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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Offenlegung betrifft eine Brennstoffzelle und im Spezielleren
eine Brennstoffzelle mit einer modularen Elektrodenanordnung (UEA
für: unitized-electrode-assembly), die eine Elektrolytmembran
mit optimierten Abmessungen aufweist.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine
Brennstoffzelle wurde als saubere, effiziente und umweltbewusste
Leistungsquelle für verschiedene Anwendungen vorgeschlagen.
Im Speziellen können einzelne Brennstoffzellen in Serie
zusammen gestapelt werden, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden,
der in der Lage ist, eine Menge an Elektrizität zu liefern,
die ausreicht, um ein Elektrofahrzeug zu betreiben. Demgemäß wurde
die Brennstoffzelle als eine mögliche Alternative für
einen traditionellen Verbrennungsmotor erkannt, der in modernen
Fahrzeugen verwendet wird.
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Ein
herkömmlicher Typ von Brennstoffzelle ist als eine Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzelle
bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst drei grundlegende Komponenten:
eine Kathodenelektrode, eine Anodenelektrode und eine Elektrolytmembran.
Die Elektroden umfassen typischerweise einen fein verteilten Katalysator
wie z. B. Platin, der auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem
Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran ist zwischen den Elektroden
angeordnet und ist allgemein beispielsweise aus einem Protonen leitenden Polymer
wie z. B. ei nem Nafion®-Polymer
gebildet, das im Handel von E. I. du Pont de Nemours and Company
erhältlich ist. Die Elektrolytmembran und die Elektroden
sind zwischen durchlässigen Diffusionsmedien (DM) angeordnet.
Das DM ermöglicht eine Zufuhr von gasförmigen
Reaktanden, typischerweise Wasserstoff und Sauerstoff, zu den Elektroden für
eine elektrochemische Brennstoffzellenreaktion. Im Allgemeinen ist
der Katalysator auf der Elektrolytmembran beschichtet (CCM), um
eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) zu bilden. In einer weiteren
typischen Konfiguration ist das DM katalysatorbeschichtet (CCDM),
um die Elektroden der Brennstoffzelle zu bilden.
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Die
Elektrolytmembran, die Elektroden und die DM sind zwischen einem
Paar Brennstoffzellenplatten angeordnet und mit einer Dichtung abgedichtet.
Wenn die Elektrolytmembran, die Elektroden und die DM als eine Einheit
z. B. mit weiteren Komponenten wie z. B. der Dichtung und dergleichen
zusammengesetzt sind, wird die Anordnung als modulare Elektrodenanordnung
(UEA für: unitized-electrode-assembly) bezeichnet.
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Jede
Brennstoffzellenplatte besitzt einen aktiven Bereich, dem die gasförmigen
Reaktanden zur Verteilung zu den Elektroden zugeführt werden.
Die Brennstoffzellenplatte umfasst auch einen Versorgungsbereich
mit Strömungskanälen, die derart ausgebildet sind,
um die gasförmigen Reaktanden von einer Versorgungsquelle
dem aktiven Bereich zuzuführen. Die Elektrolytmembran erstreckt
sich typischerweise über den Versorgungsbereich hinweg und
endet an der Dichtung. Die Elektrolytmembran wird verwendet, um
die gasförmigen Reaktanden zu trennen und ein Vermischen
derselben zu verhindern. Allerdings ist das DM allgemein auf den
aktiven Bereich begrenzt, sodass an dieser Stelle entsprechender
Raum vorhanden ist, damit die gasförmigen Reaktanden durch
die Strömungskanäle in dem Versorgungsbereich
strömen. Die Brennstoffzelle kann auch Metallunterlegscheiben
oder -folien in dem Versorgungsbereich umfassen, die der Elektrolytmembran
Steifigkeit verleihen und die einer Verstopfung der Strömungskanäle
durch die Membran entgegenwirken.
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Die
Elektrolytmembran in dem Versorgungsbereich ist typischerweise mit
einem chemisch inerten Material beschichtet oder laminiert, um eine
Korrosion der Brennstoffzellenplatten zu verhindern, die mit der
Elektrolytmembran in Kontakt stehen. Allerdings besteht sowohl bei
der Elektrolytmembran als auch bei den inerten Materialien die Tendenz
zum Aufquellen. Es ist bekannt, dass das Aufquellen der Elektrolytmembran
eine Strömungskanalverstopfung und ein Abblättern
von den Metallunterlegscheiben verursachen kann und zu Brennstoffzellen-Instabilität führen
kann. Die Elektrolytmembran ist allgemein auch mit bestimmten Brennstoffzellen-
oder Kraftfahrzeugfluiden wie z. B. Kühlmitteln, Fett und Öl nicht
verträglich, mit denen die Elektrolytmembran während
des Betriebes in Kontakt gelangen kann. Die Elektrolytmembran, die
sich in den Versorgungsbereich oder zu einem Außenumfang
der Brennstoffzelle erstreckt, ist besonders anfällig für
eine Verunreinigung mit diesen Arten von Fluiden.
