DE102004043513A1 - Zusammengesetzte bipolare Platte für eine Brennstoffzelle und Verfahren - Google Patents

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Abstract

Zwischen benachbarten MEAs ist ein Bipolplattenzusammenbau vorgesehen, der eine erste Teilplatte mit einem Strömungskanal aufweist, der zu der Anodenseite der einen der MEAs offen ist. Eine zweite Teilplatte besitzt einen Strömungskanal, der zu der Kathodenseite der benachbarten MEAs offen ist. Die Teilplatten sind ineinander gesetzt, um einen Kühlmittelströmungskanal zwischen den Teilplatten zu bilden. Der Kühlmittelströmungskanal besitzt eine Höhenabmessung, wobei die Distanz zwischen den benachbarten MEAs durch die Höhenabmessung des Kühlmittelströmungspfades im Wesentlichen unbeeinflusst ist. Ein Verfahren zum Herstellen eines Bipolplattenzusammenbaus umfasst, dass ein geschlossener Kühlmittelströmungskanal zwischen den Teilplatten gebildet wird, indem die Teilplatten ineinander gesetzt werden. Ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle umfasst, dass das Kühlmittel durch einen Strömungspfad geführt wird, der eine Höhenabmessung aufweist, die im Wesentlichen mit der Höhenabmessung des Wasserstoffströmungspfades, des Sauerstoffströmungspfades oder mit beiden ausgerichtet ist.

Description

  • Diese Erfindung betrifft allgemein PEM-Brennstoffzellen und insbesondere bipolare Platten, die benachbarte Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel trennen.
  • Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energie- bzw. Antriebsquelle vorgeschlagen worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle und Sauerstoff als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (ein Gemisch aus O2 und N2) vorliegen. PEM-Brennstoffzellen umfassen einen Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen, protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die auf einer Seite einen Anodenkatalysator und auf der entgegengesetzten Seite einen Kathodenkatalysator aufweist.
  • Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar nichtporöser, elektrisch leitender Elemente oder Platten angeordnet, die (1) Elektronen von der Anode einer Brennstoffzelle zu der Kathode der benachbarten Zelle eines Brennstoffzellenstapels leiten, (2) geeignete Kanäle und / oder Öffnungen aufweisen, die darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren ausgebildet sind; und (3) geeignete Kanäle und / oder Öffnungen umfassen, die darin zur Verteilung eines geeigneten Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel hindurch ausgebildet sind, um dessen Temperatur beizubehalten.
  • Die elektrisch leitenden Platten, die die MEAs schichtartig anordnen, können eine Anordnung aus Nuten in ihren Seiten aufweisen, die ein Rektandenströmungsfeld bzw. Reaktandengasverteilerfeld (engl. "flow field") aufweisen, um die gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle (d.h. Wasserstoff und Sauerstoff in der Form von Luft) über die Oberflächen der jeweiligen Kathode und Anode zu verteilen. Diese Reaktandenströmungsfelder umfassen allgemein eine Vielzahl von Stegen, die eine Vielzahl von Durchflußkanälen dazwischen definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden von einer Versorgungssammelleitung an einem Ende der Strömungskanäle zu einer Austragssammelleitung an dem gegenüberliegenden Ende der Strömungskanäle strömen.
  • Der Begriff "Brennstoffzelle" wird allgemein dazu verwendet, abhängig vom Zusammenhang entweder eine einzelne Zelle oder mehrere Zellen (Stapel bzw. "Stack") zu bezeichnen. Typischerweise wird eine Vielzahl einzelner Zellen miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, wobei die einzelnen Zellen üblicherweise in elektrischer Reihe angeordnet sind. Jede Zelle in dem Stapel umfasst die Membranelektrodenanordnung (MEA), wie vorher beschrieben wurde, und jede derartige MEA liefert ihren Spannungszuwachs. Eine Gruppe benachbarter Zellen in dem Stapel wird als ein Cluster bezeichnet. Beispielsweise sind einige typische Anordnungen für Mehrfachzellen in einem Stapel in dem U.S.-Patent Nr. 5,763,113 gezeigt und beschrieben.
  • In einem Brennstoffzellenstapel sind mehrere Zellen in elektrischer Reihe aneinandergestapelt, während sie durch eine für Gas un durchlässige, elektrisch leitende bipolare Platte bzw. Bipolplatte getrennt sind. In einigen Fällen ist die bipolare Platte ein Zusammenbau, der durch Befestigen eines Paares von dünnen Metalllagen gebildet wird, die auf ihren Außenseitenflächen ausgebildete Reaktandenströmungsfelder aufweisen. Typischerweise ist zwischen den Metallplatten des Bipolplattenzusammenbaus ein internes Kühlmittelströmungsfeld vorgesehen. Es ist auch bekannt, eine Abstandhalterplatte zwischen den Metallplatten anzuordnen, um die Wärmeübertragungseigenschaften zur verbesserten Brennstoffzellenkühlung zu optimieren. Es sind verschiedene Beispiele von Bipolplattenzusammenbauten des in PEM-Brennstoffzellen verwendeten Typs in dem U.S.-Patent Nr. 5,776,624 gezeigt und beschrieben, das sich im Besitz des vorliegenden Anmelders befindet, am 17. Juli 1998 erteilt wurde und hier vollständig durch Bezugnahme eingeschlossen ist. Das interne Kühlmittelströmungsfeld verbraucht Raum in der Brennstoffzelle, was typischerweise den erforderlichen Abstand zwischen benachbarten MEAs erhöht.
