DE102009040551A1 - Profil einer Randkonstruktion eines Unterdichtungsfensters - Google Patents

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DE102009040551A1
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Chad A. Dammar
Saurabh Vyas
Ronald L. James
Matthew J. Beutel
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Abstract

Eine modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle umfasst eine Elektrolytmembran sowie eine Unterdichtung. Die Unterdichtung maximiert eine Betriebslebensdauer der Elektrolytmembran, wobei nachteiligen Wirkungen einer Membranexpansion während eines Gebrauchs der Brennstoffzelle sowie einer Scherung der Membran unter Kompression der modularen Elektrodenanordnung entgegengewirkt wird.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung und insbesondere Subgaskets bzw. Unterdichtungen, die in Membrananordnungen verwendet sind.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Brennstoffzellensysteme werden bei einer breiten Vielzahl von Anwendungen zunehmend als eine Energiequelle verwendet. Brennstoffzellensysteme sind zur Verwendung in Energieverbrauchern vorgeschlagen worden, wie beispielsweise in Fahrzeugen als ein Ersatz für Verbrennungsmotoren. Ein derartiges System ist in der eigenen U.S. Patentanmeldung Seriennr. 10/418,536 offenbart, die hier durch Bezugnahme hierdurch in ihrer Gesamtheit eingeschlossen ist. Brennstoffzellen können auch als stationäre Anlagen zur Erzeugung elektrischer Energie in Gebäuden und Wohnungen, als tragbare Energie in Videokameras, Computern und dergleichen verwendet werden. Typischerweise erzeugen die Brennstoffzellen Elektrizität, die dazu verwendet wird, Batterien zu laden oder Energie für einen Elektromotor vorzusehen.
  • Brennstoffzellen sind elektrochemische Vorrichtungen, die einen Brennstoff, wie Wasserstoff, mit einem Oxidationsmittel, wie Sauerstoff, kombinieren, um Elektrizität zu erzeugen. Der Sauerstoff wird typischerweise durch einen Luftstrom geliefert. Der Wasserstoff und Sauerstoff werden kombiniert, um in der Bildung von Wasser zu resultieren. Es können andere Brennstoffe verwendet werden, wie beispielsweise Erdgas, Methanol, Benzin und von Kohle abgeleitete synthetische Brennstoffe.
  • Der Begriff ”Brennstoffzelle” wird typischerweise dazu verwendet, entweder eine einzelne Zelle oder eine Mehrzahl von Zellen abhängig vom Kontext, in dem er verwendet wird, zu bezeichnen. Die Mehrzahl von Zellen ist typischerweise miteinander gebündelt und angeordnet, um einen Stapel zu bilden, wobei die Mehrzahl von Zellen üblicherweise in elektrischer Reihe angeordnet sind. Da einzelne Brennstoffzellen in Stapel mit variierenden Größen zusammengebaut werden können, können Systeme konstruiert werden, um ein gewünschtes Energieabgabeniveau zu erzeugen, wodurch eine Flexibilität hinsichtlich der Konstruktion für verschiedene Anwendungen vorgesehen wird.
  • Ein üblicher Typ von Brennstoffzelle ist als eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM) bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst eine vereinheitlichte bzw. modulare Elektrodenanordnung (UEA), die zwischen einem Paar von bipolaren Platten angeordnet ist. Die UEA umfasst Anoden- und Kathodendiffusionsmedien (DM), Anoden- und Kathodenelektroden sowie eine Elektrolytmembran. Die Reihenfolge der UEA-Komponenten ist für den Brennstoffzellenbetrieb kritisch. Entsprechend ist die Reihenfolge der Komponenten: das Anoden-DM, die Anodenelektrode, die Elektrolytmembran, die Kathodenelektrode und das Kathoden-DM. Die Kathoden- und Anodenelektroden umfassen typischerweise einen fein geteilten Katalysator, wie Platin, der auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt ist. Die Elektrolytmembran kann an einem Subgasket bzw. einer Unterdichtung angeordnet sein, die einem Umfang der Brennstoffzellenplatte folgt. Die Unterdichtung kann ein steifer Film mit elektrisch isolierenden Eigenschaften sein. Das DM unterstützt eine Lieferung gasförmiger Reaktanden, typischerweise des Wasserstoffs und des Sauerstoffs, an ein aktives Gebiet, das durch einen inneren Rand der Unterdichtung der UEA definiert ist, für eine elektrochemische Brennstoffzellenreaktion. Das DM unterstützt auch das Management von Wassernebenprodukt innerhalb der Brennstoffzelle. Die Unterdichtungen trennen die Brennstoffzelle in eine Anodenseite und eine Kathodenseite und isolieren die Anodenseite elektrisch von der Kathodenseite. Ein an der Unterdichtung angeordneter Dichtungsabschnitt wirkt einem Entweichen der gasförmigen Reaktanden von der Brennstoffzelle entgegen. Die UEA-Komponenten können aneinander laminiert sein, um die UEA zu bilden.
