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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere ineinander gesetzte Bipolarplatten in Brennstoffzellen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen können bei vielen Anwendungen als Energiequelle verwendet werden. Beispielsweise sind Brennstoffzellen zur Verwendung in Kraftfahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Bei Brennstoffzellen vom Typ mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird ein Reaktand, wie Wasserstoff, als ein Brennstoff an eine Anode der Brennstoffzelle geliefert, und ein Reaktand, wie Sauerstoff oder Luft, wird als ein Oxidationsmittel an die Kathode der Brennstoffzelle geliefert. Die PEM-Brennstoffzelle weist eine Membranelektrodenanordnung (MEA) auf, die eine protonendurchlässige, nicht elektrisch leitende Protonenaustauschmembran besitzt. Die Protonenaustauschmembran weist einen Anodenkatalysator auf einer Seite und einen Kathodenkatalysator auf der entgegengesetzten Seite auf. Die MEA ist oftmals zwischen porösen Diffusionsmedien, wie Kohlefaserpapier, angeordnet, was auch eine Lieferung der Reaktanden unterstützt.
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In einem Brennstoffzellenstapel ist eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in elektrischer Reihe ausgerichtet, während sie durch gasundurchlässige, elektrisch leitende bipolare Platten getrennt sind. Jede MEA ist typischerweise schichtartig zwischen einem Paar der elektrisch leitenden Bipolarplatten angeordnet. Die Bipolarplatten besitzen eine Gruppierung aus Nuten oder Kanälen, die Strömungsfelder zur Verteilung der Reaktanden über die Oberflächen der jeweiligen Anoden und Kathoden bilden. Tunnel sind ebenfalls innerhalb in der Bipolarplatte geformt und verteilen geeignetes Kühlmittel über den Brennstoffzellenstapel, um eine gewünschte Temperatur beizubehalten.
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Es ist bekannt, die Kanäle in aktiven Gebieten der Brennstoffzellenstapel ineinander zu setzen, um die Menge an Kühlmittelmasse zu reduzieren und dadurch die gesamte thermische Masse des Brennstoffzellenstapels zu minimieren. Beispielsweise sind Brennstoffzellenstapel mit ineinander gesetzten Bipolarplatten in dem im Gemeinschaftsbesitz befindlichen
U.S.-Patent Nr. 6,974,648 von Goebel und
U.S.-Patent Nr. 7,291,414 von Goebel et al. beschrieben, deren gesamte Offenbarungen hierdurch durch Bezugnahme hier eingeschlossen sind. Typischerweise ermöglichen ineinander gesetzte Kanäle keinen angemessenen Raum für Diffusionsmedien in den Zufuhr- oder Kreuzstromgebieten.
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Kanäle sind in den Zufuhrgebieten der Brennstoffzellenstapel allgemein nicht ineinander gesetzt, so dass Reaktanden zu und von Sammelleitungen der Bipolarplatte geführt werden können. Es ist auch bekannt, das Diffusionsmedium von den Zufuhrgebieten zu entfernen, um weiteren Raum für die Fluidströmung durch die nicht ineinander gesetzten Kanäle bereitzustellen. Jedoch sind Brennstoffzellen mit Zufuhrgebieten ohne Diffusionsmedium ungestützt. Die ungestützten Zufuhrgebiete haben Herausforderungen bei der Konstruktion der Weichgut-Architektur erzeugt, da Unterdichtungs- bzw. Subgasket-Materialien, die dick genug sind, um Schweißbuchsen zu überspannen, Laminierungs- und Haltbarkeitsprobleme für die Protonenaustauschmembran an den Rändern der Unterdichtung bewirken können.