  • Gemäß eines ersten Aspektes der vorliegenden Erfindung ist eine Brennstoffzelle vorgesehen. Die Brennstoffzelle umfasst ein Paar von MEAs, die voneinander um eine Distanz getrennt sind. Jede der MEAs besitzt eine Anodenseite und eine Kathodenseite. Zwischen der Anodenseite von einer des Paares von MEAs und der Kathodenseite der anderen des Paares von MEAs ist ein Bipolplattenzusammenbau angeordnet. Der Bipolplattenzusammenbau besitzt eine erste Teilplatte mit einem Strömungskanal, der zu der Anodenseite der einen des Paares aus MEAs offen ist. Der Bipolplattenzusammenbau besitzt auch eine zweite Teilplatte mit einem Strömungskanal, der zu der Kathodenseite der anderen des Paares von MEAs offen ist. Die erste Teilplatte und die zweite Teilplatte sind ineinander gesetzt, um zwischen der ersten und zweiten Teilplatte einen Kühlmittelströmungskanal zu bilden.
  • Gemäß eines weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines in einer Brennstoffzelle verwendeten Bipolplattenzusammenbaus vorgesehen. Das Verfahren umfasst, dass ein offener Kanal an einer Seite einer ersten Teilplatte ausgebildet wird, der so angeordnet ist, dass er zu der Anodenseite der MEA weist. Es wird auch ein offener Kanal an einer Seite einer zweiten Teilplatte ausgebildet, der so angeordnet ist, dass er zu der Kathodenseite einer benachbarten MEA weist. Zwischen den Teilplatten ist ein geschlossener Kanal ausgebildet, der für eine Kühlmittelströmung hindurch ausgebildet ist, indem die erste und zweite Teilplatte ineinander gesetzt werden.
  • Gemäß eines noch weiteren Aspektes der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle mit einer Vielzahl benachbarter MEAs vorgesehen. Das Verfahren umfasst, dass Sauerstoff durch einen Strömungspfad in Verbindung mit einer Kathodenseite der MEA geführt wird. Wasserstoff strömt durch einen Strömungspfad in Verbindung mit einer Anodenseite der MEA. Sowohl der Wasserstoff- als auch Sauerstoffströmungspfad besitzen eine Höhenabmessung. Kühlmittel wird ebenfalls durch einen Strömungspfad mit einer Höhenabmessung geführt, die im Wesentlichen mit der Höhenabmessung des Wasserstoffströmungspfades, des Sauerstoffströmungspfades bzw. beiden ausgerichtet ist.
  • Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch die spezifischen Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken 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 schematische isometrische Explosionsansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels ist, der einen Bipolplattenzusammenbau der vorliegenden Erfindung umfasst;
  • 2 eine Explosionsdarstellung eines Bipolplattenzusammenbaus ist, die in der Brennstoffzelle von 1 verwendet wird;
  • 3 eine vergrößerte teilweise Schnittansicht eines bevorzugten Bipolplattenzusammenbaus ist, die an den Seiten benachbarter MEAs angeordnet ist;
  • 4 eine vergrößerte teilweise Schnittansicht ähnlich zu 3 eines alternativen bevorzugten Bipolplattenzusammenbaus ist; und
  • 5 eine vergrößerte teilweise Schnittansicht ähnlich zu 3 eines anderen alternativen bevorzugten Bipolplattenzusammenbaus ist.
  • Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch zu beschränken.
