DE102007023544A1

DE102007023544A1 - Diffusionsmedien zur Dichtungsabstützung für eine verbesserte Brennstoffzellenkonstruktion

Info

Publication number: DE102007023544A1
Application number: DE102007023544A
Authority: DE
Inventors: Steven G. Goebel; Matthew J. Beutel; Jeffrey A. Rock
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2027-05-22
Also published as: JP2007329125A; CN100539286C; US7972741B2; DE102007023544B4; CN101079496A; JP4856006B2; US20070275288A1

Abstract

Brennstoffzellenstapel, der geradlinige Kathodenströmungskanäle und geradlinige Anodenströmungskanäle durch einen Dichtungsbereich zwischen Bipolarplatten und dem Stapel aufweist. Der Brennstoffzellenstapel weist eine Dichtung auf, die um den aktiven Bereich des Stapels und zwischen den Stapelsammelleitungen und dem aktiven Bereich verläuft. An den Stellen, an denen die Kathodenströmungskanäle durch einen Dichtungsbereich zu der Kathodeneingangssammelleitung und der Kathodenauslasssammelleitung verlaufen und die Anodenströmungskanäle durch einen Dichtungsbereich zu der Anodeneingangssammelleitung und der Anodenausgangssammelleitung verlaufen, ist eine Diffusionsmediumschicht auf einer Seite der Membran verlängert, um die Dichtungslast vorzusehen. Alternativ dazu können Beilagen dazu verwendet werden, die Dichtungslast zu tragen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein einen Brennstoffzellenstapel und insbesondere einen Brennstoffzellenstapel, der geradlinige Kathoden- und Anodenströmungskanäle durch einen Dichtungsbereich der Brennstoffzellen in dem Stapel aufweist, um so eine Wasseransammlung in den Strömungskanälen zu reduzieren.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch den Stapel über einen Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die Bipolarplatten und die Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten weisen ebenfalls Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
In der Technik sind verschiedene Techniken zur Herstellung der Bipolarplatten bekannt. Bei einer Konstruktion werden die Bipolarplatten aus einem Kompositmaterial, wie Graphit, hergestellt, wobei zwei Plattenhälften separat geformt und dann miteinander verklebt werden, so dass an einer Seite von einer der Plattenhälften Anodenströmungskanäle vorgesehen sind, an einer entgegengesetzten Seite der anderen Plattenhälfte Kathodenströmungskanäle vorgesehen sind und zwischen den Plattenhälften Kühlfluidströmungskanäle vorgesehen sind. Bei einer anderen Konstruktion werden zwei separate Plattenhälften geprägt/gestanzt und dann miteinander verschweißt, so dass Anodenströmungskanäle an einer Seite von einer der Plattenhälften vorgesehen sind, Kathodenströmungskanäle an einer entgegengesetzten Seite der anderen Plattenhälfte vorgesehen sind und Kühlfluidströmungskanäle zwischen den Plattenhälften vorgesehen sind.
Wie es in der Technik gut bekannt ist, müssen die Membrane in einer Brennstoffzelle eine gewisse relative Feuchte besitzen, so dass der Ionenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Im Betrieb der Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit von den MEAs und externer Befeuchtung in die Anoden- und Kathodenströmungskanäle eintreten. Bei niedrigen Zellenleistungsanforderungen, typischerweise unter 0,2 A/cm2, kann sich das Wasser in den Strömungskanälen ansammeln, da der Durchfluss des Reaktandengases zu gering ist, um das Wasser aus den Kanälen zu treiben. Wenn sich das Wasser ansammelt, bildet es Tröpfchen, die sich aufgrund der relativ hydrophoben Beschaffenheit des Plattenmaterials zunehmend ausdehnen. Die Tröpfchenform in den Strömungskanälen ist im Wesentlichen rechtwinklig zu der Strömung des Reaktandengases angeordnet. Wenn die Größe der Tröpfchen zunimmt, wird der Strömungskanal geschlossen und das Reaktandengas an andere Strömungskanäle umgelenkt, da die Kanäle zwischen gemeinsamen Einlass- und Auslassverteilern parallel verlaufen. Da das Reaktandengas nicht durch einen mit Wasser blockierten Kanal strömen kann, kann das Reaktandengas das Wasser nicht aus dem Kanal treiben. Diejenigen Bereiche der Membran, die kein Reaktandengas aufgrund einer Blockierung des Kanals aufnehmen, erzeugen keine Elektrizität, was in einer nicht homogenen Stromverteilung und einer Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades der Brennstoffzelle resultiert. Wenn mehr und mehr Strömungskanäle durch Wasser blockiert werden, nimmt die von der Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität ab, wobei ein Zellenspannungspotential von weniger als 200 mV als ein Zellenausfall betrachtet wird. Da die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, kann, wenn eine der Brennstoffzellen funktionsunfähig wird, der gesamte Brennstoffzellenstapel funktionsunfähig werden.
Ein Brennstoffzellenstapel weist typischerweise eine Dichtung auf, die um den aktiven Bereich des Stapels herum und zwischen den Stapelsammelleitungen und dem aktiven Bereich für jede Brennstoffzelle verläuft, um eine Gasleckage von dem Stapel zu verhindern. Daher ist es, damit die Kathodenströmung, die Anodenströmung und die Kühlfluidströmung von der jeweiligen Einlasssammelleitung in den aktiven Bereich der Brennstoffzelle gelangen, notwendig, dass die Strömungskanäle durch den Dichtungsbereich verlaufen, ohne die Dichtungsintegrität zu beeinträchtigen. Typischerweise sind Löcher durch die Bipolarplatte um die Dichtungen herum vorgesehen, was eine Biegung in den Strömungskanälen erfordert, so dass sie mit den Strömungskanälen in dem aktiven Bereich in Ausrichtung stehen. Diese Biegung in den Kathoden- und Anodenströmungskanälen sah einen Bereich vor, der Wasser ansammeln und einschließen konnte, das eine Tendenz aufwies, die Strömungskanäle zu schließen und die Strömung von Reaktandengas an diese zu reduzieren. Daher ist eine bessere Technik zur Durchquerung des Dichtungsbereiches des Brennstoffzellenstapels erforderlich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellenstapel offenbart, der geradlinige Kathodenströmungskanäle und Anodenströmungskanäle durch einen Dichtungsbereich zwischen Bipolarplatten in dem Stapel aufweist. Der Brennstoffzellenstapel weist eine Dichtung auf, die um den aktiven Bereich der Brennstoffzellen in dem Stapel und zwischen den Stapelsammelleitungen und dem aktiven Bereich verläuft. An Stellen, an denen die Kathodenströmungskanäle durch den Dichtungsbereich zu der Kathodeneinlasssammelleitung und der Kathodenauslasssammelleitung verlaufen und die Anodenströmungskanäle durch den Dichtungsbereich zu der Anodeneinlasssammelleitung und der Anodenauslasssammelleitung verlaufen, ist die Diffusionsmediumschicht auf einer Seite der Membran verlängert, um die Dichtungslast vorzusehen.
Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels mit Composit-Bipolarplatten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Schnittansicht durch Linie 2-2 des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
3 ist eine Schnittansicht durch Linie 3-3 des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
4 ist eine Schnittansicht durch Linie 4-4 des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
5 ist eine Schnittansicht durch Linie 5-5 des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
6 ist eine Schnittansicht durch Linie 6-6 des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
7 ist eine Schnittansicht durch Linie 7-7 des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
8 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels mit Composit-Bipolarplatten und Sammelleitungsdichtungsschleifen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ist eine Schnittansicht durch Linie 9-9 des in 8 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
10 ist eine Schnittansicht durch Linie 2-2 des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels, wobei der Brennstoffzellenstapel Composit-Bipolarplatten und Beilagen aufweist;
11 ist eine Schnittansicht durch Linie 3-3 des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels, der Composit-Bipolarplatten und Beilagen aufweist;
12 ist eine Schnittansicht durch Linie 4-4 des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels, der Composit-Bipolarplatten und Beilagen aufweist;
13 ist eine Schnittansicht durch Linie 5-5 des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels, der Composit-Bipolarplatten und Beilagen aufweist;
14 ist eine Schnittansicht durch Linie 6-6 des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels, der Composit-Bipolarplatten und Beilagen aufweist;
15 ist eine Schnittansicht durch Linie 7-7 des in 1 gezeigten Brennstoffzellenstapels, der Composit-Bipolarplatten und Beilagen aufweist;
16 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels mit geprägten Bipolarplatten gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
17 ist eine Schnittansicht durch Linie 17-17 des in 16 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
18 ist eine Schnittansicht durch Linie 18-18 des in 16 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
19 ist eine Schnittansicht durch Linie 19-19 des in 16 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
20 ist eine Schnittansicht durch Linie 20-20 des in 16 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
21 ist eine Schnittansicht durch Linie 21-21 des in 16 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
22 ist eine Schnittansicht durch Linie 22-22 des in 16 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
23 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels mit geprägten Bipolarplatten und Sammelleitungsdichtungsschleifen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
24 ist eine Schnittansicht durch Linie 24-24 des in 23 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
25 ist eine Schnittansicht durch Linie 17-17 des in 16 gezeigten Brennstoffzellenstapels, wobei der Stapel geprägte Bipolarplatten und Beilagen aufweist;
26 ist eine Schnittansicht durch Linie 18-18 des in 16 gezeigten Brennstoffzellenstapels, wobei der Stapel geprägte Bipolarplatten und Beilagen aufweist;
27 ist eine Schnittansicht durch Linie 19-19 des in 16 gezeigten Brennstoffzellenstapels, wobei der Stapel geprägte Bipolarplatten und Beilagen aufweist;
28 ist eine Schnittansicht durch Linie 20-20 des in 16 gezeigten Brennstoffzellenstapels, wobei der Stapel geprägte Bipolarplatten und Beilagen aufweist;
29 ist eine Schnittansicht durch Linie 21-21 des in 16 gezeigten Brennstoffzellenstapels, wobei der Stapel geprägte Bipolarplatten und Beilagen aufweist;
30 ist eine Schnittansicht durch Linie 22-22 des in 16 gezeigten Brennstoffzellenstapels, wobei der Stapel geprägte Bipolarplatten und Beilagen aufweist;
31 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels, der geprägte Bipolarplatten aufweist, wobei die Bipolarplatten die Dichtung für den Stapel vorsehen, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
32 ist ein Schnitt durch Linie 32-32 des in 31 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
33 ist eine Schnittansicht durch Linie 33-33 des in 31 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
34 ist eine Schnittansicht durch Linie 34-34 des in 31 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
35 ist eine Schnittansicht durch Linie 35-35 des in 31 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
36 ist eine Schnittansicht durch Linie 36-36 des in 31 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
37 ist eine Schnittansicht durch Linie 37-37 des in 31 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
38 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels, der geprägte Bipolarplatten und Sammelleitungsdichtungsschleifen aufweist, wobei die Bipolarplatten die Dichtung für den Stapel vorsehen, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
39 ist eine Schnittansicht durch Linie 39-39 des in 38 gezeigten Brennstoffzellenstapels;
40 ist eine Schnittansicht durch Linie 32-32 des in 31 gezeigten Brennstoffzellenstapels, wobei der Stapel geprägte Bi polarplatten und Beilagen aufweist und wobei die Bipolarplatten die Dichtung für den Stapel vorsehen;
41 ist eine Schnittansicht durch Linie 33-33 des in 31 gezeigten Brennstoffzellenstapels, wobei der Stapel geprägte Bipolarplatten und Beilagen aufweist und wobei die Bipolarplatten die Dichtung für den Stapel vorsehen;
42 ist eine Schnittansicht durch Linie 34-34 des in 31 gezeigten Brennstoffzellenstapels, wobei der Stapel geprägte Bipolarplatten und Beilagen aufweist und wobei die Bipolarplatten die Dichtung für den Stapel vorsehen;
43 ist eine Schnittansicht durch Linie 35-35 des in 31 gezeigten Brennstoffzellenstapels, wobei der Stapel geprägte Bipolarplatten und Beilagen aufweist und wobei die Bipolarplatten die Dichtung für den Stapel vorsehen;
44 ist eine Schnittansicht durch Linie 36-36 des in 31 gezeigten Brennstoffzellenstapels, wobei der Stapel geprägte Bipolarplatten und Beilagen aufweist und wobei die Bipolarplatten die Dichtung für den Stapel vorsehen; und
45 ist eine Schnittansicht durch Linie 37-37 des in 31 gezeigten Brennstoffzellenstapels, wobei der Stapel geprägte Bipolarplatten und Beilagen aufweist und wobei die Bipolarplatten die Dichtung für den Stapel vorsehen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf einen Brennstoffzellenstapel gerichtet ist, der geradlinige Reaktandengasströmungskanäle durch einen Dichtungsbereich aufweist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
1 ist eine Schnittansicht durch eine Brennstoffzelle 50 eines Brennstoffzellenstapels 10, wobei der Stapel 10 einen aktiven Bereich 12 und Komposit-Bipolarplatten aufweist. Der Stapel 10 weist eine Kathodeneinlasssammelleitung 14, die eine Kathodenreaktandengasströmung aufnimmt, und eine Kathodenauslasssammelleitung 16 auf, die eine Kathodenauslassgasströmung aufnimmt, wobei das Kathodengas durch Strömungskanäle in dem aktiven Bereich 12 strömt. Der Stapel 10 weist auch eine Anodeneinlasssammelleitung 18, die eine Anodenreaktandengasströmung aufnimmt, und eine Anodenauslasssammelleitung 20 auf, die eine Anodenabgasströmung aufnimmt, wobei die Anodenströmungskanäle durch den aktiven Bereich 12 verlaufen. Der Stapel 10 weist auch eine Kühlfluideinlasssammelleitung 22, die ein Kühlfluid aufnimmt, und eine Kühlfluidauslasssammelleitung 24 auf, die das Kühlfluid von dem Stapel 10 ausgibt, wobei das Kühlfluid durch Kühlfluidkanäle durch den aktiven Bereich 12 strömt, wie es in der Technik gut bekannt ist.
Um die Reaktandengasströmungen und die Kühlfluidströmung zu halten und zu trennen, sind verschiedene Dichtungen zwischen den Bipolarplatten in dem Stapel 10 vorgesehen. Insbesondere ist eine Dichtung 30 um den Umfang der Brennstoffzelle 50 herum vorgesehen, eine Dichtung 32 ist zwischen der Kathodeneinlasssammelleitung 14 und dem aktiven Bereich 12 vorgesehen, eine Dichtung 34 ist zwischen der Kathodenaus lasssammelleitung 16 und dem aktiven Bereich 12 vorgesehen, eine Dichtung 36 ist zwischen der Anodeneinlasssammelleitung 18 und dem aktiven Bereich 12 vorgesehen, eine Dichtung 38 ist zwischen der Anodenauslasssammelleitung 20 und dem aktiven Bereich 12 vorgesehen, eine Dichtungsschleife 40 ist um die Kühlfluideinlasssammelleitung 22 vorgesehen, und eine Dichtungsschleife 42 ist um die Kühlfluidauslasssammelleitung 24 vorgesehen. Die Dichtungen können aus einem beliebigen geeigneten elastomeren oder nachgiebigen Material hergestellt sein.
2 ist eine Schnittansicht durch die Linie 2-2 der Brennstoffzelle 50. Die Brennstoffzelle 50 weist eine anodenseitige Komposit-Bipolarplatte 52 und eine kathodenseitige Komposit-Bipolarplatte 54 auf. Die in den Figuren gezeigten Bipolarplatten sind Bipolarplattenhälften, da die Bipolarplattenhälfte für die benachbarte Brennstoffzelle nicht gezeigt ist. Die Brennstoffzelle 50 weist auch eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 56, eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 58 und eine Membran 60 dazwischen auf. Die anodenseitige Bipolarplatte 52 weist Anodenströmungskanäle 62 auf, und die kathodenseitige Bipolarplatte 54 weist einen Teil von Kühlfluidströmungskanälen 64 auf, wobei die andere Hälfte der Kühlfluidströmungskanäle durch die andere Plattenhälfte vorgesehen wird.
Die Dichtung 32 ist in einem Kanal 66 in der anodenseitigen Bipolarplatte 52 positioniert. Bei den bekannten Brennstoffzellenstapeln, die Komposit-Bipolarplatten aufweisen, ist die Dichtung dicker und die Membran 60 folgt einem gekrümmten Pfad entlang der Dichtung. Demgemäß verläuft die Membran 60 geradlinig durch den Dichtungsbereich, und die kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 58 ist zu einem Außenrand der kathodenseitigen Bipolarplatte 54 verlängert worden. Die verlängerte Diffusionsmediumschicht 58 sieht eine Dichtungsintegrität an der Kathodenseite des Dichtungsbereiches vor. Aufgrund dieser Konfiguration sind die Kathodenströmungskanäle 68, die von der Kathodeneinlasssammelleitung 14 zu dem aktiven Bereich 12 verlaufen, geradlinig. Der Dichtungsbereich zwischen der Kathodenauslasssammelleitung 16 und dem aktiven Bereich 12 sieht genauso aus.
3 ist eine Schnittansicht durch die Linie 3-3 des Brennstoffzellenstapels 10, die den Dichtungsbereich zwischen der Anodeneinlasssammelleitung 18 und dem aktiven Bereich 12 der Brennstoffzelle 50 zeigt. Gemäß der Erfindung ist die Dichtung 36 schmaler, und die anodenseitige Diffusionsmediumschicht 56 ist zu einem Außenrand der anodenseitigen Bipolarplatte 52 verlängert worden. Die verlängerte Diffusionsmediumschicht 56 sieht eine Dichtungsintegrität an der Anodenseite des Dichtungsbereiches vor. Ferner sind die Anodenströmungskanäle 62, die von der Sammelleitung 18 zu dem aktiven Bereich 12 verlaufen, geradlinig. Der Dichtungsbereich zwischen der Anodenauslasssammelleitung 20 und dem aktiven Bereich 12 sieht genauso aus.
4 ist eine Schnittansicht durch die Linie 4-4 des Brennstoffzellenstapels 10, die den Dichtungsbereich zwischen der Kühlfluideinlasssammelleitung 22 und dem aktiven Bereich 12 zeigt. An dieser Stelle weist die Dichtung 30 Kathoden- und Anodendichtungshälften 72 und 74 auf, und die Dichtung 40 weist Kathoden- und Anodendichtungshälften 76 und 78 auf. Geradlinig verlaufende Kühlfluidkanäle 64 sind von der Kühlfluideinlasssammelleitung 22 zu dem aktiven Bereich 12 durch den Dichtungsbereich vorgesehen. Die Schnittansicht der Brennstoffzelle 50 an dieser Stelle ist nahezu gleich wie einige, die in der Technik bekannt sind. Der Dichtungsbereich zwischen der Kühlfluidauslasssammelleitung 24 und dem aktiven Bereich 12 sieht genauso aus.
