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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine PEM-Brennstoffzelle mit einer zwischen zwei Platten mit Strömungsfeldern angeordneten Dichtung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen sind bei vielen Anwendungen als eine Energiequelle verwendet worden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in elektrischen Fahrzeugantriebsanlagen als Ersatz für Brennkraftmaschinen vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom Typ mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird Wasserstoff an die Anode der Brennstoffzelle geliefert und Sauerstoff wird als das Oxidationsmittel an die Kathode geliefert. PEM-Brennstoffzellen umfassen eine Membranelektrodenanordnung (MEA) mit einer dünnen, protonendurchlässigen, nicht elektrisch leitenden Festpolymerelektrolytmembran, die an einer Seite den Anodenkatalysator und an der entgegengesetzten Seite den Kathodenkatalysator besitzt. Die MEA ist schichtartig zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitender Elemente oder Platten angeordnet, die (1) als Stromkollektoren für die Anode und Kathode dienen und (2) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen enthalten, die darin zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren geformt sind.
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Der Begriff ”Brennstoffzelle” wird typischerweise dazu verwendet, entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (Stapel) abhängig vom Kontext zu bezeichnen. Typischerweise werden mehrere einzelne Zellen miteinander gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, und werden allgemein in elektrischer Reihe angeordnet. Jede Zelle in dem Stapel umfasst die vorher beschriebene Membranelektrodenanordnung (MEA), und jede derartige MEA liefert ihr Spannungsinkrement. Eine Gruppe benachbarter Zellen in dem Stapel wird als ein Cluster bezeichnet.
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In PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H2) der Anodenreaktand (d. h. Brennstoff) und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d. h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O2) oder als Luft (ein Gemisch aus O2 und N2) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyte bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode/Kathode umfasst typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind. Die katalytischen Partikel sind typischerweise teure Edelmetallpartikel. Somit sind diese MEAs relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen, einschließlich einem richtigen Wassermanagement und einer richtigen Befeuchtung sowie einer richtigen Steuerung katalysatorschädigender Bestandteile, wie Kohlenmonoxid (CO) für einen effektiven Betrieb.
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Die die MEAs schichtartig anordnenden elektrisch leitenden Platten können eine Gruppierung aus Nuten in ihren Seiten aufweisen, die ein Reaktandenströmungsfeld zur Verteilung der gasförmigen Reaktanden (d. h. Wasserstoff und Sauerstoff in der Form von Luft) der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Kathode und Anode definieren. Diese Reaktandenströmungsfelder umfassen allgemein eine Vielzahl von Stegen, die eine Vielzahl von Strömungskanälen dazwischen definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden von einer Liefersammelleitung an einem Ende der Strömungskanäle zu einer Austragssammelleitung an dem entgegengesetzten Ende der Strömungskanäle strömen.
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Typischerweise sehen nicht leitende Dichtungselemente oder Dichtungen eine Abdichtung wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Platten des Brennstoffzellenstapels vor. Zusätzlich sehen die Dichtungen einen Strömungspfad für die gasförmigen Reaktanden von der Liefersammelleitung zu den Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren vor. Herkömmlich umfassen die Dichtungen ein geformtes nachgiebiges Material, wie Gummi. Bei einer Anwendung ist es notwendig, durch die Platten des Stapels hindurch geformte Durchlässe bereitzustellen, um gasförmige Reaktanden und Kühlmittel jeweils von der Liefersammelleitung zu den geeigneten Strömungsfeldern zu führen. Zusätzlich zu den oder anstelle der Durchlässe können Brückeneinsatzstücke verwendet werden, die einen Tunnel zum Kommunizieren der Reaktanden von der Liefersammelleitung zu dem geeigneten Strömungsfeld bereitstellen.
