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HINTERGRUND
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(a) Technisches Gebiet
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Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Brennstoffzellenstapel mit einer Wasserablaufanordnung, welche kondensiertes Wasser effektiv abfließen lassen und verhindern kann, dass Wasser in Elementarzellen fließen kann, durch Verbinden einer Endanodenplatte (end anode plate – EAP) und einer Endkathodenplatte (end cathode plate – ECP), welche durch Abändern einer bestehenden Anodenplatte (AP) beziehungsweise einer Kathodenplatte (CP) in eine Dummy-Zelle und Anordnen der Dummy-Zelle an einem Endzellabschnitt gebildet werden.
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(b) Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle ist ein Elektrizitätserzeugungssystem, das die chemische Energie direkt in elektrische Energie in einem Brennstoffzellenstapel elektrochemisch umwandelt, anstatt chemische Energie eines Brennstoffs durch Verbrennung in Wärme umzuwandeln. Insbesondere strömen die Reaktionspartner in die Zelle und die Reaktionsprodukte strömen aus ihr heraus, während der Elektrolyt in ihr verbleibt. In bestimmten Ausführungsformen kann die Brennstoffzelle als eine elektrische Stromversorgung von kleinen elektrischen und elektronischen Geräten, zum Beispiel tragbaren Geräten, wie auch für industrielle Anwendungen und Hausgeräte und Fahrzeuge dienen.
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Batterien und Brennstoffzellen unterscheiden sich darin, dass in einer Brennstoffzelle der Reaktionspartner von einer externen Quelle verbraucht wird und nachgefüllt werden muss, d. h. es ist ein thermodynamisch offenes System. Im Gegensatz dazu speichern Batterien elektrische Energie chemisch und stellen daher ein thermodynamisch geschlossenes System dar, welches keinen Reaktionspartner von einer externen Quelle verbraucht.
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Es sind viele Kombinationen von Brennstoffen und Oxidationsmitteln möglich. Zum Beispiel verwendet eine Wasserstoff-Brennstoffzelle Wasserstoff als ihren Brennstoff und Sauerstoff (gewöhnlich aus der Luft) als ihr Oxidationsmittel. Eine der am meisten verwendeten Brennstoffzellen für ein Fahrzeug ist eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle oder eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (polymer electrolyte membrane fuel cell – PEMFC), welche einen Brennstoffzellenstapel mit einer Membranelektrodenanordnung (membrane electrode assembly – MEA), eine Gasdiffusionsschicht (gas diffusion layer – GDL), eine Dichtung, ein Dichtungsmittel und eine oder mehrere Bipolarplatten (bipolar plates – BP) umfasst. Genauer gesagt umfasst die MEA eine Polymerelektrolytmembran, durch welche Wasserstoffionen (d. h. Protonen) transportiert werden. Eine Elektroden-/Katalysatorschicht, in welcher eine elektrochemische Reaktion stattfindet, ist auf jeder der beiden Seiten der Polymerelektrolytmembran angeordnet. Die GDL dient dazu, die Reaktionsgase gleichmäßig zu diffundieren und die erzeugte Elektrizität zu leiten, und die Dichtung dient dazu, eine geeignete Dichtheit für Reaktionsgase und Kühlmittel bereitzustellen. Das Dichtungsmittel dient andererseits dazu, einen geeigneten Anpressdruck bereitzustellen. Jede Bipolarplatte dient letztendlich dazu, die MEA und GDL zu tragen, erzeugte Elektrizität zu sammeln und zu leiten, Reaktionsgase zu übertragen, Reaktionsprodukte zu übertragen und zu beseitigen, und Kühlmittel zu leiten, um Reaktionswärme etc. zu beseitigen.
