DE60217641T2

DE60217641T2 - Vorrichtungen und Verfahren zur Isolation, Komprimierung und Erhaltung der Struktur eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE60217641T2
Application number: DE60217641T
Authority: DE
Inventors: Graham E. Vancouver Hill; Ross W. Johnston Vancouver Bailey; Rae Surrey Hartwell; Uwe Pfister
Original assignee: Ballard Power Systems Inc; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Group AG; Ford Motor Co
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2022-11-27
Also published as: US20030104260A1; EP1341252B1; EP1703580A1; EP1341252A1; US6862801B2; ATE417376T1; ATE352105T1; DE60217641D1; DE60230339D1; EP1703580B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrochemische Energieumwandler mit Polymerelektrolytmembranen, wie etwa Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen oder Stapel aus solchen Zellen. Die vorliegende Erfindung betrifft im Besonderen Systeme und Verfahren zum Zusammenbauen, Zusammenpressen, Isolieren und/oder Halten von Stapeln während und/oder nach der Herstellung.
Beschreibung des relevanten Standes der Technik
Elektrochemische Zellen, die Polymerelektrolytmembranen ("PEMs") umfassen, können als Brennstoffzellen betrieben werden, wobei ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel an den Zellelektroden elektrochemisch umgewandelt werden, um elektrische Energie zu erzeugen, oder als Elektrolysevorrichtungen, wobei ein externer elektrischer Strom zwischen den Zellelektroden, typischerweise durch Wasser, fließt, was zur Erzeugung von Wasserstoff und Sauerstoff an den jeweiligen Elektroden führt. Die 1 bis 4 stellen zusammen typische Ausführungen einer herkömmlichen Membranelektrodenanordnung 5, einer elektrochemischen Zelle 10 mit einer PEM-Schicht 2 und eines Stapels 100 aus solchen Zellen dar.
Jede Zelle 10 umfasst eine Membranelektrodenanordnung ("MEA") 5, wie etwa die, die in 1 in Explosionsansicht dargestellt ist. Die MEA 5 umfasst eine ionenleitende PEM-Schicht 2, die zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrodenschicht 1/3 angeordnet ist, welche typischerweise porös und elektrisch leitend sind, wobei jede von diesen einen Elektrokatalysator an ihrer Grenzfläche zur PEM-Schicht aufweist, um die gewünschte elektrochemische Reaktion zu begünstigen. Der Elektrokatalysator definiert allgemein den elektrochemisch aktiven Bereich der Zelle. Die MEA 5 wird typischerweise zu einer verbundenen, geschichteten Baugruppe verdichtet.
Bei einer Einzelzelle, die in 2 in Explosionsansicht dargestellt ist, ist eine MEA 5 zwischen einer ersten und einer zweiten Zellenseparatorplatte 11/12 angeordnet, die typischerweise fluidundurchlässig und elektrisch leitend sind. Die Zellenseparatorplatten 11/12 werden aus Nichtmetallen, wie etwa Graphit, aus Metallen, wie etwa bestimmten Stahlsorten oder oberflächenbehandelten Metallen, oder aus elektrisch leitenden Kunststoffverbundmaterialien hergestellt.
Fluidströmungsräume, wie etwa Durchgänge oder Kammern, werden zwischen den Zellenseparatorplatten 11/12 und den benachbarten Elektrodenschichten 1/3 bereitgestellt, um den Zugang für Reaktanden zu den Elektrodenschichten und die Entfernung von Produkten zu erleichtern. Solche Räume können beispielsweise durch Abstandhalter zwischen den Separatorplatten 11/12 und den entsprechenden Elektrodenschichten 1/3 bereitgestellt werden, oder durch Vorsehen eines Netzes oder einer porösen Fluidströmungsschicht zwischen den Zellenseparatorplatten und entsprechenden Elektrodenschichten. Üblicher ist es jedoch, in den Stirnflächen der Zellenseparatorplatten 11/12, die den Elektrodenschichten 1/3 zugewandt sind, Kanäle auszubilden. Zellenseparatorplatten 11/12, die solche Kanäle umfassen, werden üblicherweise als Fluidströmungsfeldplatten bezeichnet. Bei herkömmlichen Zellen 10, werden typischerweise elastische Dichtungen oder Versiegelungen rund um den Umfang der Strömungsfelder zwischen den Stirnflächen der MEA 5 und jeder der Zellenseparatorplatten 11/12 bereitgestellt, um ein Auslaufen von Reaktanden- und Produktfluidströmen zu verhindern.