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Herkömmliche Dichtungen für Brennstoffzellen sind aus den Druckschriften
US 2002/0 127 461 A1 und
US 6 524 735 B1 bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine erfindungsgemäße PEM-Brennstoffzelle umfasst eine erste Platte mit einem Strömungsfeld zum Führen eines ersten Fluides entlang einer Fläche derselben, wobei das Strömungsfeld der ersten Platte eine Vielzahl von Stegen umfasst, die Durchgänge zwischen benachbarten Stegen definieren, um das erste Fluid zu führen, sowie eine zweite Platte mit einem Strömungsfeld zum Führen eines zweiten Fluides entlang einer Fläche derselben, wobei das Strömungsfeld der zweiten Platte eine Vielzahl von Stegen umfasst, die Durchgänge zwischen benachbarten Stegen definieren, um das zweite Fluid zu führen. Zwischen der ersten Platte und der zweiten Platte ist eine Membranelektrodenanordnung angeordnet. Ferner umfasst die PEM-Brennstoffzelle eine Dichtung, die zwischen der ersten Platte und der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist. Die Dichtung weist einen Plattenrand auf, der eine Sammelleitungsöffnung zur Lieferung des ersten Fluides an die erste Platte definiert. Außerdem weist die Dichtung einen Träger auf, der eine erste Seite besitzt, die an den Stegen des Strömungsfelds der ersten Platte anliegt, wodurch das erste Fluid direkt von der Sammelleitungsöffnung zu dem Strömungsfeld der ersten Platte strömen kann. Ferner weist der Träger ein an einer zweiten Seite des Trägers angeordnetes Dichtungselement mit einem wulstartigen Querschnitt auf. Das Dichtungselement ist gegen die Membranelektrodenanordnung gepresst und dadurch ist die Membranelektrodenanordnung gegen einen in der zweiten Platte nahe der Sammelleitungsöffnung ausgebildeten Kanal zur Aufnahme des Dichtungselements gepresst, wodurch das Dichtungselement verhindert, dass das erste Fluid direkt von der Sammelleitungsöffnung zu dem Strömungsfeld der zweiten Platte strömt.
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Weitere Anwendbarkeitsbereiche der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
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1 eine schematische isometrische Explosionsdarstellung eines PEM-Brennstoffzellenstapels ist;
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2 eine Explosionsdarstellung eines Abschnitts des PEM-Brennstoffzellenstapels von 1 ist;
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3 eine detaillierte zusammengebaute Ansicht des PEM-Brennstoffzellenstapels von 2 ist;
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4 eine Ansicht teilweise im Schnitt eines zusammengebauten PEM-Brennstoffzellenstapels von 2 ist; und
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5 eine Schnittansicht des PEM-Brennstoffzellenstapels entlang der Linie 5-5 von 4 ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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1 zeigt schematisch einen teilweisen PEM-Brennstoffzellenstapel 10, der Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 14, 16 aufweist, die voneinander durch eine nicht poröse, elektrisch leitende bipolare Platte 20 getrennt sind. Die MEAs 14 und 16 und die bipolare Platte 20 sind zwischen nicht porösen, elektrisch leitenden bipolaren Platten 22 und 24 aneinander gestapelt. Poröse, gaspermeable, elektrisch leitende Lagen oder Diffusionsmedien 26, 28, 30 und 32 werden an die Elektrodenseiten der MEAs 14 und 16 gepresst und dienen als Primärstromkollektoren für die Elektroden. Die Diffusionsmedien 26, 28, 30 und 32 sehen auch mechanische Abstützungen für die MEAs 14 und 16 insbesondere an Orten vor, an denen die MEAs ansonsten in dem Strömungsfeld ungestützt sind. Geeignete Diffusionsmedien umfassen Kohlenstoff/Graphit-Papier/Gewebe, feinmaschige Edelmetallsiebe, offenzellige Edelmetallschäume und dergleichen, die Strom von den Elektroden leiten, während ein Durchgang von Gas zugelassen wird.
