DE102004017501B4

DE102004017501B4 - Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel, Verfahren zu deren Herstellung sowie Verwendung der Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102004017501B4
Application number: DE102004017501A
Authority: DE
Inventors: Daryl Chapman; Jeff A. Rock
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2024-04-09
Also published as: DE102004017501A1; US7396601B2; US20080233461A1; US7749634B2; US20040202907A1; DE102004017501C5

Abstract

Brennstoffzelle (10) mit:
einer Elektrodenplatte (14) mit einem darin ausgebildeten Strömungsfeld (22);
einer Membranelektrodenanordnung (12); und
einem zusammenpressbaren, für Fluid permeablen Diffusionsmedium (32), das zwischen der Elektrodenplatte (14) und der Membranelektrodenanordnung (12) benachbart der Elektrodenplatte (14) angeordnet ist, wobei das Diffusionsmedium (32) so an die Elektrodenplatte (14) gepresst ist, dass ein Anteil des Diffusionsmediums (32) in das Strömungsfeld (22) eindringt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere die Steuerung des Durchflusses von Reaktanden durch eine Brennstoffzelle.
Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Strom- bzw. Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom Typ mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen, protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die auf einer Seite den Anodenkatalysator und auf der gegenüber liegenden Seite den Kathodenkatalysator umfasst. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Elemente oder Platten angeordnet, die (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen, und (2) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen umfassen, die darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren ausgebildet sind.
Der Begriff "Brennstoffzelle" bezeichnet abhängig vom Zusammenhang typischerweise entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (Stapel bzw. Stack). Zur Bildung eines Brennstoffzellenstapels werden normalerweise mehrere einzelne Zellen miteinander gebündelt, die üblicherweise in elektrischer Reihe verschaltet sind. Jede Zelle in dem Stapel umfasst die vorher beschriebene Membranelektrodenanordnung (MEA), wobei jede derartige MEA eine Spannungserhöhung vorsieht. Eine Gruppe benachbarter Zellen in dem Stapel wird als ein Cluster bzw. als eine Gruppe bezeichnet.
Bei PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H₂) der Anodenreaktand (d.h. Brennstoff) und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d.h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als Luft (eine Mischung aus O₂ und N₂) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyte bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode bzw. Kathode umfasst typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise teure Edelmetallpartikel. Somit sind diese MEAs relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen, die ein richtiges Wassermanagement und eine richtige Befeuchtung wie auch eine Steuerung von katalysatorschädigenden Bestandteilen, wie beispielsweise Kohlenmonoxid (CO), für einen effektiven Betrieb umfassen.
Die elektrisch leitenden Platten, die die MEAs schichtartig anordnen, können ein Feld aus Nuten in ihren Seiten enthalten, die ein Reaktandengasverteilerfeld bzw. Reaktandenströmungsfeld (engl. "reactant flow field") zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle (d.h. Wasserstoff und Sauerstoff in der Form von Luft) über die Oberflächen der jeweiligen Kathode und Anode definieren. Diese Reaktandenströmungsfelder umfassen allgemein eine Vielzahl von Stegen, die eine Vielzahl von Strömungskanälen dazwischen definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden von einer Zufuhrsammelleitung an einem Ende der Strömungskanäle zu einer Austragssammelleitung an dem entgegengesetzten Ende der Strömungskanäle strömen.
Zwischen den Reaktandenströmungsfeldern und der MEA ist ein Diffusionsmedium angeordnet, das verschiedene Funktionen erfüllt. Eine dieser Funktionen ist die Diffusion von Reaktandengasen durch dieses zur Reaktion mit der jeweiligen Katalysatorlage. Eine andere Funktion besteht darin, Reaktionsprodukte, wie beispielsweise Wasser, über die Brennstoffzelle diffundieren zu lassen. Um diese Funktionen richtig ausführen zu können, muss das Diffusionsmedium ausreichend porös sein, während eine ausreichende Festigkeit beibehalten wird. Die Festigkeit ist erforderlich, um zu verhindern, dass das Diffusionsmedium reißt, wenn es in den Brennstoffzellenstapel eingebaut wird.
Die Strömungsfelder sind sorgfältig bemessen, so dass eine bestimmte Durchflussrate eines Reaktanden und ein festgelegter Druckabfall zwischen dem Strömungsfeldeinlass und dem Strömungsfeldauslass erhalten wird. Bei höheren Durchflussraten wird ein höherer Druckabfall erhalten, während bei niedrigeren Durchflussraten ein niedrigerer Druckabfall erhalten wird. Jedoch kann der Druckabfall, der zwischen dem Strömungsfeldeinlass und dem Strömungsfeldauslass auftritt, von dem Auslegungsdruckabfall abweichen. Derartige Abweichungen können durch Abweichungen bei der Herstellung der Brennstoffzellenstapel und/oder bei Abweichungen der Toleranzen der in dem Brennstoffzellenstapel verwendeten Komponenten erzeugt werden. Derartige Abweichungen von dem Auslegungsdruckabfall können für den Betrieb und/oder das Betriebsverhalten bzw. die Leistungsfähigkeit nachteilig sein. Daher ist es erwünscht, eine Brennstoffzelle und/oder einen Brennstoffzellenstapel mit einer verbesserten Strömungsfeldgestaltung vorzusehen.
Die EP 0 575 178 B1 betrifft eine Brennstoffzelle, die eine Elektrodenplatte mit einem darin ausgebildeten Strömungsfeld, eine Membranelektrodenanordnung und ein für Fluid permeables Diffusionsmedium umfasst, das zwischen der Elektrodenplatte und der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist. Die DE 100 65 458 A1 beschreibt ein Entlüftungsverfahren und eine Entlüftungsanordnung zur Überwachung eines Anodenbypassventils. Die WO 02/071521 A2 offenbart eine bipolare Platte mit mindestens zwei mäanderförmigen und zueinander parallel verlaufenden Kanäle, wobei Stege der Kanäle Bereiche durchgehender Porosität aufweisen können.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Brennstoffzelle, einen verbesserten Brennstoffzellenstapel und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle vorzusehen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Brennstoffzelle vor, die einen Druckabfall aufweist, der variiert werden kann. Es wird ein zusammenpressbares Diffusionsmedium zum Einbau in eine Brennstoffzelle verwendet. Die zusammenpressbare Beschaffenheit des Diffusionsmediums erlaubt, dass der Druckabfall über die Brennstoffzelle so eingestellt werden kann, dass ein gewünschter Betrieb der Brennstoffzelle erreicht werden kann.
Eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt eine Elektrodenplatte mit einem darin ausgebildeten Strömungsfeld wie auch eine Membranelektrodenanordnung. Ein zusammenpressbares, für Fluid permeables Diffusionsmedium ist zwischen der Elektrodenplatte und der Membranelektrodenanordnung benachbart der Elektrodenplatte angeordnet. Das Medium ist gegen die Elektrodenplatte gepresst, so dass ein Anteil des Mediums in das Strömungsfeld eindringt.
Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer einzelnen Brennstoffzelle. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass (a) ein zusammenpressbares, für Fluid permeables Diffusionsmedium zwischen einer Membranelektrodenanordnung und einer Elektrodenplatte, die ein darin ausgebildetes Strömungsfeld besitzt, positioniert wird; und (b) das Diffusionsmedium gegen die Elektrodenplatte gepresst wird, so dass ein Anteil des Diffusionsmediums in das Strömungsfeld eindringt.
Die vorliegende Erfindung offenbart auch ein Verfahren zur Herstellung eines Brennstoffzellenstapels. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass: (a) eine Vielzahl von Brennstoffzellen benachbart zueinander positioniert werden; (b) ein Zufuhrstrom an die Vielzahl von Brennstoffzellen geliefert wird; (c) ein Druckabfall des Zufuhrstroms über die Vielzahl von Brennstoffzellen überwacht wird; und (d) eine Kompression der Vielzahl von Brennstoffzellen so eingestellt wird, dass der Druckabfall eine Größe besitzt, die im Wesentlichen einem vorbestimmten Bereich von Druckabfällen und/oder einem vorbestimmten Druckabfall entspricht.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, mögliche Abweichungen von dem Auslegungsdruckabfall zu kompensieren, wobei es auch möglich ist, die Größe des auftretenden Druckabfalls zu steuern, so dass ein relativ angepasster Betrieb der Brennstoffzelle erreicht werden kann. Beispielsweise kann ein Druckabfall eingestellt werden, um die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle zu steigern, während ein anderer Druckabfall eingestellt werden kann, um einen Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems zu steigern. Zusätzlich ist es, wenn ein Brennstoffzellenstapel parallel mit einem oder mehreren anderen Brennstoffzellenstapeln verschaltet ist, so dass sie alle einen Zufuhrstrom von einer gemeinsamen Sammelleitung aufnehmen, möglich, die Druckabfälle von einem oder mehreren der verschiedenen Brennstoffzellenstapel so einzustellen, dass der Zufuhrstrom von der Sammelleitung gleichmäßig durch jeden der Brennstoffzellenstapel strömt. Dies bedeutet, dass, wenn ein Brennstoffzellenstapel einen niedrigeren Druckabfall besitzt, als andere Brennstoff zellenstapel, die parallel betrieben werden, ein größerer Anteil des Zufuhrstroms durch den Stapel mit niedrigerem Druckabfall strömt, als durch die Stapel mit höherem Druckabfall. Eine derartige Schwankung der Anteile des Zufuhrstroms, der durch die verschiedenen Brennstoffzellenstapel strömt, kann durch die Ausführung der Erfindung gesteuert oder gemildert werden.
Somit ist es möglich, die Größe des Druckabfalls zu steuern und/oder einzustellen, der über die Strömungsfelder in der Brennstoffzelle und/oder dem Brennstoffzellenstapel auftritt, so dass ein spezifisches Betriebsverhalten erreicht werden kann.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch die spezifischen Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen, nur zum Zwecke der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine perspektivische Explosionsansicht einer einzelligen Brennstoffzelle gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine teilweise perspektivische Schnittansicht eines Anteils eines PEM-Brennstoffzellenstapels ist, der eine Vielzahl der Brenn stoffzellen von 1 umfasst, und den Schichtaufbau einschließlich des Diffusionsmediums zeigt;
3 eine detaillierte Ansicht des in 2 gezeigten Abschnittes ist;
4 eine vereinfachte Schnittansicht eines zusammengepressten Brennstoffzellenstapels gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung ist; und
5 eine schematische Darstellung einer Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln ist, die parallel arbeiten.
Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch zu beschränken.
In 1 ist eine einzellige Brennstoffzelle 10 gezeigt, die eine MEA 12 wie auch ein Paar von Diffusionsmedien 32 aufweist, die schichtartig zwischen einem Paar elektrisch leitender Elektrodenplatten 14 angeordnet sind. Es sei jedoch angemerkt, dass die vorliegende Erfindung, die hier nachfolgend beschrieben ist, gleichermaßen auf Brennstoffzellenstapel 15 anwendbar ist, die eine Vielzahl einzelner Zellen umfassen, die in Reihe angeordnet und voneinander durch bipolare Elektrodenplatten getrennt sind, die in der Technik üblicherweise bekannt sind. Derartige Brennstoffzellenstapel 15 sind in den 2 und 4 gezeigt. Um die Beschreibung kurz zu halten, wird weiter Bezug auf einen Brennstoffzellenstapel 15 oder eine einzelne Brennstoffzelle 10 genommen, jedoch ist zu verstehen, dass die Beschreibungen und Abhandlungen in Verbindung mit dem Brennstoffzellenstapel 15 gleichermaßen auf einzelne Brennstoffzellen 10 und umgekehrt anwendbar sind und daher innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen.
Die Platten 14 können aus Kohlenstoff, Graphit, als beschichtete Platten oder aus korrosionsbeständigen Metallen hergestellt sein. Die MEA 12 wie auch die Elektrodenplatten 14 werden zwischen Endplatten 16 aneinander geklemmt. Die Elektrodenplatten 14 umfassen jeweils eine Vielzahl von Stegen 18, die eine Vielzahl von Strömungskanälen 20 definieren, die ein Strömungsfeld 22 zur Verteilung von Reaktandengasen (d.h. H₂ und O₂) auf entgegengesetzten Seiten der MEA 12 bilden. In dem Fall eines mehrzelligen Brennstoffzellenstapels 15 wird ein Strömungsfeld auf jeder Seite der bipolaren Platte ausgebildet, nämlich eines für H₂ und eines für O₂. Nicht leitende Dichtungen 24 sehen Abdichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten der Brennstoffzelle 10 vor. Isolierte Schrauben (nicht gezeigt) verlaufen sich durch an den Ecken der verschiedenen Komponenten angeordneten Löcher, um die Brennstoffzelle 10 zusammenzuklemmen.
Wie anhand der 2 und 3 zu sehen ist, umfasst die MEA 12 eine Membran 26, die schichtartig zwischen einer Anodenkatalysatorlage 28 und einer Kathodenkatalysatorlage 30 angeordnet ist. Zwischen der MEA 12 und der Platte 14 sind ein Anodendiffusionsmedium 32a und ein Kathodendiffusionsmedium 32c angeordnet. Wie gezeigt ist, liegen H₂-Strömungskanäle 20, die das anodenseitige H₂-Strömungsfeld bilden, unmittelbar benachbart des Anodendiffusionsmediums 32a und stehen in direkter Fluidverbindung damit. Ähnlicherweise liegen O₂- Strömungskanäle 20, die das kathodenseitige O₂-Strömungsfeld bilden, unmittelbar benachbart des Kathodendiffusionsmediums 32c und stehen in direkter Fluidverbindung damit. Die Membran 26 ist bevorzugt eine Protonenaustauschmembran (PEM), und die Zelle, die die PEM umfasst, wird als eine PEM-Brennstoffzelle bezeichnet.
