DE10392620T5 - Brennstoffzellenstapel mit verbesserter Druckplatte und verbessertem Stromkollektor - Google Patents

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Grant M. West Hartford Ehrlich
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Abstract

Brennstoffzellenstapel (10) zum Erzeugen von Elektrizität aus reduzierendem Fluid- und Prozessoxidationsmittel-Reaktantenströmen, aufweisend:
a. eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Komponentenplatten (12), welche benachbart zueinander gestapelt sind, um einen Reaktionsbereich (14) des Brennstoffzellenstapels (10) zu bilden, wobei die Mehrzahl von Brennstoffzellen-Komponentenplatten (12) eine erste End-Zellenkomponentenplatte (16) an einem ersten Ende (18) des Stapels von Brennstoffzellen-Komponentenplatten (12) und eine zweite End-Zellenkomponentenplatte (20) an einem entgegengesetzten zweiten Ende (22) des Stapels der Brennstoffzellen-Komponentenplatten (12) aufweisen;
b. einen Stromkollektor (24), welcher benachbart zu einer End-Zellenkomponentenplatte (16) befestigt ist, wobei der Stromkollektor (24) aus nicht-porösem, elektrisch leitenden Grafitmaterial gemacht ist und wobei der Stromkollektor (24) mindestens einen leitenden Stift (28) aufweist, welcher an dem Kollektor (24) befestigt ist und von dem Stromkollektor (24) in einer Richtung von der End-Zellenkomponentenplatte (16) weg ragt; und
c. eine Druckplatte (40), welche benachbart zu dem Stromkollektor (24) befestigt ist und die End-Zellenkomponentenplatte (16) überlagert, wobei die Druckplatte (40) aus...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffzellen, welche in Brennstoffzellenstapel-Anordnungen angeordnet sind, die zur Verwendung in Transportfahrzeugen, transportierbaren Stromerzeugungsanlagen oder als stationäre Stromerzeugungsanlagen geeignet sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Brennstoffzellenstapel mit einer leichten, elektrisch isolierenden Druckplatte und einem kompakten Stromkollektor, welche beide eine geringe Wärmekapazität haben.
  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellen sind bekannt und werden verbreitet verwendet, um elektrische Energie aus reduzierenden und oxidierenden Reaktantenfluiden zu erzeugen, um elektrische Einrichtungen, z.B. Einrichtungen an Bord von Raumfahrzeugen, Transportfahrzeugen oder Generatoren vor Ort für Gebäude anzutreiben. Eine Vielzahl von planaren Brennstoffzellenplatten-Komponenten sind typischerweise in einem Zellenstapel angeordnet, umgeben von einer elektrisch isolierenden Rahmenstruktur, welche Verzweigungssysteme zum Leiten der Strömung von reduzierenden, Oxidationsmittel-, Kühlmittel- und Produkt-Fluiden als Teil der Brennstoffzellen-Stromerzeugungsanlage definiert. Jede individuelle Brennstoffzelle umfasst im allgemeinen eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, welche durch einen Elektrolyten getrennt sind. Ein reduzierendes Fluid, z.B. Wasserstoff, wird zur Anodenelektrode geliefert, und ein Oxidationsmittel, z.B. Sauerstoff oder Luft, wird zur Kathodenelektrode geliefert. In einer Zelle, welche eine Protonenaustauschmembran ("PEM") als Elektrolyten verwendet, reagiert Wasserstoff elektrochemisch an einer Katalysatoroberfläche der Anodenelektrode und erzeugt Wasserstoffionen und Elektronen. Die Elektronen werden durch einen externen Lastkreis geleitet und dann zur Kathodenelektrode zurückgeführt, während die Wasserstoffionen durch den Elektrolyten zur Kathodenelektrode gelangen, wo sie mit dem Oxidationsmittel und den Elektronen reagieren, um Wasser zu erzeugen und Wärmeenergie freizusetzen. Die Brennstoffzellenkomponenten umfassen auch häufig eine Mehrzahl von Kühlmittelplatten, welche zwischen den Zellen angeordnet sind. Kühlmittelfluid läuft typischerweise durch die Kühlmittelplatten, um die Brennstoffzellen und den Brennstoffzellenstapel bei einer optimalen Temperatur zu halten.
  • Es ist bekannt, dicke Stromkollektorplatten an entgegengesetzten Enden des Zellenstapels zu verwenden, welche in elektrischem Kontakt mit den Endplatten des Stapels sind, um elektrischen Strom, welcher durch die Brennstoffzellen des Stapels erzeugt wurde, aufzunehmen und den Strom durch Kabel von den Stromkollektoren zu einer Last zu leiten, um Arbeit zu verrichten. Es ist auch bekannt, dicke Metalldruckplatten an entgegengesetzten Enden des Zellenstapels zu verwenden, wobei die Druckplatten typischerweise eine Befestigungsanordnung aufweisen, z.B. eine Mehrzahl von Zugstangen, welche sich zwischen den Druckplatten erstrecken und dazu dienen, eine zusammendrückende Kraft auf die Stromkollektoren und die Brennstoffzellenplatten-Komponenten zwischen den Druckplatten auszuüben.