  • Die UEA ist zwischen dem Paar von bipolaren Platten angeordnet, die als Stromkollektoren für die Brennstoffzelle dienen. Das Paar von bipolaren Platten besitzt jeweils jeweilige Durchlässe und Zufuhrgebiete für die Lieferung und den Austrag der gasförmigen Reaktanden. Die Zufuhrgebiete dienen dazu, die gasförmigen Reaktanden innerhalb der Brennstoffzelle zu verteilen oder zu sammeln. Das Lieferzufuhrgebiet umfasst Lieferdurchlässe, die die gasförmigen Reaktanden von dem Lieferverteiler zu dem aktiven Gebiet der Brennstoffzelle über ein durch eine Vielzahl von Kanälen in der bipolaren Platte geformtes Strömungsfeld verteilen. Das gegenüberliegende oder Auslassende der bipolaren Platte besitzt ein Austragszufuhrgebiet, das Austragsdurchlässe aufweist, an denen gesammelte gasförmige Reaktanden die Brennstoffzelle verlassen und in einen Abgasverteiler eintreten. Die Unterdichtung kann dazu verwendet werden, eine elektrische Isolierung zwischen den bipolaren Platten bereitzustellen. In dem Bereich der Zufuhrgebiete ist die Steifigkeit der Unterdichtung wichtiger Faktor bei der Bildung der richtigen Schnittstelle zwischen der Vielzahl von Strömungskanälen und der Unterdichtung. Die Unterdichtung muss ausreichend steif sein, um so einem Eindringen der Unterdichtung in die Viel zahl von die Zufuhrgebiete bildenden Kanäle und einer Einschränkung der Vielzahl von die Zufuhrgebiete bildenden Kanälen entgegenzuwirken.
  • Der Stapel, der mehr als einhundert Platten enthalten kann, wird komprimiert und die Elemente durch ein beliebiges herkömmliches Befestigungsmittel aneinandergehalten und mit Klemmplatten an den Enden des Stapels verankert. Um einer unerwünschten Leckage von Fluiden entgegenzuwirken, wird der Dichtungsabschnitt zwischen den Plattenanordnungen komprimiert. Der Dichtungsabschnitt ist entlang eines Umfangsrandes beider Seiten der Unterdichtung angeordnet und kann einteilig mit der Unterdichtung ausgebildet sein. Die UEA ist durch die Verwendung von Stapelkompression und einen in der Platte geformten Steg gesichert, der dem Dichtungsabschnitt der UEA entspricht. Unterdichtungen nach dem Stand der Technik haben Konstruktionen mit einer konstanten Dicke von dem aktiven Gebiet einer Brennstoffzelle über den Dichtungsabschnitt und an diesem vorbei besessen. Die Unterdichtungen nach dem Stand der Technik können, trotzdem sie funktional sind, auf vielerlei Wegen eine verkürzte Lebensdauer einer Brennstoffzelle bewirken. Die Unterdichtungen nach dem Stand der Technik können im Vergleich zu einer Dicke der Membran relativ dick sein (eine dicke Unterdichtung). Ein hoher Kontrast einer Dicke zwischen der dicken Unterdichtung und der Membran kann zu einem lokalen Bereich mit hoher Kompression führen. Die lokalen Bereiche mit hoher Kompression können zu gequetschten DM, gerissenen Anoden oder Kathoden, einer Plattenverformung sowie einem Scheren der Elektrolytmembran führen, von denen jedes zu einem vorzeitigen Ausfall der Brennstoffzelle oder schlechten Leistungsfähigkeit derselben führen kann. Alternativ dazu können die Unterdichtungen nach dem Stand der Technik im Vergleich zu einer Dicke der Membran relativ dünn sein (eine dünne Unterdichtung). Ein geringer Kontrast der Dicke zwischen der dünnen Unterdichtung und der Membran kann zu einer übermäßigen Auslenkung der Unterdichtung durch eine Strömung von Reaktandengasen führen.
  • Allgemein kann die Membran an der Unterdichtung infolge einer UEA-Überkompression oder einer UEA-Unterkompression mechanisch Schaden nehmen bzw. ausfallen. Ein Anschwellen der Membran kann die UEA-Überkompression oder die UEA-Unterkompression bewirken. Elektrolytmembranen erfordern bestimmte Feuchteniveaus innerhalb einer Brennstoffzelle für einen richtigen Betrieb. Im Vorgriff auf eine Brennstoffzelleninbetriebnahme oder -abschaltung können die Feuchteniveaus nach Bedarf für eine optimale Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle variiert werden. Membranen innerhalb der Brennstoffzelle können Wasser absorbieren, was bewirkt, dass sich Membranabmessungen mit der Feuchte ändern. Umgekehrt behalten die Unterdichtungen mit Veränderungen der Feuchte eine ausgezeichnete Abmessungsstabilität bei. Insbesondere können eine wiederholte Expansion und Kontraktion der Membran an dem Kontaktrand einer dicken Unterdichtung und der Elektrolytmembran in der Brennstoffzelle zu einer verkürzten Lebensdauer der Brennstoffzelle führen.