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Die Verwendung von Diffusionsmedien und Ausgleichselementen zur Dichtungsabstützung in den Tunnelgebieten der Brennstoffzellenstapel ist beschrieben in der U.S.-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2007/275288 von Goebel et al., deren gesamte Offenbarung hierdurch durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist. Eine weitere bekannte Alternative besteht darin, halbhohe Kanäle in den Zufuhrgebieten zu haben, während Diffusionsmedien gehalten werden. Jedoch können diese Konstruktionen in einem unerwünschten Druckabfall in dem Zufuhrgebiet des Brennstoffzellenstapels resultieren, wo bekannt ist, dass aufgrund des Ineinandersetzens von Kanälen nur ein Raum einer Kanaltiefe vorhanden ist. Mit Diffusionsmedien in den Zufuhrgebieten müssen sich die Kreuzstromkanäle die verfügbare Tiefe von nominell einer Kanaltiefe oder nominell einer Hälfte der normalen Kanaltiefe für Zufuhrkanäle in jeder Bipolarplatte teilen. Der aktive Bereich ist jedoch unverändert und besitzt folglich denselben Druckabfall. Daher erfolgt die Zunahme des Druckabfalls innerhalb des Zufuhrgebiets. Der Druckabfall skaliert mit dem hydraulischen Durchmesser in der 4. Potenz, so dass die halbhohen Kanäle einen signifikanten Einfluss auf den Druckabfall in dem Zufuhrgebiet des Brennstoffzellenstapels haben.
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Es existiert ein fortwährender Bedarf nach einem System, das eine Membranabstützung innerhalb der Zufuhrgebiete einer ineinander gesetzten Bipolarplatte eines Brennstoffzellenstapels bereitstellt, während eine thermische Masse desselben minimiert wird. Das System soll auch eine Dichtung an Weichgütern ermöglichen und eine Beseitigung einer Unterdichtung von dem Brennstoffzellenstapel unterstützen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung ist überraschend ein System zur Bereitstellung einer Membranabstützung in den Zufuhrgebieten einer ineinander gesetzten Bipolarplatte eines Brennstoffzellenstapels entdeckt worden, während eine thermische Masse minimiert wird, eine Abdichtung an Weichgütern hergestellt wird und eine Beseitigung einer Unterdichtung von dem Brennstoffzellenstapel unterstützt wird.
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Bei einer ersten Ausführungsform umfasst eine Brennstoffzelle ein Paar von gestapelten Bipolarplatten. Jede der Bipolarplatten besitzt einen ineinander gesetzten aktiven Bereich und einen nicht ineinander gesetzten Zufuhrbereich. Eine Elektrolytmembran ist zwischen einem Paar von Elektroden und einem Paar von Diffusionsmediumschichten angeordnet. Jede der Diffusionsmediumschichten ist benachbart den ineinander gesetzten aktiven Bereichen der Bipolarplatten angeordnet. Wenn die Diffusionsmediumschichten benachbart den nicht ineinander gesetzten Zufuhrbereichen angeordnet sind, können die nicht ineinander gesetzten Zufuhrbereiche auch als aktive Bereiche verwendet werden. Ein poröser, elektrisch leitender Abstandhalter ist zwischen einer der Diffusionsmediumschichten und einer der Bipolarplatten angeordnet.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst eine Brennstoffzelle ein Paar gestapelter Bipolarplatten, von denen jede einen ineinander gesetzten aktiven Bereich und einen nicht ineinander gesetzten Zufuhrbereich aufweist. Zwischen dem Paar von Bipolarplatten ist ein gerade verlaufender Reaktandentunnel geformt. Eine Elektrolytmembran ist zwischen einem Paar von Elektroden und einem Paar von Diffusionsmediumschichten angeordnet. Jede der Diffusionsmediumschichten ist benachbart den ineinander gesetzten aktiven Bereichen der Bipolarplatten angeordnet und an einem Umfangsrand derselben mit einer polymeren Dichtung überformt. Ein poröser elektrisch leitender Abstandhalter ist zwischen einer der Diffusionsmediumschichten und einer der Bipolarplatten angeordnet.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellenstapel eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, die in elektrischer Reihe in einem Stapel ausgerichtet sind. Jede der Brennstoffzellen besitzt ein Paar von gestapelten Bipolarplatten. Jede Bipolarplatte besitzt einen ineinander gesetzten aktiven Bereich und einen nicht ineinander gesetzten Zufuhrbereich. Eine Elektrolytmembran ist zwischen einem Paar von Elektroden und einem Paar von Diffusionsmediumschichten angeordnet. Die Diffusionsmediumschichten sind benachbart den ineinander gesetzten aktiven Bereichen der Bipolarplatten angeordnet. Ein poröser, elektrisch leitender Abstandhalter ist zwischen einer der Diffusionsmediumschichten und der einen der Bipolarplatten angeordnet.
