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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung
und insbesondere Subgaskets bzw. Unterdichtungen, die in Membrananordnungen
verwendet sind.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZEICHNUNGEN
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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:
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1 eine
perspektivische Explosionsdarstellung eines in der Technik bekannten
illustrativen Brennstoffzellenstapels ist;
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2 eine
perspektivische Explosionsdarstellung einer in 1 gezeigten
illustrativen modularen Elektrodenanordnung ist;
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3 eine
bruchstückhafte
Seitenschnittansicht der in 2 gezeigten
modularen Elektrodenanordnung entlang der Linie 3-3 ist;
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4 eine
bruchstückhafte
Seitenschnittansicht der in 3 gezeigten
modularen Elektrodenanordnung ist, wobei die Elektrolytmembran in
einem befeuchteten und verkrümmten
Zustand gezeigt ist;
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5 eine
bruchstückhafte
Seitenschnittansicht einer modularen Elektrodenanordnung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung ist; und
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6 eine
bruchstückhafte
Seitenschnittansicht der modularen Elektrodenanordnung gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.