  • 1 zeigt schematisch einen teilweisen PEM-Brennstoffzellenstapel mit einem Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 8 und 10, die voneinander durch nichtporöse, elektrisch leitende bipolare Platten 12, 14, 16 getrennt sind. Jede der MEAs 8, 10 weist eine Kathodenseite 8c, 10c und eine Anodenseite 8a, 10a auf. Die MEAs 8 und 10 wie auch die bipolaren Platten 12, 14, 16 sind typischerweise mit zusätzlichen ähnlichen Komponenten aneinandergestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
  • Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, umfassen die bipolaren Platten 12, 14 und 16 jeweils Strömungsfelder 18, 20 und 22 mit einer Vielzahl von Strömungskanälen, die in den Seiten der Platten ausgebildet sind, um Brennstoff- und Oxidationsmittelgase (d.h. H2 & O2) an die reaktiven Seiten der MEAs 8 und 10 zu verteilen und Kühlmittel zwischen den Platten zu verteilen. Nichtleitende Dichtungen oder Dichtstücke 26, 28, 30 und 32 sehen eine Dichtung wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Platten des Brennstoffzellenstapels vor. Poröse, für Gas durchlässige, elektrisch leitende Lagen 34, 36, 38 und 40 werden an die Elektrodenseiten der MEAs 8 und 10 gepresst und dienen als Primärstromkollektoren für die Elektroden. Die Primärstromkollektoren 34, 36, 38 und 40 sehen auch mechanische Abstützungen für die MEAs 8 und 10 insbesondere an den Orten vor, an denen die MEAs ansonsten in dem Strömungsfeld ungestützt sind. Ähnliche Primärstromkollektoren umfassen Kohle- bzw. Graphitpapier, Kohle- bzw. Graphitgewebe, feinmaschige Edelmetallsiebe, offenzellige Edelmetallschäume und dergleichen, die Strom von den Elektroden leiten, während Gas durch diese hindurchströmen kann.
  • Die bipolare Platte 14 wird an den Primärstromkollektor 34 auf der Kathodenseite 8c der MEA 8 gepresst, und die bipolare Platte 16 wird an den Primärstromkollektor 40 an der Anodenseite 10a der MEA 10 gepresst. Ähnlicherweise wird die bipolare Platte 12 an den Primärstromkollektor 36 an der Anodenseite 8a der MEA 8 und an den Primärstromkollektor 38 an der Kathodenseite 10c der MEA 10 gepresst. Ein Oxidati onsmittelgas, wie beispielsweise Sauerstoff, wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 46 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 42 geliefert. Ähnlicherweise wird ein Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 48 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 44 geliefert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Sauerstofftank 46 weggelassen werden und der Sauerstoff an die Kathodenseite von der Umgebungsluft geliefert werden. Ähnlicherweise kann der Wasserstofftank 48 weggelassen werden und der Wasserstoff an die Anodenseite von einem Reformer geliefert werden, der katalytisch Wasserstoff aus Methanol und / oder einem flüssigem Kohlenwasserstoff (beispielsweise Benzin) erzeugt. Es ist auch eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H2- als auch O2-/Luft-Seiten der MEAs vorgesehen, um an H2 abgereichertes Anodengas von dem Anodenströmungsfeld und an O2 abgereichertes Kathodengas von dem Kathodenströmungsfeld zu entfernen. Eine Kühlmittelverrohrung 50 und 52 ist ebenfalls vorgesehen, um flüssiges Kühlmittel an die bipolaren Platten 12, 14 und 16 nach Bedarf zu liefern bzw. von diesen nach Bedarf auszutragen.
  • In 2 ist zu sehen, dass jede der bipolaren Platten 12, 14 und 16 tatsächlich ein Bipolplattenzusammenbau 60 ist, der aus zwei Teilplatten 62, 64 besteht. Dieser Bipolplattenzusammenbau 60 ist für jede der bipolaren Platten 12, 14 und 16 von 1 gleich. Die Teilplatten 62, 64 umfassen serpentinenartige Kanäle 66, 68, die einen Strömungspfad in einem Strömungsfeld in den Außenflächen bzw. externen Flächen 62e, 64e des Bipolplattenzusammenbaus 60 bilden. Zusätzlich haben die verschiedenen Kanäle 66, 68 der Teilplatten gegenüberliegende Kanäle 70 an den Innenseiten 62i, 64i der dünnen Metallteilplatten 62 bzw. 64 zur Folge. Somit wird, wenn die Teilplatten ineinander gesetzt werden, ein Strömungspfad (oder Strömungskanal) 70 für ein Kühlmittelströmungs feld zwischen den Innenflächen 62i, 64i der ineinander gesetzten Teilplatten 62, 64 gebildet. Dies wird unter Bezugnahme auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen nachfolgend detaillierter beschrieben.
  • In 3 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform eines ineinander gesetzten Bipolplattenzusammenbaus 60 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dieser Bipolplattenzusammenbau 60 wird aus zwei Teilplatten 62, 64 gebildet. Jede Teilplatte 62, 64 wird aus einer dünnwandigen nichtkorrosiven Metalllage gebildet. Bevorzugt beträgt die Dicke der Metalllage etwa 0,0508 mm (0,002 Zoll) bis etwa 0,508 mm (0,02 Zoll). Das nichtkorrosive Metall ist bevorzugt rostfreier Stahl.