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ZEICHNUNGEN
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Die obigen wie auch andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere unter Bezugnahme auf die hier beschriebenen Zeichnungen offensichtlich.
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1 ist eine Bodenansicht eines illustrativen Brennstoffzellenstapels mit ineinander gesetzten Bipolarplatten, die eine Anodenseite von einer der Bipolarplatten zeigt;
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2 ist eine Draufsicht des in 1 gezeigten illustrativen Brennstoffzellenstapels, die eine Kathodenseite von einer der Bipolarplatten zeigt;
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3 ist eine bruchstückhafte Schnittansicht des Brennstoffzellenstapels entlang der Schnittlinien, die durch Kreis 3 angegeben sind, der in den 1 und 2 gezeigt ist, und zeigt ferner einen Kathodenzufuhrabschnitt des Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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4 ist eine bruchstückhafte Schnittansicht des Brennstoffzellenstapels entlang der Schnittlinien, die durch Kreis 4 angegeben sind, der in den 1 und 2 gezeigt ist, und zeigt ferner einen Anodenzufuhrabschnitt des Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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5 ist eine bruchstückhafte Schnittansicht des Brennstoffzellenstapels entlang den Schnittlinien, die durch Kreis 5 angegeben sind, der in den 1 und 2 gezeigt ist, und zeigt ferner einen Kühlmittelzufuhrabschnitt des Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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6 ist eine bruchstückhafte Schnittansicht des Brennstoffzellenstapels entlang die Schnittlinien, die durch Kreis 6 angegeben sind, der in den 1 und 2 gezeigt ist, und zeigt ferner einen Randabschnitt des Brennstoffzellenstapels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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7 ist eine bruchstückhafte Schnittansicht des Brennstoffzellenstapels entlang der Schnittlinien, die durch Kreis 7 angegeben sind, der in den 1 und 2 gezeigt ist, und zeigt ferner einen Kathodenzufuhrabschnitt des Brennstoffzellenstapels gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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8 ist eine bruchstückhafte Schnittansicht des Brennstoffzellenstapels entlang Schnittlinien, die durch Kreis 8 angegeben sind, der in den 1 und 2 gezeigt ist, und zeigt ferner einen Anodenzufuhrabschnitt des Brennstoffzellenstapels gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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9 ist eine bruchstückhafte Schnittansicht des Brennstoffzellenstapels entlang der Schnittlinien, die durch Kreis 9 angegeben sind, der in den 1 und 2 gezeigt ist, und zeigt ferner einen Kühlmittelzufuhrabschnitt des Brennstoffzellenstapels gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
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10 ist eine bruchstückhafte Schnittansicht des Brennstoffzellenstapels entlang der Schnittlinien, die durch Kreis 10 angegeben sind, der in den 1 und 2 gezeigt ist, und zeigt ferner einen Randabschnitt des Brennstoffzellenstapels gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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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 durchzuführen und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise einzuschränken.
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Wie in den
1–
10 gezeigt ist, weist die vorliegende Offenbarung eine Brennstoffzellen-Bipolarplatte
2 auf, die den Transport von Reaktanden und Kühlmittel durch einen Brennstoffzellenstapel
4 unterstützt. Beispielhafte Brennstoffzellenstapel
4, die mit den Bipolarplatten
2 der vorliegenden Offenbarung verwendet werden können, sind beschrieben in den ebenfalls dem Anmelder zugehörigen
U.S.-Patent Nr. 6,974,648 von Goebel,
U.S.-Patent Nr. 7,291,414 von Goebel et al. und U.S.-Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 2007/275288 von Goebel et al., deren gesamte Offenbarungen hierdurch durch Bezugnahme hierdurch eingeschlossen sind.
