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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Brennstoffzelle und insbesondere eine Unterbaugruppe für die Brennstoffzelle.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Brennstoffzelle wurde als saubere, effiziente und umweltverantwortliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen. Einzelne Brennstoffzellen können zusammen in Reihe gestapelt werden, um für verschiedene Anwendungen einen Brennstoffzellenstapel zu bilden. Der Brennstoffzellenstapel kann eine ausreichende Strommenge zum Antreiben eines Fahrzeugs liefern. Insbesondere wurde der Brennstoffzellenstapel als mögliche Alternative für den in modernen Kraftfahrzeugen verwendeten herkömmlichen Verbrennungsmotor ausgemacht.
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Eine Art von Brennstoffzelle ist die Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelle. Die PEM-Brennstoffzelle umfasst drei grundlegende Komponenten: eine Elektrolytmembran; und ein Paar von Elektroden, die eine Kathode und eine Anode umfassen. Die Elektrolytmembran ist zwischen den Elektroden sandwichartig eingeschlossen, um eine Membranelektrodeneinheit (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly) zu bilden. Die MEA ist typischerweise zwischen porösen Diffusionsmedien (DM), wie etwa Kohlefaserpapier, angeordnet, was eine Zufuhr von Reaktanten, wie etwa Wasserstoff zu der Anode und Sauerstoff zu der Kathode, erleichtert. Eine MEA und DM, die zusammen mit einer Unterdichtung für die Trennung von Reaktantfluiden vormontiert werden, ist als modulare Elektrodenanordnung (UEA, kurz vom engl. Unitized Electrode Assembly) bekannt.
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Bei der elektrochemischen Brennstoffzellenreaktion wird der Wasserstoff in der Anode katalytisch oxidiert, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen treten durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Elektronen von der Anode können nicht durch die Elektrolytmembran treten und werden stattdessen als elektrischer Strom durch eine elektrische Last, wie einen Elektromotor, zu der Kathode geleitet. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen.
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Die Elektrolytmembran ist typischerweise aus einer Ionomerschicht gebildet. Die Elektroden der Brennstoffzelle sind im Allgemeinen aus einem feinteiligen Katalysator gebildet. Der Katalysator kann ein beliebiger Elektrokatalysator sein, der mindestens eines von Oxidation von Wasserstoff oder Methanol und Reduktion von Sauerstoff für die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle katalytisch unterstützt. Der Katalysator ist typischerweise ein Edelmetall wie etwa Platin oder ein anderes Platingruppenmetall. Der Katalysator ist im Allgemeinen auf einem Kohlenstoffträger, wie etwa Rußschwarzpartikeln, angeordnet und ist in einem Ionomer dispergiert.
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Die Elektrolytmembran, die Elektroden, die DM und eine Unterdichtung, zum Beispiel in Form der UEA, sind zwischen einem Paar von Brennstoffzellenplatten angeordnet. Das Brennstoffzellenplattenpaar bildet eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte. Jede der Brennstoffzellenplatten kann mehrere darin ausgebildete Kanäle für die Verteilung der Reaktanten und von Kühlmittel zu der Brennstoffzelle aufweisen. Die Brennstoffzellenplatte wird typischerweise durch einen herkömmlichen Prozess zum Formen von Blech wie zum Beispiel Stanzen, maschinelles Bearbeiten, Farmen oder Fotoätzen durch eine photolithographische Maske gebildet. Im Fall einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte ist die Brennstoffzellenplatte typischerweise aus einem Paar von unipolaren Platten gebildet, die dann zum Bilden der Brennstoffzellen-Bipolarplatte verbunden werden.
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Die Brennstoffzellen-Bipolarplatten-Baugruppe einer Brennstoffzelle muss untereinander elektrisch isoliert sein, damit die Brennstoffzelle korrekt arbeitet. Typische Brennstoffzellenplatten sind metallen und können plastisch verformt werden, was den Isolierungsabstand bei der ausgelegten Nennspannung für die aus den Brennstoffzellenplatten zusammengebaute Brennstoffzelle effektiv reduziert. Wenn der Abstand zwischen den Brennstoffzellenplatten der komprimierten Brennstoffzelle unter die Unterdichtungsdicke der UEA für die Zelle fällt, wird an der Unterdichtung ein Druck angelegt. Es wurde nachgewiesen, dass der durch Verformung, z. B. einen gebogenen Plattenrand, erzeugte resultierende Plattendruck ausreicht, um unter normalen Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle in die Unterdichtung zu einzustechen.