  • Beispielsweise in dem am 1. März 1988 an Briggs erteilten US-Patent 4 728 585 ist gezeigt, dass eine Stahl-Druckplatte mit einer benachbarten dünnen, porösen Grafitplatte, welche mit PTFE imprägniert ist, eine dicke Kollektorplatte und eine überhängende Stahl-Druckplatte ersetzen. Die dünne, mit PTFE imprägnierte Grafitplatte bietet eine elektrisch leitende Gasdichtung zwischen den Stahl-Druckplatten und der Endplatte der Brennstoffzellen-Komponentenplatten, so dass die Stahl-Druckplatte auch als Stromkollektor dienen kann. Das am 23. April 1991 an Guthrie et al. erteilte US-Patent 5 009 968 trägt auch eine Brennstoffzellen-Endplattenstruktur, welche eine Membran aufweist, welche ausreichend dünn ist, so dass zusammendrückende Kräfte, welche auf die Membran und benachbarte Zellen durch entgegengesetzte Druckkissen aufgebracht wird, die Membran in engem elektrischen Kontakt mit den Elektroden an mehreren Stellen hält.
  • Das am 14. Dezember 1999 an Walsh erteilte US-Patent 6 001 502 zeigt auch kombinierte strukturale Druck- oder Endplatten und Stromkollektoren als "leitende Körper", wobei die gewählten Oberflächen der leitenden Körper mit einem elektrische Leitfähigkeit "isolierenden Material" behandelt werden, um elektrische Leitung von den Brennstoffzellen in den leitenden Körper zu ermöglichen und Befestigungsstrukturen, welche die Körper und die in den Körpern definierten Fluidsysteme kontaktieren.
  • Es ist auch bekannt, dass für kombinierte Druckplatten/Stromkollektoren aus Stahl oder Aluminium die Platten aus rostfreiem Stahl oder Aluminium häufig mit einem Edelmetall plattiert werden, z.B. Gold, zu beträchtlichen Kosten. Das Goldplattieren dient zum Minimieren des Kontaktwiderstands, weil sowohl Aluminium als auch rostfreier Stahl nicht leitende Oxidoberflächen ausbilden, wenn sie Luft und Wasser oder Wasserdampf in einer typischen PEM-Brennstoffzellenbetriebsumgebung ausgesetzt werden. Es wurde jedoch gezeigt, dass solches Goldplattieren sowohl teuer als auch unzuverlässig ist, aufgrund der schlechten Adhäsion zwischen Gold und dem Basismetall.
  • Bekannte Brennstoffzellenstapel-Druckplatten und Stromkollektoren sind daher typischerweise massige, komplexe Vorrichtungen, welche in der Herstellung teuer sind und welche auch wesentlich zum Gewicht und Volumen der Gesamtbrennstoffzellenstapel-Spezifikation beitragen. Während in stationären Stromerzeugungsanlagen verwendete Brennstoffzellenstapel mit den bekannten Druckplatten und Stromkollektoren in akzeptabler Weise betrieben werden können, muss bei Brennstoffzellenstapeln, welche zum Antrieb von Transportfahrzeugen verwendet werden, das Gewicht, Volumen und die Kosten des Brennstoffzellenstapels minimiert werden. Außerdem müssen Brennstoffzellenstapel, welche in Transportfahrzeugen verwendet werden, in der Lage sein, bei Bedingungen unter dem Gefrierpunkt schnell zu starten. Bekannte, schwere, dichte metallische Druckplatten und/oder Stromkollektoren weisen eine sehr hohe Wärmemasse bzw. Wärmekapazität auf. Daher absorbieren sie eine große Menge der thermischen Energie während eines kalten Starts, wodurch effektiv die Anfahrdauer verlängert wird. Solche Platten mit hoher Wärmekapazität erzeugen auch einen Wärmegradienten während eines kalten Starts zwischen den Zellen, welche den Druckplatten benachbart sind, und jenen Brennstoffzellen, welche im Inneren des Zellenstapels sind. Ein solcher Temperaturgradient verhindert einen rapiden Start der Brennstoffzelle, was unerwünscht ist.
  • Dementsprechend besteht ein Bedürfnis für einen Brennstoffzellenstapel mit Druckplatten und Stromkollektoren, welche leicht und in der Herstellung kostengünstiger sind und welche beträchtlich reduzierte Wärmekapazitäten haben.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung ist ein Brennstoffzellenstapel mit verbesserter (verbessertem) Druckplatte und Stromkollektor. Der Brennstoffzellenstapel erzeugt Elektrizität aus reduzierenden Fluid- und Prozessoxidationsmittel-Reaktantenströmen und weist eine Mehrzahl von Brennstoffzellenkomponentenplatten auf, welche benachbart zueinander gestapelt sind, um einen Reaktionsteil des Brennstoffzellenstapels zu bilden. Die Mehrzahl von Brennstoffzellen-Komponentenplatten umfassen eine erste End-Zellenkomponentenplatte an einem ersten Ende des Stapels der Brennstoffzellen-Komponentenplatte und eine zweite End-Zellenkomponentenplatte an einem entgegengesetzten zweiten Ende des Stapels von Brennstoffzellen-Komponentenplatten. Ein Stromkollektor ist benachbart einer End-Zellenkomponentenplatte befestigt. In einer Ausführungsform ist der Stromkollektor aus einem nicht-porösen, elektrisch leitenden Grafitmaterial. In einer alternativen Ausführungsform kann der Stromkollektor aus einer dünnen, leitenden Metallschicht (z.B. eine 2 mm dicke Kupferschicht) bestehen, welcher an einer elektrisch leitenden Grafitmaterialschicht befestigt ist, so dass die Grafitmaterialschicht benachbart der End-Zellenkomponentenplatte befestigt ist. Dieses "elektrisch leitende Grafitmaterial" kann aus reinem Grafit oder einem Grafit-Polymerverbund bestehen. Der Stromkollektor umfasst auch mindestens einen leitenden