Im Betrieb strömt der H₂-haltige Reformatstrom oder der reine H₂-Strom (Brennstoffzufuhrstrom) in eine Einlassseite des anodenseitigen Strömungsfeldes, und gleichzeitig strömt der O₂-haltige Reformatstrom (Luft) oder reine O₂-Strom (Oxidationsmittelzufuhrstrom) in eine Einlassseite des kathodenseitigen Strömungsfeldes. Das H₂ strömt durch das Anodendiffusionsmedium 32a, und die Anwesenheit des Anodenkatalysators 28 hat zur Folge, dass das H₂ in Wasserstoffionen (H⁺) mit einer jeweiligen Abgabe eines Elektrons gespalten wird. Die Elektronen wandern von der Anodenseite an eine elektrische Schaltung (nicht gezeigt), damit sie dort Arbeit ausführen können (d.h. die Rotation eines Elektromotors). Das H⁺-Ion kann durch die Membranlage 26 hindurch gelangen, während ein Elektronenfluss durch diese verhindert wird. Somit fließen die H⁺-Ionen direkt durch die Membran an den Kathodenkatalysator 28. Auf der Kathodenseite vereinigen sich die H⁺-Ionen mit O₂ und den Elektronen, die von der elektrischen Schaltung zurückkehren, wodurch Wasser gebildet wird.
In den 2 und 3 sind die Strömungskanäle 20 und die MEA 12 gezeigt. Die Strömungskanäle 20 sind so bemessen, dass sie einen spezifischen Durchflussquerschnitt 34 besitzen, durch den die Zufuhrströme fließen. Der Durchflussquerschnitt 34 ist so bemessen, dass bei einer bestimmten Durchflussrate der Zufuhrströme durch die Strömungskanäle 20 ein spezifischer Druckabfall über das Strömungsfeld 22 auftritt. Dies bedeutet, dass bei einer bestimmten Durchflussrate die gasförmigen Reaktanden, die durch die Kanäle 20 strömen, einem Druckabfall zwischen einem Einlass und einem Auslass des Strömungsfeldes 22 ausgesetzt sind. Die Durchflussrate der Zufuhrströme durch das Strömungsfeld 22 kann abhängig von dem Betrieb des Brennstoffzellenstapels 15 variieren, wie beispielsweise, wenn eine höhere oder niedrigere Leistungsabgabe erforderlich ist. Manchmal kann es erwünscht sein, für eine spezifische Durchflussrate eines Zufuhrstromes den spezifischen Druckabfall, der über das Strömungsfeld 22 auftritt, zu ändern.
Um den Druckabfall zu ändern, der für eine spezifische Durchflussrate eines Zufuhrstromes über das Strömungsfeld 22 auftritt, ist ein Diffusionsmedium 32, wie in den 2 und 3 gezeigt ist, zusammenpressbar ausgebildet und kann in die Strömungskanäle 20 des Strömungsfeldes 22 hinein gepresst werden. Genauer wird die MEA 12 zwischen benachbarten Elektrodenplatten 14 zusammengepresst, so dass ein Anteil 36 eines zusammenpressbaren Mediums 32 in die Strömungskanäle 20 eindringt. Wie in der 4 gezeigt ist, wird der Brennstoffzellenstapel 15 durch eine Presskraft F gepresst, die zur Folge hat, dass die Vielzahl von Brennstoffzellen 10 aneinander gepresst werden, und damit zur Folge hat, dass das zusammenpressbare Diffusionsmedium 32 zusammengepresst wird und in die Strömungskanäle 20 des Strömungsfeldes 22 eindringt. Bevorzugt verformt sich das zusammenpressbare Medium 32 elastisch zwischen etwa 0–50 %. Genauer verformt sich eine Querschnittsfläche des zusammenpressbaren Mediums 32 elastisch bevorzugt zwischen etwa 0–50 %. Das Eindringen der Anteile 36 des Diffusionsme diums 32 in die Strömungskanäle 20 verringert den Durchflussquerschnitt 34. Eine Verringerung des Durchflussquerschnitts 34 begrenzt einen Durchfluss eines Zufuhrstromes durch den Strömungskanal 20 und das Strömungsfeld 22. Die Begrenzung erzeugt einen erhöhten Druckabfall für eine gegebene Durchflussrate des Zufuhrstromes. Das Ausmaß des Eindringens des Mediums 32 in die Strömungskanäle 20 ist abhängig von einer Vielzahl von Faktoren, wie beispielsweise den spezifischen Eigenschaften des Diffusionsmediums 32, der Geometrie bzw. den Abmessungen (Tiefe und Breite) der Strömungskanäle 20 wie auch der Größe der Kraft F, die ausgeübt wird. Die variable Begrenzung der Strömungskanäle 20 erlaubt eine Steuerung eines durch den Strömungskanal 20 strömenden Zufuhrstroms.
Das oben beschriebene Diffusionsmedium 32 wird sowohl als ein Anodendiffusionsmedium 32a als auch als ein Kathodendiffusionsmedium 32c verwendet. Das Diffusionsmedium 32 kann bei den typischen Kräften F, die auf den Brennstoffzellenstapel 15 ausgeübt werden, zusammenpressbar oder nicht zusammenpressbar ausgebildet sein. Typischerweise wird der Brennstoffzellenstapel 15 um einen Betrag zusammengepresst, der zur Folge hat, dass ein Druck im Bereich zwischen etwa 172,4 kN/m²–1379 kN/m² (25–200 psi) über eine Gesamtquerschnittsfläche des Brennstoffzellenstapels 15 ausgeübt wird. Aufgrund von Spalten, Poren und Räumen in den verschiedenen Komponenten, die die Brennstoffzellen 10 und den Brennstoffzellenstapel 15 umfassen, stehen typischerweise lediglich etwa 50 % der Gesamtquerschnittsfläche mit anderen Komponenten in Kontakt. Daher wird ein typischer Brennstoffzellenstapel 15 um einen Betrag zusammengepresst, der zur Folge hat, dass eine Presskraft oder ein Druck im Bereich zwischen etwa 344,7 kN/m²– 2758 kN/m² (50–400 psi) auf den Brennstoffzellenstapel 15 wirkt. Es sei jedoch zu verstehen, dass auch andere Druckkräfte ausgeübt werden können, wobei dies immer noch innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt. Es sei ebenfalls zu verstehen, dass die hier verwendeten Begriffe "zusammenpressbar" und "nicht zusammenpressbar" als relative Begriffe zu verstehen sind, die zur Beschreibung der Fähigkeit eines Diffusionsmediums 32, komprimiert werden und bei dem in einem Brennstoffzellenstapel 15 zu erwartenden Bereich von Presskräften in Strömungskanäle 20 eindringen zu können, im Unterschied zu einem anderen Diffusionsmedium 32 verwendet sind, das bei dem gleichen zu erwartenden Bereich von Presskräften nicht wesentlich in die Strömungskanäle 20 eindringt. Unter einem wesentlichen Eindringen in den Strömungskanal 20 ist zu verstehen, dass ein Durchfluss in dem Strömungskanal eingestellt und gesteuert werden kann, wie hier beschrieben ist. Mit anderen Worten gibt der Begriff "nicht zusammenpressbar" an, dass das Medium im Wesentlichen keine erkennbare oder funktionale Wirkung auf den Durchfluss durch den Kanal hindurch besitzt.