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Es
besteht fortgesetzt Bedarf an einer Brennstoffzelle, die eine Elektrolytmembran
mit optimierten Abmessungen aufweist. Es ist wünschenswert,
dass die optimierten Membranabmessungen die Robustheit und Zuverlässigkeit
einer Brennstoffzelle erhöhen. Die optimierte Elektrolytmembran
reduziert wünschenswerterweise auch die Komplexität
und Kosten einer Brennstoffzelle und verbessert die Herstellbarkeit
der Brennstoffzelle.
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Zusammenfassung der Erfindung
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Offenlegung wird überraschen derweise
eine UEA entdeckt, die eine Elektrolytmembran aufweist, welche im
Wesentlichen nicht in dem Versorgungsbereich einer Brennstoffzelle
angeordnet ist, die die Robustheit und Zuverlässigkeit
der Brennstoffzelle erhöht, indem sie einer Strömungskanalverstopfung
und Korrosion der Brennstoffzellenplatte entgegenwirkt, und die Komplexität
und Kosten der Brennstoffzellenherstellung reduziert.
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In
einer Ausführungsform wird eine UEA in einer Brennstoffzelle
verwendet, die einen aktiven Bereich und einen Versorgungsbereich
aufweist. Die UEA umfasst eine Elektrolytmembran, die zwischen einem
Paar Elektroden angeordnet ist. Die Elektrolytmembran und das Paar
Elektroden sind zwischen einem Paar DM angeordnet. Die Elektrolytmembran, das
Paar Elektroden und die DM sind derart ausgebildet, um benachbart
zu dem aktiven Bereich der Brennstoffzelle angeordnet zu sein. Eine
Sperrschicht, die mit der Elektrolytmembran gekoppelt ist, ist derart
ausgebildet, um benachbart zu dem Versorgungsbereich der Brennstoffzelle
angeordnet zu sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform umfasst eine Brennstoffzelle
die UEA, die zwischen einem Paar Brennstoffzellenplatten angeordnet
ist. Jede der Brennstoffzellenplatten besitzt einen aktiven Bereich
und einen Versorgungsbereich. Die Elektrolytmembran, die Elektroden
und die DM sind benachbart zu dem aktiven Bereich angeordnet. Der
Sperrfilm ist benachbart zu dem Versorgungsbereich angeordnet. Die
Abmessungen der Elektrolytmembran sind dadurch optimiert.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann eine Vielzahl der Brennstoffzellen
mit der optimierten Elektrolytmembran gestapelt sein, um einen Brennstoffzellenstapel
zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel weist eine erhöhte
Robustheit und Zuverlässigkeit auf.
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Zeichnungen
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Die
oben stehenden sowie weitere Vorteile der vorliegenden Offenlegung
werden für einen Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Licht der hierin nachfolgend
beschriebenen Zeichnungen ohne weiteres verständlich.
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1 veranschaulicht
eine schematische, perspektivische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels
mit Sperrfilm gemäß der vorliegenden Offenlegung
und zeigt nur zwei Zellen;
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2a ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht einer UEA mit einem Sperrfilm,
der zwischen einem Paar DM und einem Verbindungsfilm geschichtet
ist, wobei der Sperrfilm eine Elektrolytmembran und einen Verbindungsfilm überlappt;
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2b ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht einer UEA mit einem Sperrfilm,
der zwischen einem Paar DM geschichtet ist, wobei der Sperrfilm
eine Elektrode und eine Elektrolytmembran überlappt;
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2c ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht einer UEA mit einem Sperrfilm,
der zwischen einem Paar DM und einem katalysatorbeschichteten DM
geschichtet ist, wobei der Sperrfilm zwischen einem katalysatorbeschichteten
DM und einer Elektrolytmembran angeordnet ist;
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2d ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht einer UEA mit einem Sperrfilm,
der zwischen einem Paar von katalysatorbeschichteten DM geschichtet
ist, wobei der Sperrfilm zwischen einem katalysatorbeschichteten
DM und einer Elektrolytmembran angeordnet ist;
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3a ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht einer UEA mit einem Sperrfilm,
der zwischen einem Paar DM geschichtet ist, wobei der Sperrfilm
zwischen einem Paar Verbindungsfilme angeordnet ist;
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3b ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht einer UEA mit einem Sperrfilm,
der zwischen einem Paar DM geschichtet ist, wobei der Sperrfilm
einen einzigen Verbindungsfilm überlappt;
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4a ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht einer UEA mit einem Sperrfilm,
der außerhalb der DM angeordnet ist, wobei der Sperrfilm
zwischen einem Paar Verbindungsfilme angeordnet ist;
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4b ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht einer UEA mit einem Sperrfilm,
der außerhalb der DM angeordnet ist, wobei der Sperrfilm
einen einzigen Verbindungsfilm überlappt;
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5a ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht einer UEA mit einem Sperrfilm,
der auf einem einzigen DM geschichtet ist, wobei der Sperrfilm eine
Elektrolytmembran überlappt, die zwischen einem Paar Verbindungsfilme
angeordnet ist;
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5b ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht einer UEA mit einem Sperrfilm,
der auf einem einzigen DM und einem Verbindungsfilm geschichtet
ist, wobei der Sperrfilm eine Elektrolytmembran und den Verbindungsfilm überlappt;
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5c ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht einer UEA mit einem Sperrfilm,
der auf einem einzigen DM geschichtet ist, wobei der Sperrfilm eine
Elektrolytmembran und einen Verbindungsfilm überlappt;
und
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5d ist
eine fragmentarische Querschnittsansicht einer UEA mit einem Sperrfilm,
der auf einem einzigen DM geschichtet ist, wobei der Sperrfilm eine
Elektrode und eine Elektrolytmembran überlappt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Die
nachfolgende Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll die
vorliegende Offenlegung, ihre Anwendung oder Verwendungen nicht
einschränken. Es sollte auch einzusehen sein, dass in den
Zeichnungen entsprechende Bezugsziffern durchweg gleiche oder entsprechende
Teile und Merkmale bezeichnen.