  • Ein Ausfall der Membran infolge der UEA-Überkompression kann durch ein Anschwellen der Membran wie auch durch Herstellungsprozesse, die zur Ausbildung der UEA verwendet werden, bewirkt werden. Das Anschwellen der Membran kann eine Länge, eine Breite sowie eine Dicke der Membran beeinträchtigen. Die UEA-Überkompression kann dadurch bewirkt werden, dass die Dicke der Membran infolge des Anschwellens zunimmt. Die Dicke der Membran, die infolge des Anschwellens zunimmt, erzeugt eine Veränderung der Kompressionslast über die UEA. Die Veränderung der Kompressionslast über die UEA erzeugt eine Spannungskonzentration an dem inneren Unterdichtungsrand. Die Spannungskonzent ration an dem inneren Unterdichtungsrand beeinträchtigt eine Lebensdauer der Membran. Zusätzlich kann die Dicke der Membran, die infolge des Anschwellens zunimmt, die Kompressionslast an der UEA in dem Unterdichtungsbereich erhöhen, wodurch eine permanente Verformung der bipolaren Platte sowie des benachbarten DM bewirkt wird.
  • Zusätzlich können die Herstellprozesse der UEA, die Kompressionskräfte erfordern, die Elektrolytmembran schädigen. Eine Herstellung der UEA betrifft typischerweise das Heißpressen der Komponenten, wobei diese miteinander verbunden werden. Das Heißpressen kann zur Folge haben, dass der innere Unterdichtungsrand die Elektrolytmembran entlang des Kontaktrandes der Unterdichtungen und der Elektrolytmembran schert.
  • Eine Scherung in der Elektrolytmembran kann in einer Übertrittsleckage (Verlust einer Barriere von Anoden- zu Kathodengas) oder einem Kurzschluss (wenn benachbarte DM-Lagen oder -Elektroden einen direkten oder elektrischen Kontakt herstellen) resultieren.
  • Ein Ausfall der Membran infolge der UEA-Unterkompression kann in einem überspannten Gebiet benachbart dem inneren Unterdichtungsrand auftreten. Das überspannte Gebiet ist ein Bereich der UEA benachbart des Unterdichtungsrandes, bei dem die Kompressionslast auf die Membran signifikant reduziert oder beseitigt ist. Das DM kann dahingehend wirken, um die durch eine Innenranddicke der Unterdichtung gebildete Stufe zu überbrücken. Das DM kann flexibel über die durch eine Innenranddicke der Unterdichtung gebildete Stufe passen, was in einer keilförmigen Überspannung resultiert, die in dem überspannten Gebiet angeordnet ist. Bei Befeuchtung der Membran können sich die Länge und die Dicke der Membran erhöhen. Die befeuchtete Membran kann in das überspannte Gebiet hinein anschwellen. Infolge der UEA-Unterkompression kann sich die Membran verkrümmen, verbeulen bzw. knicken. Ein Verkrümmen bzw. Knicken der Membran kann bewirken, dass die Anodenelektrode oder die Kathodenelektrode, die daran ausgebildet sind, reißt.
  • Es besteht Bedarf, eine UEA für eine Brennstoffzelle mit einer Unterdichtung herzustellen, wobei die Unterdichtung Wirkungen einer Membranexpansion entgegenwirkt, eine Betriebslebensdauer der UEA verlängert sowie einer Membranscherung während der UEA-Kompression entgegenwirkt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist eine UEA für eine Brennstoffzelle mit einer Unterdichtung, die die Betriebslebensdauer der UEA verlängert sowie nachteiligen Wirkungen einer Membranexpansion und Membranscherung während der UEA-Kompression entgegenwirkt, überraschend entdeckt worden.
  • Bei einer ersten Ausführungsform umfasst die modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle eine Elektrolytmembran sowie eine benachbart der Elektrolytmembran angeordnete Unterdichtung, wobei zumindest ein Abschnitt eines Umfangsrandes der Unterdichtung eine erste Dicke besitzt und ein Rest der Unterdichtung eine zweite Dicke besitzt, wobei die zweite Dicke größer als die erste Dicke ist.
  • Bei einer anderen Ausführungsform umfasst die modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle eine Elektrolytmembran, eine benachbart der Elektrolytmembran angeordnete Unterdichtung, wobei zumindest ein Abschnitt eines Umfangsrandes der Unterdichtung eine erste Dicke besitzt und ein Rest der Unterdichtung eine zweite Dicke besitzt, wobei die zweite Dicke größer als die erste Dicke ist, sowie ein Diffusionsmedium, wobei ein erster Abschnitt des Diffusionsmediums benachbart der Elektrolytmembran angeordnet ist und ein zweiter Abschnitt des Diffusionsmediums benachbart dem Abschnitt des Umfangsrandes der Unterdichtung angeordnet ist.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle eine Elektrolytmembran, eine benachbart der Elektrolytmembran angeordnete Unterdichtung, wobei zumindest ein Abschnitt eines Umfangsrandes der Unterdichtung ein abgeschrägter Abschnitt oder ein gestufter Abschnitt mit einer ersten Dicke ist und ein Rest der Unterdichtung eine zweite Dicke aufweist, wobei die zweite Dicke größer als die erste Dicke ist, und ein Diffusionsmedium, wobei ein erster Abschnitt des Diffusionsmediums benachbart der Elektrolytmembran angeordnet ist und ein zweiter Abschnitt des Diffusionsmediums benachbart dem Abschnitt des Umfangsrandes der Unterdichtung angeordnet ist.