Elektrochemische Zellen 10 mit ionenleitenden PEM-Schichten 2, die manchmal als PEM-Zellen bezeichnet werden, werden in vorteilhafter Weise gestapelt, um einen Stapel 100 zu bilden (siehe 4), der eine Mehrzahl von Zellen umfasst, die zwischen einer ersten und einer zweiten Endplatte 17/18 angeordnet sind. Ein Druckmechanismus wird typischerweise dafür eingesetzt, die Zellen 10 eng beieinander zu halten, um zwischen den Komponenten einen guten elektrischen Kontakt aufrechtzuerhalten und die Dichtungen zusammenzudrücken. Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform umfasst jede Zelle 10 ein Paar Zellenseparatorplatten 11/12, und zwar in einer Ausgestaltung mit zwei Zellenseparatorplatten pro MEA 5. Kühlräume oder -schichten können zwischen einigen oder allen benachbarten Paaren von Zellenseparatorplatten 11/12 im Stapel 100 bereitgestellt sein. Eine alternative Ausgestaltung (nicht gezeigt) weist eine einzelne, zwischen einem Paar MEAs 5 angeordnete Separatorplatte oder "bipolare Platte" auf, die mit der Kathode einer Zelle und der Anode der angrenzenden Zelle in Kontakt steht, wodurch sich nur eine Separatorplatte pro MEA 5 im Stapel 100 ergibt (außer am Ende der Zelle). Ein solcher Stapel 100 kann eine Kühlschicht umfassen, die jeweils zwischen einigen wenigen Zellen 10 des Stapels angeordnet ist, anstatt zwischen jedem benachbarten Zellenpaar.
In den dargestellten Zellenelementen sind Öffnungen 30 ausgebildet, die, in der gestapelten Anordnung, miteinander fluchten, um Fluidverteiler zum Zu- und Abführen von Reaktanden und Produkten sowie, sofern Kühlräume vorgesehen sind, eines Kühlmittels auszubilden. Wiederum sind typischerweise elastische Dichtungen oder Versiegelungen zwischen den Stirnflächen der MEA 5 und jeder der Zellenseparatorplatten 11/12 rund um den Umfang dieser Fluidverteileröffnungen 30 bereitgestellt, um ein Auslaufen und Vermischen der Fluidströme im in Betrieb befindlichen Stapel 100 zu verhindern.
EP 1 045 468 A2 offenbart einen Brennstoffzellenstapel mit einem Brennstoffzellenschichtkörper, der durch schichtweises Stapeln mehrerer Brennstoffzellen in vertikaler Richtung hergestellt wird. Der Brennstoffzellenschichtkörper wird in Schichtungsrichtung durch eine Befestigungseinrichtung befestigt. Die Befestigungseinrichtung umfasst Halteelemente, die mit Flanschen ausgestattet und auf den Ober- und Unterseiten des Schichtkörpers angeordnet sind, aus dünnen Platten gefertigte Verbindungselemente, die an den Randabschnitten der Halteelemente befestigt sind, und ein Befestigungswerkzeug, zur Befestigung der Verbindungselemente in vertikaler Richtung des Schichtkörpers. Der Brennstoffzellenschichtkörper und die Befestigungseinrichtung bilden somit zusammen den Brennstoffzellenstapel.
JP 090 92 324 A beschreibt ein Brennstoffzellenmodul mit einem Brennstoffzellenstapel, der durch Ausüben einer gerichteten Druckkraft geschichtet wird. Ein modulbildendes Element erstreckt sich über eine Seitenwand des Brennstoffzellenstapels und wird am Brennstoffzellenstapel mittels gebogener Abschnitte befestigt, die jeweils mit einer entsprechenden Aussparung in Eingriff geraten, die in den Ober- und Unterseiden des Brennstoffzellenstapels ausgeformt ist.
US 4,642,274 betrifft einen Brennstoffzellenstapel, der durch Verbindungsleisten und Verbindungsstäbe eng festgestellt wird, wobei sich die Verbindungsleisten über eine Ober- und eine Unterseite des Brennstoffzellenstapels erstrecken. Rahmen sind an den jeweiligen Seiten des Brennstoffzellenstapels angebracht, wobei Dichtungselemente an den Vorder- und Rückseiten jedes Rahmens befestigt sind, um zwischen dem Stapel und dem Rahmen sowie zwischen dem Rahmen und Verteilern eine Abdichtung zu bilden, welche paarweise auf entgegengesetzten Seiten des Stapels angebracht sind.
WO 02/27 836 A2, ein Dokument des Standes der Technik, das nach dem Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht wurde, offenbart ein Brennstoffzel lenmodul, das mehrere Brennstoffzellen umfasst, die einen von einem stabilisierenden Gehäuse umgebenen Brennstoffzellenstapel bilden.
US 5,213, 909 offenbart einen Brennstoffzellenstapelkörper mit mehreren Brennstoffzellen und Wärmeisolatoren, die an den Seiten des Brennstoffzellenstapelkörpers bereitgestellt sind, um die Brennstoffzellen warm zu halten. Die Wärmeisolatoren bestehen aus porösem Aluminiumoxid.
JP 020 49 360 A offenbart einen Brennstoffzellenstapel, bei dem mehrere Dauerbelastungsfedern zwischen den oberen und unteren Endplatten des Stapels gespannt sind, um den Zellenstapel in oberer und unterer Richtung zu befestigen.