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Wenn die Unterdichtung vollständig durchstochen wurde, kann es zu einem Kontakt von Platte zu Platte kommen. Die zu einem Kontakt von Platte zu Platte führende Verformung der Brennstoffzellenplatte ist typischerweise auf Größenabweichung der gefertigten Brennstoffzellenplatten oder eine Vorformung der Ränder der Brennstoffzellenplatten während Zusammenbau zurückzuführen. Die typische Brennstoffzelle ist auch auf komprimierte Dichtungsgrenzflächen angewiesen, deren Ausrichtung oder Fehlausrichtung während des Zusammenbaus der Brennstoffzelle unter Kompression zu einem Kontakt von Platte zu Platte führen kann.
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Ein bekanntes Verfahren, um einem Kontakt von Platte zu Platte entgegenzuwirken, umfasst das Umspritzen mit einer Elastomerdichtung der Randprofile der Brennstoffzellenplatten, wie es zum Beispiel in der U.S.-Patentanmeldung Veroffentl. Nr. 2007/207372 für Kikuchi et al. offenbart wird, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Bekannt ist es auch, einen Harzrahmen und verklebte Brennstoffzellenplatten zu nutzen, wie zum Beispiel in U.S.-Patentanmeldung Veröffentl. Nr. 2007/082251 für Inagaki offenbart wird, deren gesamte Offenbarung hierdurch durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Das Umspritzen mit der Elastomerdichtung und das Nutzen des Harzrahmens und der verklebten Brennstoffzellenplatten ist unerwünscht zeitaufwändig und unerschwinglich teuer.
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Es besteht weiterhin Bedarf nach einer Unterbaugruppe für die Fertigung einer Brennstoffzelle, die einem Kontakt von Platte zu Platte und einem anschließenden elektrischen Kurzschluss von Platte zu Platte der Brennstoffzelle an den Umfangsrändern der Brennstoffzellenplatten entgegenwirkt. Die Unterbaugruppe minimiert wünschenswerterweise die Verformung der Brennstoffzellenplatte während des Zusammenbaus und Betriebs, ist kostengünstig und nutzt vorhandenen Klebstoff zum Halten, wirkt einem Reißen einer Unterdichtung an den Umfangsrändern der Brennstoffzellenplatten entgegen und lässt eine Toleranzschwankung des Außenumfangs einer fertigen modularen Elektrodeneinheits(UEA)-Komponente zu, um ein Zuschneiden der Außenumfangsform nach Zusammenbau der Brennstoffzelle zu minimieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Einklang mit der vorliegenden Offenbarung wurde überraschenderweise eine Unterbaugruppe für die Fertigung einer Brennstoffzelle entdeckt, die einen Kontakt von Platte zu Platte und einen anschließenden Kurzschluss von Platte zu Platte der Brennstoffzelle an den Umfangsrändern von Brennstoffzellenplatten verhindert und die die Verformung der Brennstoffzellenplatte während des Zusammenbaus und des Betriebs reduziert, kostengünstig ist und vorhandenen Klebstoff zum Halten nutzt, einem Reifen einer Unterdichtung an den Umfangsrändern der Brennstoffzellenplatten entgegenwirkt und Toleranzschwankung eines Außenumfangs einer fertigen modularen Elektrodenanordnungs(UEA)-Komponente zulässt, um ein Zuschneiden der Außenumfangsform nach Zusammenbau der Brennstoffzelle zu minimieren.