Stift, welcher an dem Kollektor angebracht ist und von dem Stromkollektor weg in der Richtung weg von dem Ende der Zellenkomponentenplatte hinweg ragt. Der Brennstoffzellenstapel umfasst auch eine Druckplatte, welche benachbart dem Stromkollektor angebracht ist, bei welchem die Druckplatte die End-Zellenkomponentenplatte benachbart zum Stromkollektor überlagert, und die Druckplatte ist aus einem elektrisch nicht leitenden, nicht-metallischen, faserverstärkten Verbundmaterial gemacht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Brennstoffzellenstapel auch einen Wärmeisolator, welcher zwischen dem Stromkollektor und der Druckplatte angebracht ist, um Bewegung von Wärme von dem Stromkollektor zur Druckplatte und der Umgebung einzuschränken. In einer zusätzlichen bevorzugten Ausführungsform kann der leitende Stift des Stromkollektors durch eine Öffnung hindurch reichen, welche in der Druckplatte definiert ist. Der Stromkollektor kann auch ein Paar oder mehr leitende Stifte umfassen, welche durch die Druckplatte reichen. Der Brennstoffzellenstapel kann auch einen ersten Stromkollektor umfassen, welcher benachbart der ersten End-Zellenkomponentenplatte angebracht ist, und kann eine erste Druckplatte umfassen, welche benachbart dem ersten Stromkollektor angebracht ist, während ein zweiter Stromkollektor und eine zweite Druckplatte in ähnlicher Weise benachbart zur zweiten End-Zellenkomponentenplatte angebracht sind, und der erste und zweite Kollektor sind beide aus einem nicht-porösen, leitenden Grafitmaterial gemacht, und die erste und zweite Druckplatte sind beide aus einem nichtleitenden, nicht-metallischen, faserverstärkten Verbundmaterial gemacht.
  • Diese und andere Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden leichter verständlich, wenn die folgende Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels mit verbesserter Druckplatte und verbessertem Stromkollektor gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist eine perspektivische Draufsicht einer beispielhaften verbesserten Druckplatte und verbessertem Stromkollektor.
  • 3 ist eine perspektivische Draufsicht auf den Boden der verbesserten exemplarischen Druckplatte aus 2.
  • 4 ist eine Bodenansicht der exemplarischen verbesserten Druckplatte aus 2, welche den Stromkollektor aus 2 in der Druckplatte positioniert zeigt.
  • 5 ist eine Draufsicht der exemplarischen verbesserten Druckplatte aus 2, welche die leitenden Stifte des Stromkollektors aus 2 zeigt, welche durch die in der Druckplatte von 2 definierten Öffnungen hindurch reichen.
  • Beste Art der Ausführung der Erfindung
  • Es wird detailliert auf die Zeichnungen Bezug genommen. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Erfindung und im allgemeinen durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Wie in 1 am besten gezeigt, umfasst der Brennstoffzellenstapel 10 eine Mehrzahl von Brennstoffzellenkomponentenplatten 12, welche einen Reaktionsbereich 14 des Brennstoffzellenstapels 10 definieren. Wie in der Technik bekannt, umfassen die Brennstoffzellen-Komponentenplatten 12 des Stapels 10 plattenförmige Komponenten, welche die einzelnen Brennstoffzellen bilden, z.B. Anoden- und Kathodenelektroden, welche auf entgegengesetzten Seiten der Elektrolyten sind, z.B. PEM-Elektrolyten, gemeinsam mit Kühlmittelplatten, welche zwischen manchen Brennstoffzellen positioniert sind, um eine optimale Temperatur der Brennstoffzellen und des Brennstoffzellenstapels 10 aufrechtzuerhalten, wie z.B. die Brennstoffzellenplatten-Komponenten, welche in dem o.g. US-Patent 4 728 585 beschrieben sind, wie auch ein Brennstoffzellensta pel, welcher im US-Patent 6 331 336 beschrieben ist, welches am 18. Dezember 2001 an Van Dine et al. erteilt wurde. Eine erste End-Zellenkomponentenplatte 16 wird an einem ersten Ende 18 des Reaktionsbereichs 14 des Brennstoffzellenstapels 10 befestigt, und eine zweite End-Zellenkomponentenplatte 20 wird an einem zweiten Ende 22 des Reaktionsbereichs 14 befestigt, welche dem ersten Ende 18 des Reaktionsbereichs 14 des Brennstoffzellenstapels 10 gegenüber liegt.
  • Ein erster Stromkollektor 24 wird benachbart zur ersten End-Zellenkomponentenplatte 16 befestigt, so dass der ersten Stromkollektor in elektrischer Verbindung mit der ersten End-Zellenkomponentenplatte 16 ist. Ein zweiter Stromkollektor 26 wird benachbart zur zweiten End-Zellenkomponentenplatte 20 befestigt, so dass der zweite Stromkollektor 26 in Verbindung mit der zweiten End-Zellenkomponentenplatte 20 ist. Die ersten und zweiten Stromkollektoren 24, 26 sind aus nicht-porösem, elektrisch leitenden Grafit oder aus einem elektrisch leitenden Grafit-Polymerverbundwerkstoff gemacht, im Folgenden kollektiv als "ein elektrisch leitendes Grafitmaterial" bezeichnet. Ein beispielhaftes elektrisch leitendes Grafitmaterial ist erhältlich unter dem Handelsnamen "PEMTEX GRADE", hergestellt durch die Quantum Composites Co. aus Bay City, Michigan, U.S.A. In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten bzw. zweiten Kollektors 24, 26 kann das nicht-poröse Grafitmaterial eine bevorzugte Dicke von 3 bis 12 mm und eine bevorzugte Leitfähigkeit von 25 Siemens/cm oder mehr haben.