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Der Brennstoffzellenstapel besteht insbesondere aus einer Mehrzahl von Elementarzellen, wobei jede der Elementarzellen eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyt (Elektrolytmembran) umfasst. Wasserstoff wird als Brennstoff der Anode durch ein Strömungsfeld der Anodenplatte (AP) zugeführt und Sauerstoff wird als Oxidationsmittel der Kathode durch ein Strömungsfeld der Kathodenplatte (C2) zugeführt. Der Wasserstoff, der der Anode zugeführt wird, wird in Wasserstoffionen (Protonen, H–) und Elektronen (e–) durch einen Katalysator dissoziiert, der in der Elektroden-/Katalysatorschicht angeordnet ist. Die Wasserstoffionen werden zu der Kathode durch die Elektrolytmembran übertragen, welche eine Kationenaustauschmembran ist, und die Elektronen werden zu der Kathode durch die GDL und die Bipolarplatte übertragen. An der Kathode reagieren die durch die Elektrolytmembran zugeführten Wasserstoffionen und die durch die Bipolarplatte übertragenen Elektronen mit dem der Kathode zugeführten Sauerstoff in der Luft, um Wasser zu erzeugen. Eine Migration der Wasserstoffionen verursacht, dass Elektronen durch eine externe Leitung fließen, was Elektrizität und Wärme erzeugt.
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5 zeigt ein Beispiel eines typischen Brennstoffzellenstapels 1 und 6 zeigt eine Anodenplatte (AP) 10, eine der Bipolarplatten (BP), die in dem Brennstoffzellenstapel verwendet werden.
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Der Brennstoffzellenstapel 1 weist eine Struktur auf, in welcher eine Mehrzahl von Elementarzellen 5 miteinander in Reihe geschaltet sind, in welcher Luft und Wasserstoff, die benötigt werden um Elektrizität zu erzeugen, einem Ende des Brennstoffzellenstapels 1 zugeführt und von einem Ende des Brennstoffzellenstapels 1 abgeführt werden.
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Genauer gesagt können die Luft und der Wasserstoff in eine offene Endplatte (end plate – EP) 3 mit zahlreichen Öffnungen durch einen gemeinsamen Verteiler 2 zugeführt werden, durch eine Leistungserzeugungseinheit 7 zirkuliert werden, und durch die offene EP 3 abgeführt werden. Hierbei wird in einer Kathodenschleife die Luft dem Brennstoffzellenstapel 1 durch einen Luftbefeuchter (nicht gezeigt) zugeführt und wird dann zu der Außenseite des Fahrzeugs durch den Luftbefeuchter abgeführt. Darüber hinaus wird in einer Anodenschleife der Wasserstoff von einem Wasserstofftank (nicht gezeigt) dem Brennstoffzellenstapel 1 durch ein Brennstoffverarbeitungssystem (fuel processing system – FPS, nicht gezeigt) zugeführt, und der verbleibende Wasserstoff, der von dem Brennstoffzellenstapel 1 abgeführt wird, wird kontinuierlich durch das FPS und den Brennstoffzellenstapel 1 zirkuliert.
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Jede Elementarzelle 5 der Leistungserzeugungseinheit 7 weist eine Struktur auf, in welcher die Anodenplatte (AP), eine erste GDL, die MEA, eine zweite GDL und die Kathodenplatte (CP) aufeinanderfolgend gestapelt sind. Wie in 6 gezeigt, weisen jede der Anodenplatten (AP) 10 und der Kathodenplatten (CP) Verteiler 12, 14 und 16 auf, die an beiden Enden hiervon vorgesehen sind, durch welche Wasserstoff, Kühlmittel beziehungsweise Luft durchströmen.
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In dem Fall der Anodenplatte (AP) 10, sind wie in 6 gezeigt Wasserstoffeinlass/-Auslass-Öffnungen 13, die mit dem Wasserstoffverteiler verbunden sind, derart gebildet, dass der Wasserstoff durch ein Wasserstoffströmungsfeld 15 durchströmen kann, das auf einer Reaktionsfläche der Anodenplatte (AP) 10 gebildet ist. Eine Dichtung 18, die die äußeren Ränder der Anodenplatte (AP) 10 und die Verteiler 12, 14 und 16 umgibt, halten die Dichtheit von Fluiden aufrecht, die durch die Verteiler 12, 14 und 16 und das Wasserstoffströmungsfeld 15 durchströmen, und auf diese Weise kann lediglich der durch den Wasserstoffverteiler 12 durchströmende Wasserstoff dem Wasserstoffströmungsfeld 15 durch die Wasserstoffeinlass/-Auslass-Öffnungen 13 zugeführt werden. Darüber hinaus sind in dem Fall der Kathodenplatte (CP) mit dem Luftverteiler 16 verbundene Lufteinlass/-Auslass-Öffnungen in der gleichen Weise gebildet, so dass Luft durch ein Luftströmungsfeld durchströmen kann, das auf einer Reaktionsfläche der Kathodenplatte (CP) gebildet ist.