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In einer Ausführungsform umfasst eine Unterbaugruppe für eine Brennstoffzelle eine Brennstoffzellenplatte mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite. Sowohl die erste Seite als auch die zweite Seite weist ein zwischen einem Paar von Sammlern angeordnetes Strömungsfeld auf. An der ersten Seite der Brennstoffzellenplatte liegt ein isolierender Abstandshalter an und ist benachbart zu einem Umfang der Brennstoffzellenplatte angeordnet. Eine modulare Elektrodenanordnung umfasst eine Unterdichtung und eine Membranelektrodeneinheit, die zwischen einem Paar von Diffusionsmediumschichten angeordnet ist. Die Membranelektrodeneinheit weist eine Elektrolytmembran auf, die zwischen einem Paar von Elektroden sandwichartig eingeschlossen ist. Die Unterdichtung umgibt die Membranelektrodeneinheit und ist mit dieser gekoppelt. Die Unterdichtung liegt an dem isolierenden Abstandshalter an. An der zweiten Seite der Brennstoffzellenplatte liegt eine Elastomerdichtung an.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst eine Brennstoffzelle ein Paar der Unterbaugruppen, die in einem Stapel angeordnet sind. Die Elastomerdichtung einer der Unterbaugruppen liegt an der Unterdichtung der anderen der Unterbaugruppen an.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellenstapel mehrere Brennstoffzellen, die in einem Stapel angeordnet sind.
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ZEICHNUNGEN
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Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen für den Fachmann ohne weiteres aus der folgenden eingehenden Beschreibung, insbesondere bei Betrachtung im Hinblick auf die hierin beschriebenen Zeichnungen, hervor.
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1 ist eine perspektivische Draufsicht in Explosionsdarstellung einer Unterbaugruppe für eine Brennstoffzelle, die einen isolierenden Abstandshalter gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst;
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2 ist eine Draufsicht auf die in 1 veranschaulichte Unterbaugruppe ohne eine modulare Elektrodenanordnung, um die Lage des isolierenden Abstandshalters an einer Brennstoffzellenplatte zu zeigen;
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3 ist eine unvollständige perspektivische Draufsicht auf eine Brennstoffzelle, die mehrere der in 1 veranschaulichten Unterbaugruppen aufweist;
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4 ist eine unvollständige perspektivische Draufsicht auf eine in 3 veranschaulichte einzelne Unterbaugruppe;
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5 ist eine unvollständige perspektivische Draufsicht auf die in 4 veranschaulichte einzelne Unterbaugruppe und zeigt weiterhin die modulare Elektrodenanordnung in Explosionsansicht;
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6 ist eine unvollständige perspektivische Draufsicht auf die in 4 und 5 veranschaulichte einzelne Unterbaugruppe und zeigt weiterhin sowohl den isolierenden Abstandshalter als auch die modulare Elektrodenanordnung in Explosionsansicht;
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7 ist eine unvollständige perspektivische Unteransicht der in 6 veranschaulichten einzelnen Unterbaugruppe; und
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8 ist eine vergrößerte unvollständige perspektivische Draufsicht auf eine Brennstoffzellenplatte, die in 6 durch einen Kreis 8 angedeutet ist, und zeigt weiterhin gestanzte Plattenmerkmale zur Verwendung mit dem isolierenden Abstandshalter der vorliegenden Offenbarung.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende eingehende Beschreibung und beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen dienen dazu, einem Fachmann das Herstellen und Nutzen der Erfindung zu ermöglichen, und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken.
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Unter Bezug auf 1–2 und 4–7 umfasst die vorliegende Offenbarung eine Unterbaugruppe 2 für eine Brennstoffzelle 4. Die Unterbaugruppe 2 umfasst eine Brennstoffzellenplatte 6, einen isolierenden Abstandshalter 8, eine modulare Elektrodenanordnung 10 und eine Elastomerabdichtung oder -dichtung 12, die in einem Stapel angeordnet sind. Die Unterbaugruppe 2 kann paarweise ausgerichtet sein, um die Brennstoffzelle 4 zu bilden, und mehrere der Brennstoffzellen 4 können in einem Stapel ausgerichtet sein, um einen Brennstoffzellenstapel 14 (in 3 gezeigt) zu bilden.
