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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung
und insbesondere Subgaskets bzw. Unterdichtungen, die in Membranbrennstoffzellenanordnungen
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 bereitzustellen.
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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 kombinie ren sich, 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 aus Baueinheiten
aufgebaute bzw. modulare Elektrodenanordnung (UEA, von engl.: ”unitized electrode
assembly”),
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 gegen ein Subgasket bzw.
eine Unterdichtung angeordnet sein, die einen Umfang der Brennstoffzellenplatte
umreißt.
Die Unterdichtung kann ein steifer Film nach Bedarf 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 Stromsammler bzw. -kollektoren für die Brennstoffzelle dienen.
Jede der bipolaren Platten besitzt Durchlässe und Zufuhrgebiete zur Lieferung
und zum 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 einem 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 Austragsverteiler 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 ein 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 Beschränkung
der Strömung
in die 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
aneinander gehalten und mit Klemmplatten an den Enden des Stapels
verankert. Um der 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, was 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 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 einer verkürzten
Lebensdauer 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 Un terdichtung und
der Membran kann zu einer übermäßigen Auslenkung
der Unterdichtung durch eine Strömung
von Reaktandengasen führen.
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Allgemein
kann die Lebensdauer der Membran infolge einer UEA-Überkompression oder einer UEA-Unterkompression
verkürzt
werden. 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 bei 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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Eine 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 Spannungskonzentration 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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Eine
Unterkompression kann in einem zeltartigen Gebiet benachbart dem
inneren Unterdichtungsrand auftreten. Das zeltartige Gebiet ist
ein Bereich der UEA benachbart des Unterdichtungsrandes, bei dem
die Kompressionslast auf die Membran signifikant reduziert oder
beseitigt ist. Das DM kann so wirken, dass die durch eine Innenranddicke
der Unterdichtung gebildete Stufe überbrückt wird. Das DM kann flexibel über die
durch eine Innenranddicke der Unterdichtung gebildete Stufe passen,
was in einer keilförmigen Überspannung
resultiert, die in dem zeltartigen Gebiet angeordnet ist. Bei Befeuchtung der
Membran können
sich die Länge
und die Dicke der Membran erhöhen.
Die befeuchtete Membran kann in das zeltartige Gebiet hinein anschwellen.
Infolge der UEA-Unterkompression
kann sich die Membran wölben.
Ein Wölben
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, bei der
die Wirkungen einer Spannung auf die Membran, die durch die Feuchteänderung
derselben bewirkt wird, minimiert sind, um eine Betriebslebensdauer der
UEA zu verlängern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Mit
der vorliegenden Erfindung ist überraschend
eine UEA für
eine Brennstoffzelle mit einer Unterdichtung entdeckt worden, bei
der die Wirkungen einer Spannung auf die Membran, die durch die Feuchteänderung
derselben bewirkt wird, minimiert sind, um eine Betriebslebensdauer
der UEA zu verlängern.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
umfasst eine modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle eine
Elektrolytmembran; eine Unterdichtung, die benachbart der Elektrolytmembran
angeordnet ist; und einen Dichtungswulst, der benachbart der Unterdichtung
und der Elektrolytmembran angeordnet ist, wobei der Dichtungswulst
derart angepasst ist, um einer Auslenkung der Elektrolytmembran
während
eines Betriebs einer Brennstoffzelle entgegenzuwirken.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
umfasst eine modulare Elektrodenanordnung für eine Brennstoffzelle eine
Elektrolytmembran; eine Unterdichtung, die benachbart der Elektrolytmembran
angeordnet ist; ein Diffusionsmedium mit einem ersten Abschnitt,
der benachbart der Elektrolytmembran angeordnet ist, und einem zweiten
