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Hintergrund
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Bauformen und Verfahren zum Ausrichten von Komponenten während eines Zusammenbaus von Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapeln. Insbesondere betrifft es Ausrichtungsbestandteile zum Ausrichten von Bipolarplatten und optional Membran-Elektroden-Anordnungen sowie der Platten innerhalb von Bipolarplatten.
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Beschreibung des verwandten Stands der Technik
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Brennstoffzellen wie Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen konvertieren elektrochemisch Reaktanden in Form eines Brennstoffs und eines Oxidationsmittels (zum Beispiel jeweils Wasserstoff und Sauerstoff oder Luft), um elektrische Leistung zu erzeugen. Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen verwenden im Allgemeinen einen protonenleitfähigen Polymer-Membran-Elektrolyten zwischen kathodischen und anodischen Elektroden. Die Elektroden enthalten geeignete Katalysatoren und umfassen typischerweise auch leitfähige Partikel, ein Bindemittel, und Material, um die Benetzbarkeit zu modifizieren. Eine Struktur, welche eine protonenleitfähige Polymer-Membran umfasst, welche zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, wird als eine Membran-Elektroden-Anordnung bezeichnet. Solche Anordnungen können auf effiziente Weise hergestellt werden, indem auf geeignete Weise Katalysatormischungen auf die Polymer-Membran aufgebracht werden, und Anordnungen, welche auf diese Weise hergestellt sind, sind allgemein als mit einem Katalysator beschichtete Membranen (CCMs) bekannt. Zum Zwecke der Handhabung und des Abdichtens sind CCMs oft gerahmt, und solche Rahmen umfassen typischerweise zwei Polymerfolien, welche mit der CCM am Rand verbunden sind und die CCM in der Mitte aufnehmen.
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Der Rahmen kann einfacher gehandhabt werden als die CCM selber, und der Rahmen kann auch als eine Dichtung verwendet werden.
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Üblicherweise werden anodische und kathodische Gasdiffusionslagen (GDLs) verwendet, welche an ihre jeweiligen Elektroden auf jeder Seite einer mit einem Katalysator beschichteten Membran angrenzen. Die Gasdiffusionslagen dienen dazu, die Reaktanden gleichmäßig zu verteilen und um Nebenprodukte von den Katalysatorelektroden zu entfernen. Strömungsfeldplatten für den Brennstoff und das Oxidationsmittel sind dann typischerweise benachbart zu den jeweiligen Gasdiffusionslagen vorgesehen, und die Kombination all dieser Komponenten stellt eine typische individuelle Brennstoffzellenanordnung dar. Die Strömungsfeldplatten umfassen Strömungsfelder, welche üblicherweise zahlreiche Fluidverteilungskanäle enthalten. Die Strömungsfeldplatten dienen verschiedenen Zwecken, welche umfassen: ein Verteilen der Reaktanden auf die Gasdiffusionslagen, ein Entfernen von Nebenprodukten von dort, eine strukturelle Unterstützung und Eingrenzung und eine Stromabnahme. Oft sind die Strömungsfeldplatten für den Brennstoff und das Oxidationsmittel zu einer einheitlichen Bipolarplatte zusammengefügt, um dazwischen ein Kühlmittel-Strömungsfeld einzubringen und/oder für andere Zwecke des Zusammenbaus. Weil die Ausgangsspannung einer einzelnen Zelle in der Größenordnung von 1 V liegt, wird für kommerzielle Anwendungen üblicherweise eine Mehrzahl von Zellen in Reihen zusammengestapelt. Brennstoffzellenstapel können für die Nutzung in automobilen Anwendungen und dergleichen weiter in Gruppen von miteinander in Reihe und/oder parallel verbundenen Stapeln verbunden sein.
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Um die Fähigkeit der Leistungsdichte zu maximieren, wird die Größe des Brennstoffzellenstapels so gering wie möglich gehalten, und folglich werden die Komponenten und darin ausgebildeten Bestandteile so klein wie praktisch möglich gehalten. Auf Grund der geringen Größe der beteiligten Bestandteile und der zahlreichen Komponenten, welche einen vollständigen Brennstoffzellenstapel bilden, ist es schwierig, durchweg enge Toleranzen beim Ausrichten während des Zusammenbaus einzuhalten. Jedoch kann eine nicht ganz perfekte Ausrichtung dieser Komponenten eine erheblich negative Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels haben. Die Ausrichtung der Bestandteile in den Brennstoffzellen relativ zueinander ist daher eine erhebliche Gestaltungsüberlegung und Randbedingung.