5 ist eine Schnittansicht durch die Linie 5-5, die einen Dichtungsbereich einer Verbindungsstelle zwischen der Kathodenauslasssammelleitung 16 und dem aktiven Bereich 12 zeigt. In dem Bereich der Verbindungsstelle kann ein Spalt 70 zwischen der Diffusionsmediumschicht 58 und der Dichtung 30 erzeugt werden, wobei die Diffusionsmediumschicht 58 die Dichtung auf der entgegengesetzten Seite der Membran 60 stützt. Der Spalt 70 selbst ist kein Dichtungsproblem, da die Strömung irgendwie durch dieses Gebiet gelangt. Es kann notwendig sein, eine kontinuierliche Fläche für die Dichtung auf der entgegengesetzten Seite der Membran 60 zur Abdichtung dagegen vorzusehen. Somit kann ein Füllmaterial in dem Spalt 70 vorgesehen werden, um eine Dichtungsabstützung vorzusehen. Das Füllmaterial kann ein Elastomer sein, das an der Stelle härtet, nachdem die Dichtung 30 und die Diffusionsmediumschicht 58 positioniert worden sind. Wenn eine Membran mit Unterdichtungsabstützung ausreichend steif ist, kann sie den Spalt 70 ohne Verlust an Dichtungsfunktion überbrücken, und es braucht kein Füllmaterial erforderlich sein. Eine alternative Lösung, um mit dem Spalt 70 fertig zu werden, besteht darin, die Sammelleitungsdichtung als eine vollständige Schleife in einer separaten und kontinuierlichen Umfangsschleife zu verschachteln. An dieser Stelle ist die Diffusionsmediumschicht 58 verlängert worden, wie oben beschrieben ist.
6 ist eine Schnittansicht durch die Linie 6-6 des Brennstoffzellenstapels 10 an einem Rand des aktiven Bereiches 12. An dieser Stelle weist die Dichtung 30 die beiden Dichtungshälften 72 und 74 auf. Die Schnittansicht der Brennstoffzelle 50 an dieser Stelle ist etwa dieselbe, wie einige, die in der Technik bekannt sind.
7 ist eine Schnittansicht durch die Linie 7-7 des Brennstoffzellenstapels 10 an einem Außenrand der Kathodenauslasssammelleitung 16. An dieser Stelle weist die Dichtung 30 die beiden Dichtungshälften 72 und 74 auf. Die Schnittansicht der Brennstoffzelle 50 an dieser Stelle ist auch etwa dieselbe, wie einige, die in der Technik bekannt sind.
Wie oben beschrieben ist, tragen die Diffusionsmediumschichten die Dichtungslast über die Kanäle in ihren Reaktandengaseinlass- und -auslassgebieten. Gegebenenfalls kann die Diffusionsmediumschicht in dem Dichtungsabstützungsgebiet gefüllt sein, um eine zusätzliche Steifigkeit vorzusehen. Dies erlaubt direkte Kanäle in den aktiven Bereich 12 ohne Tunnel oder Durchlässe und erfordert nicht, dass Löcher in der Platte ausgebildet oder zusätzliche Brückeneinsätze vorgesehen werden müssen. Die Beseitigung der Durchlässe und Tunnel in den Platten verbessert ein Wassermanagement, da herausgefunden wurde, dass sich Wasser an diesen Stellen ansammelt. Ferner vereinfacht die Beseitigung der Löcher in den Platten die Plattenherstellung. Ohne Tunnel muss nur auf einer Seite der Platte eine hydrophile Beschichtung aufgebracht werden.
An denjenigen Stellen, an denen sich sowohl die Anoden- als auch die Kathodendichtungen überlappen, sind beide Reaktandengase abgedichtet. Das Kathodenreaktandengas kann durch die Anodendichtung strömen, wo keine Kathodendichtung vorhanden ist, so dass ein Strömungspfad von der Kathodeneinlasssammelleitung 14 zu der Kathodenauslasssammelleitung 16 vorgesehen ist. Ähnlicherweise kann die Anodenreaktandengasströmung durch die Kathodendichtung hindurchgelangen, wo keine Anodendichtung vorhanden ist, so dass ein Strömungspfad von der Anodeneinlasssammelleitung 18 zu der Anodenauslasssammelleitung 20 vorgesehen ist. Für die Konstruktion mit massiven Kompositplatten ist der Kühlfluidströmungspfad unabhängig von dem Reaktandenströmungs muster definiert, so dass die Kühlfluidkanäle 64 zwischen den Dichtungen verlaufen können, ohne die Dichtungsfläche an den Reaktandengasseiten zu beeinflussen. Die beiden Plattenhälften werden miteinander verbunden, um eine Leckage von Kühlfluid aus dem Raum zwischen den Plattenhälften zu verhindern. Bei massiven Platten ist diese Verbindung nicht gezeigt, da die Plattenhälften typischerweise über die gesamte Fläche der Schnittstelle von Platte zu Platte verbunden sind, um einen niedrigen elektrischen Kontaktwiderstand zwischen den beiden Bipolarplattenhälften sicherzustellen.
Bei bestimmten Brennstoffzellenkonstruktionen weisen die Anodensammelleitungen und die Kathodensammelleitungen Dichtungsschleifen auf, die sich vollständig um die Sammelleitung herum erstrecken, um die Dichtungsintegrität zu erhöhen. 8 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels 80 durch eine Brennstoffzelle 82, wobei gleiche Elemente wie bei dem Brennstoffzellenstapel 10 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Bei dieser Brennstoffzellenstapelkonstruktion ist die Dichtung 32 an der Kathodeneinlasssammelleitung 14 durch eine Dichtungsschleife 84 ersetzt, die Dichtung 34 an der Kathodenauslasssammelleitung 16 ist durch eine Dichtungsschleife 86 ersetzt, die Dichtung 36 an der Anodeneinlasssammelleitung 18 ist durch eine Dichtungsschleife 88 ersetzt, und die Dichtung 38 an der Anodenauslasssammelleitung 20 ist durch eine Dichtungsschleife 90 ersetzt.
Der Dichtungsbereich zwischen den Kathodensammelleitungen 14 und 16 und dem aktiven Bereich 12, der Dichtungsbereich zwischen den Anodensammelleitungen 18 und 20 und dem aktiven Bereich 12 und der Dichtungsbereich zwischen den Kühlfluidsammelleitungen und dem aktiven Bereich 12 für den Brennstoffzellenstapel 80, wo die Diffusionsmediumschichten 56 und 58 verlängert sind, um die Dichtungsintegrität vorzuse hen, sind dieselben wie diejenigen Dichtungsbereiche in dem Brennstoffzellenstapei 10. Jedoch ist der Dichtungsbereich an dem Außenrand der Sammelleitungen 14, 16, 18 und 20, wo eine zusätzliche Dichtung vorhanden ist, verschieden. Um dies zu zeigen, ist 9 eine Schnittansicht durch die Linie 9-9 des Brennstoffzellenstapels 80 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Brennstoffzelle 82 weist eine anodenseitige Bipolarplatte 92, eine kathodenseitige Bipolarplatte 94 und eine Membran 96 dazwischen auf. Da sich die kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 98 zu dem Rand der Sammelleitung 16 erstreckt, ist die Diffusionsmediumschicht 98 so gezeigt, dass sie sich durch den Dichtungsbereich erstreckt, der durch die Dichtungsschleife 86 vorgesehen ist, um die kontinuierliche Dichtungsintegrität vorzusehen.
In der Technik ist es bekannt, Beilagen zwischen der Dichtung und der Membran an dem Dichtungsbereich vorzusehen. Es ist jedoch nicht bekannt gewesen, Beilagen über Kanälen zu verwenden, um Tunnel zu erzeugen und Dichtungslasten zu stützen. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann eine separate Beilage in diesem Gebiet anstelle der Verlängerung der Diffusionsmediumschicht für die Dichtungsabstützung verwendet werden. Um eine angemessene Dichtungsabstützung sicherzustellen, kann eine dickere Beilage (etwa 0,1 mm) erforderlich sein, die eine größere Dickenänderung darstellen würde, um eine Dichtungsverbindungsstelle anzupassen. Um dies zu berücksichtigen, kann die Beilage um den Dichtungsumfang herum kontinuierlich sein. Es kann vorzuziehen sein, dass die Beilagen und Dichtungen mit der Membran verbunden sind. Diese Vorgehensweise kann Beilagen auf beiden Seiten oder auf nur einer Seite verwenden. Dünnere Unterdichtungen können auf einer oder beiden Seiten, wie es erforderlich ist, verwendet werden, um die gewünschte Randarchitektur des aktiven Bereiches vorzusehen. Wenn nur eine Beilage verwendet wird, ist eine Unterdichtung auf der entgegengesetzten Seite der Membran erwünscht, wenn Materialanforderungen es nicht zulassen, dass Membrane und Dichtungen in direktem Kontakt stehen. Für die beilagengestützte Konfiguration mit einer elastomeren Dichtung kann ein Spannengebiet vorgesehen werden. Dies bedeutet einfach, dass die Spanne, die durch die Dichtungsdurchführung erzeugt wird, kleiner als eine typische Kanalspanne (0,5–1,5 mm) sein sollte, da die Beilage eine angemessene Steifigkeit vorsehen muss, um über eine Kanalspanne hinweg zu stützen. Wenn die Dichtungen mit den Beilagen und der Membran verbunden sind, sieht die Dichtung selbst eine zusätzliche Steifigkeit für die Dichtungsfläche vor, da bei dieser Konfiguration diese Fläche und nicht die Membran gegen die Platte angeordnet ist. Da dies Beilagen sind, die eher gestützt sind, als diffusionsmediumgestützte Dichtungen, können die Kanäle in diesem Gebiet an der Beilage tiefer sein, da die Beilage nicht so dick wie die Diffusionsmediumschicht ist. Der Kanalboden kann in diesem Gebiet ebenfalls ansteigen, um eine Kanalgröße beizubehalten.