  • Jede der Teilplatten 62, 64 ist geprägt worden, um die Strömungskanäle 66, 68 und 70 zu bilden, wenn die Platten ineinander gesetzt werden, um den Bipolplattenzusammenbau 60 zu bilden. Die Strömungskanäle umfassen Sauerstoffströmungskanäle 68 für die Kathodenseite 8c, 10c der MEAs 8, 10, Wasserstoffströmungskanäle 66 für die Anodenseite 8a, 10a und Kühlmittelströmungskanäle 70. Sowohl der Wasserstoff-, Sauerstoff- als auch Kühlmittelströmungskanal 66, 68 bzw. 70 weist eine Höhe auf, die im Wesentlichen gleich der Höhe der anderen Strömungskanäle ist. Der hier verwendete Begriff Höhe betrifft die vertikale Richtung, wie in den Zeichnungen ersichtlich ist. Der Raum zwischen den MEAs, der durch den Bipolplattenzusammenbau 60 erzeugt wird, entspricht im Wesentlichen der Höhe von jedem der Strömungskanäle 66, 68, 70. Bevorzugt ist der Raum zwischen den MEAs nicht größer als das etwa 1,3-fache der Höhe von einem der Strömungskanäle, und bevorzugter nicht größer als das etwa 1,2-fache und am bevorzugtesten nicht größer als das etwa 1,1-fache.
  • Die Außenflächen 62e, 64e von jeder der Teilplatten 62, 64 umfassen Kanäle 66, 68, die den Wasserstoffströmungspfad bzw. den Sauerstoffströmungspfad vorsehen. Somit sind die Sauerstoff- bzw. Wasserstoffströmungspfade gegenüber den Anoden- und Kathodenseiten der MEA 8a, 10a bzw. 8c, 10c offen. Die MEA 8, 10 umfasst typischerweise ein Diffusionsmedium 9, 11, um zu ermöglichen, dass der Sauerstoff und der Wasserstoff in die MEA 8, 10 über die Stegbereiche strömen kann, die durch die Strömungsteilplatten 62, 64 erzeugt werden, wodurch ermöglicht wird, dass die gasförmigen Reaktanden mit der gesamten Seite der MEA 8, 10 in Kontakt treten können. Dies erzeugt eine effektive Querdistanz, über die die Fluide strömen müssen, um die gesamte Seite der MEA 8, 10 zu verwenden. Diese Distanz beträgt allgemein eine Hälfte der Distanz zwischen den Rändern quer benachbarter ähnlicher Strömungskanäle.
  • Die Innenflächen 62i, 64i von jeder der Teilplatten 62, 64 weisen in Richtung zueinander und bilden dazwischen den Kühlmittelströmungspfad 70. Der Kühlmittelströmungspfad 70 wird dadurch erzeugt, dass die Teilplatten 62, 64 ineinander gesetzt werden. Es ist bevorzugt, dass die Höhenabmessung des Kühlmittelströmungspfades 70 in Wesentlichen innerhalb der Höhenabmessung von zumindest einem der Sauerstoff- und Wasserstoffströmungspfade 66, 68 liegt (d.h. sich nicht über eines der Enden hinaus oder unter eines der Enden erstreckt, abgesehen, dass dies nur unwesentlich erfolgt) oder dass die Höhenabmessung des Kühlmittelströmungspfades im Wesentlichen mit der Höhenabmessung zumindest eines der Sauerstoff- und Wasserstoffströmungspfade ausgerichtet ist. Alle drei Strömungspfade 66, 68, 70 dieser Ausführungsform sind in einer Höhenabmessung vorgesehen, die im Wesentlichen gleich der Höhe von jedem der anderen Strömungspfade ist. Es ist zu sehen, dass die Distanz zwischen den MEAs 8, 10 durch die Höhenab messung des Kühlmittelströmungspfades 70 im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt, da die Höhenabmessung der Gesamtplattenanordnung im Wesentlichen gleich der gemeinsamen Höhenabmessung des Sauerstoffströmungspfades 68 und des Wasserstoffströmungspfades 66 ist.
  • In 4 ist eine alternative bevorzugte Ausführungsform eines aus ineinander gesetzten Teilplatten 162, 164 gebildeten Bipolplattenzusammenbaus 160 gezeigt. Diese alternative bevorzugte Ausführungsform ist in vielerlei Hinsicht ähnlich zu der der vorhergehenden bevorzugten Ausführungsformen 60. Jedoch sind die Platten 162, 164 so ineinander gesetzt, dass die Strömungspfadkanäle 166, 168, die die Wasserstoff- und Sauerstoffströmungspfade bilden, in dem breiteren Kühlmittelströmungspfadkanal 170 zentriert sind. Dies erzeugt einen Kühlmittelströmungspfadkanal 170 entlang jeder Seite der Wasserstoff- und Sauerstoffströmungspfadkanäle 166, 168. Somit sind für sowohl den Sauerstoffströmungspfad 168 als auch den Wasserstoffströmungspfad 166 zwei Kühlmittelströmungspfade 170 vorhanden. Obwohl die Querschnittsfläche von jedem der Kühlmittelströmungspfade 170 kleiner als diejenige des Sauerstoffströmungspfades 168 und des Wasserstoffströmungspfades 166 ist, ist die Oberfläche der kombinierten Kühlmittelströmungspfade 170 (oder Strömungsfelder) größer als die Oberfläche des Sauerstoffströmungspfades 168 und des Wasserstoffströmungspfades 176 und des Kühlmittelströmungspfades 170 der vorhergehenden Ausführungsform. In diesem Fall beträgt die Oberfläche des Kühlmittelströmungspfades 170 das etwa 1,5-fache der Oberfläche von sowohl dem Sauerstoffströmungspfad 168 als auch dem Wasserstoffströmungspfad 166. Eine Erhöhung der Oberfläche des Kühlmittelströmungspfades 170 sorgt für eine effektivere Wärmeübertragung.