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Im Hinblick auf den Prozess des Ausrichtens während des Zusammenbaus des Stapels gibt es mehrere Problembereiche: 1) die Ausrichtung der CCMs und der GDLs relativ zu den Rändern der Strömungsfelder in den benachbarten Strömungsfeldplatten; 2) die Ausrichtung der Rahmen der MEAs relativ zu den Fluidöffnungen und Rändern der benachbarten Strömungsfeldplatten; 3) die Ausrichtung von Schnittstellenplatten, Busplatten und Endplatten in dem Stapel; 4) die Ausrichtung von anodischen und kathodischen Strömungsfeldern zwischen benachbarten Bipolarplatten; und 5) die Ausrichtung von anodischen und kathodischen Platten innerhalb der Bipolarplatten-Anordnungen.
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Im Hinblick auf 1) kann eine Fehlausrichtung zu einer geringfügigen Ineffizienz der Materialverwendung führen (zum Beispiel wird der Katalysator nicht effizient genutzt) und hat einen vergleichsweise geringen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Stapels. Eine annehmbare Ausrichtung kann typischerweise erhalten werden, indem geeignete Bestandteile in die Komponenten selber integriert werden, und dies innerhalb leicht erreichbarer Toleranzen.
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Im Hinblick auf 2) kann eine Fehlausrichtung zu Problemen mit elektrischem Kurzschließen, dem Strömungswiderstand in den Leitungsverteilern und dem Wasserhaushalt in den Zellen führen. Im Hinblick auf 3) kann eine Fehlausrichtung zu Problemen mit dem Packungsmaß des gesamten Stapels, der Ausrichtung der Fluidöffnungen und so weiter führen. Keines dieser Probleme hat jedoch eine erhebliche direkte Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit des Stapels. In beiden Fällen kann eine annehmbare Ausrichtung typischerweise erhalten werden, indem Bezugsbestandteile auf den Komponenten an Bezugsbestandteilen auf externen Halterungen ausgerichtet werden, welche für den Zusammenbau verwendet werden.
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Im Hinblick auf 4) beeinflusst eine Fehlausrichtung jedoch direkt das Überlappen von Absätzen und Kanälen in den Strömungsfeldern auf den Platten. Vergleichsweise geringe Fehlausrichtungen führen hier zu einem erheblichen Verlust der Leistungsfähigkeit von Zellen in dem Stapel, sowie auch zu Problemen mit dem Wasserhaushalt und der strukturellen Stabilität des Stapels. Und im Hinblick auf 5) trägt hier eine Fehlausrichtung zu den Problemen bei, welche mit 4) zusammenhängen, und sie kann auch zu Problemen mit der elektrischen Verbindung an dieser Schnittstelle und zum Strömungswiderstand von Kühlmittel innerhalb der Bipolarplatten führen. Eine Ausrichtung innerhalb von und zwischen Bipolarplatten wurde in der Vergangenheit auf verschiedenen Arten erhalten. Leider sind in Anbetracht der Bestandteilsgrößen und der Anzahl der beteiligten Komponenten derzeitige Ausrichtungsverfahren nicht so verlässlich oder so genau wie erwünscht.
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Ein Verfahren zum Erhalten einer Ausrichtung innerhalb von und zwischen Bipolarplatten ist durch Ausrichten von Bezugsbestandteilen auf den Elektrodenplatten an Bezugsbestandteilen auf externen Halterungen für den Zusammenbau vorhanden. Es gibt jedoch mehrere Nachteile dieser Herangehensweise. Von großer Wichtigkeit ist, dass die Toleranzen an den externen Zusammenbaubestandteilen selber zu der gesamten Ausrichtungstoleranz beim Stapelaufbau hinzukommen. Und diese Toleranzen sind typischerweise groß genug, dass die typische Ausrichtungstoleranz im Stapelaufbau zwischen den anodischen und kathodischen Strömungsfeldern einer Zelle in der Stapelrichtung groß genug werden kann, um eine dramatische Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit der Zelle zu haben. Daher führt diese Herangehensweise an sich zu einer weniger genauen relativen Positionierung der Komponenten als es erwünscht ist. Des Weiteren besteht ein Risiko im Herstellungsprozess darin, dass ein Zusammenpressen eines Stapels, welcher auf externe Bezugselemente ausgerichtet ist, ein Risiko mit sich bringt, dass die Komponenten während des Kompressionszyklus gegen die harten Bezugsbestandteile beschädigt werden. Des Weiteren gibt es eine unerwünschte Zunahme der Prozesszykluszeit und der Kosten, da die beteiligten Tätigkeiten des Aufnehmens und Platzierens langsamer werden, wenn die Anforderung an die Genauigkeit zunimmt. Zusätzlich ist eine teurere Ausrüstung erforderlich, wenn eine präzisere Handhabung gefordert ist.