Die meisten Membrane besitzen eine dünne (25 μm) Unterdichtung (Kunststofffilm) auf beiden Seiten um den Umfang herum zugunsten der mechanischen Festigkeit und zur Vermeidung eines direkten Kontakts zwischen der Säureionomermembran und der Platte oder den Dichtungen. Die Verwendung von Beilagen für die Erfindung kann die Verwendung einer oder mehrerer dickerer Unterdichtungen betreffen, um eine angemessene Steifigkeit vorzusehen und damit Kanäle zu überspannen und Dichtungslasten zu stützen.
Die 10–15 zeigen Schnittansichten durch eine Brennstoffzelle 110 eines Brennstoffzellenstapels, der ähnlich dem Brennstoffzellenstapel 10 ist, wobei die verschiedenen Sammelleitungen an derselben Stelle des Brennstoffzellenstapels vorgesehen und mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. 10 zeigt eine Schnittansicht an Stelle 2-2 der Brennstoffzelle 110, 11 zeigt eine Schnittansicht an Stelle 3-3 der Brennstoffzelle 110, 12 zeigt eine Schnittansicht an Stelle 4-4 der Brennstoffzelle 110, 13 zeigt eine Schnittansicht durch Stelle 5-5 der Brennstoffzelle 110, 14 zeigt eine Schnittansicht an Stelle 6-6 der Brennstoffzelle 110 und 15 zeigt eine Schnittansicht der Brennstoffzelle 110 an Stelle 7-7.
10 zeigt den Dichtungsbereich zwischen dem aktiven Bereich 12 der Brennstoffzelle 110 und der Kathodeneinlasssammelleitung 14. Die Brennstoffzelle 110 weist eine anodenseitige Bipolarplatte 112, eine kathodenseitige Bipolarplatte 114 und eine Membran 116 dazwischen auf. Eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 118 ist zwischen der Bipo larplatte 112 und der Membran 116 auf der Anodenseite vorgesehen, und eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 120 ist zwischen der Membran 116 und der Bipolarplatte 114 auf der Kathodenseite vorgesehen. In der anodenseitigen Bipolarplatte 112 sind Anodenströmungskanäle 132 vorgesehen, und in der kathodenseitigen Bipolarplatte 114 sind Kühlfluidströmungskanäle 134 vorgesehen.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Beilage 122 zwischen der Membran 116 und einer Anodendichtung 124 an dem Dichtungsbereich vorgesehen, und eine Beilage 126 ist zwischen der Membran 116 und einem erhöhten Abschnitt 128 der kathodenseitigen Bipolarplatte 114 vorgesehen. Die Kathodenströmungskanäle 130 verlaufen durch den erhöhten Abschnitt 128 und sehen einen geradlinigen Verlauf durch den Dichtungsbereich zu dem aktiven Bereich 12 der Brennstoffzelle 110 vor. Die Kombination der Beilage 126 und des erhöhten Abschnitts 128 behält die Dichtungsintegrität der Kathodenseite der Brennstoffzelle 110 an dieser Stelle bei.
11 zeigt den Dichtungsbereich zwischen dem aktiven Bereich 12 der Brennstoffzelle 110 und der Anodeneinlasssammelleitung 18, wobei die anodenseitige Bipolarplatte 112 einen erhöhten Abschnitt 140 aufweist. Die Kombination des erhöhten Abschnitts 140 und der Beilage 122 sieht die Struktur vor, um die Dichtungsintegrität an diesem Bereich beizubehalten, so dass die Anodenströmungskanäle 132 einen geradlinigen Verlauf durch den Dichtungsbereich der Anodensammelleitung 18 zu dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle 110 aufweisen. Die kathodenseitige Bipolarplatte 114 weist einen Kanal 144 auf, in dem eine Dichtung 146 positioniert ist.
12 zeigt Beilagen 152 und 154 zwischen Dichtungshälften 148 und 150 und der Membran 116 an der Kühlfluideinlasssammelleitung 22. Die Kühlfluidströmungskanäle 134 sind in diesem Querschnitt gezeigt.
13 zeigt Beilagen 160 und 162 zwischen der Membran 116 und Dichtungen 164 und 166 an dem Bereich der Verbindungsstelle zwischen der Kühlfluidauslasssammelleitung 24 und der Kathodenauslasssammelleitung 14.
14 zeigt Beilagen 170 und 172 zwischen der Membran 116 und Dichtungshälften 174 und 176 an dem Außenrand des aktiven Bereichs der Brennstoffzelle 110.
15 zeigt Beilagen 180 und 182 zwischen Dichtungshälften 184 und 186 und der Membran 116 an einem Außenrand der Kathodenauslasssammelleitung 16.
16 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels 200 durch eine Brennstoffzelle 202 des Stapels 200. Bei dieser Ausführungsform weist der Brennstoffzellenstapel 200 geprägte Bipolarplatten auf. Der Brennstoffzellenstapel 200 weist einen aktiven Bereich 204, eine Kathodeneinlasssammelleitung 206, eine Kathodenauslassammelleitung 208, eine Anodeneinlasssammelleitung 210, eine Anodenauslasssammelleitung 212, eine Kühlfluideinlasssammelleitung 214 und eine Kühlfluidauslasssammelleitung 216 auf. Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Brennstoffzellenstapel 200 Verbindungen aufweisen, die die Dichtungen kreuzen, wie dem Fachmann gut bekannt ist. Eine Dichtung 220 verläuft um einen Außenumfang der Brennstoffzelle 202. Ferner ist eine Dichtung 222 zwischen der Kathodeneinlasssammelleitung 206 und dem aktiven Bereich 204 vorgesehen, eine Dichtung 224 ist zwischen der Kathodenauslassammelleitung 208 und dem aktiven Bereich 204 vorgesehen, eine Dichtung 226 ist zwischen der Anodeneinlasssammelleitung 210 und dem aktiven Bereich 204 vorgesehen, eine Dichtung 228 ist zwischen der Anodenauslasssammelleitung 212 und dem aktiven Bereich 204 vorgesehen, eine Dichtung 230 ist zwischen der Kühlfluideinlasssammelleitung 214 und dem aktiven Bereich 204 vorgesehen und eine Dichtung 232 ist zwischen der Kühlfluidauslasssammelleitung 216 und dem aktiven Bereich 204 vorgesehen.
17 ist eine Schnittansicht durch die Linie 17-17 der Brennstoffzelle 200. Die Brennstoffzelle 200 weist eine anodenseitige geprägte Bipolarplatte 240 und eine kathodenseitige geprägte Bipolarplatte 242 auf. Die gezeigten Bipolarplatten sind Bipolarplattenhälften, da die geprägte Bipolarplatte für die benachbarte Brennstoffzelle nicht gezeigt ist. Die Brennstoffzelle 200 weist eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 244, eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 246 und eine Membran 248 dazwischen auf. Die anodenseitige Bipolarplatte 240 weist Anodenströmungskanäle 250 und einen Teil von Kühlfluidströmungskanälen 252 auf, wobei die andere Hälfte der Kühlfluidströmungskanäle durch die andere Plattenhälfte vorgesehen wird. Die Plattenverbindungen 238 sind vorgesehen, um die Bipolarplatten miteinander zu verbinden.
Die Dichtung 222 ist an einem Außenrand der Anodenseite der Bipolarplatte 240 vorgesehen. Erfindungsgemäß ist die Dichtung 222 dünner als die Dichtung, die normalerweise an dieser Stelle vorhanden wäre, so dass die Membran 248 durch den Dichtungsbereich geradlinig ist. Ferner ist die kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 246 zu einem Außenrand der kathodenseitigen Bipolarplatte 242 verlängert worden, um eine Dichtungsintegrität an der Kathodenseite des Dichtungsbereichs vorzusehen. Durch Verlängerung des Diffusionsmediums 246 auf diese Weise können die Kathodenströmungskanäle 254 durch den Dichtungsbereich in das aktive Gebiet 204 hinein geradlinig sein, um Bereiche zu reduzieren, an denen sich Wasser in den Strömungskanälen 254 ansammeln kann. Der Dichtungsbereich zwischen der Kathodenauslasssammelleitung 208 und dem aktiven Bereich 204 sieht genauso aus.
18 ist eine Schnittansicht durch die Linie 18-18 des Brennstoffzellenstapels 200, die den Dichtungsbereich zwischen der Anodeneinlasssammelleitung 210 und dem aktiven Bereich 204 der Brennstoffzelle 202 zeigt. Gemäß der Erfindung ist die Dicke der Dichtung 226 gegenüber der Dichtung reduziert, die normalerweise an dieser Stelle vorgesehen wäre, so dass die Membran 248 geradlinig durch den Dichtungsbereich von dem aktiven Gebiet 204 verläuft. Ferner ist die anodenseitige Diffusionsmediumschicht 244 durch den Dichtungsbereich verlängert, so dass die Anodenströmungskanäle 250 geradlinig durch den Dichtungsbereich für die oben beschriebenen Zwecke verlaufen. Der Dichtungsbereich zwischen der Anodenauslasssammelleitung 212 und dem aktiven Bereich 204 sieht genauso aus.
19 ist eine Schnittansicht durch die Linie 19-19 des Brennstoffzellenstapels 200, die den Dichtungsbereich zwischen der Kühlfluideinlasssammelleitung 214 und dem aktiven Bereich 204 zeigt. Gemäß der Erfindung ist die Dicke der Dichtungen 230 und 220 reduziert, so dass die Membran 248 geradlinig durch den Dichtungsbereich von der Kühlfluideinlasssammelleitung 214 zu dem aktiven Bereich 204 verläuft. Der Dichtungsbereich zwischen der Kühlfluidauslasssammelleitung 216 und dem aktiven Bereich 204 sieht genauso aus.