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Bezug nehmend auf die 1 und 2 weist die Bipolarplatte 2 eine erste Unipolarplatte 6, die auch als eine Anodenplatte 6 bezeichnet ist, und eine zweite Unipolarplatte 8, die auch als eine Kathodenplatte 8 bezeichnet ist, auf. Die Anodenplatte 6 besitzt eine Mehrzahl von Strömungskanälen, die eine Anodenseite der Bipolarplatte 2 bilden. Die Kathodenplatte 8 besitzt eine Mehrzahl von Strömungskanälen, die eine Kathodenseite der Bipolarplatte 2 bilden. Die Anoden- und Kathodenplatten 6, 8 können Schweißnähte 9, wie Laserschweißnähte, zum Befestigen der Anoden- und Kathodenplatten 6, 8 aneinander aufweisen, wie in dem Fall von Anoden- und Kathodenplatten 6, 8, die aus geprägten bzw. gestanzten Metallplatten geformt sind. Es sei angemerkt, dass gegebenenfalls Anoden- und Kathodenplatten 6, 8 aus leitendem Komposit- bzw. Verbundmaterial verwendet werden können. Es können auch andere Mittel zum Verbinden der Anoden- und Kathodenplatten 6, 8 verwendet werden.
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Die Bipolarplatten 2 des Brennstoffzellenstapels 4 weisen eine Mehrzahl von Durchbrechungen 10, 12, 14, 16, 18, 20 auf, die hindurch geformt sind. Die Durchbrechungen 10, 12, 14, 16, 18, 20 bilden Verteiler bzw. Sammler zur Lieferung bzw. zum Austrag von Reaktanden und Kühlmittel, wenn eine Mehrzahl der Bipolarplatten 2 in dem Brennstoffzellenstapel 4 ausgerichtet ist. Insbesondere weist die Bipolarplatte 2 eine Kathodeneinlassdurchbrechung 10 und eine Kathodenauslassdurchbrechung 12, eine Anodeneinlassdurchbrechung 14 und eine Anodenauslassdurchbrechung 16 und eine Kühlmitteleinlassdurchbrechung 18 und eine Kühlmittelauslassdurchbrechung 20 auf. Die Durchbrechungen 10, 12, 14, 16, 18, 20 sind in jeweiligen ”Sammelleitungsbereichen” der Bipolarplatte 2 geformt.
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Sowohl die Anodenplatte 6 als auch die Kathodenplatte 8 besitzen einen ineinander gesetzten aktiven Bereich 22, 24 und einen nicht ineinander gesetzten Zufuhrbereich 23, 25. Der ineinander gesetzte aktive Bereich 22 steht in Kommunikation mit der Anodeneinlassdurchbrechung 14 über einen Anodenzufuhrbereich 26. Der Anodenzufuhrbereich 26 besitzt eine Mehrzahl von darin geformten Kanälen. Der ineinander gesetzte aktive Bereich 24 steht in Kommunikation mit der Kathodeneinlassdurchbrechung 10 über einen Kathodenzufuhrbereich 28. Der Kathodenzufuhrbereich 28 besitzt auch eine Mehrzahl von darin geformten Kanälen. Ein Inneres der Bipolarplatte 2 (in den 3 bis 10 gezeigt) steht in Kommunikation mit der Kühlmitteleinlassdurchbrechung 18 über einen Kühlmittelzufuhrbereich 30, der ebenfalls eine Mehrzahl von darin geformten Kanälen aufweist. Ähnliche Kathoden-, Anoden- und Kühlmittelaustragsbereiche 32, 34, 36 sind auch in Kommunikation mit den Kathoden-, Anoden- und Kühlmittelauslassdurchbrechungen 12, 16, 20 vorgesehen.
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Bei bestimmten Ausführungsformen ist im Wesentlichen der gesamte aktive Bereich 22, 24 in einer Gegenstromkonfiguration vorgesehen, in der ein Kathodenreaktandenstrom 46 und ein Kühlmittelstrom 50 in einer Richtung entgegen einem Anodenreaktandenstrom 48 strömen. Der Kühlmittelstrom 50 gleichstromig mit dem Kathodenreaktandenstrom 46 sieht eine gleichförmigere RH vor, da eine Temperaturzunahme eine größere Wasserdampfführungskapazität bereitstellt, da Produktwasser gebildet wird. Der Gegenstrom-Anodenreaktandenstrom 48 sieht auch ein gleichförmigeres Membran-RH-Profil durch Bewegung von Feuchte von der Kathodenauslassdurchbrechung 12 und Führen der Feuchte zu der Kathodeneinlassdurchbrechung 10 durch die Anode und ähnlicherweise für die Kathode vor.