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Eine andere Alternative zum Erhalten einer Ausrichtung innerhalb von und zwischen Bipolarplatten besteht im Einbringen von entsprechenden Ausrichtungsbestandteilen in die Komponenten selber. Üblicherweise liegen jedoch diese Bestandteile nicht in den Ebenen der Bipolarplatten. Das heißt, diese Bestandteile stehen aus den Hauptoberflächen der Strömungsfeldplatten (das heißt der Strömungsfeld-Absätze) heraus oder ragen hervor, so dass sie mit benachbarten Platten während des Stapelns in Kontakt gelangen können und dadurch die Ausrichtung mit diesen beeinträchtigen. Diese Bestandteile außerhalb der Ebene machen es jedoch schwierig, die Komponenten zusammenzustapeln (was üblicherweise durch Kleben bewerkstelligt wird oder durch Halterungen zum nachträglichen Aushärten, was Passungslöcher für die Bestandteile außerhalb der Ebene erfordern würde und eine grobe Ausrichtung, um ein Abstandsmaß sicherzustellen). Des Weiteren erfordert die Anwesenheit von diesen Bestandteilen unerwünschte Komplikationen bei mehreren anderen Prozessen des Zusammenbaus, welche das Prägen der Platten umfassen (wobei die Bearbeitung kleine Bereiche von Stahl erfordert, welche über die Hauptebenen der zu prägenden Bestandteile überstehen, was eine dramatisch erhöhte Werkzeugbearbeitung erforderlich macht, um das umgebende Material zu entfernen, oder die Verwendung von Einsätzen, welche diese Bestandteile enthalten, was zusätzliche Ungenauigkeiten beim Ausrichten schafft), das Abflachen der Platte nach dem Formen (was nicht länger zwischen zwei flachen Oberflächen bewerkstelligt werden kann, so dass zusätzliche Halterungen und eine Komponentenausrichtung erforderlich sind) und das Verbinden der Platten (welches in einer beheizten Presse bewerkstelligt wird, und welches so ein Abstandsmaß für herausstehende Bestandteile und eine zusätzliche Komponentenausrichtung erforderlich macht). All das Vorstehende erhöht die Bearbeitungskosten und die Prozesszykluszeit in unerwünschter Weise.
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In noch einer anderen Alternative offenbart die
US 20060051651 ein Verfahren zum Ausrichten von sich wiederholenden und sich nicht wiederholenden Einheiten in einem Brennstoffzellenstapel. Hierbei sind Ausrichtungsteile eingebracht, welche selektiv zwischen ersten und zweiten Positionen betreibbar sind, und welche dazu ausgebildet sind, mit internen Ausrichtungsbestandteilen an Komponenten in dem Brennstoffzellenstapel zusammenzuwirken. Die erste Position entspricht dem, mit den Ausrichtungsbestandteilen in Eingriff zu sein, und die zweite Position entspricht dem, mit den Ausrichtungsbestandteilen außer Eingriff zu sein.
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Es verbleibt ein fortdauerndes Bedürfnis, eine einfachere und bessere Ausrichtung von Komponenten während des Zusammenbaus von solchen Brennstoffzellenstapeln zu erhalten. Die vorliegende Erfindung geht diese Bedürfnisse an und liefert weitere verwandte Vorteile.
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Zusammenfassung
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Die vorliegende Erfindung sorgt für einfachere Bauausführungen und Verfahren zum Ausrichten von Komponenten während der Herstellung von Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapeln. Die Komponenten, welche beim Verwenden der Erfindung ausgerichtet werden können, umfassen die Bipolarplatten in dem Stapel, die Membran-Elektroden-Anordnungen und Platten, welche die Bipolarplatten aufbauen (zum Beispiel die Platten in Bipolarplatten-Anordnungen). Hierbei sind Ausrichtungsbestandteile innerhalb von gemeinsamen Bezugsöffnungen angeordnet, und sie können in vorteilhafter Weise in einer Ebene mit den Bipolarplatten sein. Die Erfindung sorgt für eine verbesserte Ausrichtung und Herstellbarkeit.
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Speziell umfasst ein Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapel eine Mehrzahl von Membran-Elektroden-Anordnungen und eine Mehrzahl von Bipolarplatten, welche die Membran-Elektroden-Anordnungen voneinander trennen. Jede Bipolarplatte umfasst eine Anodenseite, eine Kathodenseite und eine gemeinsame Bezugsöffnung, und die gemeinsamen Bezugsöffnungen jeder Bipolarplatte fluchten in dem Stapel miteinander. Der Stapel umfasst auch eine Mehrzahl von Ausrichtungsbestandteilen, wobei ein Ausrichtungsbestandteil für jedes benachbarte Paar gemeinsamer Bezugsöffnungen in benachbarten Bipolarplatten vorgesehen ist. Des Weiteren greift jeder Ausrichtungsbestandteil in die gemeinsame Bezugsöffnung der Anodenseite einer Bipolarplatte und in die gemeinsame Bezugsöffnung der Kathodenseite einer benachbarten Bipolarplatte ein. Ein Vorteil dieser Herangehensweise ist, dass jeder Ausrichtungsbestandteil innerhalb der Ebenen liegen kann, welche durch die äußeren Oberflächen der Bipolarplatten definiert sind, mit welchen es in Eingriff ist, und dass dadurch die Bipolarplatten frei von herausstehenden Bestandteilen sein können. Aus verschiedenen Gründen kann dies den Herstellungsprozess vereinfachen.