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Die Brennstoffzellenplatte 6 der Unterbaugruppe 2 umfasst eine erste Seite 16 und eine zweite Seite 18. Die Brennstoffzellenplatte 6 kann nach Bedarf eine Bipolarplatte oder eine unipolare Platte sein. Sowohl die erste Seite 16 als auch die zweite Seite 18 können ein zwischen einem Paar von Sammlern 22 angeordnetes Strömungsfeld 20 aufweisen. Das Strömungsfeld 20 kann mehrere darin ausgebildete Strömungskanäle aufweisen, die an gegenüberliegenden Seiten der Brennstoffzellenplatte 6 einen Strömungspfad zwischen den Sammnlern 22 festlegen. Der Sammler 22 umfasst mehrere Durchbrechungen 24. Die Durchbrechungen 24 der Brennstoffzellenplatte 6 können kombiniert mit einer oder mehreren weiteren Komponenten der Unterbaugruppe 2 zusammengebaut einen Anodeneinlass, einen Anodenauslass, einen Kathodeneinlass, einen Kathodenauslass, einen Kühlmitteleinlass oder einen Kühlmittelauslass der Unterbaugruppe 2 für die Brennstoffzelle 4 festlegen.
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Der isolierende Abstandshalter 8 liegt an der ersten Seite 16 der Brennstoffzellenplatte 6 an. Der isolierende Abstandshalter 8 ist benachbart zu einem Umfang 26 der Brennstoffzellenplatte 6 angeordnet. Der isolierende Abstandshalter 8 folgt der Kontur der Brennstoffzellenplatte 6, unabhängig von der Form, Insbesondere ist der isolierende Abstandshalter 8 zwischen den Durchbrechungen 24 und dem Umfang 26 der Brennstoffzellenplatte 6 angeordnet. In einer bestimmten Ausführungsform ist der isolierende Abstandshalter 8 im Wesentlichen bündig mit dem Umfang 26 der Brennstoffzellenplatte 6. Der isolierende Abstandshalter 8 kann von der Grundfläche etwas größer als die Brennstoffzellenplatte 6 sein, wobei er zum Beispiel eine Auskragung von bis zu etwa 2 mm aufweist, um zwischen den Brennstoffzellenplatten 6 elektrische Isolierung vorzusehen. Der isolierende Abstandshalter 8 kann zum Beispiel eine Form aufweisen, die im Wesentlichen einer Form des Umfangs 26 der Brennstoffzellenplatte 6 entspricht. Nach Bedarf können auch andere geeignete Formen für den isolierenden Abstandshalter 8 gewählt werden.
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Die modulare Elektrodenanordnung 10 der Unterbaugruppe 2 umfasst eine Unterdichtung 28 und eine Membranelektrodeneinheit 30, die zwischen einem Paar von Diffusionsmediumschichten 32 angeordnet ist. Die Membranelektrodeneinheit 30 umfasst eine (nicht gezeigte) Elektrolytmembran, die zwischen einem (nicht gezeigten) Paar von Elektroden sandwichartig eingeschlossen ist. Die Unterdichtung 28 umgibt die Membranelektrodeneinheit 30.
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Die Unterdichtung 28 ist mit der Membranelektrodeneinheit 30 gekoppelt und liegt an dem isolierenden Abstandshalter 8 an. In einer bestimmten Ausführungsform befindet sich zwischen der Unterdichtung 28 der modularen Elektrodenanordnung 10 und dem isolierenden Abstandshalter 8 und der Platte 6 ein Klebstoff. Der Klebstoff kann eine Schicht eines Wärmeklebers sein, die sich zum Beispiel auf der Unterdichtung 28 der modularen Elektrodenanordnung 10 befindet. Als nicht einschränkendes Beispiel ist der Klebstoff ein Ethylvinylacetatklebstoff, der sich auf einer Oberfläche der Unterdichtung 28 befindet. Der Klebstoff auf der Unterdichtung 28 befestigt die modulare Elektrodenanordnung 10 an dem isolierenden Abstandshalter 8. Es versteht sich, dass das Mittel zum Anbringen des isolierenden Abstandshalters 8 an der Unterdichtung 28 ein vorhandener Mikrodichtungsklebstoff der Unterdichtung 28 sein kann, der verwendet wird, um die modulare Elektrodenanordnung 10 an der Brennstoffzellenplatte 6 zu befestigen, wenn der isolierende Abstandshalter 8 nicht genutzt wird. Weitere Klebstoffe sind nicht erforderlich, wodurch eine Komplexität des Zusammenbaus für die Brennstoffzelle 4 minimiert wird. Ein Fachmann sollte erkennen, dass innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung auch andere Arten von Klebstoff verwendet werden können.