20 ist eine Schnittansicht durch die Linie 20-20 des Brennstoffzellenstapels 200, die einen Dichtungsbereich der Verbindungsstelle zwischen der Kathodenauslasssammelleitung 208 und dem aktiven Bereich 204 zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die anodenseitige Diffusionsmediumschicht 246 zu der Dichtung 220 verlängert worden, wie gezeigt ist. Zwischen der Diffusionsmediumschicht 246 und der Dichtung 220 ist ein Spalt 264 vorhanden, der mit geeignetem Füllmaterial gefüllt werden kann. Bei dieser Konfiguration verläuft die Membran 248 geradlinig durch en Dichtungsbereich.
21 ist eine Schnittansicht durch die Linie 21-21 des Brennstoffzellenstapels 200 an einem Randstück der Brennstoffzelle 202. Bei dieser Ausführungsform weist die Dichtung 220 zwei Dichtungshälften 270 und 272 auf, die ermöglichen, dass die Membran 248 geradlinig durch den Dichtungsbereich in den aktiven Bereich 204 verlaufen kann.
22 ist eine Schnittansicht durch die Linie 22-22 des Brennstoffzellenstapels 200 an einem Außenrandabschnitt der Kathodenauslasssammelleitung 208. Bei dieser Ausführungsform besteht die Dichtung 220 aus den zwei Dichtungshälften 270 und 272, um die geradlinige Membran 248 durch den Dichtungsbereich vorzusehen.
Für die geprägten Platten ist eine Verbindung gezeigt, bei der die Plattenhälften aneinander abgedichtet werden müssen, um Kühlfluidleckagen zu verhindern. Dies kann unter Verwendung einer Schweiß- oder Klebstoffverbindung durchgeführt werden. Für geprägte Platten mit Elastomerdichtungen besteht eine Option darin, dass die Verbindungslinien die Dichtungsdurchführungen durchqueren. Um eine angemessene Dichtungsabstützung für die geprägten Platten sicherzustellen, stehen die Plattenhälften auf jeder Seite der Dichtung miteinander in Kontakt. In der Kühlfluideinlasssammelleitung 214 ist der Kühlfluidströmungspfad so vorgesehen, dass die Plattenhälften, die durch die gestrichelten Linien gezeigt sind, dies zeigen. Das Kühlfluid kann hindurchströmen, da der Pfad nicht durch die Platten blockiert ist. Auch bei der Konfiguration mit geprägten Platten mit Elastomerdichtungen ist die Kathodendichtung stärker einwärts an beiden Enden gezeigt, jedoch ist die Dichtungsreihenfolge bezüglich der Strömungsrichtung nicht kritisch und kann auf Grundlage anderer Anforderungen definiert werden.
Bei einer anderen Brennstoffzellenkonstruktion können die Anodensammelleitungen, die Kathodensammelleitungen und die Kühlfluidsammelleitungen Dichtungsschleifen aufweisen, die vollständig um die Sammelleitung herum verlaufen, um die Dichtungsintegrität zu erhöhen. 23 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels 280 durch eine Brennstoffzelle 282, wobei gleiche Elemente wie bei dem Brennstoffzellenstapel 200 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Brennstoffzellenstapelkonstruktion ist die Dichtung 222 an der Kathodeneinlasssammelleitung 206 durch eine Dichtungsschleife 286 ersetzt, die Dichtung 224 an der Kathodenauslasssammelleitung 208 ist durch eine Dichtungsschleife 288 ersetzt, die Dichtung 226 an der Anodeneinlasssammelleitung 210 ist durch eine Dichtungsschleife 290 ersetzt, die Dichtung 228 an der Anodenauslasssammelleitung 212 ist durch eine Dichtungsschleife 292 ersetzt, die Dichtung 230 an der Kühlfluideinlasssammelleitung 214 ist durch Dichtungsschleifen 294 und 296 ersetzt, und die Dichtung 232 an der Kühlfluidauslasssammelleitung 216 ist durch Dichtungsschleifen 298 und 300 ersetzt. Da die Motivation für die Sammelleitungsschleifen darin besteht, Verbindungsstellen zu vermeiden, wie in 20 gezeigt ist, die nur an den Ecken der Reaktandensammelleitungen auftreten, die an den aktiven Bereich angrenzen, können die Kühlmittelsammelleitungen ohne Schleifen beibehalten werden, wie in 16 gezeigt ist.
Die Dichtungsbereiche zwischen den Sammelleitungen und dem aktiven Bereich des Brennstoffzellenstapels 280, wo die Diffusionsmediumschichten 244 und 246 verlängert sind, um die Dichtungsintegrität vorzusehen, sind die gleichen, wie diejenigen Bereiche in. dem Brennstoffzellenstapel 200. Jedoch ist der Dichtungsbereich an dem Außenrand der Sammelleitungen, wo eine zusätzliche Dichtung vorhanden ist, verschieden. Um dies zu zeigen, ist 24 eine Schnittansicht durch die Linie 24-24 des Brennstoffzellenstapels 280. Die Brennstoffzelle 282 weist eine anodenseitige Bipolarplatte 302, eine kathodenseitige Bipolarplatte 304 und eine Membran 306 dazwischen auf. Da sich die anodenseitige Diffusionsmediumschicht 308 zu dem Rand der Sammelleitung 208 erstreckt, ist eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 308 so gezeigt, dass sie sich durch den Dichtungsbereich erstreckt, der durch die Dichtungsschleife 288 vorgesehen ist, um die kontinuierliche Dichtungsintegrität vorzusehen. Bei dieser Ausführungsform besteht die Außendichtungsschleife 220 aus zwei Dichtungshälften 310 und 312 an dieser Stelle.
Wie oben beschrieben ist, ist es in der Technik bekannt, Beilagen zwischen der Dichtung und der Membran des Dichtungsbereiches vorzuse hen, jedoch ist es nicht bekannt, Beilagen über Kanälen zu verwenden, um Tunnel zu erzeugen und Dichtungslasten abzustützen. Die 25–30 zeigen Schnittansichten durch eine Brennstoffzelle 320 eines Brennstoffzellenstapels, der ähnlich dem Brennstoffzellenstapel 200 ist, wobei die verschiedenen Sammelleitungen an derselben Stelle des Brennstoffzellenstapels vorgesehen sind. Somit zeigt 25 eine Schnittansicht an Stelle 17-17 der Brennstoffzelle 320, 26 zeigt eine Schnittansicht an Stelle 18-18 der Brennstoffzelle 320, 27 zeigt eine Schnittansicht an Stelle 19-19 der Brennstoffzelle 320, 28 zeigt eine Schnittansicht an Stelle 20-20 der Brennstoffzelle 320, 29 zeigt eine Schnittansicht an Stelle 21-21 der Brennstoffzelle 320 und 30 zeigt eine Schnittansicht an Stelle 22-22 der Brennstoffzelle 320.
Die Brennstoffzelle 320 weist eine anodenseitige geprägte Bipolarplatte 322, eine kathodenseitige geprägte Bipolarplatte 324 und eine Membran 326 dazwischen auf. Eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 328 ist zwischen der Bipolarplatte 322 und der Membran 326 vorgesehen, und eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 330 ist zwischen der Membran 326 und der Bipolarplatte 324 vorgesehen. Die anodenseitige Bipolarplatte 322 definiert anodenseitige Strömungskanäle 340 und Kühlfluidkanäle 342. Bei dieser Ausführungsform ist eine Beilage 332 zwischen der Membran 326 und einer Dichtung 334 an dem Dichtungsbereich vorgesehen, und eine Beilage 336 ist zwischen der Membran 326 und einem erhöhten Abschnitt 338 der kathodenseitigen Bipolarplatte 324 vorgesehen. Kathodenströmungskanäle 344 verlaufen um den erhöhten Abschnitt 338 herum und sehen einen geradlinigen Verlauf durch den Dichtungsbereich zu dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle 320 vor. Die Kombination der Beilage 336 und des erhöhten Abschnitts 338 behält die Dichtungsintegrität der Kathodenseite der Brennstoffzelle 320 an dieser Stelle bei.
26 zeigt einen Dichtungsbereich zwischen dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle 320 und der Anodeneinlasssammelleitung, wobei die anodenseitige Bipolarplatte 322 einen erhöhten Abschnitt 346 aufweist. Eine Beilage 348 ist zwischen dem erhöhten Abschnitt 346 und der Membran 326 vorgesehen, und eine Beilage 350 ist zwischen der Membran 326 und einer Dichtung 352 vorgesehen. Die Kombination des erhöhten Abschnitts 346 und der Beilage 348 sieht die Struktur vor, um die Dichtungsintegrität an diesem Bereich beizubehalten, so dass die Anodenströmungskanäle 340 einen geradlinigen Verlauf durch den Dichtungsbereich von der Anodeneinlasssammelleitung zu dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle 320 aufweisen.
27 zeigt Beilagen 354 zwischen der Dichtung 220 und der anodenseitigen Bipolarplatte 322, eine Beilage 356 zwischen der Membran 326 und der anodenseitigen Bipolarplatte 322 und eine Beilage 358 zwischen der Membran 326 und der Dichtung 230.
28 zeigt eine Beilage 360 zwischen der Dichtung 224 und der Membran 326 und eine Beilage 362 zwischen der Dichtung 220 und der Membran 326.
29 zeigt eine Beilage 364 zwischen der Dichtung 270 und der Membran 326 und eine Beilage 366 zwischen der Membran 326 und der Dichtung 272.
30 zeigt eine Beilage 368 zwischen der Dichtungshälfte 270 und der Membran 326 und eine Beilage 370 zwischen der Membran 326 und der Dichtungshälfte 272.