US 5,993,987 offenbart einen Brennstoffzellenstapel, bei dem sich Druckbänder eng um Endplattenanordnungen und Brennstoffzellenanordnungen erstrecken, um den Stapel in seinem zusammengebauten Zustand zu halten und zu sichern.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen, Systeme und Verfahren zur Verwendung bei der Herstellung von Brennstoffzellenstapeln und Mehrstapel-Brennstoffzellenanordnungen. Bei einer Ausführungsform umfasst die vorliegende Erfindung ein Behältnis zum Aufnehmen und Halten eines Brennstoffzellenstapels in seiner gestapelten Anordnung während der Herstellung der Mehrstapel-Brennstoffzellenbaugruppe. Das Behältnis weist eine Endabdeckung, eine nachgiebige Seitenwand und ein Befestigungsmittel auf. Die Endabdeckung weist eine Mehrzahl von Öffnungen auf, die so ausgebildet sind, dass der Brennstoffzellenstapel mit einer entsprechenden Mehrzahl von Öffnungen in einem Verteiler in Verbindung stehen kann. Die nachgiebige Seitenwand ist so bemessen und ausgeformt, dass sie eine entsprechende Seitenwand des Brennstoffzellenstapels abdeckt, um den Brennstoffzellenstapel von wenigstens einem angrenzenden Brennstoffzellenstapel elektrisch zu isolieren, nachdem die Mehrstapel-Brennstoffzellenbaugruppe zusammengebaut worden ist.
Das Befestigungsmittel ist so ausgeführt, dass es sich von einer Stelle auf der Seitenwand über das der Endabdeckung entgegengesetzte Ende des Brennstoffzellenstapels erstreckt, und dass es an einer anderen Stelle auf der Seitenwand befestigt wird, um den Brennstoffzellenstapel in seiner gestapelten Anordnung zu halten. Bei spezifischen Ausführungsformen kann die Seitenwand mit der Endabdeckung verbunden und die Seitenwand so bemessen sein, dass sie sich zumindest im We sentlichen rund um den gesamten Umfang eines Brennstoffzellenstapels erstreckt, wobei das Befestigungsmittel ein einzelner Streifen sein, das Befestigungsmittel aus mehreren Streifen bestehen oder das Befestigungsmittel ein Abschnitt der Seitenwand selbst sein kann. Andere Variationen sind ebenfalls denkbar. Das Behältnis kann dazu ausgebildet sein, den Brennstoffzellenstapel in seiner gestapelten Anordnung zu halten und/oder dazu ausgebildet sein, um wenigstens einen Abschnitt eines zusammengepressten Stapels festgezogen und haftend daran befestigt zu werden, um den Stapel zumindest teilweise komprimiert zu halten.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels. Das Verfahren umfasst das Platzieren eines Stapels aus Brennstoffzellenelementen in einem offenen Ende eines nachgiebigen Beutels, der das offene Ende, ein gegenüberliegendes geschlossenes Ende und eine Seitenwand dazwischen aufweist, das Zusammenpressen des Brennstoffzellenstapels, das Ausbreiten einer Materialbahn über den zusammengepressten Stapel und über das offene Ende des Beutels, und das Befestigen der Materialbahn am Beutel, um den Brennstoffzellenstapel in seiner gestapelten Anordnung zu halten. Ausführungsformen der Erfindung können dazu ausgebildet sein, den Stapel zumindest teilweise komprimiert zu halten.
Ein weiteres Verfahren zum Zusammenbauen mehrerer Brennstoffzellen ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst das Zusammenpressen eines jeden der Brennstoffzellenstapel, das Umwickeln eines jeden der Stapel aus Brennstoffzellen mit einem nachgiebigen Material, um die Stapel in ihrer gestapelten Anordnung zu halten, und das Platzieren der Mehrzahl von Stapeln zwischen einem Verteilerpaar. Ausführungsformen dieses Verfahrens können dazu ausgebildet sein, jeden Brennstoffzellenstapel von angrenzenden Brennstoffzellenstapeln zu isolieren und/oder die Brennstoffzellenstapel während des Zusammenbaus zumindest teilweise komprimiert zu halten. Ausführungsformen dieses Verfahrens können außerdem eine Leckageprüfung eines jeden Brennstoffzellenstapels vor dem Zusammenbau umfassen.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN IN DEN ZEICHNUNGEN
1 ist eine isometrische Explosionsansicht einer Membranelektrodenanordnung gemäß dem Stand der Technik.
2 ist eine isometrische Explosionsansicht einer elektrochemischen Zelle gemäß dem Stand der Technik.
3 ist eine isometrische Explosionsansicht eines Stapels elektrochemischer Zellen gemäß dem Stand der Technik.
4 ist eine isometrische Ansicht eines Stapels elektrochemischer Zellen gemäß dem Stand der Technik.
5 ist eine isometrische Explosionsansicht eines Behältnisses, welches nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist.
6 ist eine Vorderansicht eines unteren Abschnitts des Behältnisses gemäß 5.
7 ist eine Draufsicht des Abschnitts des Behältnisses gemäß 6.