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Wie in 1 gezeigt kann die Unterdichtung 28 als eine im Wesentlichen ebene Lage, die die Membranelektrodeneinheit 30 umgibt, vorgesehen werden. In der Unterdichtung 28 können mehrere Durchbrechungen 33, wie zum Beispiel in 3–7 gezeigt, ausgebildet werden. Die Durchbrechungen 33 können entweder vor oder nach dem Zusammenbau der modularen Elektrodenanordnung 10 in der Unterdichtung 28 ausgebildet werden. Die Durchbrechungen 33 der Unterdichtung 28 wirken mit den Durchbrechungen 24 der Brennstoffzellenplatte 6 zusammen, um zusammengebaut den Anodeneinlass, den Anodenauslass, den Kathodeneinlass, den Kathodenauslass, den Kühlmitteleinlass oder den Kühlmittelauslass der Unterbaugruppe 2 für die Brennstoffzelle 4 festzulegen.
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Die Unterbaugruppe 2 der vorliegenden Offenbarung umfasst weiterhin die Elastomerdichtung 12. Die Elastomerdichtung 12 liegt an der zweiten Seite 18 der Brennstoffzellenplatte 6 an und isoliert in der Unterbaugruppe 2 Kühlmittel von Reaktanten und Reaktanten von anderen Reaktanten. Die Elastomerdichtung 12 kann aus einem elastischen Gummi, zum Beispiel einem Polyurethangummi mit ausreichender Beständigkeit gegenüber Temperaturen und Umweltbedingungen, die mit dem Betrieb der Brennstoffzelle 4 einhergehen, ausgebildet sein. Die Elastomerdichtung 12 kann nur durch Kompression der Elastomerdichtung 12 gegen die Brennstoffzellenplatte 6 festgehalten werden, wenn die Unterbaugruppe 2 in die Brennstoffzelle 4 eingebaut wird. Die Elastomerdichtung 12 kann anhaftende Anziehungskraft zu der Brennstoffzellenplatte 6 aufweisen und kann an der Brennstoffzellenplatte 6 positioniert und von der anhaftenden Anziehungskraft festgehalten werden, bis Kompression ausgeübt wird. In bestimmten Ausführungsformen wird kein Klebstoff genutzt, um die Elastomerdichtung 12 gegen die Brennstoffzellenplatte 6 festzuhalten.
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Die Unterdichtung 28 der modularen Elektrodenanordnung 10 trennt die Anoden- und Kathoden-Reaktantströme für die Brennstoffzelle 4. In den meisten Fällen sieht die Unterdichtung 28 auch eine gewisse elektrische Isolierung zwischen den Anoden- und Kathoden-Brennstoffzellenplatten 6 für die Brennstoffzelle 4 vor, insbesondere in den Fällen, da die konzipierten Abstände oder Spalte für die Brennstoffzelle 4 nicht vorhanden sind. Der isolierende Abstandshalter 8 ist außerhalb des elastomer abgedichteten Bereichs der Unterbaugruppe 2 angeordnet und ist daher nicht den Brennstoffzellenreaktanten ausgesetzt. Die erwünschten Materialeigenschaften für den isolierenden Abstandshalter 8 unterscheiden sich daher von den erwünschten Materialeigenschaften für die Unterdichtung 28, die Fluiden und internen Bedingungen der Brennstoffzelle 4 ausgesetzt ist. Der isolierende Abstandshalter 8 ist auch von den hoch befeuchteten Bedingungen isoliert, die an der einwärts befindlichen Seite der Elastomerdichtung 12 vorliegen. Demgemäß können für den isolierenden Abstandshalter 8 Materialien verwendet werden, die sich von den Materialien für die Unterdichtung 28 der modularen Elektrodenanordnung 10 unterscheiden und verglichen damit relativ kostengünstig sind. Ansonsten würden solche teuren Materialien für den isolierenden Abstandshalter 8 erforderlich sein, wenn der isolierende Abstandshalter 8 die Elastomerdichtung 12 durchzieht, um vor Wasserabsorption zu schützen, die ein Anschwellen und Schwächen des isolierenden Abstandshalters 8 herbeiführt.