Wie oben angemerkt kann das Diffusionsmedium 32 entweder in zusammenpressbarer Form oder nicht zusammenpressbarer Form abhängig von der Anwendung und den Konstruktionsfestlegungen für die Brennstoffzelle 10 vorgesehen werden. Bevorzugt ist lediglich eines der Diffusionsmedien 32a oder 32c zusammenpressbar, während das andere nicht zusammenpressbar ist. Dadurch, dass lediglich ein Typ (Anode oder Kathode) von Diffusionsmedium 32 zusammenpressbar ist, kann ein Satz von Strömungskanälen 20 für einen spezifischen Druckabfall bei einer gegebenen Durchflussrate bemessen werden, während der andere Satz von Kanälen 20 einen Durchflussquerschnitt 34 besitzt, der mit der Kom pression der Brennstoffzellen 10 variiert. Dies erlaubt seinerseits, dass der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 15 auf einen gewünschten Betrieb hin eingestellt werden kann, wie nachfolgend beschrieben ist. Es sei jedoch angemerkt, dass beide Diffusionsmedien 32a und 32c zusammenpressbar sein können und dennoch innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegen. Es sei auch zu verstehen, dass nicht alle Brennstoffzellen 10, die von dem Brennstoffzellenstapel 15 umfasst sind, ein zusammenpressbares Medium 32 besitzen müssen, um innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung zu liegen. Dies bedeutet, dass die Anzahl von Brennstoffzellen 10, die ein zusammenpressbares Medium 32 aufweisen und von dem Brennstoffzellenstapel 15 umfasst sind, abhängig von dem Aufbau des Brennstoffzellenstapels 15 variieren kann. Daher kann der Brennstoffzellenstapel 15 einige Brennstoffzellen 10 umfassen, die kein zusammenpressbares Medium 32 aufweisen, wobei dies immer noch vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung umfasst ist.
Die Auswahl, ob ein zusammenpressbares Anodendiffusionsmedium 32a oder ein zusammenpressbares Kathodendiffusionsmedium 32c verwendet werden soll, hängt von dem gewünschten Betrieb wie auch der gewünschten Steuerung des Brennstoffzellenstapels 15 ab. Wenn beispielsweise der an die Brennstoffzelle 10 gelieferte Brennstoff ein H₂-haltiger Reformatstrom von einem Reformierungssystem ist, ist es bevorzugt, den Durchflussquerschnitt 34 in den Anodenströmungskanälen 20 dadurch einzustellen, dass ein zusammenpressbares Anodendiffusionsmedium 32a vorgesehen wird. Die Verwendung eines zusammenpressbaren Anodendiffusionsmediums 32a erlaubt die genaue Steuerung der Menge an Reformatbrennstoff, der durch die Anodenströmungskanäle 20 strömt. Dies ist bevorzugt, da der Reformatbrennstoff typi scherweise durch ein Reformierungssystem an Bord geliefert wird, das von dem Brennstoffzellensystem erzeugte Energie verwendet, um den Reformatbrennstoff zu erzeugen. Da Energie verbraucht wird, um den Reformatbrennstoff zu erzeugen, ist es bevorzugt, nur die nötige (erforderliche) Menge an Reformatbrennstoff zur Minimierung von Abfall zu liefern. Die Verringerung der Menge an Reformatbrennstoff in dem Anodenabgas (Abfall) erlaubt einen effizienteren Betrieb des Brennstoffzellensystems, in dem die Brennstoffzellen 10 arbeiten. Daher ist es, wenn ein Reformatbrennstoff verwendet wird, bevorzugt, dass das Anodendiffusionsmedium 32a zusammenpressbar ist, während das Kathodendiffusionsmedium 32c nicht zusammenpressbar ist.
Im Gegensatz dazu ist es, wenn der Brennstoffzufuhrstrom H₂ von einem H₂-Speichertank an Bord strömt, bevorzugt, den Durchflussquerschnitt 34 in den Kathodenströmungskanälen 20 dadurch einzustellen, dass ein zusammenpressbares Kathodendiffusionsmedium 32c vorgesehen wird. Dies ist bevorzugt, da nur wenig oder gar keine Energie von dem Brennstoffzellensystem verbraucht wird, um den H₂-Brennstoffzufuhrstrom von dem Speichertank zu liefern, während Energie von dem Brennstoffzellensystem in der Form von Kompressorarbeit dazu verwendet wird, den Oxidationsmittelzufuhrstrom zu liefern. Durch Steuerung des Druckabfalls durch die Kathodenströmungskanäle 20 über das zusammenpressbare Kathodendiffusionsmedium 32c hinweg kann die Verwendung des komprimierten Oxidationsmittelzufuhrstroms minimiert und/oder optimiert werden, so dass der mit überschüssiger Kompressorarbeit in Zusammenhang stehende Energieverlust minimiert wird. Zusätzlich ist es durch Steuerung des Durchflusses durch die Kathodenströmungskanäle 20 leichter, den Brennstoffzellenstapel 15 befeuchtet zu halten.
Hinsichtlich der Anforderungen an das Betriebsverhalten des Diffusionsmediums 32 in Verbindung damit, ob es zusammenpressbar oder nicht zusammenpressbar ist, sollte das Diffusionsmedium 32 ausreichend elektrisch leitend, thermisch leitend, wie auch für Fluid permeabel sein. Die Fluidpermeabilität des Diffusionsmediums 32 muss zum Transport von Reaktandengas und/oder H₂O unter den Stegen 18, die zwischen Strömungskanälen 20 angeordnet sind, hoch sein, die elektrische Leitfähigkeit muss zum Transport von Elektronen über die Strömungskanäle 20 von den Stegen 18 auf die MEA 12 hoch sein, und die thermische Leitfähigkeit muss ausreichend sein, um Wärme an die Platte zu übertragen, die dann durch Kühlmittel, das mit der Platte in Kontakt steht, abgeleitet wird.