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1 zeigt
einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel 2 gemäß der
vorliegenden Offenlegung. Der Brennstoffzellenstapel 2 weist
ein Paar MEAs 4, 6 auf, die durch eine elektrisch
leitfähige bipolare Platte 8 voneinander getrennt
sind. Wenngleich der Einfachheit halber MEAs 4, 6 mit
einem CCM-Aufbau gezeigt sind, sollte einzusehen sein, dass der
Brennstoffzellenstapel 2 einen CCDM-Aufbau verwenden kann,
falls erwünscht.
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Die
bipolare Platte
8 weist einen aktiven Bereich
9 und
einen Versorgungsbereich
10 auf. Die bipolare Platte
8 kann
z. B. einen verschachtelten Plattenaufbau aufweisen, wie in dem
US-Patent Nr. 6 974 648 und
in der US-Patentanmeldung Nr. 2006/0 127 706 beschrieben, deren
Offenbarungsgehalte hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit
aufgenommen sind. Der Einfachheit halber ist nur ein Zweizellenstapel
(d. h. eine bipolare Platte) in
1 veranschaulicht
und beschrieben, wobei einzusehen ist, dass der typische Brennstoffzellenstapel
2 viel
mehr solche Zellen und bipolare Platten aufweisen wird.
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Die
MEAs 4, 6 und insbesondere die Elektrolytmembranen
der MEAs 4, 6 besitzen optimierte oder „sparsame"
Abmessungen, die sich nicht wesentlich über den aktiven
Bereich 9 hinaus erstrecken. Zum Beispiel sind die MEAs 4, 6 im
Wesentlichen auf die Orte der elektrochemischen Reaktionen des Brennstoffzellenstapels 2 begrenzt.
Es sollte einzusehen sein, dass die MEAs 4, 6 je
nach Wunsch an allen Kanten oder an ausgewählten Kanten
optimiert sein können.
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Die
MEAs 4, 6 und die bipolare Platte 8 sind zusammen
zwischen einem Paar Klemmplatten 11, 12 und einem
Paar unipolare Endplatten 14, 16 gestapelt. Die
Klemmplatten 11, 12 sind von den Endplatten 14, 16 durch
eine Dichtung oder eine dielektrische Beschichtung (nicht gezeigt)
elektrisch isoliert. Die unipolaren Endplatten 14, beide
Arbeitsflächen der bipolaren Platte 8 und die
unipolare Endplatte 16 umfassen Strömungsfelder 18, 20, 22, 24.
Die Strömungsfelder 18, 20, 22, 24 verteilen
beispielsweise Reaktanden wie z. B. Wasserstoffgas aus einer Quelle
verdichteten Wasserstoffes oder einem Reformat und Sauerstoff, z.
B. aus der Luft über einer Anode bzw. einer Katode der
MEAs 4, 6.
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Nicht
leitfähige Dichtungen 26, 28, 30, 32 stellen
Dichtelemente und eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen
Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 bereit. Gasdurchlässige DM 34, 36, 38, 40 liegen
an den Anoden und den Katoden der MEAs 4, 6 an.
Die Endplatten 14, 16 sind benachbart zu den DM 34 bzw. 40 angeordnet,
während die bipolare Platte 8 benachbart zu dem
DM 36 an der Anodenfläche der MEA 4 angeordnet
ist. Die bipolare Platte 8 ist ferner benachbart zu dem
DM 38 an der Katodenfläche der MEA 6 angeordnet.
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Sperrfilme 42, 44 sind
zwischen den MEAs 4, 6 und den nicht leitfähigen
Dichtungen 26, 28, 30, 32 positioniert.