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Zum Erleichtern des Zusammenbaus verbleiben die Ausrichtungsbestandteile nach dem Zusammenbau bevorzugt in dem Stapel und sind demnach nicht-elektrisch leitfähig. Geeignete Ausrichtungsbestandteile können einfach aus einem geformten Polymer hergestellt sein. Die hierbei verwendeten Ausrichtungsbestandteile können verschiedene Formen haben, welche scheibenförmig oder ringförmig umfassen.
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In manchen Ausführungsformen, in welchen die gemeinsame Bezugsöffnung eine Fluidöffnung in der Bipolarplatte ist, können die Ausrichtungsbestandteile einen radialen Schlitz umfassen, welcher auf geeignete Weise beim Zusammenbau orientiert wird, um einen Durchfluss des Fluids zuzulassen. In manchen Ausführungsformen können sowohl die gemeinsamen Bezugsöffnungen in den Bipolarplatten und die Umfänge der Ausrichtungsbestandteile abgeschrägt sein, um den Zusammenbau zu vereinfachen und die Genauigkeit zu verbessern.
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In noch anderen Ausführungsformen, welche gerahmte Membran-Elektroden-Anordnungen verwenden, können die Ausrichtungsbestandteile einen umlaufenden Schlitz umfassen, welcher vorteilhaft verwendet werden kann, um zusätzlich die gerahmten Membran-Elektroden-Anordnungen auszurichten. Solche Anordnungen umfassen einen Rahmen, welcher auch eine gemeinsame Bezugsöffnung umfasst, welche mit den gemeinsamen Bezugsöffnungen in den Bipolarplatten fluchtet. Um die Ausrichtung zu erreichen, ist jeder Rahmen in dem umlaufenden Schlitz eines Ausrichtungsbestandteils eingeklemmt.
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In noch weiter anderen Ausführungsformen, welche Bipolarplatten-Anordnungen verwenden, können die Ausrichtungsbestandteile optional verwendet werden, um die Platten auszurichten, welche die Bipolarplatten-Anordnungen aufbauen. Solche Anordnungen umfassen typischerweise eine Anodenplatte, welche mit einer Kathodenplatte verbunden ist. Um hier die Ausrichtung zu erreichen, greift jeder Ausrichtungsbestandteil in die gemeinsame Bezugsöffnung der Anodenplatte und in die gemeinsame Bezugsöffnung auf der Kathodenseite in einer der Bipolarplatten ein.
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Alternativ können bei Ausführungsformen, welche Bipolarplatten-Anordnungen verwenden, die Anodenplatte und die Kathodenplatte in jeder Bipolarplatten-Anordnung stattdessen eine weitere gemeinsame Bezugsöffnung umfassen und einen weiteren Ausrichtungsbestandteil. Hierbei kann der weitere Ausrichtungsbestandteil dazu verwendet werden, in die weitere gemeinsame Bezugsöffnung der verbundenen Seite der Anodenplatte und in die weitere gemeinsame Bezugsöffnung der verbundenen Seite der benachbarten Kathodenplatte in jeder Bipolarplatten-Anordnung einzugreifen.
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Die Erfindung umfasst auch zugehörige Einheitszellen-Anordnungen, welche typischerweise bei der Herstellung von Brennstoffzellenstapeln verwendet werden. Hierbei umfassen solche Einheitszellen-Anordnungen eine Membran-Elektroden-Anordnung, eine der Membran-Elektroden-Anordnung benachbarte Bipolarplatte, wobei die Bipolarplatte eine Anodenseite, eine Kathodenseite und eine gemeinsame Bezugsöffnung umfasst, und einen Ausrichtungsbestandteil in der gemeinsamen Bezugsöffnung der Bipolarplatte.
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Des Weiteren beinhaltet die Erfindung zugehörige Verfahren für das Ausrichten einer Mehrzahl von Bipolarplatten während des Zusammenbaus eines Feststoff-Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellenstapels. Das Verfahren umfasst die Schritte:
Einbringen einer gemeinsamen Bezugsöffnung in jede Bipolarplatte derart, dass die gemeinsamen Bezugsöffnungen alle miteinander fluchten,
Einbringen einer Mehrzahl von Ausrichtungsbestandteilen in die gemeinsamen Bezugsöffnungen, und
Stapeln der Membran-Elektroden-Anordnungen und der Bipolarplatten derart, dass jeder Ausrichtungsbestandteil in die gemeinsame Bezugsöffnung auf der Anodenseite einer Bipolarplatte und in die gemeinsame Bezugsöffnung auf der Kathodenseite einer angrenzenden Bipolarplatte eingreift.