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Die bipolaren Platten 22 und 24 werden an den Primärstromkollektor 26 an der Kathodenseite 14c der MEA 14 und den Primärstromkollektor 32 an der Anodenseite 16a der MEA 16 gepresst. Die bipolare Platte 20 wird an den Primärstromkollektor 28 an der Anodenseite 14a der MEA 14 und an den Primärstromkollektor 30 an der Kathodenseite 16c der MEA 16 gepresst. Ein Oxidationsmittelgas, wie Sauerstoff oder Luft, wird an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 10 von einem Speichertank 38 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 40 geliefert. Gleichermaßen wird ein Brennstoff, wie Wasserstoff, an die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 10 von einem Speichertank 48 über eine geeignete Verrohrung 50 geliefert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Sauerstofftank 38 weggelassen werden und Luft von der Umgebung an die Kathodenseite geliefert werden. Gleichermaßen kann der Wasserstofftank 48 weggelassen werden und Wasserstoff von einem Reformer, der Wasserstoff katalytisch aus Methanol oder einem flüssigen Kohlenwasserstoff (beispielsweise Benzin) erzeugt, an die Anodenseite geliefert werden. Es ist auch eine Austragsverrohrung 52 für die H2- und O2/Luft-Seiten der MEAs zur Entfernung von H2-abgereichertem Anodengas von dem Anodenströmungsfeld und O2-abgereichertem Kathodengas von dem Kathodenströmungsfeld vorgesehen. Obwohl die Austragsverrohrung 52 als ein einzelnes Rohr gezeigt ist, sei angemerkt, dass zum Austrag jedes Gases ein separates Rohr vorgesehen sein kann.
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Nun Bezug nehmend auf die 1–4 werden die bipolaren Platten 20 und 22 gemäß der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben. Die bipolaren Platten 20 und 22 sind derart ausgestaltet, um ein Kathodenreaktandengas über ein Strömungsfeld 56, das an einer ersten Fläche geformt ist, und ein Anodenreaktandengas über ein Strömungsfeld 58, das an einer zweiten Fläche geformt ist, zu führen. 2 zeigt einen teilweisen, in Explosionsdarstellung gezeigten Abschnitt 59. In dem teilweisen, in Explosionsdarstellung gezeigten Abschnitt 59 von 2 kommuniziert das Strömungsfeld 56 der bipolaren Platte 20 ein Kathodenreaktandengas an die Kathodenseite der MEA 14. Gleichermaßen kommuniziert das Strömungsfeld 58 der bipolaren Platte 22 ein Anodenreaktandengas an die Anodenseite der MEA 14. Während jede bipolare Platte 20, 22 und 24 als eine einheitliche Lage mit an entgegengesetzten Seiten angeordneten Strömungsfeldern 56 und 58 gezeigt ist, sei angemerkt, dass die bipolaren Platten jeweils zwei Separatorplatten umfassen können, die in einer Orientierung von Rücken zu Rücken aneinander liegen.
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Nun mit speziellem Bezug auf die 2–4 wird eine Dichtung 60 gemäß den vorliegenden Lehren detaillierter beschrieben. Die Dichtung 60 umfasst allgemein einen Träger 62 (2) mit einem ersten elastomeren Dichtungselement 66, das an einer ersten Seite geformt ist, und einem zweiten elastomeren Dichtungselement 68, das an einer zweiten Seite geformt ist. Das elastomere Dichtungselement 68 an der zweiten Seite ist derart konfiguriert, um alle Bereiche mit Ausnahme eines Brückenbereichs 70 (3) abzudichten. Der Brückenbereich 70 ist, während er zu veranschaulichenden Zwecken als ein Maschenbereich dargestellt ist, dazu bestimmt, einen Bereich über Stegen 72 des Strömungsfeldes 56 nahe einer Einlassöffnung 74 darzustellen. Der Brückenbereich 70 dient dazu, einen Kathodenreaktanden von der Einlasssammelleitungsöffnung 74 (4) direkt zu dem Kathodenströmungsfeld 56 zu kommunizieren.
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Die Dichtung 60 dient dazu, eine Dichtungsfunktion für jeweilige Ströme des Stapels (Anode, Kathode und Kühlmittel) bereitzustellen. Die Anodenseite des Dichtungselements 66 (obere Seite bei Betrachtung von 2) wird gegen die MEA 14 getrieben, die ihrerseits gegen einen ersten Aufnahmekanal 76 getrieben wird, der an der Anodenseite der bipolaren Platte 22 geformt ist. Die Kathodenseite des Dichtungselements 68 (untere Seite bei Betrachtung von 2) wird gegen einen zweiten Aufnahmekanal 80 getrieben, der an der Kathodenseite der bipolaren Platte 20 geformt ist. Als Ergebnis wird in dem Stapel als Ganzes eine Dichtung um die Einlass- und Auslassöffnungen der Fluidsammelleitungen (es sind nicht alle spezifisch gezeigt) und um den aktiven Bereich herum an der Anodenseite jeder MEA geformt.