8 ist eine Seitenansicht des Abschnitts des Behältnisses gemäß 6.
9 ist eine isometrische Ansicht von vier zusammengebauten Behältnissen und Brennstoffzellenstapeln gemäß der Ausführungsform nach 5.
10 ist eine Seitenansicht, die schematisch einen Schritt bei der Einführung eines Brennstoffzellenstapels in ein Behältnis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
11 ist eine Seitenansicht, die schematisch einen weiteren Schritt bei der Einführung des Brennstoffzellenstapels in das Behältnis gemäß 10 darstellt.
12 ist eine Seitenansicht, die schematisch noch einen weiteren Schritt bei der Einführung des Brennstoffzellenstapels in das Behältnis gemäß 10 darstellt.
13 ist eine isometrische Explosionsansicht einer Seitenwand und eines Paares einander gegenüberliegender Endabdeckungen, welche nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind.
14 ist eine Vorderansicht eines Musters für ein Behältnis, welches nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende genaue Beschreibung betrifft allgemein Verfahren, Systeme und Vorrichtungen zum Erleichtern des Stapelns und Zusammenpressens von Brennstoffzellenstapeln sowie des Zusammenbaus von Mehrstapel-Brennstoffzellenanordnungen. Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können es ermöglichen, einen Brennstoffzellenstapel herzustellen und zusammenzupressen und ihn dann in seiner zusammengepressten Form abzudichten, um die Handhabung und den anschließenden Zusammenbau zu erleichtern. Des Weiteren können Ausführungsformen der Erfindung aneinander angrenzende Brennstoffzellenstapel in einer Mehrstapelanordnung voneinander isolieren, um das Potenzial für elektrische Kurzschlüsse zu reduzieren. Außerdem kann es das Zusammenpressen voneinander unabhängiger Brennstoffzellenstapel im Vorhinein ermöglichen, vor dem Zusammenbau zu der Mehrstapelanordnung an den Stapeln eine Leckageprüfung durchzuführen.
Viele spezifische Details bestimmter Ausführungsformen der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung dargelegt und in den 5 bis 14 dargestellt, um ein genaues Verständnis dieser Ausführungsformen zu ermöglichen. Ein Fachmann wird jedoch erkennen, dass die vorliegende Erfindung weitere Ausführungsformen umfassen oder ohne einige der in der folgenden Beschreibung ausgeführten Details in die Praxis umgesetzt werden kann.
5 zeigt allgemein eine Behältnisanordnung 20, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. Die Behältnisanordnung 20 umfasst ein Paar einander gegenüberliegende Endbaugruppen 21, die während des Gebrauchs von einander gegenüberliegenden Enden aus mit einem Brennstoffzellenstapel 22 in Eingriff stehen. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Endbaugruppen 21 im Wesentlichen miteinander identisch. Dementsprechend dient die Beschreibung einer Endbaugruppe 21 dazu, beide Endbaugruppen zu erläutern, sofern nicht spezifisch anders beschrieben.
Die Endbaugruppe 21 wird aus einer konvexen Seitenwand 24, einer konkaven Seitenwand 26 und einer Endabdeckung 28 hergestellt. Die konvexe Seitenwand 24 und die konkave Seitenwand 26 können aus einem dünnen, isolierenden Material, wie etwa LEXAN oder einem ähnlichen Material, hergestellt und thermoplastisch verformt werden, um einer entsprechenden Wand des Brennstoffzellenstapels 22 angepasst zu werden. Die Endabdeckung 28 kann ebenfalls aus einem isolierenden Material, wie etwa LEXAN, hergestellt und vakuumgeformt werden, um einem Ende des Brennstoffzellenstapels 22 angepasst zu werden. Die Endabdeckung 28 kann eine Mehrzahl von Öffnungen 30 enthalten, die so ausgebildet sind, dass sie mit Anschlüssen im Brennstoffzellenstapel 22 fluchten, oder die Behältnisanordnung 20 während des Zusammenpressens, wie nachfolgend beschrieben, entlüften können. Die Öffnungsausgestaltung gemäß 5 stellt ein spezifisches Beispiel dar, der Erfinder erkennt jedoch an, dass die Ausgestaltung wahrscheinlich bei jeder spezifischen Anwendung variieren kann und wird.
Jede Seitenwand 24/26 ist etwas höher als die Hälfte der Höhe eines Brennstoffzellenstapels 22. Folglich überlappen sich die konkaven Seitenwände 26 und die konvexen Seitenwände 24 überlappen sich ebenfalls, wenn die Endbaugruppen 21 von einander gegenüberliegenden Enden mit dem Brennstoffzellenstapel 22 in Eingriff stehen. Die jeweiligen Längen der Seitenwände 24/26 können variieren.
Die konvexe Seitenwand 24 nähert sich der konkaven Seitenwand 26 an einander gegenüberliegenden Zwischenräumen 32 an, die mit den Enden des Brennstoffzellenstapels 22 ausgerichtet sind. Bei der dargestellten Ausführungsform erstrecken sich die Zwischenräume 32 längs der gesamten Höhe der Endbaugruppe 21. Die Größen und Platzierungen der Zwischenräume 32 können variieren und die Zwischenräume könnten durch Öffnungen oder andere geeignete Merkmale ersetzt werden.
