DE102008016087B4

DE102008016087B4 - Brennstoffzellenstapelsystem

Info

Publication number: DE102008016087B4
Application number: DE102008016087.3A
Authority: DE
Inventors: Benno Andreas-Schott; Glenn W. Skala; Thomas P. Migliore; Ian R. Jermy
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2028-03-29
Also published as: US8956779B2; CN101281973B; US20150111131A1; US20080241636A1; CN101281973A; DE102008016087A1

Abstract

Brennstoffzellenstapelsystem (10) umfassend:einen Brennstoffzellenstapel (14);eine Endplatte (24), die an dem Brennstoffzellenstapel (14) anliegt und aus einem Polymer oder einem Verbundstoff gefertigt ist; undeine Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung (28) umfassend:einen Abdichtrahmen (30), der an einer dem Brennstoffzellenstapel (14) abgewandten Seite der Endplatte (24) anliegt;mehrere Wasserdampfübertragungsvorrichtungen (32), die in dem Abdichtrahmen (30) angeordnet sind; undmehrere Stützen (38), die in dem Abdichtrahmen (30) zwischen den Wasserdampfübertragungsvorrichtungen (32) angeordnet sind, wobei die Stützen (38) zum Stützen der Endplatte (24) ausgelegt und senkrecht zur Endplatte (24) ausgerichtet sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenstapelsystem und insbesondere eine Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung, wobei die Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung mehrere Wasserdampfübertragungsvorrichtungen (WVT, vom engl. Water Vapor Transfer), einen Abdichtrahmen und mehrere Stützen umfasst, wobei die WVT-Vorrichtungen und die Stützen in dem Abdichtrahmen angeordnet sind und die Stützen dafür ausgelegt sind, eine Endplatte eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellenstapelsystems zu stützen.
Hintergrund der Erfindung
Brennstoffzellenstapelsysteme werden als Antriebsquelle für Elektrofahrzeuge, stationäre Stromversorgungen und andere Anwendungen genutzt. Ein bekanntes Brennstoffzellenstapelsystem ist das Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellensystem (PEM, vom engl. Proton Exchange Membrane), das eine Membranelektrodeneinheit (MEA, vom engl. Membrane Electrode Assembly) mit einem dünnen Festpolymer-Membranelektrolyten umfasst, der an einer Seite eine Anode und an der gegenüberliegenden Seite eine Kathode aufweist. Die MEA ist zwischen einem Paar elektrisch leitender Kontaktelemente, die als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen, sandwichartig eingeschlossen, die geeignete Kanäle und Öffnungen darin zum Verteilen der gasförmigen Reaktanten (d.h. H₂ und O₂ oder Luft) des Brennstoffzellenstapelsystems über den Oberflächen der jeweiligen Anode und Kathode enthalten können.
PEM-Brennstoffzellen umfassen mehrere der miteinander gestapelten MEAs in elektrischer Reihe, während sie durch ein als Bipolarplatte oder Stromkollektor bekanntes undurchlässiges, elektrisch leitendes Kontaktelement getrennt sind. Die Brennstoffzellenstapelsysteme werden in einer Weise betrieben, die die MEAs in einem befeuchteten Zustand hält. Der Grad der Feuchtigkeit der MEAs beeinflusst die Leistung des Brennstoffzellenstapelsystems. Wenn zudem eine MEA zu trocken betrieben wird, kann die Lebensdauer der MEA verkürzt sein. Um ein Austrocknen der MEAs zu vermeiden, werden die typischen Brennstoffzellenstapelsysteme mit der MEA bei einem Sollfeuchtigkeitswert betrieben, wobei flüssiges Wasser während der Erzeugung elektrischen Stroms in der Brennstoffzelle gebildet wird. Ferner werden auch die Reaktantengase der Kathode und Anode, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden, befeuchtet, um das Trocknen der MEAs an den Stellen nahe den Einlässen für die Reaktantengase zu verhindern. Herkömmlicherweise wird eine Wasserdampfübertragungsvorrichtung (WVT) verwendet, um das Reaktantengas der Kathode vor dem Eindringen in die Brennstoffzelle zu befeuchten. Siehe zum Beispiel U.S. Pat. US 7,138,197 B2 von Forte et al., das hierin durch Erwähnung in seiner Gesamtheit übernommen wird, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapelsystems, das eine WVT-Vorrichtung enthält.