Die Sperrfilme 42, 44 sind benachbart zu dem Versorgungsbereich 10 der
bipolaren Platte 8 angeordnet. Die Sperrfilme 42, 44 sind
elektrisch nicht leitfähig. Die MEAs 4, 6 sind
mit den Sperrfilmen 42, 44 gekoppelt. Die Sperrfilme 42, 44 können
auch mit den nicht leitfähigen Dichtungen 26, 28, 30, 32 gekoppelt
sein. In speziellen Beispielen können die Sperrfilme 42, 44 jeweils
einteilig mit den nicht leitfähigen Dichtungen 26, 28, 30, 32 gebildet
sein. Die Sperrfilme 42, 44 können zumindest
ein Dichtelement umfassen, das z. B. an die Sperrfilme 42, 44 als Dichtelementträger
gepresst ist. Es sollte einzusehen sein, dass die Bildung des Dichtelements
an den Sperrfilmen 42, 44 die Verwendung von weniger Komponenten
beim Zusammensetzen des Brennstoffzellenstapels 2 ermöglichen
kann.
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Die
bipolare Platte 8, die unipolaren Endplatten 14, 16 und
die Dichtungen 26, 28, 30, 32 umfassen
jeweils eine Katodenzufuhröffnung 72 und eine Katodenauslassöffnung 74,
eine Kühlmittelzufuhröffnung 75 und eine
Kühlmittelauslassöffnung 77 und eine
Anodenzufuhröffnung 76 und eine Anodenauslassöffnung 78.
Zufuhrkrümmer und Auslasskrümmer des Brennstoffzellenstapels 2 sind
durch Ausrichtung der jeweiligen Öffnungen 72, 74, 75, 77, 76, 78 in
der bipolaren Platte 8, den unipolaren Endplatten 14, 16 und
den Dichtungen 26, 28, 30, 32 gebildet.
Das Wasserstoffgas wird einem Anodenzufuhrkrümmer über
eine Anodeneinlassleitung 80 zugeführt. Die Luft
wird einem Katodenzufuhrkrümmer des Brennstoffzellenstapels 2 über
eine Katodeneinlassleitung 82 zugeführt. Eine
Anodenauslassleitung 84 und eine Katodenauslassleitung 86 sind
auch für einen Anodenauslasskrümmer bzw. einen
Katodenauslasskrümmer vorgesehen. Eine Kühlmitteleinlassleitung 88 ist
vorgesehen, um flüssiges Kühlmittel einem Kühlmittelzufuhrkrümmer
zuzuführen. Eine Kühlmittelauslassleitung 90 ist
vorgesehen, um Kühlmittel aus einem Kühlmittelauslasskrümmer
zu entfernen. Es sollte einzusehen sein, dass die Konfigurationen
der verschiedenen Einlässe 80, 82, 88 und Auslässe 84, 86, 90 in 1 der
Veranschaulichung dienen und je nach Wunsch andere Konfigurationen gewählt
werden können.
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Die
Sperrfilme 42, 44 werden verwendet, um das Wasserstoffgas
und die dem Brennstoffzellenstapel 2 in dem Versorgungsbereich 10 zugeführte
Luft zu trennen, insbesondere, da die optimierten MEAs 4, 6 im
Wesentlichen auf den aktiven Bereich 8 begrenzt sind. Es
hat sich überraschenderweise gezeigt, dass Verbindungskonfigurationen
für die MEAs 4, 6 und Sperrfilme 42, 44,
die hierin nachfolgend in verschiedenen Ausführungsformen
beschrieben sind, einer Trennung der MEAs 4, 6 und
der Sperrfilme 42, 44 unter typischen Betriebsbedingungen
des Brennstoffzellenstapels 2 entgegenwirken. Die Verbindungskonfigurationen
können verwendet werden, um die MEAs 4, 6 und
die Sperrfilme 42, 44 zuverlässig zu
koppeln, um dadurch die Verwendung von optimierten Elektrolytmembranabmessungen
zu ermöglichen. Ein Binden wie z. B. mit einem chemischen
Klebstoff und/oder Verschmelzen und/oder Druck kann/können
verwendet werden, um die MEAs 4, 6 und die Sperrfilme 42, 44 unter
den beschriebenen Verbindungskonfigurationen weiter zu koppeln.
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In
den verschiedenen beispielhaften Verbindungskonfigurationen, die
in den 2a bis 5d gezeigt
sind, kann eine UEA 200 des Brennstoffzellenstapels 2 eine
Sperrschicht 202, eine Elektrolytmembran 204,
eine erste Elektrode 206, eine zweite Elektrode 208,
einen ersten Verbindungsfilm 210 und/oder einen zweiten
Verbindungsfilm 212, eine erste DM-Schicht 214 und
eine zweite DM-Schicht 216 umfassen. Die erste Elektrode 206 und
die zweite Elektrode 208 können je nach Wunsch
an entweder die Membran 204 in einer CCM-Konfiguration oder
an eine der DM-Schichten 214, 216 in einer CCDM-Konfiguration
gebunden sein. Kombinationen der Verbindungskonfigurationen, die
in den 2a bis 5d gezeigt
sind und z. B. eine Konfiguration entlang des Versorgungsbereiches 9 und
eine weitere Konfiguration entlang des aktiven Bereiches 10 aufweisen,
können ebenfalls verwendet werden. Ein Fachmann sollte
einsehen, dass die beschriebenen Verbindungskonfigurationen Illustrationszwecken dienen
und dass je nach Wunsch weitere geeignete Verbindungskonfigurationen
gewählt werden können.