  • Zusätzlich können die ersten und zweiten Kollektoren 24, 26 so dimensioniert sein, dass Querschnittsflächen der ersten und zweiten Kollektoren 24, 26 mindestens so groß sind wie die Querschnittsflächen der benachbarten ersten und zweiten End-Zellenkomponentenplatten 16, 20, um das Leiten von Elektrizität zwischen den End-Zellenkomponentenplatten 16, 20 und den Stromkollektoren 24, 26 zu verbessern. Der erste Stromkollektor 24 umfasst auch einen ersten leitenden Stift 28 und einen zweiten leitenden Stift 30, welche an dem Kollektor 24 befestigt sind. In ähnlicher Weise umfasst der zweite Stromkollektor 26 einen dritten leitenden Stift 32 und einen vierten leitenden Stift 34. Die leitenden Stifte 28, 30, 32, 34 strecken sich in einer Richtung weg von dem ersten bzw. zweiten Stromkollektor 24, 26, an welchem sie befestigt sind, und auch in eine Richtung weg von der ersten End-Zellenkomponentenplatte 16 oder zweiten End-Zellenkomponentenplatte 20, an welche der erste bzw. zweite Stromkollektor 24, 26 angebracht ist. Die leitenden Stifte 28, 30, 32, 34 können aus jedem Material mit brauchbarer elektrischer Leitfähigkeit gemacht sein, z.B. Kupfer, Nickel, rostfreier Stahl oder Grafit, etc., und die leitenden Stifte können mechanisch mit den Kollektoren durch Gewinde verbunden sein oder können geschweißt, gelötet oder durch einen leitenden Klebstoff mit den Stromkollektoren 24, 25 verbunden sein. Die leitenden Stifte 28, 30, 32, 34 können auch aus jedem leitenden Kabel oder Draht gebildet sein, welcher in der Technik bekannt ist, um Elektrizität von einem Brennstoffzellenstapel zu einer Last zum Verrichten von Arbeit zu leisten. Es versteht sich auch, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst, dass der erste Stromkollektor einen oder mehrere Stifte hat, sowie dass der zweite Stromkollektor 26 einen oder mehrere Stifte hat.
  • Der Brennstoffzellenstapel 10 kann auch einen ersten Wärmeisolator 36 umfassen, welcher benachbart zum ersten Stromkollektor 24 befestigt ist und so positioniert ist, dass der erste Stromkollektor 24 zwischen dem ersten Wärmeisolator 36 und der ersten End-Zellenkomponentenplatte 16 angeordnet ist. Ein zweiter Wärmeisolator 38 kann auch benachbart zum zweiten Stromkollektor 26 befestigt und so positioniert sein, dass der zweite Stromkollektor 26 zwischen dem zweiten Wärmeisolator 38 und der zweiten End-Zellenkomponentenplatte 20 befestigt ist. Die Wärmeisolatoren 36, 38 schränken die Bewegung von Wärme vom Reaktionsbereich 14 des Brennstoffzellenstapels 10 durch den ersten und zweiten Kollektor 24, 26 ein. Die Wärmeisolatoren können aus einer steifen Isolierung bestehen, welche den Kompressionskräften in einer Brenntoffzelle standhält, welche typischerweise 345 bis 690 kPa sind. Eine beispielhafte steife Isolation ist erhältlich unter dem Handelsnamen "ZAL-45 alumina insulation", hergestellt durch Zircar Ceramics, Inc. aus Florida, NY, USA.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann der Stromkollektor 24 auch eine dünne leitende Metallschicht 39 aufweisen, welche an dem elektrisch leitenden Grafitmaterialschicht-Stromkollektor 24 befestigt ist, so dass der Grafitmaterialschicht-Stromkollektor 24 benachbart der ersten End-Zellenkomponenten platte 16, befestigt ist. Die dünne leitende Metallschicht kann aus jedem hoch leitenden Metall sein, z.B. Kupfer, welches normalerweise für den Brennstoffzellenstapel 10 schädlich wäre, aber in der vorliegenden Erfindung wäre die Metallschicht 39 gutartig, weil sie vor den Brennstoffzellen-Komponentenplatten 12 durch die elektrisch leitende Grafitmaterialschicht 24 isoliert ist. Weil die Metallschicht 39 hoch leitend ist, kann sie wesentlich dünner sein als Stahl-Endplatten aus dem Stand der Technik. Beispielsweise kann eine exemplarische leitende Metallschicht 39 weniger als 2 mm dick sein, und dementsprechend hat die Metallschicht 39 eine viel geringere thermische Masse als eine 20 mm dicke Stahlplatte aus dem Stand der Technik.