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Nun speziell Bezug nehmend auf 4 wird ein Einlassplattenrand 84 beschrieben. In einer zusammengebauten Position ist die Liefersammelleitungsöffnung 74 um den Einlassplattenrand 84 herum durch die jeweiligen bipolaren Platten 20, 22 und 24, die MEAs 14 und Dichtungen 60 definiert. Die Liefersammelleitungsöffnung 74 ist speziell konfiguriert, um ein Kathodenreaktandengas in einer Strömungsrichtung zu führen, die allgemein in einer vertikalen Richtung A festgelegt ist. Während es nicht gezeigt ist, sei angemerkt, dass gleichermaßen eine Anodenliefersammelleitungsöffnung nahe der äußeren Kante des Einlassplattenrandes 84 geformt ist. Gleichermaßen ist eine komplementäre Serie von Austragssammelleitungsöffnungen an einem Auslassplattenrand (nicht speziell gezeigt) an einem entgegengesetzten Ende der Liefersammelleitung geformt.
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Der Aufbau der Dichtung 60 wird nun detaillierter beschrieben. Der Träger 62 umfasst allgemein einen polymeren Film oder ein polymeres Substrat, wie Polyimid oder Polyester. Geeignete Materialien umfassen Kapton® (Polyimid) und Mylar® (Polyester), die beide von der E.I. DuPont Corporation hergestellt werden. Das polymere Substrat wird mit einem das Dichtungselement bildenden elastomeren Material geformt. Während das Dichtungselement (66, 68) als ein Doppelwulstquerschnitt (5) geformt gezeigt ist, kann jede geeignete Abmessung verwendet werden. Es sei angemerkt, dass diese Materialien lediglich beispielhaft sind und gleichermaßen andere Materialien verwendet werden können. Beispielsweise kann der Träger 62 alternativ ein Metallmaterial oder eine Mischung aus einem polymeren und einem metallischen Material umfassen.
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Nun speziell Bezug nehmend auf die 4 und 5 wird der Strömungspfad des Kathodenreaktandengases beschrieben. Allgemein ermöglicht die Dichtung 60, dass der Kathodenreaktand aus zwei separaten Strömungssegmenten besteht. Genauer ist das erste Strömungssegment A in einer allgemein vertikalen Richtung durch die Kathodeneinlassöffnung 74 (4) definiert. Das zweite Strömungssegment B ist in einer allgemein horizontalen Richtung definiert, die durch das Kathodenströmungsfeld 56 definiert ist. Wie am besten in 5 gezeigt ist, ist das elastomere Dichtungselement 68, das an den Träger 62 der Dichtung 60 geformt ist, an einem Eintrittsbereich 88, der an einem inneren Abschnitt der Einlasssammelleitungsöffnung 74 definiert ist, nicht vorhanden. Infolgedessen wird eine direkte Fluidkommunikation von der Sammelleitungsöffnung 74 zu dem Strömungsfeld 56 zugelassen. Während es nicht speziell gezeigt ist, sei angemerkt, dass dieselbe Konfiguration in Bezug auf die Austragssammelleitungsöffnung vorgesehen ist. Infolgedessen wird eine Wasserentfernung von dem Kathodenströmungsfeld 56 zu der Austragssammelleitungsöffnung unterstützt.
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Der Fachmann kann nun aus der vorhergehenden Beschreibung erkennen, dass die breiten Lehren der vorliegenden Erfindung in einer Vielzahl von Formen ausgeführt werden können. Beispielsweise sei angemerkt, dass, während die obige Beschreibung darauf gerichtet worden ist, eine Dichtung bereitzustellen, die derart ausgebildet ist, um eine Kathodenüberbrückung zu unterstützen, die Dichtung alternativ so ausgebildet sein kann, um eine Anodenüberbrückung bereitzustellen. Ferner sind die Strömungsfelder 56 und 58 lediglich beispielhaft, und es können andere Strömungsfelder verwendet werden, um mit der Dichtung 60 zusammenzuwirken.