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Bei einer Ausführungsform weist die Bipolarplatte 2 eine Polymerdichtung 38 auf, die an sowohl der Anodenplatte 6 als auch der Kathodenplatte 8 geformt ist. Es sei zu verstehen, dass, obwohl die Dichtung 38 an sowohl der Anoden- als auch Kathodenplatte 6, 8 sein kann, die Dichtung 38 auch an nur einer der Platten 6, 8 für weniger Teile angeordnet sein kann, wie beispielsweise in den 3 bis 6 gezeigt ist. Die Dichtung 38 ist um den gesamten Umfang der Bipolarplatte 2 angeordnet und blockiert eine Leckage von jedem der Reaktanden und des Kühlmittels über Bord oder in die anderen Sammelleitungsbereiche der Bipolarplatte 2. Die Dichtung 38 kann beispielsweise auf der Schweißnaht 9 angeordnet sein, die die Anodenplatte 6 an der Kathodenplatte 8 befestigt. Es sei zu verstehen, dass die Dichtung 38 benachbart den Kathoden- und Anodeneinlassdurchbrechungen 10, 14 versetzt sein kann, um zu ermöglichen, dass Reaktanden hierdurch passieren können. Durchlasslöcher, die in den Platten 6, 8 geformt sind, erlauben einen Zutritt der Reaktanden zu der gewünschten Seite der Platten 6, 8, beispielsweise, wie in den 3 und 4 gezeigt ist, zu den aktiven Bereichen 22, 24 der Bipolarplatte 2. Für gerade verlaufende Tunnel, beispielsweise, wie in den 7 und 8 gezeigt ist, kann eine Dicke der Dichtung 38' weggelassen werden, um zu ermöglichen, dass Tunnel hindurchgelangen können.
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Der Brennstoffzellenstapel 4 gemäß der vorliegenden Offenbarung weist eine Membran 40 auf, die schichtartig zwischen einem Paar von Diffusionsmediumschichten 42, 44 angeordnet ist, wie Schichten aus Kohlefaserpapier. Die Membran 40 und die Diffusionsmediumschichten 42, 44 sind ihrerseits zwischen einem Paar der Bipolarplatten 2 angeordnet, wie hier oben beschrieben ist. Die Membran 40 weist einen Katalysator, beispielsweise einen edelmetallbasierten Katalysator auf, wie Platin, der die Anode und die Kathode in zumindest den ineinander gesetzten aktiven Bereichen 22, 24 der Bipolarplatten 2 bildet. Die Membran 40 erstreckt sich an den Rändern der Diffusionsmediumschichten 42, 44 vorbei und ist zwischen der Dichtung 38 und einer der Bipolarplatten 2 verkeilt. Bei anderen Ausführungsformen kann der Umfang der Membran 40 durch Unterdichtungs- oder Polymerfilmmaterial bedeckt sein, oder das Unterdichtungsmaterial kann die Membran 40 in dem Umfang ersetzen, wenn nur eine Dichtfunktion (d. h. keine Protonenleitfähigkeit) erwünscht ist.
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Wie in 3 gezeigt ist, erstreckt sich der Membran- oder Unterdichtungsumfang 40 an der Dichtung 38 vorbei und endet benachbart der Kathodeneinlassdurchbrechung 10 in dem Kathodenzufuhrbereich 28. Der Kathodenreaktandenstrom 46 strömt von der Kathodeneinlassdurchbrechung 10 durch einen Kathodentunnel 47 zu dem Kathodenzufuhrbereich 28 und dann zu dem ineinander gesetzten aktiven Bereich 24 an den Kathodenseiten 8 der Bipolarplatten 2. Wie in 4 gezeigt ist, erstreckt sich die Membran 40 an der Dichtung 38 vorbei und endet benachbart der Anodeneinlassdurchbrechung 14 in dem Anodenzufuhrbereich 26. Der Anodenreaktandenstrom 48 strömt von der Anodeneinlassdurchbrechung 12 durch einen Anodentunnel 49 zu dem Anodenzufuhrbereich 26 und dann zu dem ineinander gesetzten aktiven Bereich 22 an den Anodenseiten 6 der Bipolarplatten 2. Die Kathoden- und Anodenreaktandenströme 46, 48 können durch Durchlasslöcher, die in den Bipolarplatten 2 geformt sind, von den Reaktandentunneln 47, 49 zu den jeweiligen Kathoden- und Anodenseiten der Bipolarplatten 2 strömen.