  • Überdies wird die ungekühlte Leitungsdistanz zwischen den Kühlmittelströmungspfaden 170 bei dieser Ausführungsform verringert. Bevorzugt ist die ungekühlte Leitungsdistanz zwischen den Kühlmittelströmungspfaden kleiner als die Distanz zwischen benachbarten Wasserstoffströmungspfaden 166, Sauerstoffströmungspfaden 168 oder beiden. Ferner müssen die beiden Teilplatten 162, 164 nicht eng ineinander passen.
  • In 5 ist eine andere alternative bevorzugte Ausführungsform eines Bipolplattenzusammenbaus 260 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausführungsform wird die obere Teilplatte 262 mit einer Serie von Wasserstoffkanälen 266 ausgebildet, die relativ weit voneinander beabstandet sind, wobei relativ breite Stegabschnitte gebildet werden. Die untere Teilplatte 264 umfasst ein Paar schmalere Kanäle, die zwischen die Wasserstoffströmungskanäle 266 in die breiteren Kanäle 270 der durch die breiten Stegabschnitte erzeugten oberen Teilplatte eingesetzt sind. Dies erlaubt, dass drei separate Kanäle 266, 270, 268 in diesem Bereich ausgebildet werden können, wenn die Teilplatten 262, 264 ineinander gesetzt sind. Zwei der Kanäle 268, die zu der Kathodenseite der MEA offen sind, sehen Sauerstoffströmungspfade vor. Der dritte Kanal 270 ist zwischen den beiden Teilplatten 262, 264 begrenzt und sieht einen Kühlmittelströmungspfad 270 vor. Der Wasserstoffströmungspfad 266 ist benachbart dieser drei Strömungspfade vorgesehen und ist offen zu der Anodenseite der MEA.
  • Wie bei den vorher oben beschriebenen Ausführungsformen gelangen der Sauerstoff und der Wasserstoff quer durch das Diffusionsmedium 9, 11, um mit der MEA über ihre gesamte Oberfläche in Kontakt zu treten. Diese Ausführungsform nutzt die Tatsache, dass der Wasserstoff leichter durch das Diffusionsmittel 9, 11 wandern kann, als der Sauerstoff. Infolgedessen kann der Wasserstoff leichter weiter quer wandern, um eine effektive Leistungsfähigkeit über eine größere Oberfläche der MEA 8, 10 vorzusehen. Bei den vorhergehenden Ausführungsformen mussten sowohl der Wasserstoff als auch der Sauerstoff über dieselbe Distanz wandern, nämlich etwa die Hälfte der Distanz der Stegfläche in Kontakt mit den Seiten der MEA 8, 10. In diesem Fall muss der Wasserstoff quer über etwa eine Hälfte der Distanz der großen Stegfläche an die Anodenseite der MEA 8a, 10a wandern (d.h. die Stegfläche, die die Wasserstoffströmungspfade trennt). Im Gegensatz dazu müssen die größeren Sauerstoffmoleküle nur etwa eine Hälfte der kleineren Stegfläche, die die Sauerstoffströmungspfade trennt, durchwandern. Dies bedeutet, dass der Sauerstoff nur etwa ein Drittel der Distanz quer durchströmen muss, die der Wasserstoff durch das Diffusionsmedium 9, 11 durchströmen muss.
  • Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der bevorzugten Bipolplattenzusammenbauten 60 und Brennstoffzellen, die diese enthalten, umfasst, dass offene Kanäle 66, 68 in zwei dünnen Metalllagen ausgebildet werden, um die Teilplatten 62, 64 zu bilden. Der Einfachheit halber sind mit Ausnahme, wenn nachfolgend spezieller Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform genommen wird, die Bezugszeichen der Ausführungsform von 3 verwendet. Die Kanäle 66, 68 werden bevorzugt durch Prägen der Metalllagen gebildet, obwohl andere Formungsschritte verwendet werden können, beispielsweise Photoätzen (d.h. durch eine photolithographische Maske), oder es können chemische oder andere herkömmliche Verfahren verwendet werden. Jede Teilplatte 62, 64 umfasst offene Kanäle 66, 68, die derart ausgebildet sind, dass sie zu der Kathodenseite 8c, 10c bzw. der Anodenseite 8a, 10a einer MEA 8, 10 weisen. Die Teilplatten 62, 64 werden dann ineinander gesetzt, um einen geschlossenen Kanal zwischen den Teilplatten 62, 64 zu bilden. Dieser geschlossene Kanal 70 dient für eine Kühlmittelströmung durch diesen hindurch.