Die 6 bis 8 zeigen ferner eine spezifische Endbaugruppe 21. Wenn die Endbaugruppe 21 zusammengebaut ist, liegen die konvexe Seitenwand 24 und die konkave Seitenwand 26 jeweils an der Endabdeckung 28 an und sind innerhalb eines erhöhten Randes 34 angeordnet, der sich rund um den Umfang der Endabdeckung erstreckt. Die Seitenwände 24/26 werden beispielsweise durch Hochfrequenzschweißen oder andere geeignete Mittel an der Endabdeckung 28 befestigt. Der Erfinder erkennt an, dass die genaue Art des Eingriffs zwischen den Seitenwänden 24/26 und der Endabdeckungen 28 variieren kann.
9 zeigt vier Behältnisanordnungen 20, die mit einem Verteiler 36 in Eingriff stehen. Bevor sie als solche ausgebildet wurden, wurde jede Behältnisanordnung 20 und jeder Brennstoffzellenstapel 22 wie vorstehend erläutert und in 5 gezeigt, zusammengebaut. Jede Behältnisanordnung 20 und jeder Brennstoffzellenstapel 22 kann einzeln in der in 9 gezeigten Ausrichtung in vertikaler Richtung zusammengepresst und einzeln einer Druckprüfung auf Lecks unterzogen werden. Sobald bestätigt worden ist, dass in einem bestimmten Brennstoffzellenstapel 22 keine Lecks vorhanden sind, können die oberen und unteren Endbaugruppen 21 mittels eines Haftmittels 38 über die Zwischenräume 32 an den Seiten der Brennstoffzellenstapel 22 befestigt werden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Haftmittel ein Klebeband mit hoher Zugfestigkeit. Dementsprechend verbindet das Haftmittel 38 die Seitenwände 24/26 miteinander und mit dem Brennstoffzellenstapel 22 und trägt somit dazu bei, den Brennstoffzellenstapel in der gestapelten Anordnung zu halten. Das Haftmittel 38 kann den Brennstoffzellenstapel 22 außerdem für eine begrenzte Zeitdauer zumindest teilweise in einem komprimierten Zustand halten. Während dieser Zeitdauer kann die Behältnisanordnung 20 rund um den Brennstoffzellenstapel 22 eine isolierende Barriere bilden, wodurch es möglich ist, den Stapel zu handhaben und zu bewegen, ohne den Stapel zu verunreinigen oder in einer Brennstoffzelle einen Kurzschluss zu verursachen.
Die Verfahren und Systeme dieser spezifischen Ausführungsform haben zahlreiche Vorteile. Da die Brennstoffzellenstapel 22 unabhängig voneinander zusammengepresst und einer Druckprüfung unterzogen werden können, führt beispielsweise eine nicht bestandene Druckprüfung dazu, dass nur ein einzelner Stapel auseinandergebaut werden muss, statt eine komplette Mehrstapel-Brennstoffzellenanordnung auseinanderbauen zu müssen. Des Weiteren dienen die Seitenwände 24/26 dazu, die angrenzenden Brennstoffzellenstapel 22 elektrisch voneinander zu isolieren, um das Potenzial für einen Kurzschluss zwischen den beiden zu verringern. Da jede Endbaugruppe 21 die andere übergreift, verformen sich darüber hinaus die Endbaugruppen 22 nicht, wenn der Brennstoffzellenstapel 22 in der Behältnisanordnung 20 zusammengepresst ist, sondern verschieben sich stattdessen relativ zueinander.
Die 10 bis 12 stellen nacheinander einige der Schritte beim Zusammenbau und Zusammenpressen einer Behältnisanordnung 120 und eines Brennstoffzellenstapels 22 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die Behältnisanordnung 120 hat die Form eines Kastens mit einer offenen Oberseite zur Aufnahme des Brennstoffzellenstapels 22. Die Behältnisanordnung 120 ist so geformt und bemessen, dass sie an den Brennstoffzellenstapel 22 angepasst ist. Wie bei der vorhergehenden Ausführungsform können die Seiten, die Unterseite und andere Abschnitte der Behältnisanordnung 120 Öffnungen enthalten, damit externe Strukturen, wie etwa der Verteiler gemäß 9, in sie eingreifen können. Mehrere Streifen 140 sind längs der Breite der Behältnisanordnung 120 beabstandet voneinander angeordnet.
Während des Zusammenbaus wird die Behältnisanordnung 120 beispielsweise durch einen Unterbau 142 von unten gestützt. Ein oder mehrere Kolben 144 erstrecken sich durch den Unterbau 142 und eine Öffnung in der Behältnisanordnung 120 und ragt/ragen zur Oberseite der Behältnisanordnung empor. Der Kolben 144 ist dazu ausgebildet, eine Stapelplatte 146 zu tragen und die Stapelplatte ist dazu ausgebildet, mit dem Brennstoffzellenstapel 22 in Eingriff zu geraten. Wie in 11 gezeigt, bewegen sich der Kolben 144 und mit ihm die Stapelplatte 146 und der Brennstoffzellenstapel 22 abwärts in die Behältnisanordnung 120 hinein.