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Unterdessen kann während dem oberhalb beschriebenen Zirkulationsprozess des Brennstoffzellenstapels kondensiertes Wasser in einen Kathodeneinlass der Leistungserzeugungseinheit durch einen Luftbefeuchter, einem gemeinsamen Verteiler, einer Endplatte und dem Bipolarplatten-Verteiler zugeführt werden. Dadurch strömt das kondensierte Wasser durch das FPS, den gemeinsamen Verteiler, die Endplatte und den Bipolarplatten-Verteiler. Jedoch kann jegliches durch die MEA durchströmendes Wasser von einem Anodeneinlass gegen einen Kathodeneinlass zugeführt werden.
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In diesem Fall strömt das Wasser in die äußersten Elementarzellen, die mit der offenen Endplatte in Kontakt sind, um eine rasche sich wiederholende Erhöhung und Verringerung der Zellspannung und eine Verschlechterung des MEA-Katalysators aufgrund des Vorhandenseins einer großen Wassermenge in den Elementarzellen zu verursachen, was ein ernsthaftes Problem in der Anodenschleife sein kann, da es sich um eine geschlossene Schleife handelt. Weil die äußersten Elementarzellen, die an einer geschlossenen EP 4 angrenzen, keine zahlreichen Öffnungen aufweisen, wenn der Wasserstoff oder Luft durch einen Einlassverteiler der Bipolarplatte zugeführt wird, kann darüber hinaus das in dem Verteiler in der Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels kondensierte Wasser die geschlossene EP 4 überschwemmen und somit in die äußersten Elementarzellen zugeführt werden.
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Eine Beseitigung des kondensierten Wassers von dem Brennstoffzellenstapel mit Ausnahme von dem Wasser, das erforderlich ist, um die MEA zu befeuchten, ist in Hinblick auf Leistungsstabilität und Haltbarkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs sehr wichtig. Demzufolge kann üblicherweise zum Beispiel ein Wasserabscheider vorgesehen sein, um die Wasserbeseitigung durchzuführen. Dieses Verfahren beseitigt jedoch das Wasser nicht so effektiv wie es sich die Industrie erhoffen würde.
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Darüber hinaus offenbart
U.S. Patent Nr. 7,163,760 einen Brennstoffzellenstapel mit einem Bypass-Strömungsdurchgang, in welchem eine Bypassplatte und eine Zwischenplatte an einem Endabschnitt (wie zum Beispiel eine Endzelle und eine Endplatte) einer Leistungserzeugungseinheit des Brennstoffzellenstapels separat vorgesehen sind, so dass kondensiertes Wasser, welches die Leistungserzeugungseinheit überfluten kann, wenn Wasserstoff oder Luft zugeführt wird, nicht in die Leistungserzeugungseinheit zugeführt wird, sondern zu der Außenseite des Brennstoffzellenstapels abgeführt wird. Gemäß dem oberhalb beschriebenen Aufbau sollten die Bypassplatte und die Zwischenplatte jedoch separat entwickelt und zu dem Brennstoffzellenstapel hinzugefügt werden, und somit wird der Gesamtaufbau des Brennstoffzellenstapels weiterhin komplizierter wenn dieses Verfahren verwendet wird, was dadurch indirekt zu einer Erhöhung der gesamten Produktionskosten führt. Somit wird ein kostengünstiges System und Verfahren zur Beseitigung des kondensierten Wassers in einem Brennstoffzellenstapel benötigt.