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Die
Sperrschicht 202 entspricht im Wesentlichen einem der Sperrfilme 42, 44,
die in 1 gezeigt sind. Die Sperrschicht 202 ist
aus einem Material gebildet, das, wenn es Brennstoffzellenreaktanden
und Kraftfahrzeugfluiden wie z. B. Kühlmittel, Öl und
Fett ausgesetzt ist, nicht wesentlich aufquillt oder beschädigt
wird. Im Speziellen ist der Sperrfilm 202 aus einem Material
gebildet, das in der Lage ist, sowohl eine elektrische als auch
eine mechanische Trennung bereitzustellen. Die Sperrschicht 202 kann auch
als eine einheitliche Schicht gebildet sein, um einem Abblättern
entgegenzuwirken. Als ein nicht einschränkendes Beispiel
ist die Sperrschicht 202 aus einem von einem Polyethylennaphthalat
(PEN), einem Polyethylenterephthalat (PET) und einem Polyimidpolymer
wie z. B. Kapton®-Polymer gebildet, das
im Handel z. B. von E. I. du Pont de Nemours and Company erhältlich
ist. Es sollte einzusehen sein, dass je nach Wunsch andere ge eignete
Polymermaterialien für die Sperrschicht 202 gewählt
werden können.
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Die
Elektrolytmembran 204, die erste Elektrode 206 und
die zweite Elektrode 208 entsprechen, wenn sie zusammengesetzt
sind, im Wesentlichen einer der MEAs 4, 6, die
in 1 beschrieben sind. Die erste und die zweite DM-Schicht 214, 216 entsprechen
im Wesentlichen den DMs 36, 38, die in 1 offenbart
sind.
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf die 2a bis 2d sind
jeweils eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Verbindungskonfiguration
gezeigt, wo die Sperrschicht 202 die Elektrolytmembran 204 überlappt,
um eine Verbindung 218 zu bilden. Sowohl die erste DM-Schicht 214 als
auch die zweite DM-Schicht 216 überlappen die
Verbindung 218 in den 2a bis 2c.
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In
der ersten Verbindungskonfiguration, die in 2a gezeigt
ist, erstreckt sich ein freiliegender Abschnitt 220 der
Elektrolytmembran 204 über die erste und die zweite
Elektrode 206, 208 hinaus. Der freiliegende Abschnitt 220 stellt
dadurch eine nicht beschichtete Fläche zum Koppeln an die
Sperrschicht 202 bereit. Die Sperrschicht 202 ist
an zumindest einem Abschnitt der Elektrolytmembran 204 angeordnet
und kann z. B. wie hierin oben beschrieben gebunden sein. Der erste
Verbindungsfilm 210 deckt und dichtet ein Ende der ersten
Elektrode 206 und der Elektrolytmembran 204 ab.
Da die erste und die zweite Elektrode 206, 208 durch
den ersten Verbindungsfilm 210 bzw. die Sperrschicht 202 getrennt sind,
ist ein Kontakt zwischen einer der Elektroden 206, 208 und
dem gegenüberliegenden DM 214, 216 verhindert.
Dadurch wird einem Kurzschluss entgegengewirkt.
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Die
Sperrschicht 202, die Elektrolytmembran 204, die
erste und die zweite Elektrode 206, 208 und der
Verbindungsfilm 210 sind zwischen das erste DM 214 und
das zweite DM 216 geschichtet. Das erste DM 214 und
das zweite DM 216 überlappen die Verbindungskonfiguration.
Das erste und das zweite DM 214, 216 stellen einen
mechanischen Druck auf der Sperrschicht 202 und der Elektrolytmembran 204 bereit,
wenn der Brennstoffzellenstapel 2 während dessen
Zusammenbau unter Druck gesetzt ist. In speziellen Ausführungsformen
ist der mechanische Druck ausreichend, um die Sperrschicht 202 und
die Elektrolytmembran 204 mit oder ohne zusätzliches
Binden wie z. B. durch Binden mit einem chemischen Klebstoff zu
koppeln.
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Wie
in der zweiten Verbindungskonfiguration von 2b gezeigt,
sind sowohl die Elektrolytmembran 204 als auch die zweite
Elektrode 208 an einem Abschnitt der Sperrschicht 202 angeordnet.
Die Sperrschicht 202 ist zwischen der zweiten Elektrode 208 und
dem zweiten DM 216 angeordnet. Der freiliegende Abschnitt 220 der
Elektrolytmembran 204, der sich über die erste
und die zweite Elektrode 206, 208 hinaus erstreckt,
ist mit der Sperrschicht 202 gekoppelt.