Das Diffusionsmedium 32 erlaubt die Diffusion der Reaktanden (d.h. H₂ und O₂) wie auch der Reaktionsprodukte (d.h. H₂O) durch diese hindurch. Auf diese Art und Weise können die Reaktanden von den Strömungskanälen 20 durch das Diffusionsmedium 32 und in Kontakt mit ihren jeweiligen Katalysatoren strömen, um die erforderliche Reaktion zu ermöglichen. Wie vorher beschrieben wurde, ist ein Produkt der Reaktion H₂O. Die Umverteilung von H₂ über die Brennstoffzelle 10 ist von erheblicher Wichtigkeit für das Betriebsverhalten wie auch die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 10. Das Diffusionsmedium 32 ermöglicht einen Durchfluss von H₂O durch diese hindurch von stärker befeuchteten Bereichen zu trockeneren Bereichen zur homogenen Befeuchtung der Brennstoffzelle 10. Ferner stellt der Fluss von Elektronen ebenfalls einen wichtigen Faktor für das Betriebsverhalten wie auch die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 10 dar. Ein gehemmter Elektronenfluss hat eine schlechte Leistungsfähigkeit wie auch einen schlechten Wirkungsgrad zur Folge.
Nicht zusammenpressbare Diffusionsmedien mit den oben beschriebenen Eigenschaften, wie beispielsweise 060 TORAY^®-Kohlepapier, sind in der Technik bekannt und daher hier nicht weiter beschrieben. Ein zusammenpressbares Medium 32 mit diesen Eigenschaften kann aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann als zusammenpressbares Diffusionsmedium ein gewobenes Kohlepapier wie beispielsweise "V3 elat single side diffusor" und CF-Gewebe verwendet werden. Ferner können auch andere Materialien mit, den oben erwähnten Materialien, ähnlichen Eigenschaften verwendet werden.
Der Brennstoffzellenstapel 15 kann zusammengepresst werden, um einen spezifischen Druckabfall für einen gewünschten Betriebszustand vorzusehen. Der gewünschte Druckabfall, der auf einen Zufuhrstrom ausgeübt wird, variiert abhängig von einer Durchflussrate des Zufuhrstroms durch die Strömungskanäle 20. Die Variation des Druckabfalls mit der Durchflussrate ist für die Druckabfälle und Durchflussraten, die in einem typischen Brennstoffzellenstapel 15 verwendet werden, in etwa linear. Typische Druckabfälle liegen im Bereich von etwa 0,689 kN/m²–41,4 kN/m² (0,1 bis 6,0 psi) über die Platte. Jedoch können auch andere Druckabfälle ohne Abweichung vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Der spezifische Druckabfall über den Brennstoffzellenstapel 15 kann so eingestellt werden, dass er mit einem gewünschten Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 15 übereinstimmt. Wenn die Spitzenleistung den wichtigsten oder kritischsten Aspekt des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 15 darstellt, kann die Kompression des Brennstoffzellenstapels 15 so eingestellt werden, dass bei einer spezifischen Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 15 ein gewünschter Druckabfall über die Strömungsfelder 22 auftritt. Um die Spitzenleistungsfähigkeit sicherzustellen, wird der Druckabfall eingestellt, während der Brennstoffzellenstapel 15 auf einem hohen Leistungsniveau (d.h. 85–100 % der Spitzenleistung) arbeitet, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Wenn der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 15 der wichtigste oder kritischste Aspekt des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 15 ist, kann die Kompression des Brennstoffzellenstapels 15 so eingestellt werden, dass bei einer spezifischen Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 15 über die Strömungsfelder 22 ein gewünschter Druckabfall auftritt. Um einen Spitzenwirkungsgrad sicherzustellen, wird der Druckabfall eingestellt, während der Brennstoffzellenstapel 15 bei einem niedrigeren Leistungsniveau (d.h. 10–30 % der Spitzenleistung) arbeitet, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
Der Druckabfall, der über das Strömungsfeld 22 auftritt, kann so eingestellt werden, dass eine minimale Geschwindigkeit eines Zufuhrstroms, der durch die Strömungsfelder 22 fließt, beibehalten wird. Das Beibehalten einer minimalen Geschwindigkeit ist (insbesondere bei einem Betrieb mit niedriger Leistung) erwünscht, um sicherzustellen, dass von dem Zufuhrstrom eine angemessene Scherkraft oder ein dynamischer Druck erzeugt wird, um Reaktionsprodukte (H₂O) aus den Brennstoffzel len 10 hinaus zu transportieren und zu ermöglichen, dass die gasförmigen Reaktanden einen Zugang zu den Katalysatorlagen 28 und 30 frei machen. Der Druckabfall kann so eingestellt werden, dass bei einer minimalen erwarteten Durchflussrate eines Zufuhrstroms zu dem Brennstoffzellenstapel 15 eine ausreichende Geschwindigkeit durch Strömungskanäle 20 beibehalten wird, so dass eine angemessene Scherkraft oder ein angemessener dynamischer Druck erzeugt und beibehalten wird.
Das zusammenpressbare Diffusionsmedium 32 kann unterschiedlich stark zusammengepresst werden, wie durch die Anwendung, in der das zusammenpressbare Diffusionsmedium 32 verwendet wird, bestimmt ist. Es ist davon auszugehen, dass die typische Kompression im Bereich von etwa 10 bis 50 % liegt. Es sei jedoch zu verstehen, dass auch andere Größen einer Kompression verwendet werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Der tatsächliche Betrag der Kompression variiert unter anderem abhängig von der Kanalgeometrie (Breite und Tiefe der Kanäle), dem gewünschten Betrieb des Brennstoffzellenstapels 15 (gewünschter Druckabfall und/oder gewünschte Strömungsgeschwindigkeit) und dem verwendeten spezifischen Diffusionsmedium. Die Elektrodenplatten 14 können eine elektrisch leitende Beschichtung verwenden, die eine Kompression erfordert, um Elektrizität effektiv leiten zu können. Dies bedeutet, dass die Beschichtungen auf den Elektrodenplatten 14 einen Kontaktwiderstand aufweisen und ohne Kompression nicht ausreichend leitend sind. Die angestrebte 10 %-ige minimale Kompression berücksichtigt Variationen bei der Herstellung wie auch den Toleranzen der Komponenten, die den Brennstoffzellenstapel 15 umfassen, und stellt eine angemessene Kompression und einen angemessenen Kontakt zwischen zusammenpressbarem Diffusi onsmedium 32 und benachbarten Elektrodenplatten 14 sicher, so dass der Kontaktwiderstand der Elektrodenplatten 14 kleiner als ein Nennwert ist. Die Kompressionsanforderungen derartiger Beschichtungen können abhängig von der exakten Beschaffenheit der Beschichtung wie auch der Konstruktion der Platten 14 variieren.