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Die in diesem Hintergrundabschnitt offenbarte obige Information dient nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und kann demzufolge Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Fachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ANMELDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt einen Brennstoffzellenstapel mit einer Wasserablaufanordnung bereit, welche kondensiertes Wasser effektiv abführen und verhindern kann, dass Wasser in Elementarzellen fließen kann, durch Bilden der gleichen Struktur wie eine bestehende Elementarzelle des Brennstoffzellenstapels und Anordnen der Struktur an einem Endzellabschnitt des Brennstoffzellenstapels.
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In einer Ausgestaltung stellt die vorliegende Erfindung einen Brennstoffzellenstapel mit einer Wasserablaufanordnung bereit, welcher eine Mehrzahl von Elementarzellen aufweist, die zwischen Endplatten an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind. Genauer gesagt verwendet die vorliegende Erfindung eine Kathoden-Dummyzelle und wenigstens eine Anoden-Dummyzelle als Zellen zum Abführen von Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel. Diese Dummyzellen werde zwischen Endzellen einer Leistungserzeugungseinheit und den Endplatten an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels angeordnet.
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In einigen Ausführungsformen ist die Kathoden-Dummyzelle aus einer Kathodenplatte und einer Endanodenplatte zusammengesetzt und die Anoden-Dummyzelle ist aus einer Anodenplatte und einer Endkathodenplatte zusammengesetzt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Endanodenplatte der Kathoden-Dummyzelle durch Entfernen von Wasserstoffeinlass-/Auslass-Öffnungen der Anodenplatte gebildet. In gleicher Weise ist die Endkathodenplatte durch Entfernen von Lufteinlass-/Auslass-Öffnungen der Kathodenplatte gebildet.
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In noch einer weiteren Ausführungsform weist der Brennstoffzellenstapel eine erste Gasdiffusionsschicht, die zwischen der Kathodenplatte und der Endanodenplatte der Kathoden-Dummyzelle angeordnet ist, und eine zweite Gasdiffusionsschicht auf, die zwischen der Anodenplatte und der Endkathodenplatte der Anoden-Dummyzelle angeordnet ist.
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In noch einer weiteren Ausführungsform weist jede der Kathoden-Dummyzellen und der Anoden-Dummyzellen keine Membranelektrodenanordnung, sondern vielmehr eine Gasdiffusionsschichtanordnung auf, in welcher zwei Gasdiffusionsschichten miteinander verbunden sind.
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In noch einer weiteren Ausführungsform ist ferner eine Endkathodenplatte oder eine Endanodenplatte, die als eine Dummyendplatte wirken, auf den Endzellen oder auf den Dummyzellen angeordnet, welche in Kontakt mit den Endplatten an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels stehen.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Brennstoffzellenstapel eine Gasdiffusionsschicht auf, die zwischen den Endplatten an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels und den Dummyendplatten angeordnet ist.
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Weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend erläutert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen hiervon ausführlich beschrieben, welche in den beigefügten Zeichnungen nachstehend lediglich zur Veranschaulichung dargestellt sind, und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend sind, und wobei:
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1 zeigt ein schematisches Diagramm, das den Aufbau eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht, die eine Endanodenplatte (EAP) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
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3 zeigt einen Graph, der eine Änderung der Wassermenge darstellt, die von einer offenen Endplatte (EP) in Elementarzellen in einer herkömmlichen Leistungserzeugungseinheit mit einem typischen Zellaufbau fließt;
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4 zeigt einen Graph, der eine Änderung der Zellspannung in einem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel und in einem Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während einer künstlichen Wassereinspritzung darstellt;
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5 zeigt ein schematisches Diagramm, das den Aufbau eines typischen Brennstoffzellenstapels darstellt; und
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6 zeigt eine perspektivische Ansicht, die eine herkömmliche Anodenplatte (AP) darstellt.