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Unter
Bezugnahme auf 2c umfasst die dritte Verbindungskonfiguration
die Sperrschicht 202, die zwischen der zweiten Elektrode 208 und
der Elektrolytmembran 204 angeordnet ist. Es sollte einzusehen
sein, dass die zweite und die dritte Verbindungskonfiguration den
ersten und den zweiten Verbindungsfilm 210, 212 nicht
verwenden und daher eine verringerte Fertigungskomplexität
aufweisen können.
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In 2d umfasst
die vierte Verbindungskonfiguration die Sperrschicht 202,
die zwischen dem ersten DM 214 und der Elektrolytmembran 204 angeordnet
ist. Das erste DM 214 ist katalysatorbeschichtet, um die
erste Elektrode 206 zu bilden. Das zweite DM 216 ist
ebenfalls katalysatorbeschichtet, um die zweite Elektrode 208 und
die Elektrolytmembran 204 zu bilden, die z. B. durch Binden
vor einem Schneiden des zweiten DM 216 darauf angeordnet
wird. Eine Kante einer/s jeden der Elektrolytmembran 204, der
Elektroden 206, 208 und der DM 214, 216 ist auch
in der gezeigten vierten Verbindungskonfiguration ausgerichtet.
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Beispielhafte
fünfte und sechste Verbindungskonfigurationen sind in den 3a bzw. 3b gezeigt.
In der fünften und der sechsten Verbindungskonfiguration überlappt
die Sperrschicht 202 zumindest einen von dem ersten und
dem zweiten Verbindungsfilm 210, 212. Zumindest
einer von dem ersten und dem zweiten Verbindungsfilm 210, 212 ist
ferner an dem freiliegenden Abschnitt 220 der Elektrolytmembran 204 angeordnet.
Das erste DM 214 und das zweite DM 216 nehmen
die Verbindung 218 in die Mitte, die durch das Überlappen
der Sperrschicht 202 und zumindest eines von dem ersten
und dem zweiten Verbindungsfilm 210, 212 gebildet
ist.
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In
der fünften Verbindungskonfiguration, die in 3a gezeigt
ist, sind der freiliegende Abschnitt 220 der Elektrolytmembran 204 und
die Sperrschicht 202 zwischen dem ersten und dem zweiten
Verbindungsfilm 210, 212 geschichtet. Der erste
Verbindungsfilm 210 ist über der Elektrolytmembran 204 und
der Sperrschicht 202 angeordnet und ist ferner benachbart
zu der ersten Elektrode 206 angeordnet. Der zweite Verbindungsfilm 212 ist
unter der Elektrolytmembran 204 und der Sperrschicht 202 angeordnet
und ist ferner benachbart zu der zweiten Elektrode 208 angeordnet.
Die Enden der ersten und der zweiten Elektrode 206, 208 sind
jeweils durch den ersten und den zweiten Verbindungsfilm 210, 212 abgedichtet.
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In 3b umfasst
die sechste Verbindungskonfiguration ein Überlappen des
ersten Verbindungsfilms 210 mit jeder/m von der ersten
Elektrode 206, dem freiliegenden Abschnitt 220 der
Elektrolytmembran 204 und der Sperrschicht 202.
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Eine
siebte und eine achte Verbindungskonfiguration sind in den 4a und 4b gezeigt.
Die siebte und die achte Verbindungskonfiguration umfassen die Sperrschicht 202,
die außerhalb des ersten DM 214 und des zweiten
DM 216 angeordnet ist. In 4a sind
der erste und der zweite Verbindungsfilm 210, 212 an
der ersten und der zweiten Elektrode 206 bzw. 208 und
dem freiliegenden Abschnitt 220 der Elektrolytmembran 204 angeordnet.
Der freiliegende Abschnitt 220 endet im Wesentlichen an
den Kanten 222, 224 des ersten DM 214 bzw.
des zweiten DM 216. Der erste und der zweite Verbindungsfilm 210, 212 erstrecken
sich über das erste und das zweite DM 214, 216 hinaus
und nehmen die Sperrschicht 202 in die Mitte.
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In
der achten Verbindungskonfiguration, die in 4b gezeigt
ist, überlappt nur der erste Verbindungsfilm 210 einen
Abschnitt des Sperrschichtfilms 202 außerhalb
des ersten DM 214 und des zweiten DM 216. Das
erste und das zweite DM 214, 216 können
an den Kanten 222, 224 davon mit dem ersten Verbindungsfilm 210 zusammengedrückt
sein, um den freiliegenden Abschnitt 220 der Elektrolytmembran 204 abzudichten.