Die Verwendung eines zusammenpressbaren Diffusionsmediums 32, das die Einstellung auf einen Druckabfall eines durch den Brennstoffzellenstapel 15 strömenden Zufuhrstroms zulässt, erlaubt, dass der Druckabfall eines Brennstoffzellenstapels 15 so eingestellt werden kann, dass er mit einem Druckabfall eines anderen Brennstoffzellenstapels übereinstimmt, und/oder für einen Brennstoffzellenstapel 15 eingestellt werden kann, der für einen spezifischen Druckabfall oder Bereich von Druckabfällen gebaut ist. Beispielsweise ist in 5 eine Vielzahl von Brennstoffzellenstapeln in parallelem Betrieb gezeigt. Ein erster Brennstoffzellenstapel 38 ist in parallelem Betrieb mit einem zweiten Brennstoffzellenstapel 40 gezeigt, die beide parallel zu einem n-ten Brennstoffzellenstapel 42 arbeiten. Die Brennstoffzellenstapel 38, 40 und 42 arbeiten parallel, so dass sich die Brennstoffzellenstapel 38, 40 und 42 alle einen Zufuhrstrom 44 von einer gemeinsamen Sammelleitung 46 für Zufuhrstrom teilen. Jeder Brennstoffzellenstapel 38, 40 und 42 nimmt jeweilige Anteile 48, 50 und 52 des Zufuhrstroms 44 auf. Die Druckabfälle über jeden der Brennstoffzellenstapel 38, 40 und 42 bestimmen die Strömungsverteilung des Zufuhrstroms 44 in die Anteile 48, 50 und 52. Dies bedeutet, dass die Größen der Anteile 48, 50 und 52, die durch Brennstoffzellenstapel 38, 40 bzw. 42 erhalten werden, durch die Druckabfälle der einzelnen Brennstoffzellenstapel 38, 40 und 42 bestimmt werden. Wenn die Brennstoffzellenstapel 38, 40 und 42 unterschiedliche Druckab fälle besitzen, dann nimmt jeder Brennstoffzellenstapel 38, 40 und 42 einen verschieden großen Anteil 48, 50 und 52 des Zufuhrstroms 44 auf. Die ungleichförmige Strömungsverteilung zu den Brennstoffzellenstapeln 38, 40 und 42 ist jedoch unerwünscht.
Um die Schwankungen in den Druckabfällen der parallelen Brennstoffzellenstapel 38, 40 und 42 zu kompensieren, sind in den Brennstoffzellensystemen verschiedene Vorgehensweisen verwendet worden. Eine erste Vorgehensweise bestand in der Integration unabhängiger Strömungsmesskomponenten, die die Anteile 48, 50 und 52, die durch die Brennstoffzellenstapel 38, 40 und 42 aufgenommen werden, überwachen und steuern, so dass jeder Brennstoffzellenstapel 38, 40 und 42 jeweils einen angemessenen Anteil 48, 50 und 52 des Zufuhrstroms 44 aufnimmt. Eine zweite Vorgehensweise bestand darin, Brennstoffzellenstapel 38, 40 und 42 mit einer zu großen Strömung an Zufuhrstrom 44 zu beliefern, so dass jeder Brennstoffzellenstapel 38, 40 und 42 einen angemessenen Anteil 48, 50 und 52 des Zufuhrstroms 44 aufnimmt. Die vorliegende Erfindung kann die Schwankungen der Druckabfälle der Brennstoffzellenstapel 38, 40 und 42 kompensieren, ohne dass unabhängige Durchflussmesskomponenten oder die Lieferung einer zu großen Strömung an Zufuhrstrom 44 erforderlich ist. Die Brennstoffzellenstapel 38, 40 und 42 können beim Zusammenbau jeweils zusammengepresst werden, so dass Druckabfälle, die über jede der Brennstoffzellen 38, 40 und 42 auftreten, im Wesentlichen gleich sind oder in einem gemeinsamen Bereich von Druckabfällen liegen. Alternativ dazu können ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel 15 beim Zusammenbauen zusammengepresst werden oder ihre Kompression kann später eingestellt werden, so dass ein Druckabfall vorgesehen wird, der im Wesentlichen mit einem Druckabfall oder einem Bereich von Druckabfällen eines oder mehrerer existierender Brennstoffzellenstapel übereinstimmt, und können dann parallel mit dem bzw. den existierenden Brennstoffzellenstapeln verwendet werden. Durch Ausgleich der Druckabfälle über die Brennstoffzellenstapel 38, 40 und 42 sind die Anteile 48, 50 und 52 des Zufuhrstroms 44 im Wesentlichen gleich (wobei auch alle anderen beeinflussenden Faktoren gleich sind (beispielsweise Verrohrung, Begrenzungen)). Bevorzugt werden die Druckabfälle von jedem Brennstoffzellenstapel 38, 40, 42 so eingestellt, dass sie bei im Wesentlichen derselben Leistungsabgabe oder demselben Leistungsabgabebereich auftreten.
In 4 sind der Zusammenbau wie auch die Kompression des Brennstoffzellenstapels 15 gezeigt. Eine Vielzahl von Brennstoffzellen 10 sind benachbart zueinander in einer Brennstoffzellenanordnung 54 angeordnet. Die Brennstoffzellenanordnung 54 ist zwischen einem Paar Anschlussplatten 56 positioniert, die dazu verwendet werden, elektrischen Strom zu bzw. von der Brennstoffzellenanordnung 54 zu leiten. Benachbart der Anschlussplatten 56 ist ein Paar Endplatten 16 auf jeder Seite der Brennstoffzellenanordnung 54 angeordnet. Die Presskraft F wird auf eine oder beide Endplatten 16 ausgeübt, um die Brennstoffzellenanordnung 54 zusammenzupressen. Reaktandenzufuhrströme werden an den Brennstoffzellenstapel 15 geliefert, und der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 15 wird begonnen. Es wird eine Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels 15 zusammen mit dem Druckabfall von einem oder beiden Zufuhrströmen über den Brennstoffzellenstapel 15 gemessen und/oder überwacht. Zusätzlich kann auch eine Geschwindigkeit der Zufuhrströme, die durch den Brennstoffzellenstapel 15 fließen, gemessen und/oder überwacht werden. Der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 15 wird so lange eingestellt, bis der Brennstoffzellenstapel 15 in einem gewünschten Zustand (beispielsweise Leistungsniveau) arbeitet.
Anschließend wird die Größe der Druckkraft F so lange eingestellt, bis der Brennstoffzellenstapel 15 gewünschte Eigenschaften aufweist. Beispielsweise kann die Druckkraft F so lange eingestellt werden, bis der Druckabfall über den Brennstoffzellenstapel 15 eine vorbestimmte Größe aufweist, einen Bereich von Größen aufweist oder bis eine minimale Strömungsgeschwindigkeit von einem oder mehreren der Zufuhrströme durch den Brennstoffzellenstapel 15 überschritten wird. Der exakte Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 15 zum Zeitpunkt des Einstellens der Presskraft F variiert abhängig von dem gewünschten Betrieb des Brennstoffzellenstapels 15. Wenn beispielsweise, wie oben beschrieben ist, die Spitzenleistungsabgabe kritisch oder am wichtigsten ist, kann der Brennstoffzellenstapel 15 bei 85–100 % des Spitzenleistungsniveaus betrieben werden, während die Druckkraft F eingestellt wird. Im Gegensatz dazu wird, wenn der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 15 am wichtigsten ist, der Brennstoffzellenstapel 15 bei 10–30 % des Spitzenleistungsniveaus betrieben, während die Druckkraft F eingestellt wird.