  • ZEICHNUNGEN
  • Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlich, in welchen:
  • 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines in der Technik bekannten illustrativen Brennstoffzellenstapels ist;
  • 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer in 1 gezeigten illustrativen modularen Elektrodenanordnung ist;
  • 3 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht der in 2 gezeigten modularen Elektrodenanordnung entlang der Linie 3-3 ist;
  • 4 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht der in 3 gezeigten modularen Elektrodenanordnung ist, wobei die Elektrolytmembran in einem befeuchteten und verkrümmten Zustand gezeigt ist;
  • 5 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht einer modularen Elektrodenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist; und
  • 6 eine bruchstückhafte Seitenschnittansicht der modularen Elektrodenanordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung auszuführen und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken.
  • 1 zeigt einen illustrativen Brennstoffzellenstapel 10, der ein Paar von UEAs 12 aufweist, die voneinander durch eine elektrisch leitende bipolare Platte 14 getrennt sind. Der Einfachheit halber ist nur ein Zwei-Zellen-Stapel (d. h. eine bipolare Platte) in 1 gezeigt und beschrieben, wobei zu verstehen sei, dass der typische Brennstoffzellenstapel 10 viel mehr derartige Zellen und Bipolarplatten besitzt.
  • Die UEAs 12 und die bipolare Platte 14 sind zwischen einem Paar von Klemmplatten 16, 18 sowie einem Paar unipolarer Endplatten 20, 22 aneinandergestapelt. Die Klemmplatten 16, 18 sind von den Endplatten 20, 22 durch eine Dichtung oder eine dielektrische Beschichtung (nicht gezeigt) elektrisch isoliert. Die unipolare Endplatte 20, beide Arbeitsseiten der bipolaren Platte 14 sowie die unipolare Endplatte 22 umfassen jeweilige aktive Bereiche 24, 26, 28, 30. Die aktiven Bereiche 24, 26, 28, 30 sind typischerweise Strömungsfelder zur Verteilung gasförmiger Reaktanden, wie Wasserstoffgas und Luft, über eine Anode bzw. eine Kathode der UEAs 12.
  • Die bipolare Platte 14 wird typischerweise durch einen herkömmlichen Prozess zum Formen von Blech geformt, wie beispielsweise Stanzen bzw. Prägen, spanabhebendes Bearbeiten, Formgebung oder Photoätzen durch eine photolithographische Maske. Bei einer Ausführungsform wird die bipolare Platte 14 aus unipolaren Platten geformt, die dann durch einen beliebigen herkömmlichen Prozess, wie Schweißen oder Kleben, miteinander verbunden werden. Es sei ferner angemerkt, dass die bipolare Platte 14 auch aus einem Verbund- bzw. Kompositmaterial geformt sein kann. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist die bipolare Platte 14 aus einem Graphit oder einem graphitgefüllten Polymer geformt.
  • Mehrere nichtleitende Dichtungsabschnitte 32, eine Komponente der UEAs 12, wirken einer Brennstoffzellenleckage entgegen und sehen eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 10 vor. Gaspermeable Diffusionsmedien 34 sind benachbart der UEAs 12 angeordnet. Die Endplatten 20, 22 sind ebenfalls jeweils benachbart der Diffusionsmedien 34 angeordnet, während die aktiven Bereiche 26, 28 der bipolaren Platte 14 benachbart des Diffusionsmediums 34 angeordnet sind.
  • Die bipolare Platte 14, die unipolaren Endplatten 20, 22 und die UEAs 12 enthalten jeweils eine Kathodenlieferöffnung 36 und eine Kathodenaustragsöffnung 38, eine Kühlmittellieferöffnung 40 und eine Kühlmittelaustragsöffnung 42 sowie eine Anodenlieferöffnung 44 als auch eine Anodenaustragsöffnung 46. Lieferverteiler und Austragsverteiler des Brennstoffzellenstapels 10 werden durch eine Ausrichtung der jeweiligen Öffnungen 36, 38, 40, 42, 44, 46 in der bipolaren Platte 14, den unipolaren Endplatten 20, 22 und den UEAs 12 geformt. Das Wasserstoffgas wird an einen Anodenlieferverteiler über eine Anodeneinlassleitung 48 geliefert. Die Luft wird an einen Kathodenlieferverteiler des Brennstoffzellenstapels 10 über eine Kathodeneinlassleitung 50 geliefert. Eine Anodenauslassleitung 52 und eine Kathodenauslassleitung 54 sind ebenfalls für einen Anodenaustragsverteiler bzw. einen Kathodenaustragsverteiler vorgesehen. Eine Kühlmitteleinlassleitung 56 ist zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an einen Kühlmittellieferverteiler vorgesehen. Eine Kühlmittelauslassleitung 58 ist zur Entfernung von Kühlmittel von einem Kühlmittelaustragsverteiler vorgesehen. Es sei zu verstehen, dass die Konfigurationen der verschiedenen Einlässe 48, 50, 56 und Auslässe 52, 54, 58 in 1 dem Zwecke der Veranschaulichung dienen und gegebenenfalls andere Konfigurationen gewählt sein können.