Typische WVT-Vorrichtungen sind fern eines Kathodenauslasses und eines Kathodeneinlasses des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellenstapelsystems angeordnet. Andere Brennstoffzellenstapelanordnung umfassen WVT-Vorrichtungen, die in die Endvorrichtung und neben dem Brennstoffzellenstapel integriert sind. Bei diesen Brennstoffzellenstapelsystemen ist eine Endplatte des Brennstoffzellenstapels aus einem Metall gebildet, um den Brennstoffzellenstapel zu stützen. Da die Endplatte aus einem Metall gebildet ist, ist aber das Gewicht und die Wärmeleitfähigkeit der Endplatte erhöht, wodurch das Gesamtgewicht des Brennstoffzellenstapelsystems erhöht und eine Aufwärmzeit des Brennstoffzellenstapelsystems aufgrund von Wärmeverlusten verlängert wird.
Es wäre wünschenswert, ein Brennstoffzellenstapelsystem mit einer Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung zu schaffen, die zum Stützen einer Endplatte des Brennstoffzellenstapelsystems ausgelegt ist, um ein Zusammenlegen der Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung mit einer Endvorrichtung eines Brennstoffzellenstapelsystems zu erleichtern, während das Gewicht und die Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffzellenstapelsystems minimiert werden.
Herkömmliche Brennstoffzellenstapelsysteme mit Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnungen sind aus den Druckschriften US 5 382 478 A und US 6 864 005 B2 bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Einklang und übereinstimmend mit der vorliegenden Erfindung wurde eine Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung entdeckt, die zum Stützen einer Endplatte des Brennstoffzellenstapelsystems ausgelegt ist, um ein Zusammenlegen der Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung mit einer Endvorrichtung eines Brennstoffzellenstapels zu erleichtern.
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenstapelsystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, eine an dem Brennstoffzellenstapel anliegende und aus einem Polymer oder einem Verbundstoff gefertigte Endplatte und eine Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung. Die Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung umfasst einen Abdichtrahmen, der an einer dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite der Endplatte anliegt, mehrere Wasserdampfübertragungsvorrichtungen, die in dem Abdichtrahmen angeordnet sind, und mehrere Stützen, die in dem Abdichtrahmen zwischen den Wasserdampfübertragungsvorrichtungen angeordnet sind, wobei die Stützen zum Stützen der Endplatte ausgelegt und senkrecht zur Endplatte ausgerichtet sind.
Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann anhand der folgenden eingehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform bei Betrachtung im Hinblick auf die Begleitzeichnungen mühelos erkennbar. Hierbei zeigen:

1 eine Querschnittvorderansicht einer Brennstoffzellenstapelanordnung mit einer unteren Endvorrichtung, die eine Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung nach einer Ausführungsform der Erfindung enthält;
2 eine Querschnittvorderansicht der unteren Endvorrichtung, die die in 1 gezeigte Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung enthält;
3 eine perspektivische Ansicht der in 2 gezeigten Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung;
4 eine schematische Querschnittansicht der in 1 gezeigten Wasserübertragungsvorrichtung; und
5 eine Querschnittvorderansicht einer unteren Endvorrichtung, die eine Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung.
1 zeigt ein Brennstoffzellenstapelsystem 10 mit einer oberen Endvorrichtung 12, einem Brennstoffzellenstapel 14 und einer unteren Endvorrichtung 16. Die obere Endvorrichtung 12, der Brennstoffzellenstapel 14 und die untere Endvorrichtung 16 sind zusammengefügt und werden durch ein (nicht dargestelltes) herkömmliches Zusammenpresshaltesystem zusammengepresst. Die obere Endvorrichtung 12 umfasst ein Kühlmittelumleitungssystem 18 in Fluidverbindung mit einer (nicht dargestellten) Kühlmittelquelle und dem Brennstoffzellenstapel 14. Das Kühlmittelumleitungssystem 18 ist dafür ausgelegt, ein (nicht dargestelltes) Kühlmittel durch das Brennstoffzellensystem 10 umzuwälzen.