Wie in 12 gezeigt, wird eine obere Stapelplatte 148 auf dem Brennstoffzellenstapel angeordnet, sobald der Brennstoffzellenstapel 22 vollständig von der Behältnisanordnung 120 aufgenommen worden ist. Ein Druckmechanismus 150 presst den Brennstoffzellenstapel 22 gegen den Unterbau 142. In Abhängigkeit von den Umständen kann der Druckmechanismus 150 den Brennstoffzellenstapel 22 für eine Druck- und Leckageprüfung mit reduzierter Kraft zusammendrücken oder der Druckmechanismus kann den Brennstoffzellenstapel auf den vollen Betriebsdruck zusammenpressen. Während des Zusammenpressens kann Luft durch Öffnungen, wie etwa den in 5 mit 30 bezeichneten, aus der Behältnisanordnung 120 entweichen.
Wenn der Brennstoffzellenstapel 22 auf den gewünschten Betrag zusammengepresst worden ist, werden der Streifen 140 oder mehrere Streifen 140 über die Oberseite des Brennstoffzellenstapels geschlagen und beispielsweise durch Hochfrequenzschweißen oder andere geeignete Mittel an der gegenüberliegenden Seite der Behältnisanordnung 120 befestigt. Sobald die Streifen 140 an die gegenüberliegende Seitenwand der Behältnisanordnung 120 geschweißt worden sind, wird der jeweilige Brennstoffzellenstapel zum Zusammenbau zu einer Mehrstapel-Brennstoffzelle isoliert und zusammengepresst. Wie vorstehend beschrieben, kann die Behältnisanordnung aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, um die Handhabung zu erleichtern und einen Kurzschluss der Brennstoffzelle, etwa durch Kontakt mit einer angrenzenden Brennstoffzelle zu verhindern. Darüber hinaus kann der komprimierte Brennstoffzellenstapel vor dem Zusammenbau zu einer Mehrstapel-Brennstoffzellenanordnung einer Druckprüfung unterzogen werden.
13 zeigt eine Behältnisanordnung 220, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. Bei dieser spezifischen Ausführungsform umfasst die Behältnisanordnung 220 ein Paar einander gegenüberliegender Endabdeckungen 228 und eine Zwischenseitenwand 229. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Endabdeckungen vakuumgeformte thermoplastische Polymere, wie etwa die vorstehend beschriebenen, und die Seitenwand 229 ist ein durchgehendes, extrudiertes Rohr, das auf die Länge eines zusammengepressten Brennstoffzellenstapels (nicht gezeigt) zugeschnitten ist. Wie vorstehend beschrieben, kann die Seitenwand 229 vakuumgeformt werden, um die Form eines Brennstoffzellenstapels anzunehmen.
Ähnlich wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können die Endabdeckungen 228 und die Seitenwand 229 verschiedene Öffnungen enthalten, um mit komplementären externen Anschlüssen oder Öffnungen zusammenzuwirken. Ebenso können die Endabdeckungen Öffnungen zur Aufnahme von Kolben und Druckmechanismen zum Zusammenpressen des Brennstoffzellenstapels enthalten. Sobald der Brennstoffzellenstapel auf den gewünschten Betrag zusammengepresst worden ist, können die Endabdeckungen 228 an der Seitenwand 229 befestigt werden, um den Brennstoffzellenstapel in seiner gestapelten Anordnung zu halten und, sofern erwünscht, den Stapel komprimiert zu halten.
14 zeigt eine Behältnisanordnung 320, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist. Bei dieser spezifischen Ausführungsform ist die Seitenwand 329 aus einer einzelnen Materiallage geformt. Die Seitenwand ist gestanzt oder anderweitig zu einem Muster geschnitten, das gefaltet werden kann, um sich der Außenfläche eines Brennstoffzellenstapels (nicht gezeigt) anzupassen. Die gefaltete Behältnisanordnung 320 kann vakuumgeformt und thermoplastisch verformt werden, um während des Gebrauchs der Form des Brennstoffzellenstapels zu entsprechen.