Abschnitt, der benachbart einem Abschnitt der Unterdichtung angeordnet ist;
und einen Dichtungswulst, der benachbart der Unterdichtung und der
Elektrolytmembran angeordnet ist, wobei der Dichtungswulst derart
angepasst ist, um einer Auslenkung der Elektrolytmembran während eines
Betriebs einer Brennstoffzelle durch Füllen eines zwischen dem Diffusionsmedium,
dem Dichtungswulst und der Unterdichtung erzeugten Hohlraums entgegenzuwirken.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
umfasst ein Verfahren zum Ausbilden einer modularen Elektrodenanordnung
für eine
Brennstoffzelle die Schritte, dass eine Elektrolytmembran bereitgestellt
wird; eine Unterdichtung bereitgestellt wird, die benachbart der
Elektrolytmembran angeordnet ist; ein Diffusionsmedium bereitgestellt
wird, das einen ersten Abschnitt, der benachbart der Elektrolytmembran
angeordnet ist, und einen zweiten Abschnitt aufweist, der benachbart
einem Abschnitt der Unterdichtung angeordnet ist; eine Dichtungswulst
bereitgestellt wird, die benachbart der Unterdichtung und der Elektrolytmembran
angeordnet ist, wobei die Dichtungswulst derart angepasst ist, um
einer Auslenkung der Elektrolytmembran während eines Betriebs einer Brennstoffzelle
entgegenzuwirken; und die Membran, die Unterdichtung, das Diffusionsmedium
und der Dichtungswulst, die zusammengebaut sind, heißgepresst
werden, wobei ein Hohlraum, der durch die Membran, das Diffusionsmedium
und die Unterdichtung, die zusammengebaut sind, erzeugt wird, durch den
Dichtungswulst während
des Heißpressens
gefüllt
wird.
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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 gewölbten
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 in 1 nur ein zwei Zellen umfassender
Stapel (d. h. eine einzelne Bipolarplatte) veranschau licht und beschrieben,
wobei zu verstehen sei, dass der typische Brennstoffzellenstapel
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, 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. Gaspermeable Diffusionsmedien 34 sind benachbart
der UEAs 12 angeordnet. Die Endplatten 20, 22 sind
ebenfalls jeweils benachbart dem Diffusionsmedium 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
Zweck der Veranschaulichung dienen und gegebenenfalls andere Konfigurationen ausgesucht
werden 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 12 eine Anode und eine Kathode, eine
Elektrolytmembran 60, eine Unterdichtung 62 und
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 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. Das Ionomer Perfluorsulfonsäure (PFSA),
wie mit der Handelsbezeichnung Nafion® NRE211
vertrieben wird, ist ein typisches Ionomer, das in der Technik zur Verwendung
als die Elektrolytmembran 60 einer Brennstoffzelle gut
bekannt ist. Die Elektrolytmembran 60 wird 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 einer sein, der aus Polyethylenterephthalat
oder Polyethylennaphthalat geformt ist. 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
und eines Scherens der Elektrolytmembran 60 unter Kompression
der UEA 12 entgegenzuwirken. In der Technik ist es gut
bekannt, dass die Dicke der Unterdichtung 62 die Brennstoffzellenleistungsfähigkeit
beeinflussen kann, und die Dicke der Unterdichtung 62 sollte
daher optimiert werden. Ein zeltartiges Gebiet 72 kann
zwischen dem Diffusionsmedium 34 und der Elektrolytmembran 60 ausgebildet sein.
Das zeltartige Gebiet 72 ist ein Abschnitt der UEA 12,
der im Vergleich zu den aktiven Bereichen 24, 26, 28, 30 einem
geringen Kompressionsdruck ausgesetzt sein kann. Zusätzlich kann
das zeltartige Gebiet 72 durch einen mangelnden Kontakt
zwischen den Komponenten der UEA 12 gekennzeichnet sein.
Die Unterdichtung 62 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 einklemmt,
wenn die Unterdichtung 62 zu starr ist. Zusätzlich können eine
wiederholte Expansion und Kontraktion der Elektrolytmembran 60 einen übermäßigen Verschleiß der Elektrolytmembran 60 entlang des
Kontaktrandes 74 bewirken, wenn eine UEA-Überkompression vorhanden ist.
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Das
zeltartige Gebiet 72 ist ein Hohlraum, der benachbart dem
Kontaktrand 74 der Elektrolytmembran 60, der Unterdichtung 62 und
dem Diffusionsmedium 34 geformt ist, und besitzt eine im
Wesentlichen dreieckige Querschnittsform. Es ist eine Minimierung
eines Gesamtvolumens des zeltartigen Gebietes 72 erwünscht, um
einem übermäßigen Verschleiß und einer
verkürzten
Lebensdauer der Elektrolytmembran 60 oder des Diffusionsmediums 34 entgegenzuwirken.