Der Brennstoffzellenstapel 14 umfasst mehrere Brennstoffzellenanordnungen 20, eine obere Endplatte 22 neben der oberen Endvorrichtung 12 und eine untere Endplatte 24 neben der unteren Endvorrichtung 16. Die untere Endplatte 24 bildet Kathodenströmdurchlässe 25 in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 14 und der unteren Endvorrichtung 16. In der gezeigten Ausführungsform ist die untere Endplatte 24 aus einem Polymermaterial gebildet. Die Brennstoffzellenanordnungen 20 können eine beliebige herkömmliche Brennstoffzellenanordnung sein, beispielsweise eine Protonenaustauschmembran-Anordnung (PEM, vom engl. Proton Exchange Membrane), die eine Membranelektrodeneinheit (MEA, vom engl. Membrane Exchange Assembly) mit einem dünnen Festpolymer-Membranelektrolyten umfasst, wobei sie an einer Seite eine Anode und an einer gegenüberliegenden Seite eine Kathode aufweist.
Die untere Endvorrichtung 16 ist unter dem Brennstoffzellenstapel 14 des Brennstoffzellenstapelsystems 10 angeordnet und liegt an der unteren Endplatte 24 an. Die untere Endvorrichtung 16 umfasst Wärmetauscher 26 und eine Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung 28. Die Wärmetauscher 26 können nach Bedarf ein beliebiger herkömmlicher Wärmetauscher sein, beispielsweise ein Rohr-Bündel-Wärmetauscher.
Wie in 1 - 3 gezeigt wird, umfasst die Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung 28 einen Abdichtrahmen 30, Wasserdampfübertragungsvorrichtungen (WVT) 32, Endplatten 34, ein Abdichtmittel 36 und Stützen 38. Die Wasserdampfübertragungsvorrichtungen (WVT) 32, die Endplatten 34, das Abdichtmittel 36 und die Stützen 38 sind in dem Abdichtrahmen 30 angeordnet. Der Abdichtrahmen 30 weist eine im Wesentlichen rechteckige Form auf und ist aus einem Polymermaterial, beispielsweise einem Polyethylen hoher Dichte, gebildet. Es versteht sich, dass der Abdichtrahmen 30 eine beliebige Form haben kann und nach Bedarf aus einem beliebigen Material gebildet sein kann, beispielsweise einem Polymer oder Metall. Es versteht sich auch, dass der Abdichtrahmen 30 abgedeckte Seitenkanten aufweisen kann oder nach Bedarf offene Kanten aufweisen kann, die die Endplatten 34 freilegen.
4 zeigt eine einzelne WVT-Vorrichtung 32. Die WVT-Vorrichtung 32 umfasst einen primären Gaseinlass 40, einen primären Gasauslass 42, Leitungen 44 und ein Gehäuse 48. In der in 1 - 3 gezeigten Ausführungsform werden drei WVT-Vorrichtungen 32 gezeigt, es können aber nach Bedarf mehr oder weniger WVT-Vorrichtungen 32 in dem Abdichtrahmen 30 der Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung 28 angeordnet werden. Die Leitungen 44 sind aus einem wasserübertragenden Membranmaterial gebildet. Das die Leitungen 44 bildende Wasserübertragungsmembranmaterial kann ein beliebiges Material sein, das die Übertragung von Wasserdampf dadurch zulässt. Bevorzugt lässt ein solches Material die Übertragung von Wasserdampf selektiv zu, ohne gleichzeitig die Übertragung von anderen Gasen zuzulassen. Eine bevorzugte Wasserübertragungsmembran lässt die Übertragung von Wasserdampf aus einem Strom primären Gases zu einem Strom sekundären Gases selektiv zu, ohne ein signifikantes Übertreten (Lecken) von anderen Komponenten aus dem primären Gasstrom zu dem sekundären Strom zuzulassen. Das Wasserübertragungsmembranmaterial kann zum Beispiel aus einer Poly[perfluorsulfon)säure, einem sulfonierten Polystyren, einem Polyethersulfon, einem sulfonierten Polyetherketon, einem Polycarbonat, anderen sulfonierten Materialien oder Mischungen derselben gebildet werden.