Die Behältnisanordnung 320 umfasst mehrere Befestigungsmittel 340, die so ausgerichtet sind, dass sie sich über die Ober- und Unterseite des Brennstoffzellenstapels erstrecken. Nach dem Zusammenpressen, das ähnlich wie vorstehend beschrieben durchgeführt wird, können die Befestigungsmittel 340 an ihnen gegenüberliegenden Befestigungsmitteln oder an der gegenüberliegenden Seitenwand der Behältnisanordnung 320 befestigt werden, um den Brennstoffzellenstapel in seiner gestapelten Anordnung und/oder zumindest teilweise komprimiert zu halten.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels, das umfasst: Platzieren eines Stapels aus Brennstoffzellenelementen (22) in einem offenen Ende eines nachgiebigen Beutels (120), der das offene Ende, ein gegenüberliegendes geschlossenes Ende und eine Seitenwand dazwischen aufweist, Zusammenpressen des Brennstoffzellenstapels (22), Ausbreiten einer Materialbahn über den zusammengepressten Stapel (22) und über das offene Ende des Beutels (120), und Befestigen der Materialbahn am Beutel (120), um den Brennstoffzellenstapel (22) in seiner gestapelten Anordnung zu halten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Platzieren eines Stapels aus Brennstoffzellenelementen (22) in das offene Ende des Beutels (120) das separate Platzieren eines jeden Brennstoffzellenelements, eines nach dem anderen, in den Beutel (120) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Platzieren eines Stapels aus Brennstoffzellenelementen (22) in das offene Ende des Beutels (120) das separate Platzieren von Gruppen von Brennstoffzellenelementen, eine nach der anderen, in den Beutel (120) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Platzieren eines Stapels aus Brennstoffzellenelementen (22) in das offene Ende des Beutels (120) das Platzieren des Brennstoffzellenstapels (22) auf einer Stapelplatte (146) und das anschließende Absenken der Stapelplatte (146) in den Beutel (120) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner zunächst das Platzieren eines Dichtungselements am geschlossenen Ende des Beutels (120) umfasst, so dass das Brennstoffzellenelement, das an das geschlossene Ende des Beutels (120) anstößt, damit in dichtendem Kontakt steht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Zusammenpressen des Brennstoffzellenstapels (22) das Zusammenpressen des Brennstoffzellenstapels (22) während sich der Stapel (22) im Beutel (120) befindet umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das offene Ende des Beutels (120) einen davon vorstehende Lasche (140) aufweist und wobei das Ausbreiten einer Materialbahn über den zusammengepressten Stapel (22) und über das offene Ende des Beutels (120) das Falten der Lasche (140) aus einer ersten Lage an der Seitenwand des Beutels (120) in eine zweite Lage an der Seitenwand des Beutels (120) umfasst, die der ersten Lage entgegengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das offene Ende des Beutels (120) mehrere davon vorstehende Lasche (140) umfasst und wobei das Ausbreiten einer Materialbahn über den zusammengepressten Stapel (22) und über das offene Ende des Beutels (120) das Falten der mehreren Laschen (140) umfasst, und zwar einer jeden Lasche aus einer ersten Lage an der Seitenwand des Beutels (120) in eine zweite Lage an der Seitenwand des Beutels (120), die der ersten Lage entgegengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ausbreiten einer Materialbahn über den zusammengepressten Stapel (22) und über das offene Ende des Beutels (120) das Ausbreiten eines Materialstreifens vom geschlossenen Ende des Beutels (120) aus umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ausbreiten einer Materialbahn über den zusammengepressten Stapel (22) und über das offene Ende des Beutels (120) das Ausbreiten eines Materialstreifens zum geschlossenen Ende des Beutels (120) hin umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ausbreiten einer Materialbahn über den zusammengepressten Stapel (22) und über das offene Ende des Beutels (120) das Ausbreiten eines Materialstreifens von einer ersten Stelle am geschlossenen Ende des Beutels (120) zu einer zweiten Stelle am geschlossenen Ende des Beutels (120) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ausbreiten einer Materialbahn über den zusammengepressten Stapel (22) und über das offene Ende des Beutels (120) das Falten eines Abschnitts der Seitenwand über den Stapel (22) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Beutel (120) ferner ein zweites geschlossenes Ende umfasst und wobei das Ausbreiten einer Materialbahn über den zusammengepressten Stapel (22) das Platzieren des zweiten geschlossenen Endes über den Stapel (22) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Befestigen der Materialbahn am Beutel (120), um den Brennstoffzellenstapel (22) in seiner gestapelten Anordnung zu halten, das Spannen der Materialbahn umfasst, so dass der Brennstoffzellenstapel (22) wenigstens teilweise zusammengepresst bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Seitenwand des nachgiebigen Beutels (120) eine Höhe hat, die geringer ist als eine entsprechende Höhe des Brennstoffzellenstapels (22), und wobei das Ausbreiten einer Materialbahn über den zusammengepressten Stapel (22) und über das offene Ende des Beutels (120) das Ineingriffbringen einer Abdeckung mit einer davon herabhängenden Hülse über der Oberseite des Brennstoffzellenstapels (22) umfasst, so dass die Hülse der Abdeckung die Seitenwand des nachgiebigen Beutels (120) übergreift.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Seitenwand des nachgiebigen Beutels (120) eine Höhe hat, die geringer ist als eine entsprechende Höhe des Brennstoffzellenstapels (22), und wobei das Ausbreiten einer Materialbahn über den zusammengepressten Stapel (22) und über das offene Ende des Beutels (120) das Ineingriffbringen einer Abdeckung mit einer davon herabhängenden Hülse über der Oberseite des Brennstoffzellenstapels (22), so dass die Hülse der Abdeckung die Seitenwand des nachgiebigen Beutels (120) übergreift, und ferner das haftende Befestigen der Seitenwand des Beutels (120) an der Hülse der Abdeckung umfasst, um den Stapel (22) in seiner gestapelten Anordnung zu halten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Seitenwand des nachgiebigen Beutels (120) eine Höhe hat, die geringer ist als eine entsprechende Höhe des Brennstoffzellenstapels (22), und wobei das Ausbreiten einer Materialbahn über den zusammengepressten Stapel (22) und über das offene Ende des Beutels (120) das Ineingriffbringen einer Abdeckung mit einer davon herabhängenden Hülse über der Oberseite des Brennstoffzellenstapels (22), so dass die Hülse der Abdeckung die Seitenwand des nachgiebigen Beutels (120) übergreift, und ferner das Spannen der Seitenwand und der Hülse von ihren jeweiligen Enden weg sowie das haftende Befestigen der Seitenwand des Beutels (120) an der Hülse der Abdeckung umfasst, um den Stapel (22) in seiner gestapelten Anordnung zumindest teilweise komprimiert zu halten.