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Die in den Zeichnungen dargelegten Bezugszeichen beziehen sich auf die folgenden Elemente, wie nachfolgend erläutert werden:
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- offene Endplatte (EP)
- 5
- Elementarzelle
- 10
- Anodenplatte (AP)
- 30
- 5-Schicht MEA
- 60
- Gasdiffusionsschichtanordnung (GG)
- 100
- Endanodenplatte (EAP)
- 140
- Kühlmittelverteiler
- 180
- Dichtung
- 300
- Kathoden-Dummyzelle
- 2
- gemeinsamer Verteiler
- 3
- geschlossene Endplatte (EP)
- 7
- Leistungserzeugungseinheit
- 20
- Kathodenplatte (CP)
- 40
- Gasdiffusionsschicht (GDL)
- 120
- Wasserstoffverteiler
- 160
- Luftverteiler
- 200
- Endkathodenplatte (ECP)
- 320
- Anoden-Dummyzelle
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Es ist zu beachten, dass die beigefügten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabgerecht sind, und eine etwas vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen darstellen, welche die Grundsätze der Erfindung veranschaulichen. Die spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Erfindung wie sie hierin offenbart sind, einschließlich z. B. spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Einbauorten, und Formen werden zum Teil durch die eigens dafür vorgesehene Anmeldung und der Arbeitsumgebung bestimmt.
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In den Figuren beziehen sich die Bezugszeichen auf die gleichen oder äquivalenten Teile der vorliegenden Erfindung überall in den einzelnen Figuren der Zeichnungen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es wird nun ausführlich auf die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, wobei deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind und unterhalb beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, ist es zu beachten, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu vorgesehen ist, die Erfindung auf jene beispielhafte Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz dazu ist die Erfindung dazu vorgesehen, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abzudecken, sondern ebenso verschiedenste Alternativen, Abänderungen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, welche innerhalb des Geistes und des Umfangs der Erfindung wie sie in den beigefügten Ansprüchen bestimmt ist, umfasst sein können.
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Es ist zu beachten, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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1 zeigt ein schematisches Diagramm, das den Aufbau eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, und 2 zeigt eine perspektivische Ansicht, die eine Endanodenplatte (EAP) gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Der Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet eine Dummyzelle, die zwischen einer Endzelle einer Leistungserzeugungseinheit und einer Endplatte (EP) auf jedem entsprechenden Ende des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Typischerweise ist eine Elementarzelle aus einer Anodenplatte (AP), einer ersten Gasdiffusionsschicht (GDL), einer Membranelektrodenanordnung (MEA), einer zweiten GDL und einer Kathodenplatte (CP) zusammengesetzt, welche in dieser Reihenfolge entsprechend gestapelt werden. Die in den veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendete Dummyzelle kann jedoch eine Kathoden-Dummyzelle (CD) oder eine Anoden-Dummyzelle (AD) sein. Falls es eine Kathoden-Dummyzelle ist, ist die Zelle aus einer Kathodenplatte (CP) und einer Endanodenplatte (EAP) zusammengesetzt. Falls die Dummyzelle im umgekehrten Fall eine Anoden-Dummyzelle ist, ist die Zelle aus einer Anodenplatte (AP) und einer Endkathodenplatte (ECP) zusammengesetzt.
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Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Endanodenplatte (EAP) und die Endkathodenplatte (ECP) werden ohne jegliche Wasserstoffeinlass-/Auslass-Öffnungen und Lufteinlass-/Auslass-Öffnungen gebildet. Zum Beispiel umfasst unter Bezugnahme auf 2 die Endanodenplatte 100 gemäß der veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung keinerlei Wasserstoffeinlass-/Auslass-Öffnungen, die mit einem Wasserstoffverteller 120 verbunden sind, und somit wird der durch den Wasserstoffverteiler 120 durchströmende Wasserstoff durch eine Dichtung 180 blockiert und strömt nicht in eine Reaktionsfläche der Endanodenplatte 100. In gleicher Weise umfasst die Endkathodenplatte (ECP) gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ebenfalls keine Lufteinlass-/Auslass-Öffnungen, die mit einem Luftverteiler 160 verbunden sind, und somit strömt die durch den Luftverteiler 160 durchströmende Luft nicht in eine Reaktionsfläche der Endkathodenplatte (ECP).