Wenn die Dicke der Unterdichtung 62 zu klein ist, kann
die Unterdichtung 62 einer übermäßigen Auslenkung ausgesetzt
sein, die durch eine Strömung
gasförmiger
Reaktanden bewirkt wird, wo 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 Kommunikation gasförmiger
Reaktanden zu und von den aktiven Bereichen 24, 26, 28, 30 der
bipolaren Platte 14 oder der unipolaren Platte 20, 22 einschränken.
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4 zeigt
die Elektrolytmembran 60 in einem befeuchteten und ausgelenkten
oder gewölbten 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 Wölben
der Elektrolytmembran 60 innerhalb des zeltartigen Gebietes 72.
Die Elektrolytmembran 60 schwillt unbehindert in das zeltartige
Gebiet 72 an und zwar frei von einer im Wesentlichen gleichförmigen Kompressionskraft,
die auf die UEA 12 in dem Bereich der Unterdichtung 62 und
der aktiven Bereiche 24, 26, 28, 30 ausgeübt wird.
Die an der Elektrolytmembran 60 geformten Elektroden können reißen, wenn
sich die Elektrolytmembran 60 wölbt. 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 ein Verschleiß an
der benachbarten Platte oder dem Diffusionsmedium 34 bewirkt
wird.
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Eine
auf die UEA 12 ausgeübte
Kompressionskraft kann ähnliche
Probleme 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 an
den Kontaktrand 74 treiben, was in einem Ausdünnen der
Elektrolytmembran 60 resultiert. Gleichermaßen kann
die Kompressionskraft bewirken, dass die Unterdichtung 62 und
das Diffusionsmedium 34 gegen die benachbarte Brennstoffzellenplatte pressen,
wobei ein Verschleiß an
der benachbarten Platte oder dem Diffusionsmedium 34 bewirkt
wird.
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Wie
in den 5 und 6 gezeigt ist, ist ein Dichtungswulst 76 gemäß der vorliegenden
Erfindung in die UEA 12 integriert. Der Dichtungswulst 76 ist
benachbart der Unterdichtung 62, dem Diffusionsmedium 34 und
der Elektrolytmembran 60 angeordnet. Der Dichtungswulst 76 ist
derart angepasst, um das zeltartige Gebiet 72 im Wesentlichen
zu füllen, wenn
die Komponenten der UEA 12 zusammengebaut sind. Ein Volumen
des Dichtungswulstes 76 ist optimiert, um den Hohlraum
in dem zeltartigen Gebiet 72 zu minimieren, ohne die Unterdichtung 62 einer übermäßigen Auslenkung
auszusetzen.
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Die
Diffusionsmedien 34 sind auf einer Seite der Unterdichtung 62 angeordnet
und können
aus einem leitenden und gaspermeablen Material, wie Kohlenstoffgewebe
oder Papier, geformt sein. 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 eine Fläche, die größer ist, als die primäre Unterdichtungsöffnung 64,
und überlappen
das Randprofil.