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In dem Kühlmitteleinlassbereich 30, wie in 5 gezeigt ist, strömt der Kühlmittelstrom 50 durch einen Kühlmitteltunnel 51 zwischen der Anoden- und Kathodenplatte 6, 8 von der Kühlmitteleinlassdurchbrechung 18 zu den ineinander gesetzten aktiven Bereichen 22, 24 der Bipolarplatte 2. Es sei angemerkt, dass bei der hier beschriebenen Konstruktion mit ineinander gesetzten Platten eine erste Dicke 53 des nicht ineinander gesetzten Zufuhrbereiches 23, 25 größer als eine zweite Dicke 54 des ineinander gesetzten aktiven Bereiches 22, 24 ist. Bei einem Beispiel existiert ein Raum mit einer Dicke gleich etwa einer Kanaltiefe zwischen der Diffusionsmediumschicht 42 und der Anodenplatte 6 der Bipolarplatte 2, der durch das Verschachteln der Kanäle in dem ineinander gesetzten aktiven Bereich 22, 24 bewirkt wird.
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist ein elektrisch leitender poröser Abstandhalter 56 zwischen der Diffusionsmediumschicht 42 und der Anodenplatte 6 in den ineinander gesetzten aktiven Bereichen 22, 24 angeordnet. Wie in 6 gezeigt ist, kann sich der leitende poröse Abstandhalter 56 weiter bis zu der Dichtung 38 benachbart den Umfangsrändern der Bipolarplatten 2 erstrecken. Der leitende poröse Abstandhalter 56 kann integral mit der Diffusionsmediumschicht 42 geformt sein. Bei bestimmten Ausführungsformen ist der leitende poröse Abstandhalter 56 eine diskrete Schicht, die benachbart der Diffusionsmediumschicht 42 angeordnet ist. Der leitende poröse Abstandhalter 56 kann aus demselben Material wie die Diffusionsmediumschicht 42, beispielsweise wie Kohlefaserpapier, geformt sein. Als nicht beschränkende Beispiele kann der leitende poröse Abstandhalter 56 aus einem Metallgewebe oder einem porösen metallisierten Kompositmaterial geformt sein. Alternative leitende poröse Materialien mit ausreichender Korrosionsbeständigkeit unter Brennstoffzellenumgebungen können nach Bedarf ebenfalls eingesetzt werden.
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Der leitende poröse Abstandhalter 56 kann eine Dicke gleich der Differenz zwischen der ersten Dicke 53 des nicht ineinander gesetzten Zufuhrbereiches 23, 25 und der zweiten Dicke 54 des ineinander gesetzten aktiven Bereiches 22, 24 besitzen. Die Dicke des leitenden porösen Abstandhalters 56 kann nach Bedarf eine nicht komprimierte Dicke oder eine komprimierte Dicke sein. Bei bestimmten Ausführungsformen besitzt der leitende poröse Abstandhalter 56 eine nicht komprimierte Dicke von etwa 25 Prozent größer als die Differenz zwischen der relativen ersten und zweiten Dicke 53, 54 der Zufuhrbereiche 23, 25 und der aktiven Bereiche 22, 24. Beispielsweise kann der leitende poröse Abstandhalter 56 eine nicht komprimierte Dicke von bis zu etwa 0,4 mm besitzen, und die Differenz zwischen der ersten Dicke 53 des nicht ineinander gesetzten Zufuhrbereiches 23, 25 und der zweiten Dicke 54 des ineinander gesetzten aktiven Bereiches 22, 24 kann bis zu etwa 0,3 mm betragen. Bei einer bestimmten Ausführungsform kann die Differenz zwischen der ersten Dicke 53 des nicht ineinander gesetzten Zufuhrbereiches 23, 25 und der zweiten Dicke 54 des ineinander gesetzten aktiven Bereiches 22, 24 bis zu etwa 0,18 mm betragen. Es können auch andere Differenzen der Dicke verwendet werden. Die größere Dicke des leitenden porösen Abstandhalters 56 kann eine gleichförmigere Kompression und dadurch einen reduzierten Kontaktwiderstand in dem Brennstoffzellenstapel 4 unter einer mechanischen kompressiven Last unterstützen. Die größere Dicke des leitenden porösen Abstandhalters 56 kann ferner eine Bereitstellung einer gleichförmigeren Kompression der Membran 40 innerhalb des Brennstoffzellenstapels 4 für eine verbesserte Membranhaltbarkeit unterstützen.
