endplatten (58) angeordnet ist; eine Montageplatte (88), welche neben den Druckbeaufschlagungsmitteln (66) angeordnet ist, wobei die Druckbeaufschlagungsmittel (66) sandwichartig zwischen der Montageplatte (88) und der anderen Endplatte (60) angeordnet sind; und Bolzen (92), welche die Stützplatte (152) und die Montageplatte (88) aneinander befestigen, um dadurch die Mehrzahl von Brennstoffzellen (14) zu befestigen.
Befestigungsstruktur nach Anspruch 8, welche ferner umfasst: Innendruck-Steuer-/Regelmittel (154), welche an der Stützplatte (152) montiert sind und mit der Flüssigkeitskammer (62) in Verbindung stehen, zum Regulieren eines inneren Drucks der Flüssigkeitskammer (62).
Befestigungsstruktur nach einem vorhergehenden Ansprüche, wobei die Druckbeaufschlagungsmittel (66) wenigstens ein Paar von Tellerfedern (86, 172) umfassen.
Brennstoffzellenstruktur, welche eine Befestigungsstruktur nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch umfasst.