Ein erstes Ende jeder Leitung 44 steht mit dem primären Gaseinlass 40 in Fluidverbindung und ein zweites Ende jeder Leitung 44 steht mit dem primären Gasauslass 42 in Fluidverbindung. Die Leitungen 44 erleichtern das Strömen eines (nicht dargestellten) primären Gases durch die Leitungen 44. Das Gehäuse 48 bildet einen leeren Raum um mindestens einen Teil jeder der Leitungen 44. Ein sekundärer Gaseinlass 52 und ein sekundärer Gasauslass 54 stehen mit dem Gehäuse 48 in Fluidverbindung, um das Strömen eines sekundären Gases durch den leeren Raum neben einer Außenfläche der Leitungen 44 zu erleichtern. Die Leitungen 44 können nach Bedarf von beliebiger Form sein, einschließlich im Wesentlichen zylindrisch oder rechteckig. In der gezeigten Ausführungsform weist das primäre Gas einen höheren Feuchtigkeitswert als das sekundäre Gas auf. Das primäre Gas kann aber bei Bedarf einen niedrigeren Feuchtigkeitswert als das sekundäre Gas aufweisen.
Die Endplatten 34 sind in dem Abdichtrahmen 30 und zwischen dem Abdichtrahmen 30 und den WVT-Vorrichtungen 32 an gegenüberliegenden Seiten der Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung 28 angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform sind die Endplatten 34 aus einem Polymermaterial gebildet, können aber auch nach Bedarf aus einem beliebigen Material gebildet sein. Es versteht sich, dass die Endplatten 34 bei Bedarf um vier Umfangskanten der WVT-Vorrichtungen 32 angeordnet sein können.
Wie in 2 gezeigt ist das Abdichtmittel 36 eine um einen oberen Umfangsteil der WVT-Vorrichtungen 32 neben der unteren Endplatte 24 und um einen unteren Umfangsteil der WVT-Vorrichtungen 32 neben den Wärmetauschern 26 angeordnete Dichtung. Das Abdichtmittel 36 bildet eine im Wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen der Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung 28 und dem Brennstoffzellenstapelsystem 10. Das Abdichtmittel 36 kann aus einem beliebigen herkömmlichen brennstoffzellenkompatiblen Material gebildet sein, beispielsweise einem Polymer- oder Metallmaterial, einem chemischen Klebstoff wie einem Epoxidharz oder einem B-Zustand-Klebstoff. Es versteht sich, dass das Abdichtmittel 36 nach Bedarf auch zwischen den WVT-Vorrichtungen 32 und den Stützen 38 sowie dem Abdichtrahmen 30 angeordnet sein kann.
In der in 1 - 3 gezeigten Ausführungsform sind die Stützen 38 in dem Abdichtrahmen 30 zwischen den WVT-Vorrichtungen 32 angeordnet. Die gezeigten Stützen 38 sind getrennt ausgebildet, können aber miteinander verbunden sein. Die Stützen 38 werden ebenfalls getrennt vom Abdichtrahmen 30 ausgebildet gezeigt, können aber nach Bedarf mit dem Abdichtrahmen 30 einstückig ausgebildet werden. Die Stützen 38 werden aus einem Polymermaterial gebildet gezeigt. Es können aber nach Bedarf andere Materialien zum Bilden der Stützen 38, beispielsweise Metall, verwendet werden. In einer anderen Ausführungsform können die Stützen 38 mit einem unteren Teil 56 der unteren Endvorrichtung 16 einstückig ausgebildet werden, wie in 5 gezeigt wird.
Zum Zusammenfügen der Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung 28 werden die Endplatten 34 und das Abdichtmittel 36 in einem Teil eines teilweise zusammengebauten Abdichtrahmens 30 angeordnet. Als Nächstes werden die WVT-Vorrichtungen 32 in dem Teil des Abdichtrahmens 30 neben den Endplatten 34 angeordnet. Zumindest eine der Stützen 38 wird zwischen benachbarten WVT-Vorrichtungen 32 in dem teilweise zusammengebauten Abdichtrahmen 30 angeordnet. Bei Bedarf kann ein zusätzliches Abdichtmittel 36 an den Stützen 38 und dem Abdichtrahmen 30 vor dem Einbau der WVT-Vorrichtungen 32 aufgebracht werden. Der Abdichtrahmen 30 wird dann vollständig zusammengebaut, was ein erforderliches Zusammenpressen der Komponenten in dem Abdichtrahmen 30 bewirkt. Das durch die Endplatten 34 an den WVT-Vorrichtungen 32 bewirkte Zusammenpressen sieht ein zusätzliches Abdichten der Membranen mit Stützen 38 und dem Abdichtrahmen 30 vor.