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Es sei angemerkt, dass der Einschluss des leitenden porösen Abstandhalters 56 benachbart des aktiven Bereiches 22, 24 einen Druckabfall von dem Zufuhrbereich 23, 25 minimieren kann. Insbesondere erlaubt die Anwesenheit des leitenden porösen Abstandhalters 56 die Erstreckung der Diffusionsmediumschichten 42, 44 in den nicht ineinander gesetzten Zufuhrbereich 23, 25, wodurch eine erwünschte Weichgut-Abstützung bereitgestellt wird. Wenn die Membran 40 in dem nicht ineinander gesetzten Zufuhrbereich 23, 25 ebenfalls den daran angeordneten Anoden- und Kathodenkatalysator aufweist, erlaubt der leitende poröse Abstandhalter 56, dass ein Anteil des nicht ineinander gesetzten Zufuhrbereiches 23, 25 vorteilhafterweise als ”aktiver Bereich” in dem Brennstoffzellenstapel 4 verwendet wird. Die Umwandlung des nicht ineinander gesetzten Zufuhrbereiches 23, 25 in einen Status eines ”aktiven Bereiches” erlaubt die Verwendung von weniger Bipolarplatten 2 in dem Brennstoffzellenstapel 4, während dieselbe Menge an elektrischer Leistung erzeugt wird.
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Wenn der leitende poröse Abstandhalter 56 benachbart der Anodenseite der Bipolarplatte 2 angeordnet ist, wird ein größerer Wärme- und Wasserdampfpartialdruck-Gradient an der Kathodenseite der Bipolarplatte 2 erzeugt. Der Gradient bewirkt eine Bewegung von mehr Produktwasser zu der Kathodenseite der Bipolarplatte 2, an der die Wasserregulierung nicht kritisch ist, hauptsächlich, da die Geschwindigkeit des Kathodenreaktandenstromes 46 allgemein höher als die Geschwindigkeit des Anodenreaktandenstromes 48 ist. Nach Bedarf kann der Kathodenreaktandenstrom 46 auch gepulst sein. Ungeachtet dessen sei dem Fachmann verständlich, dass ein Reaktandenmangel an der Kathodenseite nicht so kritisch wie an der Anodenseite der Bipolarplatte 2 ist.
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Obwohl die Verwendung des leitenden porösen Abstandhalters 56 zum Füllen der Differenz der Dicke zwischen dem aktiven Bereich 22, 24 und dem Zufuhrbereich 23, 25 vollständig benachbart der Anodenplatte 6 gezeigt ist, sei angemerkt, dass der leitende poröse Abstandhalter 56 nach Bedarf zwischen der Anoden- und Kathodenplatte 6, 8 aufgeteilt sein kann.
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Die
7 bis
10 zeigen eine alternative Ausführungsform gemäß der vorliegenden Offenbarung. Ein gleicher Aufbau der
1 bis
6 besitzt dieselben Bezugszeichen und der Deutlichkeit halber einen Strichindex ('). Die alternative Ausführungsform zeigt eine überformte oder vor Ort gehärtete Dichtung
38'. Die überformten oder vor Ort gehärteten Dichtungen
38' können beispielsweise geformt werden, wie in dem
U.S.-Patent Nr. 6,423,439 von Barton et al. offenbart ist, deren gesamte Offenbarung hierdurch durch Bezugnahme hier eingeschlossen ist. Bei bestimmten Ausführungsformen sind die Umfangsränder der Diffusionsmediumschichten
42',
44' mit dem Polymer der Dichtung
38' durchtränkt wie auch überformt.