  • Eine erste Druckplatte 40 ist der ersten Wärmeisolation 36 und eine zweite Druckplatte 42 ist der zweiten Wärmeisolation 38 benachbart befestigt. Die erste und zweite Druckplatte 40, 42 sind so dimensioniert, dass sie eine Querschnittsfläche haben, welche mindestens so groß ist wie die Querschnittsfläche der End-Zellenkomponentenplatten 16, 20, welche ihnen am nächsten sind. Für die hier vorliegenden Zwecke wird die Querschnittsfläche einer Druckplatte 40, 42, welche mindestens so groß ist wie eine Querschnittsfläche einer End-Zellenkomponentenplatte 16, 20, die der Druckplatte 40, 42 am nächsten ist, bezeichnet als die erste Druckplatte 40, welche über der ersten End-Zellenkomponentenplatte 16 liegt, oder bezeichnet als die zweite Druckplatte 20, welche über der zweiten End-Zellenkomponentenplatte 20 liegt. Die erste und zweite Druckplatte 40, 42 sind aus einem elektrisch nicht-leitenden, nichtmetallischen, faserverstärkten Verbundmaterial gemacht. Beispielhafte Materialien zum Herstellen der Druckplatten 40, 42 umfassen ein glas- oder faserverstärktes Polymer oder Harz, welches mit den Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 10 vereinbar ist. Beispielhafte faserverstärkte Verbundmaterialien umfassen Produkte, welche von der Quantum Composites Company aus Bay City, Michigan, USA, erhältlich sind, erhältlich unter den folgenden Handelsbezeichnungen: a. "LYTEX 9063", 63% Glasfaserepoxid SMC; b. "LYTEX 4149", 55% Kohlefaserepoxid SMC; c. "QC8560" glasfaserverstärktes Vinylesterharz SMC; und d. "QC8880" glasfaserverstärktes Vinylesterharz SMC.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann der Brennstoffzellenstapel 10 nur den ersten und den zweiten Stromkollektor 24, 26 umfassen, wobei die erste und zweite Druckplatte 40, 42 direkt mit den Stromkollektoren 24, 26 verbunden sind, ohne dass die Wärmeisolationen 36, 38 zwischen den Stromkollektoren 24, 26 und Druckplatten 40, 42 befestigt sind. Zusätzlich können, wie in 1 gezeigt, die ersten und zweiten leitenden Stifte 28, 30 so dimensioniert sein, dass sie durch die erste Wärmeisolation 36 und die erste Druckplatte 40 hindurchreichen, und die dritten und vierten leitenden Stifte 32, 34 können ähnlich dimensioniert sein, so dass sie direkt durch die zweite Wärmeisolation und die zweite Druckplatte 42 hindurch reichen.
  • Der Brennstoffzellenstapel 10 kann auch ein erstes Reaktantenverzweigungssystem 44 und ein zweites Reaktantenverzweigungssystem 46 aufweisen, welches mit dem Reaktionsbereich 14 des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden ist, um Reaktantenströme, z.B. reduzierendes Fluid und Prozessoxidationsmittelströme in den Reaktionsbereich 14 des Brennstoffzellenstapels 10 zu leiten und um Produktströmungen aus dem Brennstoffzellenstapel 10 zu leiten, wie es in der Technik bekannt ist. Zusätzlich kann die erste Druckplatte 40 einen ersten Kühlmittelkopf 48 zum Leiten eines Kühlmittelstroms in den Reaktantenbereich 14 des Brennstoffzellenstapels 10 durch Passagen, welche nicht in 1 gezeigt sind, definieren. Die erste Druckplatte 40 kann auch eine erste Ausrichtungsstrebe 50 und eine zweite Ausrichtungsstrebe 52 zum Unterstützen des Ausrichtens und Zusammenbaus des Brennstoffzellenstapels 10 aufweisen. In ähnlicher Weise kann die zweite Druckplatte 42 ebenfalls einen zweiten Kühlmittelkopf 54, eine dritte Ausrichtungsstrebe 56 und eine vierte Ausrichtungsstrebe 58 definieren. Die erste Druckplatte kann auch eine erste Gasdichtung 57 aufweisen, welcher als traditionelle "O-Ring"-, periphere, kombinierbare Dichtung dimensioniert ist, welche sich zwischen der Druckplatte 40 und der ersten End-Zellenkomponentenplatte 16 erstreckt, um das Strömen von irgendwelchen Fluiden durch die Dichtung 57 zu verhindern, um z.B. das Vermischen von reduzierendem Fluid und Oxidationsmittel oder Luft-Reaktanten zu verhindern. In ähnlicher Weise kann die zweite Druckplatte 42 eine zweite Gasdichtung 59 aufweisen, welche dimensioniert ist, sich zwischen einer Peripherie der Druckplatte und der zweiten End-Zellenkomponentenplatte 20 zu erstrecken.