  • Der Formvorgang versieht jeden der jeweiligen Kanäle 66, 68 und 70 mit einer Höhenabmessung. Das Ineinandersetzen richtet die Höhenabmessung des Kühlkanals 70 im Wesentlichen mit der Höhenabmessung des Wasserstoffströmungskanals 66, des Sauerstoffströmungskanals 68 oder beiden aus. Der Kühlströmungskanal 70 kann im Wesentlichen damit ausgerichtet sein, wobei es nicht nötig ist, dass dieser im Wesentlichen auf der gleichen Höhenanordnung enden und beginnen muss. Die Kanäle 66 und / oder 68 sind ausgerichtet, wenn sich der Kühlströmungskanal 70 abgesehen von einem unwesentlichen Betrag nicht über die End- oder Starthöhe der entsprechenden Strömungskanäle 66 und / oder 68 erstreckt. Zusätzlich ordnet das Ineinandersetzen der Teilplatten 62, 64 die Höhenabmessung des geschlossenen Kanals bevorzugt im Wesentlichen innerhalb der Höhenabmessung des offenen Kanals 66 an, der derart ausgebildet ist, dass er zu der Anodenseite weist, oder des offenen Kanals 68 an, der derart ausgebildet ist, dass er zu der Kathodenseite weist. Ähnlicherweise bleibt die Distanz zwischen einem Paar benachbarter MEAs 8, 10 durch die Höhenabmessung des Kühlmittelströmungskanals 70 im Wesentlichen unbeeinflusst.
  • Die Betriebsabläufe zum Formen und / oder Ineinandersetzen können so vorgesehen werden, dass Strömungskanäle 66, 68, 70 oder Strömungspfade mit verschiedenen Gestaltungen ausgebildet werden. Beispielsweise ist der Ineinandersetzvorgang derart ausgebildet, dass eine Vielzahl von Kühlmittelströmungskanälen 170 für das Kühlmittel gebildet wird, wie in 4 gezeigt ist, und dass eine Vielzahl von zu der Kathode weisenden Strömungskanälen 268 für jeden zu der Anode weisenden Strömungskanäle 266 gebildet wird, wie in 5 gezeigt ist. Ferner wird eine Beabstandung der Vielzahl von zu der Anode weisenden Kanälen 266 um eine erste Querdistanz voneinander und eine Beabstandung der Vielzahl von zu der Kathode weisenden Kanälen 268 um eine zweite Querdistanz voneinander, die kleiner als die erste Querdistanz ist, erreicht, wie in 5 zu sehen ist.
  • Die Teilplattenanordnungen 60 können dann als Teil der MEA-Brennstoffzelle ineinander gesetzt werden, wie in 1 zu sehen ist. Der offene Kanal 66 an der Seite der ersten Teilplatte 62 ist an der Anodenseite einer MEA 8a angeordnet, und der offene Kanal 68 an der Seite der zweiten Teilplatte 64 ist an der Kathodenseite einer benachbarten MEA 10c angeordnet. Typischerweise ist eine Vielzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellengehäuse (nicht gezeigt) angeordnet und wird dadurch zusammengehalten. Es sind auch geeignete Verteiler vorgesehen, um eine abgedichtete Fluidverbindung mit sowohl dem Sauerstoffströmungspfad 68, dem Wasserstoffströmungspfad 66 als auch dem Kühlmittelströmungspfad 70 vorzusehen, so dass der geeignete Reaktand oder das geeignete Kühlmittel zum Durchfluss durch die jeweiligen Kanäle geliefert werden kann.
  • Ein bevorzugtes Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle mit einem bevorzugten Bipolarplattenzusammenbau 60 umfasst, dass Sauerstoff durch einen Strömungspfad 68 in Verbindung mit einer Kathodenseite der MEA 10c geführt wird. Zusätzlich wird Wasserstoff durch einen Strömungspfad 66 in Verbindung mit einer Anodenseite einer benachbarten MEA 8a geführt. Sowohl der Sauerstoffströmungspfad 68 als auch der Wasserstoffströmungspfad 66 besitzen eine Höhenabmessung. Bevorzugt sind diese Höhenabmessungen im Wesentlichen miteinander ausgerichtet. Es wird auch ein Kühlmittel durch einen Strömungspfad 70 mit einer Höhenabmessung geführt, die im Wesentlichen mit der Höhen abmessung des Wasserstoffströmungspfades 66, des Sauerstoffströmungspfades 68 oder mit beiden ausgerichtet ist. Ähnlicherweise bleibt die Distanz zwischen einem Paar benachbarter MEAs 8, 10 durch die Höhenabmessung des Kühlmittelströmungspfades 70 im Wesentlichen unbeeinflusst. Stattdessen wird sie durch die Höhe des Wasserstoffströmungspfades 66 und / oder des Sauerstoffströmungspfades 68 und / oder die Anordnung ihrer entsprechenden Höhenabmessungen bestimmt.