Behältnis (120) zur Aufnahme eines Brennstoffzellenstapels (22) und zum Halten desselben in seiner gestapelten Anordnung während der Herstellung einer Mehrstapel-Brennstoffzellenbaugruppe mit einem Verteiler, wobei das Behältnis (120) umfasst: eine Endabdeckung mit einer Mehrzahl an Öffnungen darin, die so ausgebildet sind, dass der Brennstoffzellenstapel (22) mit einer entsprechenden Mehrzahl an Öffnungen im Verteiler in Verbindung stehen kann, eine nachgiebige Seitenwand, die so bemessen und ausgeformt ist, dass sie eine entsprechende Seitenwand des Brennstoffzellenstapels (22) abdeckt, um den Brennstoffzellenstapel (22) von wenigstens einem angrenzenden Brennstoffzellenstapel (22) zu isolieren, nachdem die Mehrstapel-Brennstoffzellenbaugruppe zusammengebaut worden ist, und ein Befestigungsmittel (140), das so ausgeführt ist, dass es sich von einer Stelle auf der Seitenwand über das der Endabdeckung entgegengesetzte Ende des Brennstoffzellenstapels (22) erstreckt, und das an einer anderen Stelle auf der Seitenwand befestigt wird, um den Brennstoffzellenstapel (22) in seiner gestapelten Anordnung zu halten.
Behältnis nach Anspruch 18, bei dem die Endabdeckung so ausgeformt ist, dass sie der Form eines Endes des Brennstoffzellenstapels (22) entspricht.
Behältnis nach Anspruch 18, bei dem die Endabdeckung ein Thermoplastharz umfasst, das vakuumgeformt wird, um der Form eines Endes des Brennstoffzellenstapels (22) zu entsprechen.
Behältnis nach Anspruch 18, bei dem eine Innenfläche der Endabdeckung eine Dichtung um wenigstens eine der Öffnungen umfasst, wobei die Dichtung so ausgeführt ist, dass sie mit einer Mündung am Brennstoffzellenstapel (22) dicht in Eingriff kommt, um die Wahrscheinlichkeit einer Leckage zwischen dem Brennstoffzellenstapel (22) und dem Verteiler zu verringern.
Behältnis nach Anspruch 18, bei dem die Seitenwand mit der Endabdeckung verbunden ist.
Behältnis nach Anspruch 18, bei dem die Seitenwand so bemessen ist, dass sie sich um den gesamten Umfang des Brennstoffzellenstapels (22) erstreckt.
Behältnis nach Anspruch 18, bei dem das Befestigungsmittel (140) einen lang gestreckten Streifen aus nachgiebigem Material umfasst, der eine Länge hat, die ausreicht, um sich über die Oberseite des Brennstoffzellenstapels (22) zu erstrecken und einen gegenüberliegenden Abschnitt der Seitenwand zu übergreifen.
Behältnis nach Anspruch 18, bei dem das Befestigungsmittel (140) mehrere lang gestreckte Streifen aus nachgiebigem Material umfasst, wobei jeder Streifen eine Länge hat, die ausreicht, um sich über die Oberseite des Brennstoffzellenstapels (22) zu erstrecken und einen gegenüberliegenden Abschnitt der Seitenwand zu übergreifen.
Behältnis nach Anspruch 18, bei dem das Befestigungsmittel (140) einen Abschnitt der Seitenwand umfasst, der groß genug ist, um über eine entsprechende Oberseite des Brennstoffzellenstapels (22) hinauszuragen, wenn der Brennstoffzellenstapel (22) mit dem Behältnis in Eingriff steht, so dass der Abschnitt der Seitenwand über die Oberseite des Brennstoffzellenstapels (22) gefaltet werden und wenigstens einen Abschnitt eines gegenüberliegenden Abschnitts der Seitenwand übergreifen kann.