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Da
die Sperrschicht 202 durch das erste und das zweite DM 214, 216 nicht
abgedeckt ist, können die Verbindungsfilme 210, 212 anders
als mithilfe von Druckkraft an die Sperrschicht 202 gebunden
sein. Eine Dicke der Sperrschicht 202 in der siebten und der
achten Verbindungskonfiguration kann größer sein,
als wenn die Sperrschicht 202 zwischen die DMs 214, 216 geschichtet
ist. Die dickere Sperrschicht 202 stellt eine ver besserte
Steifigkeit bereit, die einer Verstopfung der Strömungskanäle
in den Versorgungsbereichen 10 des Brennstoffzellenstapels 2 entgegenwirkt.
Ein Fachmann sollte auch einsehen, dass geeignete Dicken mit dem
Aufbau des Brennstoffzellenstapels 2 variieren können
und je nach Wunsch verwendet werden können.
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Unter
nunmehriger Bezugnahme auf die 5a bis 5d sind
eine beispielhafte neunte, zehnte, elfte bzw. zwölfte Verbindungskonfiguration für
die UEA 200 gezeigt. Die Sperrschicht 202 ist
in Reihe mit einem von dem ersten DM 214 und dem zweiten
DM 216 angeordnet. In einer speziellen Ausführungsform
besitzt die Sperrschicht 202 eine Dicke, die im Wesentlichen
dieselbe ist wie eine Dicke des ersten oder des zweiten DM 214, 216.
Es sollte einzusehen sein, dass durch die im Wesentlichen selbe
Dicke wie das Reihen-DM 214, 216 eine Druckkraft
bereitgestellt werden kann, die ausreicht, um die Verbindung 218 zwischen
der Sperrschicht 202 und der Elektrolytmembran 204 mit
oder ohne zusätzliches Binden abzudichten.
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In
der neunten Verbindungskonfiguration, die in 5a gezeigt
ist, ist die Sperrschicht 202 in Reihe mit dem ersten DM 214 angeordnet.
Ein Abschnitt der Sperrschicht 202 ist mit jedem/r von
dem ersten Verbindungsfilm 210, dem freiliegenden Abschnitt 220 der
Elektrolytmembran 204 und dem zweiten DM 216 geschichtet.
Der erste Verbindungsfilm 210 und der zweite Verbindungsfilm 212 nehmen
die Anordnung aus der ersten Elektrode 206, der Elektrolytmembran 204 und
der zweiten Elektrode 208 in die Mitte. Der erste und der
zweite Verbindungsfilm 210, 212 dichten die erste
und die zweite Elektrode 206 bzw. 208 ab.
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Die
zehnte Verbindungskonfiguration von 5b umfasst
die Sperrschicht 202, die in Reihe mit dem zweiten DM 216 angeordnet
ist. Die Sperrschicht 202 ist mit dem freiliegenden Abschnitt 220 der
Elektrolytmembran 204 und dem ersten DM 214 geschichtet.
Die zweite Elektrode 208 endet im Wesentlichen an der Kante 224 des
zweiten DM 216.
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In
der elften Verbindungskonfiguration, die in 5c gezeigt
ist, ist ein Abschnitt der Sperrschicht 202 an jedem/r
von dem ersten Verbindungsfilm 210, dem freiliegenden Abschnitt 220 der
Elektrolytmembran 204 und dem zweiten DM 216 angeordnet.
Die elfte Konfiguration umfasst den zweiten Verbindungsfilm 212 nicht.
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Unter
Bezugnahme auf 5d ist die Sperrschicht 202 in
Reihe mit dem ersten DM 214 angeordnet. Ein Abschnitt der
Sperrschicht 202 ist ferner an jedem/r von der ersten Elektrode 206,
der Elektrolytmembran 204 und dem zweiten DM 216 angeordnet.
Die zwölfte Verbindungskonfiguration gemäß 5d verwendet
die Verbindungsfilme 210, 212 nicht. Es sollte
einzusehen sein, dass die Verbindungskonfigurationen der 5c und 5d,
die einen oder keinen der Verbindungsfilme 210, 212 verwenden,
für weniger Fertigungskomplexität im Vergleich
mit den Verbindungskonfigurationen sorgen, die beide Verbindungsfilme 210, 212 aufweisen.
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Es
hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die hierin offenbarten
Verbindungskonfigurationen eine Bindung zwischen der Sperrschicht 202 und der
Elektrolytmembran 204 ermöglichen, die eine Optimierung
der Abmessungen der Elektrolytmembran 204 und der Elektroden 206, 208 zulässt.
In speziellen Ausführungsformen erstreckt sich die Elektrolytmembran 204 nicht
wesentlich in den Versorgungsbereich 10 des Brennstoffzellenstapels 2 hinein.
Somit wird die Elektrolytmembran 204 nicht mit Brennstoffzellen-
und Fahrzeugfluiden wie z. B. Kühlmittel, Fett und Öl
verunreinigt, denen der Brennstoffzellenstapel 2 im Betrieb
ausgesetzt sein kann.