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Wie oben erwähnt kann das Verfahren in vorteilhafter Weise ein Auswählen jedes Ausrichtungsbestandteils derart umfassen, dass er innerhalb der Ebenen liegt, welche durch die äußeren Oberflächen der Bipolarplatten definiert sind, mit welchen er in Eingriff ist. Des Weiteren kann das Verfahren zusätzlich ein Ausrichten der Mehrzahl der Membran-Elektroden-Anordnungen während des Zusammenbaus des Brennstoffzellenstapels umfassen. Dies kann erreicht werden, indem die folgenden Schritte verwendet werden:
Verwenden von Membran-Elektroden-Anordnungen, welche einen Rahmen umfassen,
Einbringen einer gemeinsamen Bezugsöffnung in jeden Rahmen, welche mit den gemeinsamen Bezugsöffnungen in den Bipolarplatten fluchtet,
Einbringen eines umlaufenden Schlitzes in jeden Ausrichtungsbestandteil, und
Einklemmen jedes Rahmens in dem umlaufenden Schlitz eines Ausrichtungsbestandteils.
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In dem Vorstehenden können die Ausrichtungsbestandteile nach dem Zusammenbau in dem Stapel verbleiben, oder sie können optional nach dem Ausrichten entfernt werden, und die Schritte des Zusammenbauens des Stapels werden auf andere Weise abgeschlossen. Demnach kann das Verfahren gemäß der Erfindung auch ein Entfernen (zum Beispiel durch Ausstanzen) der Mehrzahl der Ausrichtungsbestandteile in den gemeinsamen Bezugsöffnungen nach dem Stapeln der Membran-Elektroden-Anordnungen und der Bipolarplatten umfassen.
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Diese und andere Aspekte der Erfindung sind mit Bezug auf die angehängten Figuren und die folgende ausführliche Beschreibung ersichtlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Explosionsdarstellung eines beispielhaften Feststoff-Polymer-Brennstoffzellenstapels gemäß dem Stand der Technik.
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2a, 2b und 2c zeigen verschiedene Ausführungsformen eines Ausrichtungsbestandteils der Erfindung, nämlich einen scheibenförmigen Bestandteil, wobei der scheibenförmige Bestandteil einen radialen Schlitz umfasst, beziehungsweise einen scheibenförmigen Bestandteil, welcher einen umlaufenden Schlitz umfasst.
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3a zeigt eine schematische, seitliche Schnittansicht eines Rands einer gerahmten Membran-Elektroden-Anordnung, welche einen Ausrichtungsbestandteil umfasst, wie er in 2c gezeigt ist.
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3b zeigt eine isometrische, schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels in der Nähe der gemeinsamen Bezugselemente von zwei benachbarten Bipolarplatten-Anordnungen, welche Ausrichtungsbestandteile wie die in 2c gezeigten umfassen.
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4 zeigt eine Draufsicht auf eine Bipolarplatten-Anordnung in einem Brennstoffzellenstapel, welcher Ausrichtungsbestandteile mit einem radialen Schlitz umfasst, welche funktional den in 2b gezeigten ähnlich sind. Die Ansicht ist in der Nähe einer Fluidöffnung, welche als das gemeinsame Bezugselement dient.
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Ausführliche Beschreibung
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Vorliegend wurden die folgenden Definitionen verwendet. Der Ausdruck „Bipolarplatte” bezieht sich auf eine Platte oder eine Plattenanordnung, deren gegenüberliegende größten Oberflächen in elektrischem Kontakt mit der Anode von einer Zelle beziehungsweise der Kathode einer benachbarten Zelle sind. Eine Bipolarplatten-Anordnung umfasst typischerweise eine Anodenplatte und eine Kathodenplatte, welche miteinander in elektrischem Kontakt verbunden wurden.
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Der Ausdruck „liegt innerhalb der Ebenen” wurde verwendet, um die relative Position der Ausrichtungsbestandteile in Bezug auf die Bipolarplatten anzugeben. Hierbei bedeutet es, wenn ein Ausrichtungsbestandteil innerhalb der Ebenen liegt, welche durch die äußeren Oberflächen der Bipolarplatten definiert sind, mit welchen er in Eingriff ist, dass der Bestandteil nicht über diese Ebenen hervorsteht oder aufrecht von diesen ist.
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Mit Bezug auf einen Ausrichtungsbestandteil bezieht sich der Ausdruck „radialer Schlitz” auf einen Schlitz, welcher einen geeigneten Fluidpfad von dem Zentrum des Bestandteils zu seinem Rand oder Umfang bereitstellt.
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Mit Bezug auf einen Ausrichtungsbestandteil bezieht sich der Ausdruck „umlaufender Schlitz” auf einen Schlitz, welcher entlang des Umfangs oder Rands des Bestandteils ausgebildet ist.