  • Wie bei dem Bipolplattenzusammenbaus 260 von 5 beispielhaft dargestellt ist, umfasst das Betriebsverfahren bevorzugt auch, dass der Wasserstoff durch eine erste effektive Querdistanz eines Diffusionsmediums 9, 11 geführt und der Sauerstoff entlang einer zweiten effektiven queren Distanz eines Diffusionsmediums 9, 11 geführt wird, die kleiner als die erste effektive Querdistanz ist. Es sind viele andere Verfahrensvariationen möglich. Beispielsweise wird, wie in der Ausführungsform von 4 zu sehen ist, das Kühlmittel durch einen Strömungspfad geführt, der eine Vielzahl von Strömungskanälen 170 umfasst. Diese Ausführungsform legt auch das Kühlmittel zu einer Außenfläche hin frei, die größer als eine externe Oberfläche des Sauerstoffströmungspfades 168 und / oder des Wasserstoffströmungspfades 166 ist. Ferner führt der Strömungspfad 170 für das Kühlmittel das Kühlmittel entlang eines Paares gegenüberliegender quer verlaufender Seiten eines Kanals des Kathodenströmungspfades 168 und / oder des Anodenströmungspfades 166.
  • Zusammengefasst ist zwischen benachbarten MEAs ein Bipolplattenzusammenbau vorgesehen, der eine erste Teilplatte mit einem Strömungskanal aufweist, der zu der Anodenseite der einen der MEAs offen ist. Eine zweite Teilplatte besitzt einen Strömungskanal, der zu der Kathodenseite der benachbarten MEA offen ist. Die Teilplatten sind ineinander gesetzt, um einen Kühlmittelströmungskanal zwischen den Teilplat ten zu bilden. Der Kühlmittelströmungskanal besitzt eine Höhenabmessung, wobei die Distanz zwischen den benachbarten MEAs durch die Höhenabmessung des Kühlmittelströmungspfades im Wesentlichen unbeeinflusst ist. Ein Verfahren zum Herstellen eines Bipolplattenzusammenbaus umfasst, dass ein geschlossener Kühlmittelströmungskanal zwischen den Teilplatten gebildet wird, indem die Teilplatten ineinander gesetzt werden. Ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle umfasst, dass das Kühlmittel durch einen Strömungspfad geführt wird, der eine Höhenabmessung aufweist, die im Wesentlichen mit der Höhenabmessung des Wasserstoffströmungspfades, des Sauerstoffströmungspfades oder mit beiden ausgerichtet ist.

Claims (20)

  1. Brennstoffzelle mit: einem Paar von MEAs, die voneinander um eine Distanz getrennt sind, wobei jede MEA eine Anodenseite und eine Kathodenseite aufweist; einem Bipolplattenzusammenbau, der zwischen der Anodenseite von einer des Paares von MEAs und der Kathodenseite der anderen des Paares von MEAs angeordnet ist, wobei der Bipolplattenzusammenbau aufweist: eine erste Teilplatte mit einem Strömungskanal, der zu der Anodenseite der einen des Paares von MEAs offen ist; eine zweiten Teilplatte mit einem Strömungskanal, der zu der Kathodenseite der anderen des Paares von MEAs offen ist, wobei die erste Teilplatte und die zweite Teilplatte ineinander gesetzt sind, um einen Kühlmittelströmungskanal zwischen der ersten und zweiten Teilplatte zu bilden.
  2. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Strömungskanal der ersten Teilplatte und der Strömungskanal der zweiten Teilplatte quer bezüglich zueinander zentriert sind, um eine Vielzahl von Kühlmittelströmungskanälen zu bilden.
  3. Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die Strömungskanäle eine Oberfläche aufweisen, und wobei die kombinierte Oberfläche der Vielzahl von Kühlmittelströmungskanälen größer als die Oberfläche des Strömungskanals, der zu der Kathodenseite offen ist, oder der Oberfläche des Strömungskanals ist, der zu der Kathodenseite offen ist.
  4. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die zweite Teilplatte eine Vielzahl von zu der Kathodenseite offenen Strömungskanälen umfasst, die dem zu der Kathodenseite offenen Strömungskanal der ersten Teilplatte entspricht.
  5. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der Kühlmittelströmungspfad eine Höhenabmessung aufweist, die im Wesentlichen innerhalb einer Höhenabmessung des Kathodenströmungspfades, des Anodenströmungspfades oder beiden liegt.