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Der Brennstoffzellenstapel 2' weist die Membran 40' auf, die schichtartig zwischen einem Paar von Diffusionsmediumschichten 42', 44' angeordnet ist, die ihrerseits zwischen dem Paar von Bipolarplatten 2' angeordnet sind. Die Bipolarplatten 2' umfassen die Anodenplatte 6' und die Kathodenplatte 8', wie hier oben beschrieben ist. Wie in 7 gezeigt ist, strömt der Kathodenreaktandenstrom 46' von der Kathodeneinlassdurchbrechung 10' zu der Kathodenseite von einer der Bipolarplatten 2'. Wie in 8 gezeigt ist, strömt der Anodenreaktandenstrom 48' von der Anodeneinlassdurchbrechung 14' zu der Anodenseite einer anderen der Bipolarplatten 2'. Wie in 9 gezeigt ist, strömt der Kühlmittelstrom 50' von der Kühlmitteleinlassdurchbrechung 18' durch das Innere von jeder der Bipolarplatten 2', um deren Temperatur zu regeln. Der leitende poröse Abstandhalter 56' ist zwischen der Diffusionsmediumschicht 42' und der Anodenseite der Bipolarplatte 2' benachbart dem ineinander gesetzten aktiven Bereich 22', 24' davon angeordnet. Wie in 10 weiter gezeigt ist, kann sich der leitende poröse Abstandhalter 56' bis zu der überformten Dichtung 38' benachbart den Seitenrändern des Brennstoffzellenstapels 2' erstrecken. Der leitende poröse Abstandhalter 56' kann ferner die überformte Dichtung 38' überlappen.
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Als ein nicht beschränkendes Beispiel kann die überformte Dichtung 38' dadurch erreicht werden, dass sich die Membran 40' und die Diffusionsmediumschicht 42' zu der überformten oder vor Ort gehärteten Dichtung 38' erstrecken, die an und um die Ränder der Membran 40' und der Diffusionsmediumschicht 42' angeordnet ist. Eine der Diffusionsmediumschichten 44' kann länger als eine andere der Diffusionsmediumschichten 42 sein, so dass die Dichtung 38' direkt an der Membran 40' angrenzt.
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Bei einem anderen Beispiel können gerade verlaufende Reaktandentunnel 47', 49' verwendet werden, um Produktwasser-Anheftpunkte und gerade-ungerade Differenzen der versetzten Dichtungen 38' zu minimieren. Die versetzten Dichtungen 38' jedoch, die immer noch für den Kühlmittelstrom 50' verwendet werden können, wie in 9 gezeigt ist. Es sei angemerkt, dass der Einsatz des leitenden porösen Abstandhalters 56' in Verbindung mit der überformten Dichtung 38' und den gerade verlaufenden Reaktandentunneln 47', 49' hierdurch den Aufbau des Brennstoffzellenstapels 4 ohne die Verwendung von Unterdichtungen bzw. Subgaskets erlaubt.
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Der Einsatz des zusätzlichen elektrisch leitenden porösen Abstandhalters 56, 56' erlaubt die Verwendung der Diffusionsmediumschichten 42, 42', 44, 44' in den nicht ineinander gesetzten Zufuhrbereichen 23, 23', 25, 25', ohne dass darin ein unerwünschter Druckabfall vorhanden ist. Der leitende poröse Abstandhalter 56, 56' erlaubt dadurch vorteilhafterweise die Weichgut-Abstützung, die durch die Diffusionsmediumschichten 42, 42', 44, 44' bereitgestellt wird, während die geringe thermische Masse in Verbindung mit den ineinander gesetzten Konstruktionen der Bipolarplatte 2, 2' beibehalten wird. Der leitende poröse Abstandhalter 56, 56' unterstützt ferner die Verwendung der überformten Dichtung 38, 38' und die Beseitigung der Unterdichtungen, die bei Konstruktionen nach dem Stand der Technik eingesetzt werden.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6974648 [0004, 0024]
- US 7291414 [0004, 0024]
- US 6423439 [0038]