  • Die UEAs 12 zur Verwendung in einer Brennstoffzelle können eine Vielzahl von Komponenten aufweisen. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die UEA eine Anode und eine Kathode, eine Elektrolytmembran 60, eine Unterdichtung 62, die Vielzahl von Dichtungsabschnitten 32 sowie das Diffusionsmedium 34. Die Komponenten der UEA 12 werden während der Herstellung der UEA 12 zusammengebaut und aneinander durch einen beliebigen herkömmlichen Prozess, wie beispielsweise Heißpressen, befestigt. Nach Bedarf kann zwischen einzelnen Komponenten ein Klebstoff verwendet werden. Der Deutlichkeit halber sind das Diffusionsmedium 34 und die Elektrolytmembran 60 in den 1 und 2 linear versetzt 12 worden, um die Elektrolytmembran 60 zu zeigen.
  • Die Anode und die Kathode der Brennstoffzelle können durch eine Abgabe einer Katalysatortinte auf die Elektrolytmembran 60 oder das Diffusionsmedium 34 geformt werden. Die Katalysatortinte kann auf die Komponenten durch einen beliebigen herkömmlichen Prozess aufgetragen werden, wie beispielsweise Sprühen, Tauchen, Bürsten, Walzenübertragung, Schlitzdüsenbeschichtung, Gravur- bzw. Tiefdruckbeschichten, Meyerstangenbeschichten, Abziehlagenübertragung sowie Drucken. Die Katalysatortinte wird auf eine Seite der zu der Elektrolytmembran 60 weisenden Komponente aufgetragen. Die Anode oder die Kathode kann als eine Elektrode bezeichnet werden.
  • Die Elektrolytmembran 60 kann eine Membranschicht sein, die aus einem Ionomer geformt ist. Nafion® NRE211 ist ein typisches, in der Technik gut bekanntes Ionomer zur Verwendung als die Elektrolytmembran 60 einer Brennstoffzelle. Die Elektrolytmembran 60 ist an einer ersten Seite oder einer zweiten Seite der Unterdichtung 62 angeordnet. Eine primäre Unterdichtungsöffnung 64, die im Wesentlichen den aktiven Bereichen 24, 26, 28, 30 der Bipolarplatte 14 und der Unipolarplatte 20, 22 entspricht, wird durch die Elektrolytmembran 60 bedeckt.
  • Die Unterdichtung 62 kann aus einem Polymerfilm und in der Form einer Schicht ausgebildet sein. Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann der Polymerfilm aus Polyethylenterephthalat oder Polyethylennaphthalat geformt sein. Genauso gut können andere dünne Filme mit elektrisch isolierenden Eigenschaften verwendet werden, um die Unterdichtung 62 zu bilden. Die Unterdichtung 62 kann im Wesentlichen einem Umfang der bipolaren Platte 14 und der unipolaren Platte 20, 22 folgen und mehrere sekundäre Unterdichtungsöffnungen 66 aufweisen, die darin entsprechend den Öffnungen 36, 38, 40, 42, 44, 46 geformt sind. Die Unterdichtung 62 sieht eine Montagefläche für die Elektrolytmembran 60 und das Diffusionsmedium 34 vor und ermöglicht, dass die bipolare Platte 14 oder die unipolare Platte 20, 22 von einer benachbarten Platte elektrisch isoliert sein kann.
  • Wie in 3 gezeigt ist, können spezifische Abmessungen der Unterdichtung 62 wichtig sein, um eine angemessene Abdichtung zwischen den Platten 14, 20, 22 eines Brennstoffzellenstapels 10 bereitzustellen. Zusätzlich können spezifische Abmessungen notwendig sein, um nachteiligen Wirkungen einer Expansion der Elektrolytmembran 60 sowie einer Scherung der Elektrolytmembran 60 unter Kompression der UEA 12 entgegenzuwirken. In der Technik ist es gut bekannt, dass eine einzelne Dicke 68 der Unterdichtung 62 die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle beeinflussen kann. Ein überspanntes Gebiet 72 kann zwischen dem Diffusionsmedium 34 und der Elektrolytmembran 60 ausgebildet sein. Das überspannte Gebiet ist ein Abschnitt der UEA, der im Vergleich zu den aktiven Bereichen 24, 26, 28, 30 einem geringen Kompressionsdruck ausgesetzt sein kann. Zusätzlich kann das überspannte Gebiet 72 durch einen mangeln den Kontakt zwischen den UEA-Komponenten gekennzeichnet sein. Die Unterdichtung 62, die die einzelne Dicke 68 aufweist, kann zu starr sein, um eine Lebensdauer der UEA 12 zu optimieren. Eine Expansion der Elektrolytmembran 60 kann bewirken, dass ein Kontaktrand 74 die Elektrolytmembran 60 schädigt, wenn die Unterdichtung 62 zu starr ist. Zusätzlich können eine wiederholte Expansion und Kontraktion der Elektrolytmembran 60 eine übermäßige Abnutzung der Elektrolytmembran 60 entlang des Kontaktrandes 74 bewirken, wenn eine UEA-Überkompression vorhanden ist.