  6. Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei der zu der Anodenseite offene Strömungskanal oder der zu der Kathodenseite offene Strömungskanal oder beide einen serpentinenartigen Strömungspfad vorsehen.
  7. Verfahren zum Herstellen eines in einer Brennstoffzelle verwendbaren Bipolplattenzusammenbaus, wobei die Brennstoffzelle eine Vielzahl von MEAs aufweist, wobei jede MEA eine Kathodenseite und eine Anodenseite umfasst, wobei das Verfahren umfasst, dass: ein offener Kanal auf einer Seite einer ersten Teilplatte ausgebildet wird, der derart ausgebildet ist, dass er zu der Anodenseite der MEA weist; ein offener Kanal auf einer Seite einer zweiten Teilplatte ausgebildet wird, der derart ausgebildet ist, dass er zu der Kathodenseite einer benachbarten MEA weist; und ein geschlossener Kanal zwischen den Teilplatten ausgebildet wird, der für eine durch diesen hindurch erfolgende Kühlmittelströmung ausgebildet ist, indem die ersten und zweiten Teilplatten ineinander gesetzt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Formschritte umfassen, dass die jeweiligen Kanäle mit einer Höhenabmessung versehen werden, wobei das Ineinandersetzen der ersten und zweiten Platte die Höhenabmessung des geschlossenen Kanals im Wesentlichen innerhalb der Höhenabmessung von dem zu der Anodenseite der MEA weisenden offenen Kanal und / oder dem zu der Kathodenseite der MEA weisenden offenen Kanal anordnet.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Formschritte umfassen, dass die jeweiligen Kanäle mit eine Höhenabmessung versehen werden, und wobei das Ineinandersetzen der ersten und zweiten Platte ferner umfasst, dass die Höhenabmessung des Kühlkanals mit der Höhenabmessung des Wasserstoffströmungskanals, des Sauerstoffströmungskanals oder beiden im Wesentlichen ausgerichtet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, wobei zumindest einer der Schritte zum Formen eines offenen Kanals durch Prägen einer Metalllage erreicht wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Ineinandersetzen der ersten und zweiten Teilplatte eine Vielzahl von Kühlmittelströmungskanälen für jede Anode, jede Kathode oder beide formt.
  12. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Formschritte umfassen, dass eine Vielzahl jeweiliger Kanäle quer benachbart zueinander geformt werden, wobei die Formschritte ferner umfassen, dass die Vielzahl von zu der Anode weisenden Kanälen um eine erste Querdistanz voneinander beabstandet werden und die Vielzahl von zu der Kathode weisenden Kanälen um eine zweite Querdistanz voneinander, die kleiner als die erste Querdistanz ist, beabstandet werden.
  13. Verfahren nach Anspruch 7, wobei zumindest einer der Formschritte einen serpentinenartigen Strömungspfad erzeugt, der den entsprechenden Kanal integriert.
  14. Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle mit einer Vielzahl benachbarter MEAs, umfassend, dass: Sauerstoff durch einen Strömungspfad in Verbindung mit einer Kathodenseite der MEA geführt wird, der eine Höhenabmessung besitzt; Wasserstoff durch einen Strömungspfad in Verbindung mit einer Anodenseite der MEA geführt wird, der eine Höhenabmessung besitzt; und Kühlmittel durch einen Strömungspfad mit einer Höhenabmessung geführt wird, die im Wesentlichen mit der Höhenabmessung des Wasserstoffströmungspfades, des Sauerstoffströmungspfades oder beiden ausgerichtet ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend, dass der Wasserstoff durch eine erste effektive Querdistanz eines Diffusionsmediums geführt wird; und der Sauerstoff entlang einer zweiten effektiven Querdistanz eines Diffusionsmediums geführt, die kleiner als die erste effektive Querdistanz ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Leiten von Kühlmittel durch den Strömungspfad umfasst, dass das Kühlmittel durch einen geschlossenen Strömungskanal geführt wird, der zwischen dem Sauerstoffströmungspfad und dem Wasserstoffströmungspfad angeordnet ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Leiten des Kühlmittels durch den Strömungspfad dadurch erreicht wird, dass das Kühlmittel durch eine Vielzahl von Strömungskanälen geführt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Leiten des Kühlmittels durch den Strömungspfad das Kühlmittel an einer Außenoberfläche freilegt, die für sich genommen größer als eine externe Oberfläche des Sauerstoffströmungspfades oder des Wasserstoffströmungspfades oder von beiden ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Leiten des Kühlmittels durch einen Strömungspfad umfasst, dass das Kühlmittel entlang eines Paares von gegenüberliegenden Querseiten eines Kanals des Kathodenströmungspfades, eines Kanals des Anodenströmungspfades oder eines Kanals von sowohl dem Kathoden- als auch Anodenströmungspfad geführt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Sauerstoffströmungspfad, der Wasserstoffströmungspfad und / oder der Kühlmittelströmungspfad ein serpentinenartiger Strömungspfad ist.
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