  • In 2 bis 5 ist ein exemplarischer verbesserter Stromkollektor 60 und eine verbesserte Druckplatte 62 gezeigt, welche so ausgelegt sind, dass Stromkollektor 60 in die Druckplatte 62 hineinpasst. Der Stromkollektor 60 umfasst einen ersten leitenden Stift 64 und einen zweiten leitenden Stift 66, welche von einer ersten Fläche 68 des Stromkollektors 60 weg ragen. Zusätzlich ist ein erster Kühlmittelkopfausschnitt 70 und ein zweiter Kühlmittelkopfausschnitt 72 an entgegengesetzten Ecken des beispielhaften Stromkollektors 60 definiert. Die beispielhafte Druckplatte 62, in 2 bis 5 gezeigt, umfasst einen ersten Kühlmittelkopf 74 und einen zweiten Kühlmittelkopf 76 an entgegengesetzten Ecken der Druckplatte 62 zum Leiten einer Strömung eines kühlenden Fluids durch die Köpfe 74, 76 und Brennstoffzellenstapel 10, wie aus der Technik bekannt. Ebenfalls umfasst sind eine erste Öffnung 78 für einen leitenden Stift und eine zweite Öffnung 80 für einen leitenden Stift, welche innerhalb eines zentralen Bereiches der Druckplatte 62 definiert sind; eine erste Strebe 82 zum Ausrichten und Montieren und eine zweite Strebe 84 zum Ausrichten und Montieren an entgegengesetzten Seiten der Platte 62, welche jeweils Durchbohrungen definieren zur Unterstützung der Verwendung von Ausrichtungsstangen (nicht gezeigt), welche während des Zusammenbaus eines Brennstoffzellenstapels verwendet würden, um bei der Ausrichtung der Brennstoffzellenkomponentenplatten zu helfen. Die ersten und zweiten Streben 82, 84 zum Ausrichten und Montieren können auch verwendet werden, um den Brennstoffzellenstapel 10 während des Betriebs zu stützen. Die beispielhafte Druckplatte 62 umfasst auch einen ersten Zugstangen-Vorsprung 86, einen zweiten Zugstangen-Vorsprung 88, einen dritten Zugstangen-Vorsprung 90 und einen vierten Zugstangen-Vorsprung 92, welche jeweils Durchführungen aufweisen, die so dimensioniert sind, dass sie separate Zugstangen (nicht gezeigt) aufnehmen können, welche auch durch eine zweite Druckplatte (z.B. Bezugszeichen Nr. 42 in 1) hindurch reichen würden, um beim Aufbringen einer Kompressionskraft auf den Brennstoffzellenstapel miteinander zu kooperieren, wie aus der Technik bekannt. Die isolierende Eigenschaft der Verbund-Druckplatte 62 ermöglicht ein Entfernen eines dielektrischen Isolierungssystems (nicht gezeigt) von einem Last-Folgesystem (load follow-up system) (nicht gezeigt). In der beispielhaften bevorzugten Ausführungsform der Druckplatte 62 ist die Druck platte 62 auch mit einer Mehrzahl an strukturalen Rippen 94 gezeigt, welche der Druckplatte 62 mechanische Festigkeit verleihen. Die Druckplatte 62 könnte auch ohne strukturale Rippen 94 hergestellt werden, müsste in einem solchen Fall aber wesentlich dicker sein, um vergleichbare Festigkeitseigenschaften zu bieten.
  • 3 zeigt die beispielhafte Druckplatte 62 dem Betrachter zugewandt, die Bodenfläche 96 der Druckplatte 62 zeigend. Die Bodenfläche 96 umfasst eine Vertiefung 98, welche innerhalb der Bodenfläche 96 definiert ist, welche bemessen ist, um den beispielhaften Stromkollektor 60 aufzunehmen, so dass eine Bodenfläche 100 des Stromkollektors 62 (in 4 gezeigt) mit der Bodenfläche 96 der Druckplatte 62 bündig ist. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in 4 gezeigt, bei welcher die Bodenfläche 100 des Stromkollektors 60 und die Bodenfläche 96 der Druckplatte 62 im wesentlichen die gleiche Ebene definieren. Für hier vorliegende Zwecke wird bei einer solchen Ausführungsform der Stromkollektor 60 als "bündig angebracht" innerhalb der in der Druckplatte 62 definierten Vertiefung 98 bezeichnet. Durch bündiges Montieren wirken der Stromkollektor 60 und die Druckplatte 62 gemeinsam, um die Dichtung der End-Zellenkomponentenplatte 16, 20 an den Stromkollektor 60 und die Druckplatte zu unterstützen. Ein derartiges bündiges Montieren umfasst ein leichtes Vorspringen des Stromkollektors 60 von der Druckplatte 62, beispielsweise um ca. 1,27 mm, falls die Druckplatte 62 eine komprimierbare Gasdichtung (wie die in 1 gezeigte Gasdichtung 57) umfasst, um einen Abstand für eine Dichtungskompression zu bieten.
  • 4 zeigt eine Bodenperspektivansicht des Stromkollektors 60, welcher bündig innerhalb der Vertiefung 98 in der Bodenfläche 96 der Druckplatte 62 montiert ist. 5 zeigt eine perspektivische Draufsicht des Stromkollektors 60, welcher in der Druckplatte 62 montiert ist, bei welchem eine Kontaktspitze 100 des ersten leitenden Stifts 64 durch die erste Öffnung 78 für den leitenden Stift und eine Kontaktspitze 102 des zweiten leitenden Stifts 66 des Stromkollektors ebenfalls durch die zweite Öffnung 80 für den leitenden Stift hindurch reichen, welche Öffnungen in der Druckplatte 62 definiert sind. Weil die leitenden Stifte 64, 66 so bemessen sind, dass sie sich über die Druckplatte 62 erstrecken, können die Kontaktspitzen 100, 102 der leitenden Stifte 64, 66 ohne Probleme an elektrische Kabel (nicht gezeigt) befestigt werden, um den von der Brennstoffzelle erzeugten Strom zu einer elektrischen Last zu leiten.