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Ferner gibt es Konstruktionsbeschränkungen, die es unerwünscht machen, dass sich der isolierende Abstandshalter 8 einwärts über die Dichtung 12 erstreckt. Physikalisch ist der Raum in der Unterbaugruppe 2 begrenzt, und wenn ein Rand des isolierenden Abstandshalters 8 unterbrochen ist, führt die Dichtung 12, die über den Rand tritt, zu einem unerwünschten Lecken.
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In einer bestimmten Ausführungsform ist der isolierende Abstandshalter 8 aus einem elektrisch nicht leitenden und im Wesentlichen nicht elastomeren Material gebildet. Es ist wünschenswert, dass der isolierende Abstandshalter 8 nicht elastomer ist, um bei Zusammenbau einer Schwankung der Gesamthöhe der Brennstoffzelle 4 entgegenzuwirken. Der isolierende Abstandshalter 8 biegt bei einem mit einem typischen Betrieb der Brennstoffzelle 4 einhergehenden Ausüben eines Drucks nicht wesentlich weg. Der isolierende Abstandshalter 8 kann zum Beispiel aus einem Kunststoff oder einem Verbundmaterial gebildet sein, der/das bei Ausübung des Drucks vorrangig plastische Verformung aufweist. In bestimmten Ausführungsformen ist das für den isolierenden Abstandshalter 8 verwendete Kunststoffmaterial Polyethylenterephthalat oder Polyethylennaphthalat. Nach Bedarf können auch andere elektrisch nicht leitende und im Wesentlichen nicht elastomere Materialien verwendet werden.
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Der isolierende Abstandshalter 8 weist auch eine Steifigkeit auf, die ausreicht, um einem Durchstechen desselben durch einen verformten Rand am Umfang 26 der Brennstoffzellenplatte 6 entgegenzuwirken. Ein Durchschnittsfachmann sollte erkennen, dass der verformte Rand die Folge von Größenschwankung der Brennstoffzellenplatte 6 und eines mit der Kompression der Unterbaugruppe 2 während des Einbaus in die Brennstoffzelle 4 einhergehenden Drucks sein kann. Es versteht sich, dass für das Material ein Youngscher Modul und eine Zugfestigkeit, die die ausreichende Festigkeit unter Brennstoffzellenbetriebsbedingungen vorsehen, gewählt werden können. Als nicht einschränkendes Beispiel kann der isolierende Abstandshalter 8 einen Youngschen Modul von mindestens etwa 2700 MPa und eine Zugfestigkeit von mindestens etwa 50 MPa aufweisen. Abhängig von anderen Eigenschaften, die sich auf die Durchstechbeständigkeit des Materials auswirken, können ein niedrigerer Youngscher Modul und eine niedrigere Zugfestigkeit genutzt werden. Ein Durchschnittsfachmann kann für den isolierenden Abstandshalter 8 das Material, das ausreichende Festigkeit und Durchstechbeständigkeit aufweist, nach Bedarf wählen.
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Es versteht sich, dass die Dicke des isolierenden Abstandshalters 8 so gewählt werden kann, dass der verformte Rand einer der Brennstoffzellenplatten 6 nur teilweise in die Oberfläche des isolierenden Abstandhalters 8 eindringt. Wenn der verformte Rand einer der Brennstoffzellenplatten 6 zumindest teilweise in die Oberfläche des isolierenden Abstandshalters 8 eindringt, wird ein Druck, den ein punktueller Defekt in dem Rand der Brennstoffzellenplatte 6 andernfalls an dem isolierenden Abstandshalter 8 ausüben würde, minimiert.