  • Das überspannte Gebiet 72 ist ein Hohlraum, der benachbart dem Kontaktrand 74, der Unterdichtung 62, der Elektrolytmembran 60 und dem Diffusionsmedium 34 geformt ist und eine im Wesentlichen dreieckige Querschnittsform besitzt. Es ist eine Minimierung einer Gesamtquerschnittsfläche des überspannten Gebietes 72 erwünscht, um einer übermäßigen Abnutzung und einem vorzeitigen Ausfall der Elektrolytmembran 60 oder des Diffusionsmediums 34 entgegenzuwirken. Wenn die einzelne Dicke 68 zu klein ist, kann die Unterdichtung 62 einer übermäßigen Auslenkung ausgesetzt sein, die durch eine Strömung gasförmiger Reaktanden bewirkt wird, wenn das Diffusionsmedium 34 nicht vorhanden ist. Bei einer übermäßigen Auslenkung kann die Unterdichtung 62 in die aktiven Bereiche 24, 26, 28, 30 der bipolaren Platte 14 oder der unipolaren Platte 20, 22 eintreten und eine gasförmige Reaktandenkommunikation zu und von den aktiven Bereichen 24, 26, 28, 30 der bipolaren Platte 14 oder der unipolaren Platte 20, 22 einschränken. Unterdichtungen nach dem Stand der Technik haben die einzelne Dicke 68 von etwa 0,08 bis 0,13 mm verwendet. Jedoch können andere Dicken verwendet werden.
  • 4 zeigt die Elektrolytmembran 60 in einem befeuchteten und verkrümmten bzw. geknickten Zustand. Bei Befeuchtung kann die Dicke, Länge sowie Breite der Elektrolytmembran 60 zunehmen. Begrenzt durch die Unterdichtung 62, an der die Elektrolytmembran 60 angebracht ist, bewirkt eine Expansion der Elektrolytmembran 60 ein Anschwellen und Verkrümmen der Elektrolytmembran 60 innerhalb des überspannten Gebietes 72. Die Elektrolytmembran 60 schwillt unbehindert in das überspannte Gebiet 72 an, frei von einer im Wesentlichen gleichförmigen Kompressionskraft, die auf die UEA 12 in dem Bereich der Unterdichtung 62 und den aktiven Bereichen 24, 26, 28, 30 ausgeübt wird. Die an der Elektrolytmembran 60 geformten Elektroden können reißen, wenn sich die Elektrolytmembran 60 verkrümmt bzw. knickt. Gleichermaßen kann eine expandierende Dicke der Elektrolytmembran 60 die Kompressionskraft erhöhen, die durch den Kontaktrand 74 auf die Elektrolytmembran 60 ausgeübt wird, was in einer Abquetschung oder einem Reißen in der Elektrolytmembran 60 resultiert. Zusätzlich kann die erhöhte Kompressionskraft aufgrund der expandierenden Elektrolytmembran 60 die Unterdichtung 62 und das Diffusionsmedium 34 in eine benachbarte Brennstoffzellenplatte treiben, wobei die benachbarte Platte oder das Diffusionsmedium 34 beschädigt wird.
  • Eine auf die UEA 12 ausgeübte Kompressionskraft kann ähnliche Ausfälle bewirken. Die Kompressionskraft kann während der Herstellung der UEA 12 erzeugt werden oder kann in dem Brennstoffzellenstapel 10 nach der Montage vorhanden sein. Die Kompressionskraft kann die Elektrolytmembran 60 in den Kontaktrand 74 drücken, was in einem Ausdünnen der Elektrolytmembran 60 resultiert. Gleichermaßen kann die Kompressionskraft die Unterdichtung 62 und das Diffusionsmedium 34 in die benachbarte Brennstoffzellenplatte drücken, wobei die benachbarte Platte oder das Diffusionsmedium 34 beschädigt werden.
  • Wie in den 5 und 6 gezeigt ist, ist ein Randprofil gemäß der vorliegenden Erfindung in die Unterdichtung 62 integriert, das eine erste Dicke 76 und eine zweite Dicke 78 ausbildet. Die zweite Dicke 78 der Unterdichtung ist größer als die erste Dicke 76. Der Rest der Unterdichtung 62 kann im Wesentlichen so geformt sein, dass er die zweite Dicke 78 besitzt. Die zweite Dicke 78 der Unterdichtung 62 kann entlang des Umfangs der bipolaren Platte 14 und der unipolaren Platte 20, 22 und entlang eines Umfangs der Öffnungen 66 der sekundären Unterdichtung 62 angeordnet sein. Die erste Dicke 76 der Unterdichtung 62 kann entlang eines Umfangs der Öffnung der primären Unterdichtung 62 der bipolaren Platte 14 und der unipolaren Platte 20, 22 angeordnet sein. Die erste Dicke 76 kann gegebenenfalls auch entlang anderer Ränder der Unterdichtung 62 angeordnet sein.