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1 zeigt eine Explosionsansicht eines beispielhaften Feststoff-Polymer-Brennstoffzellenstapels gemäß dem Stand der Technik. Ein typischer Stapel kann tatsächlich mehrere hundert Brennstoffzellen umfassen, welche in Reihe gestapelt sind. Jedoch sind für Zwecke der Veranschaulichung hier nur wenige gezeigt. Im Stapel 1 enthält jede Zelle eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), welche in Form einer mit einem Katalysator beschichteten Membran (CCM, in 1 nicht zu sehen) bereitgestellt ist. Jede CCM ist hierbei gerahmt und umfasst so einen umlaufenden Rahmen 3. Auf gegenüberliegenden Seiten der CCM sind Gasdiffusionslagen (GDLs), nämlich eine anodische GDL 4 und eine kathodische GDL (in 1 nicht zu sehen) vorhanden, welche auf die CCM geklebt sein können. Zusammen bilden die CCM, der umlaufende Rahmen 3, die anodische GDL 4 und die kathodische GDL eine gerahmte Einheits-Membran-Elektroden-Anordnung 5.
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An jede GDL grenzen in der gerahmten Membran-Elektroden-Anordnung 5 eine Anodenplatte (in 1 nicht sichtbar) beziehungsweise eine Kathodenplatte 6 an. Strömungsfelder für einen Brennstoff und ein Oxidationsmittel sind auf den Anodenplatten beziehungsweise Kathodenplatten 6 ausgebildet, und zwar auf den Oberflächen, welchen den anodischen GDLs 4 und den kathodischen GDLs zugewandt sind. Kühlmittel-Strömungsfelder sind auf den Anodenplatten und Kathodenplatten 6 auf den Oberflächen ausgebildet, welche den anodischen GDLs 4 und den kathodischen GDLs gegenüberliegen. Wie oben erörtert, werden üblicherweise zunächst Einheits-Bipolarplatten-Anordnungen hergestellt (indem die Oberflächen für das Kühlmittel-Strömungsfeld einer anodischen Platte und einer kathodischen Platte miteinander verbunden werden), bevor der Rest des Brennstoffzellenstapels zusammengebaut wird. Demnach werden, wie in 1 gezeigt, eine anodische Platte und eine kathodische Platte 6 kombiniert, um zahlreiche Bipolarplatten-Anordnungen 7 zu bilden. Des Weiteren werden, für eine Zweckmäßigkeit des Zusammenbaus, sich wiederholende Einheiten hergestellt, nämlich sogenannte Einheitszellen-Anordnungen 8. Zum Beispiel kann eine einzelne Einheitszellen-Anordnung 8 eine gerahmte Membran-Elektroden-Anordnung 5 und eine Bipolarplatten-Anordnung 7 umfassen. Eine Reihe von Einheitszellen-Anordnungen 8 kann so zusammengestapelt werden, um den größten Teil des Brennstoffzellenstapels 1 zu bilden. Die Enden des Stapels werden jedoch mit individuellen Zellkomponenten nach Bedarf abgeschlossen. Gerätschaften sind an jedem Ende des Stapels 1 vorgesehen, um die zahlreichen Komponenten in dem Stapel zusammenzupressen und aufzunehmen. In 1 umfassen diese Gerätschaften Schnittstellenplatten 9 und Endplatten 10. Gurte, Zuganker oder andere Mechanismen (keiner ist in 1 gezeigt) werden verwendet, um die Endplatten 10 zu positionieren und mit Druck zu beaufschlagen. Schließlich kann der Stapel 1 andere Komponenten wie etwa Busplatten oder dergleichen umfassen. Wie aus 1 ersichtlich ist, gibt es zahlreiche Komponenten in einem typischen Brennstoffzellenstapel, und es ist schwierig eine gewünschte Ausrichtung all dieser Komponenten zu erreichen, weil die zulässigen Toleranzen so eng sind.
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Gemäß dem Verfahren der Erfindung wird eine Mehrzahl von bevorzugt nicht-elektrisch leitfähigen Ausrichtungsbestandteilen verwendet, um den Stapel 1 zusammenzubauen. Gemeinsame Bezugsöffnungen sind in benachbarten Bipolarplatten-Anordnungen 7 vorgesehen, und ein Ausrichtungsbestandteil wird in jedem benachbarten Paar dieser gemeinsamen Bezugsöffnungen verwendet. Nach dem Zusammenbau greift jeder Ausrichtungsbestandteil in die gemeinsame Bezugsöffnung der Anodenseite oder Platte einer Bipolarplatten-Anordnung 7 und in die Kathodenseite oder Platte 6 einer angrenzenden Bipolarplatten-Anordnung 7 ein. In bevorzugten Ausführungsformen liegt jeder Ausrichtungsbestandteil innerhalb der Ebenen, welche durch die äußeren Oberflächen der Bipolarplatten definiert werden, mit welchen er in Eingriff ist. Im Prinzip können die Ausrichtungsbestandteile entfernt werden, nachdem alle Komponenten auf geeignete Weise ausgerichtet, gestapelt und zwischen den Endplatten 10 zusammengepresst und aufgenommen sind. Um die Anzahl der erforderlichen Tätigkeiten zu verringern, um jegliches anschließendes Verrutschen von Komponenten verhindern zu helfen und um ein Stören oder Beschädigen der Komponenten zu vermeiden, verbleiben die Ausrichtungsbestandteile bevorzugt nach dem Zusammenbau in dem Stapel 1.