31 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels 380 durch eine Brennstoffzelle 382. Bei dieser Ausführungsform weist der Brennstoffzellenstapel 380 geprägte Bipolarplatten auf, wobei die Platten selbst die Dichtung vorsehen. Der Brennstoffzellenstapel 380 weist einen aktiven Bereich 384, eine Kathodeneinlasssammelleitung 386, eine Kathodenauslasssammelleitung 388, eine Anodeneinlasssammelleitung 390, eine Anodenauslasssammelleitung 392, eine Kühlfluideinlasssammelleitung 394 und eine Kühlfluidauslasssammelleitung 396 auf. Eine Dichtung 398 verläuft um den Umfang der Brennstoffzelle 382. Eine Dichtung 400 ist zwischen der Kathodeneinlasssammelleitung 386 und dem aktiven Bereich 384 vorgesehen, eine Dichtung 402 ist zwischen der Kathodenauslasssammelleitung 388 und dem aktiven Bereich 384 vorgesehen, eine Dichtung 404 ist zwischen der Anodeneinlasssammelleitung 390 und dem aktiven Bereich 384 vorgesehen, eine Dichtung 406 ist zwischen der Anodenauslasssammelleitung 392 und dem aktiven Bereich 384 vorgesehen, eine Dichtung 408 ist zwischen der Kühlfluideinlasssammelleitung 394 und dem aktiven Bereich 384 vorgesehen, und eine Dichtung 410 ist zwischen der Kühlfluidauslasssammelleitung 396 und dem aktiven Bereich 384 vorgesehen. Wie oben erwähnt ist, werden alle Dichtungen bei dieser Konstruktion durch die Konfiguration der Bipolarplatte vorgesehen.
32 ist eine Schnittansicht durch die Linie 32-32 der Brennstoffzelle 382. Die Brennstoffzelle 382 weist eine anodenseitige geprägte Bipolarplatte 420 und eine kathodenseitige geprägte Bipolarplatte 422 auf. Die Brennstoffzelle 382 weist auch eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 424 und eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 426 mit einer Membran 428 dazwischen auf. Die anodenseitige Bipolarplatte 420 weist Anodenströmungskanäle 430 und eine Hälfte von Kühlfluidströmungskanälen 432 auf, wobei die andere Hälfte der Kühlfluidströmungskanäle durch die andere geprägte Plattenhälfte vorgesehen ist.
Die Dichtung 400 ist durch ein Stück der anodenseitigen Bipolarplatte 420 definiert. Gemäß der Erfindung ist die kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 426 durch den Dichtungsbereich entgegengesetzt der Dichtung 400 verlängert, um die Dichtungsintegrität an dieser Seite der Membran 428 vorzusehen. Somit können Kathodenströmungskanäle 434 sich geradlinig durch den Dichtungsbereich von der Kathodeneinlasssammelleitung 386 zu dem aktiven Bereich 384 erstrecken, so dass sie nicht um Plattenkomponenten herum laufen müssen, was bewirken würde, dass sich Wasser sammelt. Der Dichtungsbereich zwischen der Kathodenauslasssammelleitung 388 und dem aktiven Bereich 384 sieht genauso aus.
33 ist eine Schnittansicht durch die Linie 33-33 der Brennstoffzelle 382, die den Dichtungsbereich zwischen der Anodeneinlasssammelleitung 390 und dem aktiven Bereich 384 des Brennstoffzellenstapels 380 zeigt. Gemäß der Erfindung ist die anodenseitige Diffusionsmediumschicht 424 an dieser Stelle verlängert, um die Dichtungsintegrität an der Anodenseite der Brennstoffzelle 382 entgegengesetzt der Dichtung 404 vorzusehen, die durch die bauliche Konfiguration der Bipolarplatte 422 vorgesehen ist. Der Dichtungsbereich zwischen der Anodenauslasssammelleitung 392 und dem aktiven Bereich 394 sieht genauso aus.
34 ist eine Schnittansicht durch die Linie 34-34 des Brennstoffzellenstapels 380, die den Dichtungsbereich zwischen der Kühlfluideinlasssammelleitung 394 und dem aktiven Bereich 384 zeigt. An dieser Stelle der Brennstoffzelle 382 sehen die anodenseitige Bipolarplatte 420 und die kathodenseitige Bipolarplatte 422 die Dichtungen 408 und 398 vor. Die Kühlfluidströmungskanäle 432 verlaufen durch die Platte in einem geradlinigen Verlauf durch den Dichtungsbereich zu dem aktiven Bereich 384. Da die Platten 420 und 422 bei dieser Ausführungsform die Dichtungen vorsehen, bringt dies benachbarte Bipolarplatten an bestimmten Stellen in der Brennstoffzelle 382 in elektrischen Kontakt und würde einen elektrischen Kurzschluss erzeugen. Daher ist ein nicht leitender Separator 438 an der Dichtungsstelle 408 vorgesehen, um einen elektrischen Kurzschluss zu verhindern. Der Dichtungsbereich zwischen der Kühlfluidauslasssammelleitung 396 und dem aktiven Bereich 384 sieht genauso aus.
35 ist eine Schnittansicht durch die Linie 35-35 an einem Dichtungsbereich der Verbindungsstelle zwischen der Kathodenauslasssammelleitung 388 und dem aktiven Bereich 384. Die kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 426 ist an dieser Stelle verlängert, damit die anodenseitige Bipolarplatte 420 und die kathodenseitige Bipolarplatte 422 die Dichtungen 402 und 398 definieren. Es kann erforderlich sein, einen Spalt 440 zwischen der Diffusionsmediumschicht 426 und dem Dichtungsabschnitt der Platte 422 mit einem geeigneten Material zu füllen.
36 ist eine Schnittansicht an einem Randstück der Brennstoffzelle 382 und ist ähnlich dem Randstück der bekannten Brennstoffzellenstapel, die geprägte Bipolarplatten mit geprägten Dichtungen aufweisen.
37 ist eine Schnittansicht durch die Linie 37-37 des Brennstoffzellenstapels 380 an einem Außenrand der Kathodenauslasssammelleitung 388. An dieser Stell ist die Dichtung 398 durch die anodenseitige Bipolarplatte 420 und die kathodenseitige Bipolarplatte 422 vorgesehen.
Für bestimmte Brennstoffzellenkonstruktionen, wie oben beschrieben ist, weisen die Anodensammelleitungen, die Kathodensammelleitungen und die Kühlfluidsammelleitungen Dichtungsschleifen auf, die vollständig um die Sammelleitung herum verlaufen, um die Dichtungsintegrität zu erhö hen. 38 ist eine Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels 450 durch eine Brennstoffzelle 452, wobei gleiche Elemente, wie bei dem Brennstoffzellenstapel 380, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
Bei dieser Brennstoffzellenstapelkonstruktion ist die Dichtung 400 an der Kathodeneinlasssammelleitung 386 durch eine Dichtungsschleife 454 ersetzt, die Dichtung 402 an der Kathodenauslasssammelleitung 388 ist durch eine Dichtungsschleife 456 ersetzt, die Dichtung 404 an der Anodeneinlasssammelleitung 390 ist durch eine Dichtungsschleife 458 ersetzt, die Dichtung 406 an der Anodenauslasssammelleitung 392 ist durch eine Dichtungsschleife 460 ersetzt, die Dichtung 408 an der Kühlfluideinlasssammelleitung 394 ist durch eine Dichtungsschleife 462 ersetzt und die Dichtung 410 an der Kühlfluidauslasssammelleitung 396 ist durch eine Dichtungsschleife 464 ersetzt. Da die Motivation für die Sammelleitungsschleifen darin besteht, Verbindungsstellen zu vermeiden, wie in 35 gezeigt ist, die nur an den Ecken der Reaktandensammelleitungen auftreten, die an den aktiven Bereich angrenzen, können die Kühlmittelsammelleitungen ohne Schleifen beibehalten werden, wie in 31 gezeigt ist.
Der Dichtungsbereich zwischen den Kathodensammelleitungen 386 und 388 und dem aktiven Bereich 384, zwischen den Anodensammelleitungen 390 und 392 und dem aktiven Bereich 384 und zwischen den Kühlfluidsammelleitungen 394 und 396 und dem aktiven Bereich 384 sind dieselben, wie diejenigen Dichtungsbereiche in dem Brennstoffzellenstapel 380. Jedoch ist der Dichtungsbereich an dem Außenrand der Sammelleitungen 386, 388, 390, 392, 394 und 396, wo eine zusätzliche Dichtung vorhanden ist, verschieden. Um dies zu zeigen, ist 39 eine Schnittansicht durch die Linie 39-39 des Brennstoffzellenstapels 450 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Brennstoffzelle 452 weist eine anodenseitige Bipolarplatte 470, eine kathodenseitige Bipo larplatte 472 und eine Membran 474 dazwischen auf. Da die kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 476 zu dem Rand der Sammelleitung 388 verläuft, ist die Diffusionsmediumschicht 476 so gezeigt, dass sie durch den Dichtungsbereich verläuft, der durch die Dichtungsschleife 456 vorgesehen ist, um die kontinuierliche Dichtungsintegrität vorzusehen.
Wie oben beschrieben ist, ist es in der Technik bekannt, Beilagen zwischen der Dichtung und dem Membrandichtungsbereich vorzusehen. Die 40–45 zeigen Schnittansichten durch eine Brennstoffzelle 500, die ähnlich der Brennstoffzelle 382 ist, wobei die verschiedenen Sammelleitungen an derselben Stelle des Brennstoffzellenstapels 380 vorgesehen sind. 40 zeigt eine Schnittansicht an Stelle 32-32 der Brennstoffzelle 500, 41 zeigt eine Schnittansicht an Stelle 33-33 der Brennstoffzelle 500, 42 zeigt eine Schnittansicht an Stelle 34-34 der Brennstoffzelle 500, 43 zeigt eine Schnittansicht an Stelle 35-35 der Brennstoffzelle 500, 44 zeigt eine Schnittansicht an Stelle 36-36 der Brennstoffzelle 500 und 45 zeigt eine Schnittansicht der Brennstoffzelle 500 an Stelle 37-37.