  • Es kann gesehen werden, dass der verbesserte Stromkollektor 60 und die verbesserte Druckplatte 62 das Gewicht, Volumen und die Wärmekapazität eines Brennstoffzellenstapels 10 wesentlich reduzieren, weil der beispielhafte Stromkollektor 60 aus einem dichten, leichten, elektrisch leitenden, nicht-porösen Grafit gemacht ist und dass die beispielhafte Druckplatte 62 aus einem leichten, festen, elektrisch nicht-leitenden, nicht-metallischen, faserverstärkten Verbundmaterial gemacht ist. Weil außerdem die Druckplatte 62 elektrisch nichtleitend ist, ist der Brennstoffzellenstapel, welcher die Druckplatte verwendet, sicherer, weil keine elektrisch leitende Platte der Umgebung des Brennstoffzellenstapels ausgesetzt ist. Auch ist es nicht erforderlich, die Zugstangen oder andere Komponenten, welche in Kontakt mit der Platte 62 sind, elektrisch zu isolieren, weil die Druckplatte 62 elektrisch nicht-leitend ist. Falls auch eine Wärmeisolation 36, 38 zwischen dem Stromkollektor 60 und der Druckplatte 62 verwendet wird, wird der Brennstoffzellenstapel jeglichen Wärmeenergieverlust bzw. Wärmeabwanderung während des Anfahrens des Brennstoffzellenstapels unter kalten Bedingungen weiter reduzieren.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit speziellen Ausführungsformen eines Brennstoffzellenstapels mit verbesserten Stromkollektoren und Druckplatten beschrieben und dargestellt wurde, versteht es sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen begrenzt ist. Beispielsweise können die relativen Abmessungen des Stromkollektors und der Druckplatte beträchtlich variieren, abhängig von den Abmessungen von verschiedenen Brennstoffzellen-Komponentenplatten und damit verbundenen Strömungswegen von Reaktanten- und Produktfluiden und Kühlmittelfluiden innerhalb eines jeweiligen Brennstoffzellenstapels. Außerdem können die ersten und zweiten peripheren komprimierbaren Gasdichtungen 57, 59 ersetzt werden durch eine Verbindung am Umfang der Druckplatten mit den End-Zellenkomponentenplatten oder durch andere in der Technik bekannte Mechanismen zum Verhindern des Vermischens von Fluiden.
  • Dementsprechend sollte zur Bestimmung des Umfangs der Erfindung primär Bezug auf die folgenden Ansprüche anstatt auf die vorangehende Beschreibung genommen werden.
  • Zusammenfassung
  • Die Erfindung ist ein Brennstoffzellenstapel (10), welcher eine verbesserte Druckplatte (40) und einen Stromkollektor (24) hat. Der Brennstoffzellenstapel (10) umfasst eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Komponentenplatten (12), welche einander benachbart gestapelt sind, um einen Reaktionsbereich (14) des Brennstoffzellenstapels zu bilden. Ein Stromkollektor (42) ist dem Stromkollektor (24) benachbart befestigt. Der Stromkollektor (24) ist aus einem nicht-porösen, elektrisch leitenden Grafitmaterial gemacht und umfasst mindestens einen leitenden Stift (28), welcher an dem Kollektor (24) befestigt ist. Die Druckplatte (40) ist aus einem elektrisch nicht-leitenden, nicht-metallischen, faserverstärkten Verbundmaterial gemacht, so dass der Stromkollektor (24) und die Druckplatte (40) leicht, kompakt und mit geringer Wärmekapazität sind.

Claims (13)

  1. Brennstoffzellenstapel (10) zum Erzeugen von Elektrizität aus reduzierendem Fluid- und Prozessoxidationsmittel-Reaktantenströmen, aufweisend: a. eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Komponentenplatten (12), welche benachbart zueinander gestapelt sind, um einen Reaktionsbereich (14) des Brennstoffzellenstapels (10) zu bilden, wobei die Mehrzahl von Brennstoffzellen-Komponentenplatten (12) eine erste End-Zellenkomponentenplatte (16) an einem ersten Ende (18) des Stapels von Brennstoffzellen-Komponentenplatten (12) und eine zweite End-Zellenkomponentenplatte (20) an einem entgegengesetzten zweiten Ende (22) des Stapels der Brennstoffzellen-Komponentenplatten (12) aufweisen; b. einen Stromkollektor (24), welcher benachbart zu einer End-Zellenkomponentenplatte (16) befestigt ist, wobei der Stromkollektor (24) aus nicht-porösem, elektrisch leitenden Grafitmaterial gemacht ist und wobei der Stromkollektor (24) mindestens einen leitenden Stift (28) aufweist, welcher an dem Kollektor (24) befestigt ist und von dem Stromkollektor (24) in einer Richtung von der End-Zellenkomponentenplatte (16) weg ragt; und c. eine Druckplatte (40), welche benachbart zu dem Stromkollektor (24) befestigt ist und die End-Zellenkomponentenplatte (16) überlagert, wobei die Druckplatte (40) aus einem elektrisch nicht-leitenden, nichtmetallischen, faserverstärkten Verbundmaterial gemacht ist.
  2. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Wärmeisolation (36), welche zwischen dem Stromkollektor (24) und der Druckplatte (40) befestigt ist.
  3. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, bei welchem der Stromkollektor (24) eine Leitfähigkeit von ≥ 25 Siemens/cm hat.
  4. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, bei welchem die Druckplatte (24) eine Gasdichtung (57) umfasst, welche sich zwischen einem Rand der Druckplatte (24) und dem Ende der Zellenkomponentenplatte (16) erstreckt.
  5. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Mehrzahl von leitenden Stiften (28, 30), welche an dem Stromkollektor (24) befestigt sind, wobei die Mehrzahl von leitenden Stiften (28, 30) sich durch die Druckplatte (40) erstrecken.
  6. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, bei welchem der Stromkollektor (24) so dimensioniert ist, dass er in eine Vertiefung (98) passt, welche in der Druckplatte 40 definiert ist, so dass der Stromkollektor (24) in der Vertiefung (98) der Druckplatte (40) bündig angebracht ist.