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Der isolierende Abstandshalter 8 kann weiterhin eine Dicke aufweisen, die zum Beispiel größer als eine Dicke der benachbarten Brennstoffzellenplatte 6 ist. Es versteht sich, dass die Plattenbaugruppendicke beruhend auf den Formmerkmalen innerhalb der Teilegeometrie variieren kann. Der isolierende Abstandshalter 8 kann zur Veranschaulichung eine Dicke aufweisen, die etwa fünfundzwanzig Prozent (25%) bis etwa einhundert Prozent (100%) größer als eine durchschnittliche Dicke der Brennstoffzellenplatte 6 ist, wobei die durchschnittliche Dicke der Brennstoffzellenplatte 6 eine kombinierte Materialdicke einer Anodenplatte und einer Kathodenplatte ist, die die Brennstoffzellenplatte 6 bilden. In einer bestimmten Ausführungsform weist der isolierende Abstandshalter 8 eine Dicke von etwa fünfundzwanzig Prozent (25%) bis etwa fünfundsiebzig Prozent (75%) auf. Wenn zum Beispiel die Brennstoffzellenplatte 6 die durchschnittliche Dicke von etwa 150 Mikrometer aufweist, kann der isolierende Abstandshalter 8 die Dicke zwischen etwa 190 Mikrometer und etwa 260 Mikrometer aufweisen. Ein Fachmann kann nach Bedarf andere geeignete Abmessungen für die Brennstoffzellenplatte 6 und den isolierenden Abstandshalter 8 nutzen.
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Mindestens einer der Sammler 22 der Brennstoffzellenplatte 6 umfasst nach außen abstehende Umfangselemente 34. Der isolierende Abstandshalter 8 umfasst auch nach außen abstehende Umfangselemente 36, die im Wesentlichen mindestens einem Teil der nach außen abstehenden Umfangselemente 34 der Brennstoffzellenplatte 6 entsprechen.
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In einem Beispiel bedecken die nach außen abstehenden Umfangselemente 36 des isolierenden Abstandshalters 8 im Wesentlichen alle abstehenden Umfangselemene 34 der Brennstoffzellenplatte 6 mit Ausnahme eines vorbestimmten Teils für elektrische Verbindung, zum Beispiel mit externen Geräten. Das freiliegende der nach außen abstehenden Umfangselemente 34 kann zum Beispiel ein Zellenspannungsüberwachungsstreifen sein. Es versteht sich, dass der isolierende Abstandshalter 8 einen Teil des freiliegenden der nach außen abstehenden Umfangselemente 34 der Brennstoffzellenplatte 6 bedecken kann.
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In einem weiteren Beispiel können die Brennstoffzellenplatte 6, der isolierende Abstandshalter 8 sowie die Unterdichtung 28 der modularen Elektrodenanordnung 10 jeweils Bezugslöcher 38 umfassen. Die Bezugslöcher 38 der Brennstoffzellenplatte 6, des isolierenden Abstandshalters 8 und der Unterdichtung 28 wirken zusammen, um den isolierenden Abstandshalter 8, die Brennstoffzellenplatte 6 und die modulare Elektrodenanordnung 10 während des Zusammenbaus der Brennstoffzelle 4 mit (nicht gezeigte) Bezugsstäben auszurichten.
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Unter besonderem Bezug auf 8 kann die Brennstoffzellenplatte 6 gestanzte Formmerkmale 40 umfassen. Die gestanzten Formmerkmale 40 können erhabene Abschnitte auf der Oberfläche der Brennstoffzellenplatte 6 sein. Die gestanzten Formmerkmale 40 sind benachbart zu dem isolierenden Abstandshalter 8 angeordnet, zum Beispiel an den nach außen abstehenden Umfangselementen 34, und erleichtern ein Festhalten des isolierenden Abstandshalters 8, wenn die Brennstoffzelle 4 zusammengebaut wird. Die gestanzten Formmerkmale 40 können weiterhin während der Bildung der Unterbaugruppe 2 oder der Brennstoffzelle 4 ein Heisspressen und Härten des Klebstoffs auf der Unterdichtung 28 an den isolierenden Abstandshalter 8 erleichtern.