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Demzufolge wird die Dummyzelle gemäß der veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgesehen, um Wasser von dem Brennstoffzellenstapel ohne eine auftretende chemische Reaktion von der Anode beziehungsweise Kathode abzuführen. Insbesondere in der Anoden-Dummyzelle (AD) wird Wasserstoff durch die Anodenplatte (AP) zugeführt, aber Luft wird durch die Endkathodenplatte (ECP) nicht zugeführt. Demzufolge findet die chemische Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel nicht statt und Wasser wird von der Anode abgeführt. In gleicher Weise wird in der Kathoden-Dummyzelle (CD) Luft durch die Kathodenplatte (CP) zugeführt, aber Wasserstoff wird durch die Endanodenplatte (EAP) nicht zugeführt. Demzufolge findet die chemische Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel nicht statt und Wasser wird von der Kathode abgeführt.
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Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Gasdiffusionsschicht (GDL) ferner zwischen die Kathodenplatte (CP) und die Endanodenplatte (EAP) der Kathoden-Dummyzelle (CD) angeordnet werden. Die GDL funktioniert, um den elektrischen Kontakt zwischen Bipolarplatten aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus funktioniert die GDL in der Kathoden-Dummyzelle (CD), in welcher keine MEA vorgesehen ist, um den Innenraum der Elementarzelle gemäß der Dicke der Elementarzelle nach Zusammendrücken der Dichtung 180 zu füllen, um auf diese Weise eine strukturelle Stabilität zu erhalten. Vorzugsweise kann eine Gasdiffusionsschichtanordnung (GG), in welcher zwei Gasdiffusionsschichten (GDLs) miteinander verbunden sind, in der Kathoden-Dummyzelle (CD) vorgesehen sein, um dadurch eine strukturelle Stabilität gemäß der Dicke der Elementarzelle zu erhalten. Die GDL kann zwischen der Anodenplatte (AP) und der Endkathodenplatte (ECP) der Anoden-Dummyzelle (AD) in der gleichen Weise wie die Kathoden-Dummyzelle (CD) angeordnet werden.
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1 zeigt den Aufbau eines Brennstoffzellenstapels, in welchem die oberhalb beschriebenen Dummyzellen gemäß einer veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet sind. Wie in der Figur gezeigt ist, kann die Kathoden-Dummyzelle 300 oder die Anoden-Dummyzelle 320 zwischen den Endzellen und en Endplatten der Leistungserzeugungseinheit angeordnet werden, in welcher eine Mehrzahl von Elementarzellen 5 wiederholt werden.
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Hierbei bezeichnet Bezugszeichen 30 eine 5-Schicht MEA, in welcher eine erste GDL, eine 3-Schicht MEA und eine zweite GDL in dieser Reihenfolge gestapelt sind. Bezugszeichen 60 bezeichnet eine GDL-Anordnung (GG), in welcher zwei GDLs miteinander verbunden sind. Obwohl 1 ein Beispiel zeigt, in welchem eine offene EP 3 beziehungsweise eine geschlossene EP 4 an unterschiedlichen Enden des Brennstoffzellenstapels vorgesehen sind, kann die offene EP 3 an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels angeordnet werden, und der Aufbau der Elementarzellen kann gemäß der Plus (+) und Minus (–) Richtung des gestapelten Moduls umgekehrt werden.
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Die veranschaulichende Ausführungsform von 1 zeigt den Aufbau des Brennstoffzellenstapels, in welchem die offene EP 3, die Kathoden-Dummyzelle 300, die Anoden-Dummyzelle 320, die Mehrzahl von wiederholten Elementarzellen 5, die Anoden-Dummyzelle 320, die Kathoden-Dummyzelle 300 und die geschlossene EP 4 in dieser Reihenfolge gestapelt sind. In dieser Ausführungsform wird lediglich Luft in die Kathoden-Dummyzelle 300 zugeführt, die auf der offenen EP 3 gestapelt ist, und Wasserstoff wird lediglich in die Anoden-Dummyzelle 320 zugeführt. Demzufolge kann das meiste durch den Luftverteiler 160 der offenen EP 3 strömende Wasser zu dem Auslass des Brennstoffzellenstapels durch die Kathoden-Dummyzelle 300 abgeführt werden, und das durch den Wasserstoffverteiler 120 der offenen EP 3 strömende Wasser kann zu dem Auslass des Brennstoffzellenstapels durch die Anoden-Dummyzelle 320a abgeführt werden.