Sobald die Presskraft F (und das damit in Verbindung stehende Eindringen des Mediums 32 in den Strömungskanal 20) auf ein Niveau eingestellt worden ist, das gewünschte Betriebseigenschaften des Brennstoffzellenstapels 15 ergibt, werden die Endplatten 16 an einem Paar von Seitenplatten 60 befestigt. Die Presskraft F wird anschließend beseitigt. Die Befestigung der Endplatten 16 an den Seitenplatten 60 hat zur Folge, dass die Endplatten 16 unter einem fixierten Abstand voneinander angeordnet bleiben und die Kompression der Brennstoffzellenanordnung 54 beibehalten. Die Endplatten 16 können an der Seitenplatte 60 auf eine Vielzahl von Arten befestigt werden, wie es in der Technik bekannt ist. beispielsweise können mechanische Befestigungseinrichtungen 62 dazu verwendet werden, die Endplatten 16 an den Seitenplatten 60 zu befestigen. Eine detailliertere Beschreibung des Stapelkompressionsmechanismus, der in 4 gezeigt ist, ist in der U.S. Anmeldung Nr. 10/136,781 , die am 30. April 2002 eingereicht wurde, gezeigt, die ebenfalls im Besitz des Anmelders der vorliegenden Erfindung ist und deren Offenbarung hierin ausdrücklich durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Alternativ dazu sind andere Mittel zum Zusammenpressen bzw. Komprimieren des Brennstoffzellenstapels, das eine allgemein ausgeglichene Kompressionslast vorsieht, in der Technik bekannt und mit der vorliegenden Erfindung verwendbar.
Während Strömungskanäle 20 als im Wesentlichen rechtwinklig ausgebildet gezeigt sind, sei zu verstehen, dass auch andere Formen und Gestaltungen, die zulassen, dass ein zusammenpressbares Diffusionsmedium 32 in die Strömungskanäle 20 eindringen und den Durchflussquerschnitt 34 verringern kann, ohne Abweichung vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Ferner sei, während spezifische Druckabfälle und Leistungspegel dazu verwendet worden sind, die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu veranschaulichen, zu verstehen, dass andere Druckabfälle und andere Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstapels 15 und/oder der Brennstoffzellen 10 ohne Abweichung vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung befindlich anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichungen vom Schutzumfang der Erfindung zu sehen.
Zusammengefasst umfasst eine Brennstoffzelle eine Elektrodenplatte mit einem darin ausgebildeten Strömungsfeld und eine Protonenaustauschmembran. Benachbart der Elektrodenplatte ist ein zusammenpressbares, permeables Diffusionsmedium angeordnet. Das Diffusionsmedium wird gegen die Elektrodenplatte gepresst, so dass ein Anteil des Mediums in das Strömungsfeld eindringt. Durch Zusammenpressen einer Vielzahl dieser Brennstoffzellen kann ein Brennstoffzellenstapel gebildet werden. Der Brennstoffzellenstapel wird so zusammengepresst, dass das Diffusionsmedium in jeder Brennstoffzelle an die benachbarte Elektrodenplatte gepresst wird, wobei ein Anteil des Mediums in das Strömungsfeld in der benachbarten Elektrodenplatte eindringt. Das Zusammenpressen des Brennstoffzellenstapels kann so eingestellt werden, dass das Ausmaß des Eindringens des Diffusionsmediums in die Strömungskanäle eingestellt wird und bei einem gewünschten Betriebszustand ein Druckabfall mit einer vorbestimmten Größe über den Brennstoffzellenstapel auftritt.

Claims

Brennstoffzelle (10) mit: einer Elektrodenplatte (14) mit einem darin ausgebildeten Strömungsfeld (22); einer Membranelektrodenanordnung (12); und einem zusammenpressbaren, für Fluid permeablen Diffusionsmedium (32), das zwischen der Elektrodenplatte (14) und der Membranelektrodenanordnung (12) benachbart der Elektrodenplatte (14) angeordnet ist, wobei das Diffusionsmedium (32) so an die Elektrodenplatte (14) gepresst ist, dass ein Anteil des Diffusionsmediums (32) in das Strömungsfeld (22) eindringt.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenplatte (14) eine Kathodenplatte ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei die Elektrodenplatte (14) eine Anodenplatte ist.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei das Diffusionsmedium (32) so an die Elektrodenplatte (14) gepresst ist, dass ein vorbestimmter Druckabfall über das Strömungsfeld (22) auftritt.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 4, wobei der vorbestimmte Druckabfall bei einem vorbestimmten Leistungsabgabeniveau erfolgt.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei das Diffusionsmedium (32) so an die Elektrodenplatte (14) gepresst ist, dass eine Geschwindigkeit eines Zufuhrstromes, der durch das Strömungsfeld (22) strömt, über einem vorbestimmten Niveau beibehalten wird.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 1, wobei das Diffusionsmedium (32) an die Elektrodenplatte (14) gepresst ist, um im Vergleich zu einem nicht zusammengepressten Zustand eine Verringerung der Dicke des Diffusionsmediums (32) um zumindest 10 % zu bewirken.
Brennstoffzellenstapel (15) mit: einer Vielzahl von Brennstoffzellen (10), die benachbart zueinander angeordnet sind, wobei zumindest eine Brennstoffzelle (10) der Vielzahl von Brennstoffzellen (10) eine Elektrodenplatte (14) mit einem darin ausgebildeten Strömungsfeld (22), eine Protonenaustausch-Membranelektrodenanordnung (12) und ein zusammenpressbares, für Fluid permeables Diffusionsmedium (32) umfasst, das zwischen der Membranelektrodenanordnung (12) und der Elektrodenplatte (14) angeordnet ist, wobei die benachbarten Brennstoffzellen (10) so zusammengepresst sind, dass das Diffusionsmedium (32) in der zumindest einen Brennstoffzelle (10) an die Elektrodenplatte (14) gepresst ist, wobei ein Anteil des Diffusionsmediums (32) in das Strömungsfeld (22) der benachbarten Elektrodenplatte (14) eindringt.
Brennstoffzellenstapel (15) nach Anspruch 8, wobei die Elektrodenplatten (14) Kathodenplatten sind.
Brennstoffzellenstapel (15) nach Anspruch 8, wobei die Elektrodenplatten (14) Anodenplatten sind.
Brennstoffzellenstapel (15) nach Anspruch 8, wobei die Brennstoffzellen (10) so zusammengepresst sind, dass ein Druckabfall mit einer vorbestimmten Größe in einem durch die Strömungsfelder strömenden Zufuhrstrom auftritt.