  • Günstige Ergebnisse sind erhalten worden, wenn die erste Dicke 76 im Wesentlichen gleich etwa einem Drittel oder weniger von der zweiten Dicke 78 ist. Günstige Ergebnisse sind auch erhalten worden, wenn eine Dicke der Membran 60 im Wesentlichen gleich etwa zwei Dritteln oder weniger von der ersten Dicke 76 ist. Ein Verhältnis von etwa Eins zu Drei für die erste Dicke 76 zu der zweiten Dicke 78 minimiert das überspannte Gebiet 72, ohne die Unterdichtung 62 einer übermäßigen Auslenkung auszusetzen. Zusätzlich ermöglich ein Randprofil gemäß der vorliegenden Erfindung, dass der Profilkontaktrand 82 die erste Dicke 76 im Gegensatz zu der zweiten Dicke 78 besitzt. Ein Profilkontaktrand 82, der eine erste Dicke besitzt, ermöglicht, dass das Diffusionsmedium 34 von der zweiten Dicke 78 auf die erste Dicke 76 übergeht, während das überspannte Gebiet 72 minimiert wird. Als ein nicht beschränkendes Beispiel können die erste Dicke 76 von nicht mehr als 0,03 mm und die zweite Dicke 78 von 0,08 mm für die aktiven Bereiche 24, 26, 28, 30 und die Zufuhrgebiete der jeweiligen Platten 14, 20, 22 besonders nützlich sein. Als ein zweites nicht beschränkendes Beispiel kann das Randprofil mit einer Übergangslänge 80 im Bereich von 0,5 bis 1,0 mm von der ersten Dicke 76 auf die zweite Dicke 78, wie durch eine Steifigkeit des Diffusionsmediums 34 bestimmt ist, das überspannte Gebiet 72 minimieren, ohne die Unterdichtung 62 einer übermäßigen Auslenkung auszusetzen. Als ein drittes nicht beschränkendes Beispiel kann das Randprofil mit einer Übergangslänge 80 von im Wesentlichen gleich einem Fünffachen einer Differenz der zweiten Dicke 78 und der ersten Dicke 76, wie durch eine Steifigkeit des Diffusionsmediums 34 bestimmt ist, das überspannte Gebiet 72 minimieren, ohne die Unterdichtung 62 einer übermäßigen Auslenkung auszusetzen.
  • Das Randprofil kann durch eine Abschrägung oder eine Stufe geformt sein, die in der Unterdichtung geformt ist. Die abgeschrägte Randprofilkonstruktion ist in 5 gezeigt, und das gestufte Randprofil ist in 6 gezeigt. Die Unterdichtung 62, die die Abschrägung oder die Stufe aufweist, kann durch einen beliebigen herkömmlichen Prozess geformt sein, wie durch Thermoformen, Laserablation sowie Dünnfilmlaminierung. Die Unterdichtung 62 kann thermogeformt werden, um die Abschrägung oder die Stufe zu enthalten. Wenn die Unterdichtung 62 thermogeformt ist, wird eine Lage eines dünnen Filmes erhitzt und an eine Formfläche gepresst. Wenn der dünne Film abgekühlt ist, wird überschüssiges Material durch Zuschneiden entfernt. Alternativ dazu kann das Material von der Unterdichtung 62 entfernt werden, um die Abschrägung oder die Stufe zu bilden. Eine nicht fertig gestellte Unterdichtung, die die zweite Dicke 78 besitzt, kann einem Laser ausgesetzt werden, um die Abschrägung oder die Stufe zu bilden. Als Laserablation bekannt sublimiert der Prozess den dünnen Film, um die fertig gestellte Unterdichtung 62 zu bilden. Ferner kann die Unterdichtung 62 aus mehreren Schichten aufgebaut sein, wobei eine der Schichten die erste Dicke 76 besitzt und beide Schichten die zweite Dicke 78 aufweisen. Die Schichten können aus einem Polymerfilm oder anderen Dünnfilmen mit elektrisch isolierenden Eigenschaften geformt sein. Ein Klebstoff, ein Epoxid bzw. Epoxidharz sowie ein Heißschmelzklebstoff werden auf zumindest eine der Schichten aufgebracht, die anschließend an einer anderen Schicht angeordnet wird. Alternativ dazu können mehrere Schichten miteinander verschweißt werden, wenn dies eine Materialeigenschaft der mehreren Schichten zulässt. Die aneinander laminierten Schichten bilden die Unterdichtung 62. Als Dünnfilmlaminierung bekannt kann der Prozess dazu verwendet werden, die Unterdichtung 62 so zu formen, dass sie die Stufe aufweist.
  • Die mehreren Dichtungsabschnitte 32 können aus einem nachgiebigen Material geformt und an einer Seite der Unterdichtung 62 angeordnet sein. Die Dichtungsabschnitte 32 können einteilig mit der Unterdichtung 62 geformt sein oder können separat geformt und durch die Aufbringung eines Klebstoffes, eines Epoxids bzw. Epoxidharzes oder eines Heißschmelzklebstoffes auf die Dichtungsabschnitte 32 oder die Unterdichtung 62 angebracht werden. Die Dichtungsabschnitte 32 können entlang des Umfangs der bipolaren Platte 14 und der unipolaren Platte 20, 22 und um die sekundären Unterdichtungsöffnungen 66 angeordnet sein. Wenn der Brennstoffzellenstapel 10 unter einer Kompressionskraft steht, wirken die Dichtungsabschnitte 32 einer Brennstoffzellenleckage entgegen und sehen eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellenstapels 10 vor.