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Darüber hinaus kann das in dem Verteiler in der Längsrichtung des Brennstoffzellenstapels kondensierte und durch die geschlossene EP 4 strömende Wasser durch die Kathoden-Dummyzelle 300 und die auf der geschlossenen EP 4 gestapelten Anoden-Dummyzelle 320 in der gleichen Weise wie oberhalb abgeführt werden. Dadurch ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, zu verhindern, dass Wasser in die Endzellen fließt, die sich an den äußersten Enden der Leistungserzeugungseinheit befinden, und somit ist es möglich, das durch den Brennstoffzellenstapel strömende Wasser effektiv zu beseitigen.
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In dem Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung können die Kathoden-Dummyzelle 300 und die Anoden-Dummyzelle 320 in verschiedenen Kombinationen gestapelt werden. Das heißt, der Brennstoffzellenstapel kann in verschiedenen Kombinationen und Weisen eingerichtet werden, solange wenigstens eine Kathoden-Dummyzelle 300 und wenigstens eine Anoden-Dummyzelle 320 zwischen den Endzellen der Leistungserzeugungseinheit und den Endplatten 3 und 4 an beiden Enden hiervon angeordnet sind.
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Zusätzlich kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Endkathodenplatte 200 oder eine Endanodenplatte 100 als eine Dummyendplatte ferner auf den Endzellen der Leistungserzeugungseinheit oder auf den Dummyzellen selber angeordnet werden. Wie aus der veranschaulichenden Ausführungsform ersichtlich ist, stehen die Endkathodenplatte 200 und die Endanodenplatte 100 in Kontakt mit den Endplatten 3 beziehungsweise 4 an beiden Enden des Brennstoffzellenstapels. In dieser Ausführungsform können die Dummyendplatten mit den äußersten Bipolarplatten der Endzellen oder der Dummyzellen verbunden werden, welche in Kontakt mit den Endplatten 3 und 4 stehen, um dadurch Kühlmittelströmungsfelder zu bilden. Da die Dummyendplatten die Endkathodenplatte 200 oder die Endanodenplatte 100 aufweist, ist der Brennstoffzellenstapel darüber hinaus derart eingerichtet, so dass Wasserstoff oder Luft nicht in eine oder mehrere Kollektoren an den Endplatten 3 und 4 strömen.
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Darüber hinaus kann gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die GDL 40 ferner zwischen den äußersten Bipolarplatten (die Dummyendanodenplatte oder die Dummyendkathodenplatte) der Endzellen der Leistungserzeugungseinheit oder die Dummyzellen und die Endplatten 3 und 4 oder zwischen die Dummyendplatten und die Endplatten 3 und 3 angeordnet werden. Weil die aus einem Leiter gebildete GDL 40 dort dazwischen eingefügt ist, kann der elektrische Kontakt zwischen dem Stromkollektor, der in die Endplatten 3 und 4 und den äußersten Bipolarplatten (oder Dummyendplatten) eingefügt ist, hergestellt werden.
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Als solches ist der Brennstoffzellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Wasserablaufanordnung vorgesehen, welche in einer kostengünstigen und wirksamen Art und Weise erreicht werden kann. Das heißt, die in der vorliegenden Erfindung verwendete Endanodenplatte (EAP) und die Endkathodenplatte (ECP) werden ohne Wasserstoff- (oder Luft-)Einlass-/Auslass-Öffnungen gebildet. Das heißt, eine Herstellung dieses Ableitverfahrens ist relativ kostengünstig, weil diese neuen Dummyendplatten relativ in der gleichen Weise wie die anderen Bipolarplatten in dem Brennstoffzellenstapel hergestellt werden können. Infolgedessen kann der Herstellungsprozess vereinfacht werden und Wasser kann in wirksamer Weise abgeführt werden.