Brennstoffzellenstapel (15) nach Anspruch 11, wobei der vorbestimmte Druckabfall im Bereich von 0,689 kN/m²–41,4 kN/m² liegt.
Brennstoffzellenstapel (15) nach Anspruch 11, wobei der vorbestimmte Druckabfall bei einer vorbestimmten Leistungsabgabe auftritt.
Brennstoffzellenstapel (15) nach Anspruch 8, wobei die Brennstoffzellen (10) so zusammengepresst sind, dass eine Geschwindigkeit eines durch die Strömungsfelder strömenden Zufuhrstromes über einem vorbestimmten Niveau beibehalten wird.
Brennstoffzellenstapel (15) nach Anspruch 8, wobei die Brennstoffzellen (10) so zusammengepresst sind, dass das Diffusionsmedium (32) in der zumindest einen Brennstoffzelle (10) an die Elektrodenplatte (14) gepresst ist, um im Vergleich zu einem nicht zusammengepressten Zustand eine Verringerung der Dicke des Diffusionsmediums (32) um zumindest 10 % zu bewirken.
Verwendung zumindest einer Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1 in einem ersten und/oder einem zweiten Brennstoffzellenstapel (15), die parallel angeordnet sind, wobei jeder Brennstoffzellenstapel (15) einen Anteil eines Zufuhrstromes aufnimmt.
Verwendung nach Anspruch 16, wobei der Zufuhrstrom ein Brennstoff-Zufuhrstrom ist und die Elektrodenplatte (14) eine Anodenplatte ist.
Verwendung nach Anspruch 17, wobei der Brennstoff-Zufuhrstrom ein Reformatzufuhrstrom ist.
Verwendung nach Anspruch 16, wobei der Zufuhrstrom ein H₂-Zufuhrstrom ist und die Elektrodenplatte (14) eine Anodenplatte ist.
Verwendung nach Anspruch 16, wobei der Zufuhrstrom ein Oxidationsmittelzufuhrstrom ist und die Elektrodenplatte (14) eine Kathodenplatte ist.
Verwendung nach Anspruch 16, wobei das Diffusionsmedium (32) an die Elektrodenplatte (14) in der zumindest einen Brennstoffzelle (10) des zweiten Brennstoffzellenstapels (15) gepresst wird, so dass ein erster Druckabfall über den zweiten Brennstoffzellenstapel (15) im Wesentlichen gleich einem zweiten Druckabfall über den ersten Brennstoffzellenstapel (15) ist.
Verwendung nach Anspruch 21, wobei der erste Druckabfall einer ersten Leistungsabgabe des zweiten Brennstoffzellenstapels (15) zugeordnet ist, und der zweite Druckabfall einer zweiten Leistungsabgabe des ersten Brennstoffzellenstapels (15) zugeordnet ist, und wobei die erste und zweite Leistungsabgabe im Wesentlichen gleich sind.
Verwendung nach Anspruch 16, wobei das Diffusionsmedium (32) an die Elektrodenplatte (14) in der zumindest einen Brennstoffzelle (10) des zweiten Brennstoffzellenstapels (15) gepresst wird, so dass eine Geschwindigkeit des Anteils des Zufuhrstroms durch den zweiten Brennstoffzellenstapel (15) über einem vorbestimmten Niveau beibehalten wird.
Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffzelle (10), umfassend, dass ein zusammenpressbares, für Fluid permeables Diffusionsmedium (32) zwischen einer Membranelektrodenanordnung (12) und einer Elektrodenplatte (14) mit einem darin ausgebildeten Strömungsfeld (22) positioniert wird, und das Diffusionsmedium (32) an die Elektrodenplatte (14) gepresst wird, so dass ein Anteil des Diffusionsmediums (32) in das Strömungsfeld (22) eindringt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Zusammenpressen einen Druckabfall mit einer vorbestimmten Größe in einem durch das Strömungsfeld (22) hindurchströmenden Strom bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei der Druckabfall bei einer vorbestimmten Leistungsabgabe auftritt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Zusammenpressen ausreichend ist, um eine minimale Zielgeschwindigkeit eines durch das Strömungsfeld (22) hindurch strömenden Stromes zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Pressen des Diffusionsmediums (32) an die Elektrodenplatte (14) im Vergleich zu einem nicht zusammengepressten Zustand eine Verringerung der Dicke des Diffusionsmediums (32) von zumindest 10 % bewirkt.
Verfahren zum Herstellen eines Brennstoffzellenstapels (15) mit den Schritten, dass: (a) eine Vielzahl von Brennstoffzellen (10) benachbart zueinander positioniert wird, wobei zumindest eine Brennstoffzelle (10) der Vielzahl von Brennstoffzellen eine Elektrodenplatte (14) mit einem darin ausgebildeten Strömungsfeld (22), eine Membranelektrodenanordnung (MEA) (12) und ein zusammenpressbares, für Fluid permeables Diffusionsmedium (32) umfasst, das zwischen der MEA (12) und der Elektrodenplatte (14) angeordnet ist; und (b) die benachbarten Brennstoffzellen (10) so zusammengepresst werden, dass in der zumindest einen Brennstoffzelle (10) ein Anteil des Diffusionsmediums (32) in das Strömungsfeld (22) der benachbarten Elektrodenplatte (14) eindringt.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei Schritt (b) umfasst, dass die benachbarten Brennstoffzellen (10) so zusammengepresst werden, dass ein durch den Brennstoffzellenstapel (15) strömender Zufuhrstrom einem Druckabfall mit einer vorbestimmten Größe ausgesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei der vorbestimmte Druckabfall im Bereich von 0,689 kN/m²–41,4 kN/m² liegt.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei Schritt (b) umfasst, dass die benachbarten Brennstoffzellen (10) zusammengepresst werden, während der Brennstoffzellenstapel (15) mit einer vorbestimmten Leistungsabgabe arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei Schritt (b) umfasst, dass die benachbarten Brennstoffzellen (10) so zusammengepresst werden, dass die Geschwindigkeit eines durch den Brennstoffzellenstapel (15) strömenden Zufuhrstromes über einem vorbestimmten Niveau beibehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei Schritt (b) umfasst, dass die benachbarten Brennstoffzellen (10) so zusammengepresst werden, dass ein durch den Brennstoffzellenstapel (15) strömender Zufuhrstrom einem Druckabfall mit einer Größe ausgesetzt ist, die allgemein gleich einem bekannten Druckabfall eines anderen Brennstoffzellenstapels (15) ist.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei Schritt (b) umfasst, dass die benachbarten Brennstoffzellen (10) so zusammengepresst werden, dass bei einer vorbestimmten Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels (15) ein durch den Brennstoffzellenstapel (15) strömender Zufuhrstrom zu einem Wert hin eingestellt wird, der einem bekannten Druckabfall eines anderen Brennstoffzellenstapels (15) bei einer im Wesentlichen ähnlichen Leistungsabgabe entspricht.