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2a, 2b und 2c zeigen mehrere verschiedene Ausführungsformen von Ausrichtungsbestandteilen, welche für die Verwendung in runden gemeinsamen Bezugsöffnungen geeignet sind. In Fällen, in welchen die Ausrichtungsbestandteile in dem Stapel nach dem Zusammenbau verbleiben, müssen die Bestandteile im Wesentlichen nicht-elektrisch leitfähig sein, da sie Platten unterschiedlicher Polaritäten kontaktieren. Des Weiteren muss das Material, welches verwendet wird, um die Bestandteile herzustellen, in der Lage sein, die chemischen Bedingungen und Temperaturbedingungen auszuhalten, welche während des Betriebs auftreten. Zusätzlich müssen die verwendeten Materialien für Zwecke des Zusammenbaus und der Ausrichtung geeignete mechanische Eigenschaften haben. Eine gewisse Steifigkeit ist für Zwecke des Positionierens erforderlich, aber in bestimmten Ausführungsformen kann auch eine gewisse Flexibilität wünschenswert sein (zum Beispiel wenn Schnappverbindungsschritte beim Zusammenbau beteiligt sind). Eine Vielzahl von geformten Polymermaterialien sind aus dem Stand der Technik bekannt, welche hier in Betracht gezogen werden können, und welche Polypropylen, Polyethylennaphthalat, PTFE, Polyvinylidenfluorid oder Duroplaste wie etwa Phenolharze, Flüssigkristallpolymere und so weiter umfassen.
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2a zeigt einen scheibenförmigen Ausrichtungsbestandteil 20 mit einem zentralen Loch 21, welches für Handhabungszwecke in nützlicher Weise einzubeziehen ist. In bestimmten Ausführungsformen kann das Loch 21 notwendig sein, um den Durchfluss von Fluiden zuzulassen (zum Beispiel wenn das gemeinsame Bezugselement auch als Fluiddurchlass dient). Die oberen und unteren Ränder oder der Umfang des Bestandteils 20 sind abgeschrägt, um ein vereinfachtes Positionieren und Einbringen in und/oder Entfernen von den gemeinsamen Bezugselementen zuzulassen. Und die Dicke des scheibenförmigen Ausrichtungsbestandteils 20 ist bevorzugt geringer als die einer Bipolarplatten-Anordnungen 7, 6, wodurch ermöglicht wird, dass der Bestandteil nach dem Zusammenbau innerhalb der Ebenen der Bipolarplatten-Anordnungen 7, 6 liegt.
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2b zeigt eine Variante des scheibenförmigen Ausrichtungsbestandteils 20, welcher einen radialen Schlitz 22 beinhaltet. Der radiale Schlitz 22 kann vorgesehen sein, um einen gewünschten Durchfluss des Fluids von dem Zentrum des Bestandteils 20 zu seinem Umfang zuzulassen, zum Beispiel in Ausführungsformen, in welchen die gemeinsamen Bezugselemente auch als Fluidöffnungen in den Brennstoffzellen dienen (zum Beispiel wie in 4 gezeigt). 2c zeigt eine andere Variante des scheibenförmigen Ausrichtungsbestandteils 20, welcher einen umlaufenden Schlitz 23 beinhaltet. Der umlaufende Schlitz 23 kann vorgesehen sein, um für Zwecke der Ausrichtung den Rahmen einer MEA zu positionieren und einzuklemmen (zum Beispiel wie in 3a und 3b gezeigt).
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Wie oben erwähnt können die Ausrichtungsbestandteile der Erfindung optional verwendet werden, um die MEAs in dem Stapel auszurichten und auch um die Bipolarplatten auszurichten. 3a zeigt eine schematische, seitliche Schnittansicht davon, wie dies bei Ausführungsformen erreicht werden kann, welche gerahmte MEAs verwenden. In 3a umfasst der Rahmen 3 der gerahmten Membran-Elektroden-Anordnung 2 ein Loch (Bezugselement) 3a. Und der Rahmen 3 ist (bevorzugt über eine Schnappverbindung) in dem umlaufenden Schlitz 23 des abgeschrägten Ausrichtungsbestandteils 20 eingeklemmt. Wenn die anodische GDL 4 und die kathodische GDL 5 auf geeignete Weise mit der CCM 2 verbunden sind, führt dies zu einer zweckmäßig gerahmten Zellanordnung 25, welche einfach gehandhabt und in nachfolgenden Arbeitsabläufen des Zusammenbaus des Stapels ausgerichtet werden kann.