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In 3 wird die Brennstoffzelle 4 gemäß der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Die Brennstoffzelle 4 umfasst den zwischen einem Paar der Brennstoffzellenplatten 6 angeordneten isolierenden Abstandshalter 8. Die Brennstoffzelle 4 kann durch Stapeln eines Paars der Unterbaugruppe 2 wie hierin vorstehend offenbart vorgesehen werden. Analog wird in 3 der Brennstoffzellenstapel 14 gezeigt und kann durch Stapeln von mehreren der aus der Unterbaugruppe 2 gebildeten Brennstoffzellen 4 vorgesehen werden.
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Das Hinzufügen des isolierenden Abstandshalters 8 zwischen die Brennstoffzellenplatten 6 füllt vorteilhafterweise die Brennstoffzellenplatten 6 auf bzw. trennt diese und unterstützt das Verteilen der Last oder des Drucks, der sich andernfalls aus der Verformung des Plattenrands an dem Umfang 26 der Brennstoffzellenplatte 6 ergeben würde. Die Steifigkeit des isolierenden Abstandshalters 8 ermöglicht auch das Nutzen des isolierenden Abstandshalters 8 als Plattenfestpunkt und das Vorsehen von Ausrichtungsmerkmalen für außen angebrachte Hardware. Es versteht sich, dass ein Außenprofil des Brennstoffzellenstapels 14 im Allgemeinen für Verformung anfällig ist, wenn der Brennstoffzellenstapel 14 nicht vollständig umschlossen oder eingekapselt ist. Der isolierende Abstandshalter 8 ist robust und wirkt einer zusätzlichen Verformung der Brennstoffzellenplatten 6 während einer Nutzungsdauer des Brennstoffzellenstapels 14 entgegen.
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In der Unterbaugruppe 2 der vorliegenden Offenbarung weist der isolierende Abstandshalter 8 keinen zusätzlichen Klebstoff auf und wird durch Klebstoff, der auf der Unterdichtung 28 der modularen Elektrodenanordnung 10 vorhanden ist, festgehalten. Die Unterdichtung 28 überlappt einen Teil des isolierenden Abstandshalters 8, der benachbart zu einem Stopfbuchenbereich der Brennstoffzellenplatte 6 angeordnet ist. Der Klebstoff auf der Unterdichtung 28 verbindet den isolierenden Abstandshalter 8 mit der Unterdichtung 28, wodurch er in der Unterbaugruppe 2 befestigt. Vorteilhafterweise kann der gesamte Zusammenbauvorgang in einem Schritt erfolgen, wodurch eine Komplexität der Fertigung der Brennstoffzelle 4 mit der Unterbaugruppe 2 der vorliegenden Offenbarung minimiert wird.
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Ein Fachmann sollte auch erkennen, dass die Unterbaugruppe 2 einem Kontakt von Platte zu Platte und einem anschließenden Kurzschluss von Platte zu Platte der Brennstoffzelle 4 an den Rändern des Umfangs 26 der Brennstoffzellenplatten 6 entgegenwirkt. Die Unterbaugruppe 2, die den isolierenden Abstandshalter 8 umfasst, minimiert die Verformung der Brennstoffzellenplatten 6 während des Betriebs. Zudem wirkt der isolierende Abstandshalter 8 einem Reißen einer Unterdichtung 28 an den Rändern des Umfangs 26 der Brennstoffzellenplatten 6 entgegen und lässt eine Toleranzschwankung eines Außenumfangs der fertigen modularen Elektrodenanordnung 10 zu. Das Nutzen des isolierenden Abstandshalters 8 macht dadurch eine Notwendigkeit zunichte, den Außenumfang der Unterdichtung 28 nach dem Zusammenbau der Brennstoffzelle 4 zuzuschneiden.
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Während bestimmte stellvertretende Ausführungsformen und Einzelheiten zum Zweck des Veranschaulichens der Erfindung gezeigt wurden, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen, der in den folgenden beigefügten Ansprüchen weiter beschrieben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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