Nach vollständigem Zusammenbau kann die Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung 28 optional getestet und auf Dichtheit geprüft werden, bevor sie in der unteren Endvorrichtung 16 des Brennstoffzellenstapelsystems 10 eingebaut wird. Ferner kann die Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung 28 weiter abgedichtet werden, indem eine (nicht dargestellte) Gleitringdichtung an den Umfangskanten der Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung 28 so angeordnet wird, dass sie die Endplatten 34 bedeckt, sobald die Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung 28 in der unteren Endvorrichtung 16 eingebaut ist.
Da die Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung 28 die Stützen 38 umfasst, kann die Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung 28 in der unteren Endvorrichtung 16 an der Endplatte 24 des Brennstoffzellenstapels 14 anliegend angeordnet werden. Die Stützen 38 sind dafür ausgelegt, lasttragende Elemente zu sein, die die Endplatte 24 und den Brennstoffzellenstapel 14 stützen. Da die Stützen 38 die lasttragenden Elemente für den Brennstoffzellenstapel 14 sind, und nicht die Endplatte 24, kann zudem die Endplatte 24 aus einem Polymermaterial statt aus einem Metall gebildet werden. Eine polymere untere Endplatte 24 weist verglichen mit Metallendplatten eine niedrigere thermische Masse und Wärmeleitfähigkeit auf, und die polymere Endplatte 24 erleichtert dadurch ein schnelleres Aufwärmen des Brennstoffzellenstapelsystems 10, während sie einen Wärmeverlust durch die Endplatte 24 minimiert. Durch Vorsehen der Stützen 38 in der Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung 28 können weiterhin die obere Endvorrichtung 12 und die untere Endvorrichtung 14 des Brennstoffzellenstapelsystems 10 durch das Zusammenpresssystem gleichmäßig zusammengepresst werden, wodurch die Abdichtung der WVT-Vorrichtungen 32 maximiert und eine Komplexität eines Zusammenbaus und eines Zerlegens des Brennstoffzellenstapelsystems 10 minimiert wird.

Claims

Brennstoffzellenstapelsystem (10) umfassend: einen Brennstoffzellenstapel (14); eine Endplatte (24), die an dem Brennstoffzellenstapel (14) anliegt und aus einem Polymer oder einem Verbundstoff gefertigt ist; und eine Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung (28) umfassend: einen Abdichtrahmen (30), der an einer dem Brennstoffzellenstapel (14) abgewandten Seite der Endplatte (24) anliegt; mehrere Wasserdampfübertragungsvorrichtungen (32), die in dem Abdichtrahmen (30) angeordnet sind; und mehrere Stützen (38), die in dem Abdichtrahmen (30) zwischen den Wasserdampfübertragungsvorrichtungen (32) angeordnet sind, wobei die Stützen (38) zum Stützen der Endplatte (24) ausgelegt und senkrecht zur Endplatte (24) ausgerichtet sind.
Brennstoffzellenstapelsystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Stützen (38) mit dem Abdichtrahmen (30) einstückig ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapelsystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Stützen (38) getrennt von dem Abdichtrahmen (30) ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapelsystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung (28) mehrere zwischen den Wasserdampfübertragungsvorrichtungen (32) und dem Abdichtrahmen (30) angeordnete Wasserdampfübertragungsvorrichtungsendplatten (34) umfasst.
Brennstoffzellenstapelsystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Wasserdampfübertragungseinheit-Anordnung (28) ein zwischen dem Abdichtrahmen (30) und den Wasserdampfübertragungsvorrichtungen (32) angeordnetes Abdichtmittel (36) umfasst.
Brennstoffzellenstapelsystem (10) nach Anspruch 5, wobei das Abdichtmittel (36) ein Polymermaterial, ein Metallmaterial, ein Epoxidharz oder ein B-Zustand-Klebstoff ist.
Brennstoffzellenstapelsystem (10) nach Anspruch 5, wobei das Abdichtmittel (36) mit dem Abdichtrahmen (30) und den Wasserdampfübertragungsvorrichtungen (32) zusammenwirkt, um eine fluiddichte Abdichtung zu erzeugen.