  7. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, bei welchem der Stromkollektor (24) eine Metallschicht (39) umfasst, welche an einer Schicht von elektrisch leitendem Grafitmaterial (39) befestigt ist, wobei der Stromkollektor (24) so befestigt ist, dass die Metallschicht zwischen der Schicht des elektrisch leitenden Grafitmaterials und der elektrisch nicht-leitenden, nicht-metallischen, faserverstärkten Druckplatte (40) positioniert ist.
  8. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 1, bei welchem die Druckplatte (40) mindestens einen Kühlmittelkopf (48) definiert, welcher Teil der Druckplatte (40) ist, um die Strömung von einem Kühlmittelfluid durch die Druckplatte (40) und in den Brennstoffzellenstapel (10) zu leiten.
  9. Brennstoffzellenstapel (10) zum Erzeugen von Elektrizität aus reduzierenden Fluid- und Prozessoxidationsmittel-Reaktantenströmen, aufweisend: a. eine Mehrzahl von Brennstoffzellen-Komponentenplatten (12), welche benachbart zueinander gestapelt sind, um einen Reaktionsbereich (14) des Brennstoffzellenstapels zu bilden, wobei die Mehrzahl von Brennstoffzellen-Komponentenplatten (12) eine erste End-Zellenkomponentenplatte (16) an einem ersten Ende (18) des Stapels (10) der Brennstoffzellen-Komponentenplatten (12) und eine zweite End-Zellenkomponentenplatte (20) an einem entgegengesetzten zweiten Ende (22) des Stapels (10) von Brennstoffzellen-Komponentenplatten (12) aufweist; b. ein erster Stromkollektor (24), welcher benachbart der ersten End-Zellenkomponentenplatte (16) befestigt ist, und ein zweiter Stromkollektor (26), welcher benachbart der zweiten End-Zellenkomponentenplatte (20) befestigt ist, wobei der erste und zweite Stromkollektor (24, 26) aus nicht-porösem, elektrisch leitendem Grafitmaterial gemacht ist und wobei der erste Stromkollektor (24) mindestens einen leitenden Stift (28) aufweist, welcher an dem ersten Stromkollektor (24) befestigt ist und von dem ersten Stromkollektor (24) in einer Richtung weg von der ersten End-Zellenkomponentenplatte (16) weg ragt, und wobei der zweite Stromkollektor (26) mindestens einen leitenden Stift (32) aufweist, welcher an dem zweiten Stromkollektor (26) befestigt ist und von dem zweiten Stromkollektor (26) in einer Richtung von der zweiten End-Zellenkomponentenplatte (20) weg ragt; und c. eine erste Druckplatte (40), welche benachbart zum ersten Stromkollektor (24) befestigt ist und die erste End-Zellenkomponentenplatte (16) überlagert und eine zweite Druckplatte (42), welche benachbart dem zweiten Stromkollektor (26) befestigt ist und die zweite End-Zellenkomponentenplatte (20) überlagert, wobei die erste und zweite Druckplatte (40, 42) aus einem elektrisch nicht-leitenden, nichtmetallischen, faserverstärkten Verbundmaterial gemacht sind.
  10. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 9, wobei der Brennstoffzellenstapel (10) ferner eine erste Wärmeisolation (36) aufweist, welche zwischen dem ersten Stromkollektor (24) und der ersten Druckplatte (16) befestigt ist und eine zweite Wärmeisolation (38), welche zwischen dem zweiten Kollektor (26) und der zweiten Druckplatte (42) befestigt ist.
  11. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 9, bei welchem der erste und zweite Stromkollektor (24, 26) jeweils eine Leitfähigkeit hat, die ≥ 25 Siemens/cm ist, wobei die erste Druckplatte (40) eine erste Gasdichtung (57) umfasst, welche sich zwischen einem Rand der ersten Druckplatte (40) und der ersten End-Zellenkomponentenplatte (16) erstreckt, und die zweite Druckplatte (42) eine zweite Gasdichtung (59) umfasst, welche sich zwischen einem Rand der zweiten Druckplatte (42) und der zweiten End-Zellenkomponentenplatte (20) erstreckt.
  12. Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 9, bei welchem der erste Stromkollektor (24) so dimensioniert ist, dass er in eine Vertiefung (98) passt, welche in der ersten Druckplatte (40) definiert ist, so dass der erste Stromkollektor (24) bündig in der Vertiefung der ersten Druckplatte (40) angebracht ist, und wobei der zweite Stromkollektor (26) so dimensioniert ist, dass er in eine Vertiefung passt, welche in der zweiten Druckplatte (42) definiert ist, so dass der zweite Stromkollektor (26) bündig in der Vertiefung der zweiten Druckplatte (42) angebracht ist.
  13. Der Brennstoffzellenstapel (10) nach Anspruch 9, bei welchem die erste Druckplatte (40) mindestens einen Kühlmittelkopf (48) definiert, welcher Teil der ersten Druckplatte (40) ist, um die Strömung eines Kühlmittelfluids durch die Druckplatte (40) und durch den Brennstoffzellenstapel (10) zu leiten, und bei welchem die zweite Druckplatte (42) mindestens einen Kühlmittelkopf (54) definiert, welcher Teil der zweiten Druckplatte (42) ist, um die Strömung von Kühlmittelfluid durch die zweite Druckplatte (42) und durch den Brennstoffstapel (10) zu leiten.
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