  • Die Diffusionsmedien 34 sind an einer Seite der Unterdichtung 62 angeordnet und können aus einem leitenden und gasdurchlässigen Material geformt sein, wie Kohlenstoffgewebe oder -papier. Die Diffusionsmedien 34 dienen als Stromkollektoren für die Anode und die Kathode und sehen auch eine mechanische Abstützung für die Elektrolytmembran 60 vor. Die Diffusionsmedien 34 umschließen einen Bereich, der größer als die primä re Unterdichtungsöffnung 64 ist, und überlappen das Randprofil. Die Diffusionsmedien 34 können sich im Wesentlichen nach außen an dem Randprofil vorbei in Richtung zumindest einem der Dichtungsabschnitte 32 erstrecken. Während der Herstellung der UEA 12 können die Diffusionsmedien 34 teilweise mit der Unterdichtung 62 verbunden sein.
  • Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt worden sind, sei dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt werden können, der ferner in den folgenden angefügten Ansprüchen beschrieben ist.

Claims (20)

  1. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle, umfassend: eine Elektrolytmembran; und eine Unterdichtung, die benachbart der Elektrolytmembran angeordnet ist, wobei zumindest ein Abschnitt eines Umfangsrandes der Unterdichtung eine erste Dicke besitzt und ein Rest der Unterdichtung eine zweite Dicke besitzt, wobei die zweite Dicke größer als die erste Dicke ist.
  2. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, ferner mit einem Diffusionsmedium, wobei ein erster Abschnitt des Diffusionsmediums benachbart der Elektrolytmembran angeordnet ist und ein zweiter Abschnitt des Diffusionsmediums benachbart dem Abschnitt des Umfangsrandes der Unterdichtung angeordnet ist.
  3. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei zumindest der Abschnitt des Umfangsrandes der Unterdichtung ein abgeschrägter Abschnitt oder ein gestufter Abschnitt ist.
  4. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei eine Breite des abgeschrägten Abschnittes oder des gestuften Abschnittes zwischen 0,5 mm und 1,0 mm liegt.
  5. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 3, wobei eine Breite des abgeschrägten Abschnittes oder des gestuften Abschnittes etwa einem Fünffachen einer Differenz der zweiten Dicke und der ersten Dicke entspricht.
  6. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Unterdichtung aus einem Polymerfilm geformt ist.
  7. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Unterdichtung durch Thermoformen, Laserablation oder Laminierung hergestellt ist.
  8. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die Elektrolytmembran oder das Diffusionsmedium einen daran angeordneten Katalysator aufweisen, wobei eine Anode und eine Kathode gebildet wird.
  9. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die erste Dicke kleiner als etwa 0,025 mm ist oder etwa 0,025 mm entspricht.
  10. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 2, wobei die Membrananordnung durch Heißpressen der Elektrolytmembran, der Unterdichtung und des Diffusionsmediums hergestellt ist.
  11. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Unterdichtung einen Dichtungsabschnitt aufweist, der entlang eines Umfangsrandes der Unterdichtung angeordnet ist.
  12. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die erste Dicke im Wesentlichen gleich etwa einem Drittel der zweiten Dicke ist.
  13. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die erste Dicke einen Rand des aktiven Bereiches der Elektrolytmembran definiert.
  14. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle, umfassend: eine Elektrolytmembran; eine Unterdichtung, die benachbart der Elektrolytmembran angeordnet ist, wobei zumindest ein Abschnitt eines Umfangsrandes der Unterdichtung eine erste Dicke besitzt und ein Rest der Unterdichtung eine zweite Dicke besitzt, wobei die zweite Dicke größer als die erste Dicke ist; und ein Diffusionsmedium, wobei ein erster Abschnitt des Diffusionsmediums benachbart der Elektrolytmembran angeordnet ist und ein zweiter Abschnitt des Diffusionsmediums benachbart dem Abschnitt des Umfangsrandes der Unterdichtung angeordnet ist.
  15. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei zumindest der Abschnitt des Umfangsrandes der Unterdichtung ein abgeschrägter Abschnitt oder ein gestufter Abschnitt ist.
  16. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei eine Breite des abgeschrägten Abschnittes oder des gestuften Abschnittes zwischen 0,5 mm und 1,0 mm liegt.
  17. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei eine Breite des abgeschrägten Abschnittes oder des gestuften Abschnittes dem etwa Fünffachen einer Differenz der zweiten Dicke und der ersten Dicke entspricht.
  18. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei die erste Dicke kleiner als 0,025 mm ist oder etwa 0,025 mm entspricht.
  19. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle nach Anspruch 14, wobei die erste Dicke einen Rand eines aktiven Bereiches der Elektrolytmembran definiert.
  20. Modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle, umfassend: eine Elektrolytmembran; eine Unterdichtung, die benachbart der Elektrolytmembran angeordnet ist, wobei zumindest ein Abschnitt eines Umfangsrandes der Unterdichtung ein abgeschrägter Abschnitt oder ein gestufter Abschnitt mit einer ersten Dicke ist und ein Rest der Unterdichtung eine zweite Dicke besitzt, wobei die zweite Dicke größer als die erste Dicke ist; und ein Diffusionsmedium, wobei ein erster Abschnitt des Diffusionsmediums benachbart der Elektrolytmembran angeordnet ist und ein zweiter Abschnitt des Diffusionsmediums benachbart dem Abschnitt des Umfangsrandes der Unterdichtung angeordnet ist.
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