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Die Effekte des Brennstoffzellenstapels gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in 3 und 4 dargestellt. 3 zeigt eine Änderung der Wassermenge, die von einer offenen Endplatte (EP) in Elementarzellen in einer herkömmlichen Leistungserzeugungseinheit mit einem typischen Zellaufbau fließt, und 4 zeigt eine Änderung der Zellspannung in einem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel und in einem Brennstoffzellenstapel gemäß der veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während einer künstlichen Wassereinspritzung.
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Wie in 3 gezeigt, ist ersichtlich, dass wenn Wasser in einen herkömmlichen Brennstoffzellenstapel strömt, das meiste Wasser in eine erste Elementarzelle innerhalb 1 bis 2 Sekunden zugeführt wird, eine beträchtliche Wassermenge in eine zweite Elementarzelle zugeführt wird, und beinahe kein Wasser in die nächsten Elementarzellen zugeführt wird. Dadurch wird erwartet, dass wenn das Wasser wie zum Beispiel kondensiertes Wasser in den Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, die Elementarzellen an den äußersten Enden (d. h. an dem Endzellabschnitt) am meisten gegen das Nasser ungeschützt sind.
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4 zeigt die Änderung der Zellspannung in einem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel und in einem Brennstoffzellenstapel gemäß der veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in dem Fall, wo Wasser durch Anodeneinlässe mit 30 g/sec eingespritzt werden, was eine bösartige Bedingung darstellt. In dem herkömmlichen Brennstoffzellenstapel wurde die Leistung (d. h. die Spannung) einer ersten Elementarzelle nach Einspritzen von Wasser rasch verringert und die einer zweiten Elementarzelle wurde ebenfalls verringert. In dem Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung wurde eine rasche Verringerung der Leistung (d. h. Spannung) von Elementarzellen, die an den Endzellabschnitt angrenzen, sogar nach einigen hundert Sekunden nicht beobachtet. Der Grund dafür ist, dass das meiste Wasser in die Dummyzelle zugeführt wird, die durch die vorliegende Erfindung vorgesehen ist, und sofort abgeführt wird, und somit wird die in die Elementarzellen in der Leistungserzeugungseinheit fließende Wassermenge minimiert. Dadurch ist es gemäß dem Brennstoffzellenstapel der vorliegenden Erfindung möglich, die Instabilität der Leistung der Elementarzellen aufgrund des Wassers zu minimieren, das in den Brennstoffzellenstapel in einem tatsächlichen Fahrzeug zugeführt wird, und die Verschlechterung des MEA-Katalysators aufgrund des Vorhandenseins einer großen Wassermenge in den Elementarzellen zu verhindern.
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Wie oberhalb beschrieben ist es gemäß dem Brennstoffzellenstapel mit der Wasserablaufanordnung der vorliegenden Erfindung, in welcher die Dummyzelle durch Kombinieren einer Endanodenplatte (EAP) und einer Endkathodenplatte (ECP) mit einer Anodenplatte (AP) und einer Kathodenplatte (CP) eingerichtet ist und an dem Endzellabschnitt angeordnet ist, möglich, kondensiertes Nasser in wirksamer Weise abzuführen und zu verhindern, dass Wasser in die Elementarzellen des Brennstoffzellenstapels fließt.
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Darüber hinaus werden die in der vorliegenden Erfindung verwendete Endanodenplatte (EAP) und die Endkathodenplatte (ECP) ohne Wasserstoffeinlass-/Auslass-Öffnungen und Lufteinlass-/Auslass-Öffnungen gebildet, wie sie in bestehenden Anodenplatten (AP) und Kathodenplatten (CP) gefunden werden. Als Ergebnis hiervon ist es möglich, den Herstellungsprozess zu vereinfachen und die Herstellungskosten zu verringern.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen davon ausführlich beschrieben. Der Fachmann wird jedoch verstehen, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen gemacht werden können, ohne von den Grundsätzen und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Umfang in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten bestimmt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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