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Der
Dichtungswulst 76 kann beispielsweise aus einem Ionomer,
wie einem Heißschmelzklebstoff, einem
Klebstoff der b-Stufe, Ethylenvinylacetat, Polyvinylidendifluorid
und einem drucksensitiven Klebstoff bzw. Haftklebstoff, und anderen
herkömmlichen Klebstoffen,
die ähnliche
Eigenschaften besitzen, geformt sein. Das Ionomer kann mit einem
Additiv dotiert sein, das derart angepasst ist, um der Schädigung von
Randabschnitten der UEA 12 entgegenzuwirken, ähnlich dem
dotierten Ionomer der eigenen Patentanmeldung Seriennummer 11/557,592,
die hierdurch in ihrer Gesamtheit hier durch Bezugnahme eingeschlossen
ist. Das Additiv kann Cer, Mangan, Vanadium, Platin, Ruthenium,
Zirkonium, Nickel, Chrom, Wolfram, Kobalt, Molybdän oder Zinn
sein. Das Additiv in dem Ionomer-Dichtungswulst 76 kann in Äquivalenzverhältnissen
von Metall in dem Additiv zu Säure
in dem Ionomer in einem Bereich von einem Verhältnis von etwa 0,02 bis etwa
0,3 beigefügt
werden. Das Äquivalenzverhältnis ist
als die Moläquivalente
des Metalls in dem Additiv (beispielsweise drei Mol Ce3+)
geteilt durch die Mol Säure
in dem Ionomer (beispielsweise ein Mol H+) definiert. Das Additiv kann
dem Dichtungswulst 76 in einer Salzform beigefügt werden,
wie beispielsweise Cernitrat, Cersulfat oder Cercarbonat. Das Additiv
wird dem Dichtungswulst 76 beigefügt, um das Additiv in Randabschnitte der
UEA 12 einzuführen,
die für
eine Schädigung
anfällig
sind, um deren Schädigung
entgegenzuwirken. Ränder,
an denen die Unterdichtung 62 mit der Elektrolytmembran 60 und
dem Diffusionsmedium 34 in Kontakt steht, sind beispielsweise
Abschnitte der UEA 12, die für eine Schädigung anfällig sind.
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Der
Dichtungswulst 76 kann manuell auf einen äußeren Umfangsrand
des Diffusionsmediums 34 vor einem Zusammenbau der UEA 12 unter
Verwendung herkömmlicher
Verfahren, wie beispielsweise durch Verwendung einer Spritze, aufgebracht werden.
Der Dichtungswulst 76 kann auf das Diffusionsmedium 34 auch
durch einen Siebdruckprozess aufgetragen werden. Der Dichtungswulst 76 wird
jedem Rand des Diffusionsmediums 34 beigefügt, der an
der Unterdichtung 62 angrenzt oder der sich benachbart
einem zeltartigen Gebiet 74 befindet. Der Dichtungswulst 74 kann
auf eine Seite des Diffusionsmediums 34, wie in 5 gezeigt
ist, aufgetragen werden, oder ein Dichtungswulst 74 kann
auf jeder Seite des Diffusionsmediums 34 geformt werden,
wie in 6 gezeigt ist. Die UEA 12 wird unter
Verwendung von Heißpressen
zusammengebaut, um die Komponenten derselben miteinander zu verbinden. Da
die Komponenten der UEA 12 aneinander heißgepresst
werden, erweicht das den Dichtungswulst 76 bildende Material
und wird während
des Heißpressens
veranlasst, den Hohlraum des zeltartigen Gebiets 72 zu
füllen.
Durch Füllen
des zeltartigen Gebietes 72 wird eine Auslenkung oder ein
Wölben
der Elektrolytmembran 60 während des Brennstoffzellenbetriebs
minimiert, wodurch eine Spannung auf die Elektrolytmembran 60 minimiert
wird, die durch die Wirkungen einer Feuchteänderung daran bewirkt wird,
und eine Betriebslebensdauer der UEA 12 verlängert wird.
Alternativ dazu kann der Dichtungswulst 76 an der Unterdichtung 62 vor
dem Zusammenbau und dem Heißpressen
der UEA 12 geformt werden. Der Dichtungswulst 76 kann
zwischen der Unterdichtung 62 und einem entfernbaren Substrat
geformt werden. Vor dem Heißpressen
wird das Substrat entfernt, um den Dichtungswulst 76 freizulegen
und damit einen Kontakt zwischen dem Dichtungswulst 76 und
der Elektrolytmembran 60 zur Erwärmung und zum Heißpressen
zu unterstützen.
Der Dichtungswulst 76 kann auch auf die Unterdichtung 62 aufgetragen
werden, sobald die Unterdichtung 62 während des Zusammenbaus benachbart
der Elektrolytmembran 60 positioniert wird, wodurch die
Unterdichtung 62 und die Elektrolytmembran 60 aneinander
geklebt werden.
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Während bestimmte
repräsentative
Ausführungsformen
und Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung
gezeigt worden sind, sei dem Fachmann offenstlichtlich, dass verschiedene Änderungen
ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt werden
können,
der ferner in den folgenden angefügten Ansprüchen beschrieben ist.