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Ein
Fachmann sollte einsehen, dass zumindest eine/r der Sperrschicht 202 und
der Verbindungsfilme 210, 212 der vorliegenden
Offenlegung, in Abhängigkeit von der gewählten
Verbindungskonfiguration, auch einer durch die DM 214, 216 bewirkten
Schädigung der Elektrolytmembran 204 entgegenwirken
können. Zum Beispiel überlappen die Sperrschicht 202 und
die Verbindungsfilme 210, 212 die Elektrolytmembran 204 und
können ein/e Schädigung oder Schneiden durch die
Kanten 222, 224 der DM 214, 216 verhindern,
wenn die Komponenten unter Druck bzw. Kompression gesetzt sind.
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Verschiedene
Verbindungskonfigurationen gemäß der vorliegenden
Offenlegung können ferner infolge der Beseitigung von zusätzlichen
Klebstoffen ein Volumen minimieren, das erforderlich ist, um die Bindung
zu bilden. In speziellen Ausführungsformen, wenn die DM 214, 216 die
Verbindungen 218 überlappen und der Brennstoffzellenstapel 2 unter
Druck gesetzt ist, wird ein mechanischer Druck bereitgestellt, der
ausreicht, um die Sperrschicht 202 und die Elektrolytmembran 204 zu
koppeln. Das Koppeln des freiliegenden Abschnitts 220 der
Elektrolytmembran 204 an die Sperrschicht 202 kann
auch ein robustes Dichtelement bereitstellen, das im Wesentlichen
undurchlässig für Fluide des Brennstoffzellenstapels 2 ist.
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Eine
Dicke der Sperrschicht 202 kann ferner derart gewählt
sein, dass sie einem unerwünschten Überdruck der
Verbindung 218 oder einem unerwünschten Vertrauen
auf eine zusätzliche Bindung wie z. B. durch chemische
Haftung zwischen der Sperrschicht 202 und der Elektrolytmembran 204 entgegenwirkt.
Die Dicke der Sperrschicht 202 kann geeignet sein, um eines
oder mehrere Polymer-Dichtelemente zu tragen. Die Sperrschicht 202,
die eine geeignete Dicke aufweist, sorgt auch für eine
verbes serte Steifigkeit des Versorgungsbereiches 10. Die Sperrschicht 202 kann
einer Verstopfung der Strömungskanäle in den Versorgungsbereichen 10 des Brennstoffzellenstapels 2 entgegenwirken,
insbesondere wenn die Sperrschicht 202 nicht anders abgestützt
ist als z. B. mit einer Metallunterlegscheibe. Die Sperrschicht 202 minimiert
Strömungskanalintrusionen und die begleitende Strömungsfehlverteilung über
den gesamten Brennstoffzellenstapel 2.
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Es
sollte einzusehen sein, dass die Sperrschicht 202 als eine
Strömungsunterstützung für das Wasserstoffgas
und die Luft verwendet wird, da die Gase darüber strömen
und entlang der Sperrschicht 202 zu dem Brennstoffzellenstapel 2 und
von diesem weg transportiert werden. Während das Wasserstoffgas
und die Luft darüber strömen, widersteht die im Wesentlichen
undurchlässige Sperrschicht 202 vorteilhafterweise
auch einem Durchbruch und Vermischen des Wasserstoffgases und der
Luft. Die Sperrschicht 202 wirkt auch einem Kurzschluss
des Brennstoffzellenstapels 2 entgegen, indem sie z. B.
eine Isolierschicht zwischen zumindest einer/m von der ersten und
der zweiten Elektrode 206, 208, dem ersten und
dem zweiten DM 214, 216, der ersten Elektrode 206 und
dem zweiten DM 216, der zweiten Elektrode 208 und
dem ersten DM 214 und den Platten des Brennstoffzellenstapels 2 wie
z. B. zwischen der bipolaren Platte 8 und einer der unipolaren
Platten 14, 16 bereitstellt.
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Es
sollte auch einzusehen sein, dass die optimierten Abmessungen der
Elektrolytmembran 204, die durch die Verbindungskonfigurationen
der vorliegenden Offenlegung möglich sind, eine effiziente Verwendung
der Materialien der Elektrolytmembran 204 zulassen. Eine
Menge des gemäß der vorliegenden Offenlegung verwendeten
Materials der Elektrolytmembran 204 kann minimiert werden.
Illustrativ kann Material der Elektrolytmembran 204 entlang des
aktiven Bereiches 9 und/oder des Versor gungsbereiches 10 durch
die Sperrschicht 202 ersetzt werden. Darüber hinaus
sind, da die Elektrolytmembranen 204 sich nicht wesentlich
in die Versorgungsbereiche 10 des Brennstoffzellenstapels 2 hinein
erstrecken können, zusätzliche Schutzbeschichtungen
und -schichten nicht erforderlich, um einer Korrosion der bipolaren
Platte 8 und der unipolaren Platten 14, 16 entgegenzuwirken.
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Während
bestimmte repräsentative Ausführungsformen und
Details gezeigt wurden, um die Erfindung zu veranschaulichen, wird
für einen Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen
vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der
Offenlegung abzuweichen, der in den nachfolgenden beigefügten
Ansprüchen weiter beschrieben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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