40 zeigt den Dichtungsbereich zwischen dem aktiven Bereich 384 der Brennstoffzelle 500 und der Kathodeneinlasssammelleitung 386. Die Brennstoffzelle 500 weist eine anodenseitige Bipolarplatte 502, eine kathodenseitige Bipolarplatte 504 und eine Membran 506 dazwischen auf. Eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht 508 ist zwischen der Bipolarplatte 502 und der Membran 506 vorgesehen, und eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht 510 ist zwischen der Membran 506 und der Bipolarplatte 504 vorgesehen. Die anodenseitige Bipolarplatte 502 definiert Anodenströmungskanäle 522 und Kühlfluidströmungskanäle 524. Bei dieser Ausführungsform ist eine Beilage 512 zwischen der Membran 506 und einem Dichtungsstück 514 der Platte 502 vorgesehen, und eine Beilage 516 ist zwischen der Membran 506 und einem Dichtungsstück 518 vorgesehen. Kathodenströmungskanäle 520 verlaufen durch den Dichtungsbereich und sehen einen geradlinigen Verlauf zu dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle 500 vor.
41 zeigt den Dichtungsbereich zwischen dem aktiven Bereich 384 der Brennstoffzelle 500 und der Anodeneinlasssammelleitung 390. Eine Beilage 530 ist zwischen einem Dichtungsstück 532 der Platte 502 und der Membran 506 vorgesehen, und eine Beilage 534 ist zwischen einem Dichtungsstück 536 der Platte 504 und der Membran 506 vorgesehen.
42 zeigt den Dichtungsbereich zwischen dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle 500 und der Kühlfluideinlasssammelleitung 394. Eine Beilage 540 ist zwischen einem Dichtungsstück 542 der Bipolarplatte 502 und einem Separator 538 vorgesehen, und eine Beilage 544 ist zwischen einem Dichtungsstück 546 der kathodenseitigen Bipolarplatte 504 und dem Separator 538 vorgesehen. Gleichermaßen ist eine Beilage 550 zwischen einem Dichtungsabschnitt 552 der Platte 502 und der Membran 506 vorgesehen, und eine Beilage 554 ist zwischen einem Dichtungsstück 556 und der Membran 506 vorgesehen. Die Kühlfluidströmungskanäle 524 verlaufen durch die Platten 502 und 504 in einem geradlinigen Verlauf durch den Dichtungsbereich zu dem aktiven Bereich.
43 zeigt eine Beilage 560 zwischen einem Dichtungsabschnitt 562 der anodenseitigen Bipolarplatte 502 und der Membran 506 und eine Beilage 564 zwischen einem Dichtungsstück 566 der Platte 504 der kathodenseitigen Bipolarplatte 504 und der Membran 506.
44 zeigt eine Beilage 570 zwischen einem Dichtungsstück 572 der anodenseitigen Bipolarplatte 502 und eine Beilage 574 zwischen einem Dichtungsstück 576 der kathodenseitigen Bipolarplatte 504 und der Membran 506.
45 zeigt eine Beilage 580, die zwischen einem Dichtungsstück 582 der anodenseitigen Bipolarplatte 502 und der Membran 506 positioniert ist, und eine Beilage 584, die zwischen einem Dichtungsstück 586 der kathodenseitigen Bipolarplatte 504 und der Membran 506 positioniert ist.
Die vorhergehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Beschreibung und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Modifikationen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.

Claims

Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl gestapelter Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle einen aktiven Bereich aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel umfasst: eine Vielzahl von Membranen, wobei jede Brennstoffzelle in dem Stapel eine Membran aufweist; eine Vielzahl von Diffusionsmediumschichten, wobei jede Brennstoffzelle eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht an einer Anodenseite der Brennstoffzelle und eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht an einer Kathodenseite der Brennstoffzelle aufweist; eine Vielzahl von Bipolarplatten, die zwischen den Brennstoffzellen in dem Stapel benachbart der Diffusionsmediumschichten positioniert sind, wobei die Bipolarplatten Anodenströmungskanäle, die zu der anodenseitigen Diffusionsmediumschicht in den Brennstoffzellen weisen, Kathodenströmungskanäle, die zu der kathodenseitigen Diffusionsmediumschicht in den Brennstoffzellen weisen, und Kühlfluidströmungskanäle aufweisen; eine Anodeneinlasssammelleitung, die eine Anodenreaktandengasströmung zu den Anodenströmungskanälen lenkt; eine Anodenauslasssammelleitung, die die Anodenreaktandengasströmung von den Anodenströmungskanälen aufnimmt; eine Kathodeneinlasssammelleitung, die eine Kathodenreaktandengasströmung zu den Kathodenströmungskanälen lenkt; eine Kathodenauslasssammelleitung, die die Kathodenreaktandengasströmung von den Kathodenströmungskanälen aufnimmt; eine Kühlfluideinlasssammelleitung, die ein Kühlfluid an die Kühlfluidströmungskanäle lenkt; eine Kühlfluidauslasssammelleitung, die das Kühlfluid von den Kühlfluidströmungskanälen aufnimmt; und eine Konfiguration von Dichtungen zum Halten der Reaktandengasströmung und der Kühlfluidströmung in dem Stapel, wobei die Konfiguration von Dichtungen eine Kathodensammelleitungsdichtung aufweist, die zwischen der Kathodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich jeder Brennstoffzelle vorgesehen ist, wobei die Kathodenströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle zwischen der Kathodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind, wobei die Konfiguration von Dichtungen ferner eine Anodensammelleitungsdichtung aufweist, die zwischen der Anodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich jeder Brennstoffzelle vorgesehen ist, wobei die Anodenströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle zwischen der Anodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Konfiguration von Dichtungen zwei separate Dichtungen zwischen der Kühlfluideinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich in jeder Brennstoffzelle aufweist, wobei die Kühlfluidströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle durch den Dichtungsbereich zwischen der Kühlfluideinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Konfiguration von Dichtungen eine einteilige Dichtung aufweist, die eine Umfangsdichtung, die um jede Brennstoffzelle herum verläuft, ein Dichtungssegment zwischen der Anodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich, ein Dichtungssegment zwischen der Anodenaus lasssammelleitung und dem aktiven Bereich, ein Dichtungssegment zwischen der Kathodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich und ein Dichtungssegment zwischen der Kathodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich besitzt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Konfiguration von Dichtungen eine Umfangsdichtung, die um jede Brennstoffzelle herum verläuft, eine erste Dichtungsschleife, die um die Anodeneinlasssammelleitung in jeder Brennstoffzelle herum verläuft, eine zweite Dichtungsschleife, die um die Anodenauslasssammelleitung in jeder Brennstoffzelle herum verläuft, eine dritte Dichtungsschleife, die um die Kathodeneinlasssammelleitung in jeder Brennstoffzelle herum verläuft, und eine vierte Dichtungsschleife aufweist, die um die Kathodenauslasssammelleitung in jeder Brennstoffzelle herum verläuft.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 4, wobei die Konfiguration von Dichtungen ferner eine fünfte Dichtungsschleife, die um die Kühlfluideinlasssammelleitung in jeder Brennstoffzelle herum verläuft, und eine sechste Dichtungsschleife aufweist, die um die Kühlfluidauslasssammelleitung in jeder Brennstoffzelle herum verläuft.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Bipolarplatten Komposit-Bipolarplatten sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Bipolarplatten geprägte Bipolarplatten sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 7, wobei Stücke der geprägten Bipolarplatten die Konfiguration von Dichtungen vorsehen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die kathodenseitige Diffusionsmediumschicht in jeder Brennstoffzelle durch den Dichtungsbereich zwischen der Kathodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich verläuft, und wobei die anodenseitige Diffusionsmediumschicht in jeder Brennstoffzelle durch den Dichtungsbereich zwischen der Anodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich verläuft.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, ferner mit Beilagen, die zwischen den Dichtungen und der Membran an den Dichtungsstellen in den Brennstoffzellen positioniert sind, um so eine Dichtungsabstützung vorzusehen.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei die Beilagen Teil einer Brennstoffzellen-Unterdichtung sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 10, wobei die Beilagen in jeder Brennstoffzelle in eine einteilige Beilage kombiniert sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei die Membran in jeder Brennstoffzelle geradlinig durch den Dichtungsbereich, der durch die Konfiguration von Dichtungen vorgesehen ist, verläuft.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, wobei der Stapel Teil eines Brennstoffzellensystems an einem Fahrzeug ist.
Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl gestapelter Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle einen aktiven Bereich aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Konfiguration von Dichtungen umfasst, wobei die Konfiguration von Dichtungen Kathodeneinlasssammelleitungsdichtungen aufweist, die zwischen einer Kathodeneinlasssammelleitung und einem aktiven Bereich jeder Brennstoffzelle vorgesehen sind, wobei Kathodenströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle zwischen der Kathodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind, und wobei eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht in jeder Brennstoffzelle durch den Dichtungsbereich zwischen der Kathodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich verläuft, wobei die Konfiguration von Dichtungen ferner Kathodenauslasssammelleitungsdichtungen aufweist, die zwischen einer Kathodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich jeder Brennstoffzelle vorgesehen sind, wobei die Kathodenströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle zwischen der Kathodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind, und wobei die kathodenseitige Diffusionsmediumschicht in jeder Brennstoffzelle durch den Dichtungsbereich zwischen der Kathodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich verläuft, wobei die Konfiguration von Dichtungen ferner Anodeneinlasssammelleitungsdichtungen aufweist, die zwischen der Anodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich jeder Brennstoffzelle vorgesehen sind, wobei Anodenströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle zwischen der Anodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind und wobei eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht in jeder Brennstoffzelle durch den Dichtungsbereich zwischen der Anodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich verläuft, wobei die Konfiguration von Dichtungen ferner Anodenauslasssammelleitungsdichtungen aufweist, die zwischen einer Anodenauslasssammelleitung und dem ak tiven Bereich jeder Brennstoffzelle vorgesehen sind, wobei die Anodenströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle zwischen der Anodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind, und wobei die anodenseitige Diffusionsmediumschicht in jeder Brennstoffzelle durch den Dichtungsbereich zwischen der Anodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich verläuft.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 15, wobei die Konfiguration von Dichtungen eine einteilige Dichtung aufweist, die eine Umfangsdichtung, die um jede Brennstoffzelle herum verläuft, ein Dichtungssegment zwischen der Anodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich, ein Dichtungssegment zwischen der Anodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich, ein Dichtungssegment zwischen der Kathodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich und ein Dichtungssegment zwischen der Kathodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich besitzt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 15, wobei die Konfiguration von Dichtungen eine Umfangsdichtung, die um jede Brennstoffzelle herum verläuft, eine erste Dichtungsschleife, die um die Anodeneinlasssammelleitung in jeder Brennstoffzelle herum verläuft, eine zweite Dichtungsschleife, die um die Anodenauslasssammelleitung in jeder Brennstoffzelle herum verläuft, eine dritte Dichtungsschleife, die um die Kathodeneinlasssammelleitung in jeder Brennstoffzelle herum verläuft, und eine vierte Dichtungsschleife aufweist, die um die Kathodenauslasssammelleitung in jeder Brennstoffzelle verläuft.
Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl gestapelter Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle einen aktiven Bereich aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel umfasst: eine Vielzahl von Membranen, wobei jede Brennstoffzelle in dem Stapel eine Membran aufweist; eine Vielzahl von Diffusionsmediumschichten, wobei jede Brennstoffzelle eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht an einer Anodenseite der Brennstoffzelle und eine kathodenseitige Diffusionsmediumschicht an einer Kathodenseite der Brennstoffzelle aufweist; eine Vielzahl von Bipolarplatten, die zwischen den Brennstoffzellen in dem Stapel benachbart der Diffusionsmediumschichten positioniert sind, wobei die Bipolarplatten Anodenströmungskanäle, die zu der anodenseitigen Diffusionsmediumschicht in den Brennstoffzellen weisen, Kathodenströmungskanäle, die zu der kathodenseitigen Diffusionsmediumschicht in den Brennstoffzellen weisen, und Kühlfluidströmungskanäle aufweisen; eine Anodeneinlasssammelleitung, die eine Anodenreaktandengasströmung zu den Anodenströmungskanälen lenkt; eine Anodenauslasssammelleitung, die die Anodenreaktandengasströmung von den Anodenströmungskanälen aufnimmt; eine Kathodeneinlasssammelleitung, die eine Kathodenreaktandengasströmung zu den Kathodenströmungskanälen lenkt; eine Kathodenauslasssammelleitung, die die Kathodenreaktandengasströmung von den Kathodenströmungskanälen aufnimmt; eine Kühlfluideinlasssammelleitung, die ein Kühlfluid zu den Kühlfluidströmungskanälen lenkt; eine Kühlfluidauslasssammelleitung, die das Kühlfluid von den Kühlfluidströmungskanälen aufnimmt; und eine Konfiguration von Dichtungen zum Halten der Reaktandengasströmung und der Kühlfluidströmung in dem Stapel, wobei die Membran in jeder Brennstoffzelle geradlinig durch den Dichtungsbereich verläuft, der durch die Konfiguration von Dichtungen vorgesehen ist, wobei die Konfiguration von Dichtungen Kathodeneinlasssammelleitungsdichtungen aufweist, die zwischen der Kathodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich jeder Brennstoffzelle vorgesehen sind, wobei die Kathodenströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle zwischen der Kathodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind, und wobei die kathodenseitige Diffusionsmediumschicht in jeder Brennstoffzelle durch den Dichtungsbereich zwischen der Kathodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich verläuft, wobei die Konfiguration von Dichtungen ferner Kathodenauslasssammelleitungsdichtungen aufweist, die zwischen der Kathodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich jeder Brennstoffzelle vorgesehen sind, wobei die Kathodenströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle zwischen der Kathodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind, und wobei die kathodenseitige Diffusionsmediumschicht in jeder Brennstoffzelle durch den Dichtungsbereich zwischen der Kathodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich verläuft, wobei die Konfiguration von Dichtungen ferner Anodeneinlasssammelleitungsdichtungen aufweist, die zwischen der Anodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich jeder Brennstoffzelle vorgesehen sind, wobei die Anodenströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle zwischen der Anodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind, und wobei eine anodenseitige Diffusionsmediumschicht in jeder Brennstoffzelle durch den Dichtungsbereich zwischen der Anodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich verläuft, wobei die Konfiguration von Dichtungen ferner Anodenauslasssammelleitungsdichtungen auf weist, die zwischen der Anodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich jeder Brennstoffzelle vorgesehen sind, wobei die Anodenströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle zwischen der Anodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind, und wobei die anodenseitige Diffusionsmediumschicht in jeder Brennstoffzelle durch den Dichtungsbereich zwischen der Anodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich verläuft.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 18, wobei die Konfiguration von Dichtungen ferner zwei separate Dichtungen zwischen der Kühlfluideinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich in jeder Brennstoffzelle aufweist, wobei die Kühlfluidströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle durch den Dichtungsbereich zwischen der Kühlfluideinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind, wobei die Konfiguration von Dichtungen ferner zwei separate Dichtungen zwischen der Kühlfluidauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich in jeder Brennstoffzelle aufweist, wobei die Kühlfluidströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle durch den Dichtungsbereich zwischen der Kühlfluidauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 18, wobei die Konfiguration von Dichtungen eine einteilige Dichtung aufweist, die eine Umfangsdichtung, die um jede Brennstoffzelle herum verläuft, ein Dichtungssegment zwischen der Anodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich, ein Dichtungssegment zwischen der Anodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich, ein Dichtungssegment zwischen der Kathodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich und ein Dichtungssegment zwischen der Kathodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich besitzt.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 18, wobei die Konfiguration von Dichtungen eine Umfangsdichtung, die um jede Brennstoffzelle herum verläuft, eine erste Dichtungsschleife, die um die Anodeneinlasssammelleitung in jeder Brennstoffzelle herum verläuft, eine zweite Dichtungsschleife, die um die Anodenauslasssammelleitung in jeder Brennstoffzelle herum verläuft, eine dritte Dichtungsschleife, die um die Kathodeneinlasssammelleitung in jeder Brennstoffzelle herum verläuft, eine vierte Dichtungsschleife, die um die Kathodenauslasssammelleitung in jeder Brennstoffzelle herum verläuft, eine fünfte Dichtungsschleife, die um die Kühlfluideinlasssammelleitung in jeder Brennstoffzelle herum verläuft, und eine sechste Dichtungsschleife besitzt, die um die Kühlfluidauslasssammelleitung in jeder Brennstoffzelle herum verläuft.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 18, wobei die Vielzahl von Bipolarplatten Komposit-Bipolarplatten sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 18, wobei die Vielzahl von Bipolarplatten geprägte Bipolarplatten sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 23, wobei Stücke der geprägten Bipolarplatten die Konfiguration von Dichtungen vorsehen.
Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl gestapelter Brennstoffzellen, wobei jede Brennstoffzelle einen aktiven Bereich aufweist, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Konfiguration von Dichtungen umfasst, wobei die Konfiguration von Dichtungen Kathodeneinlasssammelleitungsdichtungen aufweist, die zwischen einer Kathodeneinlasssammelleitung und einem aktiven Bereich jeder Brennstoff zelle vorgesehen sind, wobei Kathodenströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle zwischen der Kathodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind, und wobei eine Beilage eine Dichtungsabstützung an dem Dichtungsbereich zwischen der Kathodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich vorsieht, wobei die Konfiguration von Dichtungen ferner Kathodenauslasssammelleitungsdichtungen aufweist, die zwischen einer Kathodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich jeder Brennstoffzelle vorgesehen sind, wobei die Kathodenströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle zwischen der Kathodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind, und wobei eine Beilage eine Dichtungsabstützung an dem Dichtungsbereich zwischen der Kathodenauslassammelleitung und dem aktiven Bereich vorsieht, wobei die Konfiguration von Dichtungen ferner Anodeneinlasssammelleitungsdichtungen aufweist, die zwischen der Anodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich jeder Brennstoffzelle vorgesehen sind, wobei die Anodenströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle zwischen der Anodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind, und wobei eine Beilage eine Dichtungsabstützung an dem Dichtungsbereich zwischen der Anodeneinlasssammelleitung und dem aktiven Bereich vorsieht, wobei die Konfiguration von Dichtungen ferner Anodenauslasssammelleitungsdichtungen aufweist, die zwischen einer Anodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich jeder Brennstoffzelle vorgesehen sind, wobei die Anodenströmungskanäle geradlinige Strömungskanäle zwischen der Anodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich sind, und wobei eine Beilage eine Dichtungsabstützung an dem Dichtungsbereich zwischen der Kathodenauslasssammelleitung und dem aktiven Bereich vorsieht.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 25, wobei die Beilagen Teil einer Brennstoffzellen-Unterdichtung sind.
Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 25, wobei die Beilagen in jeder Brennstoffzelle in eine einteilige Beilage kombiniert sind.