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3b zeigt, wie die gerahmten Zellanordnungen 25 dann einfach ausgerichtet und mit den anderen Komponenten des Stapels zusammengestapelt werden können. 3b zeigt eine isometrische, schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellenstapels in der Nähe von abgeschrägten gemeinsamen Bezugselementen (runden Öffnungen) 30, 31 zweier benachbarter Bipolarplatten-Anordnungen (welche Anodenplatten 6 und Kathodenplatten 7 umfassen). Zum Beispiel kann während des Zusammenbaus die gerahmte Zellanordnung 25 zuerst grob im Hinblick auf das gemeinsame Bezugselement 31 der unteren Bipolarplatten-Anordnung 6, 7 eingepasst und ausgerichtet werden, aber anschließend wird es genau in die endgültige Ausrichtung geführt, und zwar durch Nutzung der Abschrägungen an dem gemeinsamen Bezugselement 31 und dem Ausrichtungsbestandteil 20. Die obere Bipolarplatten-Anordnung 6, 7, welche in 3b gezeigt ist, kann dann genau ausgerichtet und in gleicher Weise gestapelt werden, und zwar durch Ausrichten des gemeinsamen Bezugselements 30 auf den Bestandteil 20.
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4 veranschaulicht eine unterschiedliche Ausführungsform der Erfindung. Hier ist eine Draufsicht in der Nähe von den Fluidöffnungen am Ende einer Bipolarplatten-Anordnung gezeigt. Sichtbar ist in 4 die Oberfläche für den Brennstoffstrom einer Anodenplatte 46, welche ein Brennstoff-Strömungsfeld 41 und mehrere größere Fluidöffnungen umfasst, welche eine Brennstoffeinlassöffnung 42, eine Kühlmitteleinlassöffnung 43 und eine Oxidationsmitteleinlassöffnung 44 beinhalten. Hierbei wird die Brennstoffeinlassöffnung 42 verwendet, um als die gemeinsame Bezugsöffnung für Zwecke der Ausrichtung beim Zusammenbau zu dienen. Auch ist in 4 ein Ausrichtungsbestandteil 40 sichtbar, welcher mit einer Kathodenplatte unterhalb der Anodenplatte 46 in Eingriff und mit dieser verbunden ist (diese Kathodenplatte ist in 4 nicht sichtbar), und welcher auch mit der Anodenseite einer benachbarten Bipolarplatte in Eingriff ist, welche sich weiter unter der Anodenplatte 46 befindet (diese benachbarte Bipolarplatten-Anordnung ist in 4 ebenfalls nicht sichtbar). Der Ausrichtungsbestandteil 40 ist auf geeignete Weise geformt, um in die Brennstoffeinlassöffnung 42 zu passen und mit dieser zu fluchten. Der Ausrichtungsbestandteil 40 umfasst auch ein im Wesentlichen zentrales Loch 47 und einen radialen Schlitz 48, um einen annehmbaren Durchfluss des Brennstoffs durch die Öffnung 42 und auch in das Strömungsfels 41 zuzulassen, und zwar über eine interne Rückströmöffnung, welche in der Platte 46 auf der linken Seite der Öffnung 42 ausgebildet (jedoch in 4 nicht sichtbar) ist.
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Des Weiteren können die Ausrichtungsbestandteile der Erfindung optional verwendet werden, um bei der Herstellung von Bipolarplatten-Anordnungen vor dem Zusammenbauen des Rests des Stapels die Anodenplatte 6 und die Kathodenplatte 7 auszurichten. In einem solchen Fall wäre der Bestandteil 20 typischerweise entsprechend geformt, um in die gemeinsamen Bezugsöffnungen der Kühlmittelseiten der Anodenplatte 6 und der Kathodenplatte 7 einzugreifen, wobei er immer noch dazu dient, in eine benachbarte Bipolarplatte während des späteren Zusammenbaus des Stapels einzugreifen.
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Alternativ können jedoch andere Ausrichtungsbestandteile und/oder andere (nicht gezeigte) Verfahren verwendet werden, welche unabhängig von den Ausrichtungsbestandteilen 20 sind, um speziell die Anodenplatte 6 und die Kathodenplatte 7 für die Herstellung von Bipolarplatten-Anordnungen auszurichten.
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Zum Beispiel können die Platten, welche die Bipolarplatten-Anordnungen bilden, in gleicher Weise ausgerichtet werden, wie die Bipolarplatten-Anordnungen in der vorliegenden Erfindung ausgerichtet werden. Das bedeutet, dass die Platten weitere gemeinsame Bezugsöffnungen haben können, in welchen separate, diskrete Ausrichtungsbestandteile verwendet werden können, welche dem Ausrichtungsbestandteil 20 ähnlich sind, und zwar um in gleicher Weise die Platten auszurichten und in sie einzugreifen, welche die einzelnen Bipolarplatten-Anordnungen aufbauen. Alternativ können verschiedene andere Bauarten von Ausrichtungsbestandteilen verwendet werden, welche Bestandteile in der Ebene und/oder außerhalb der Ebene umfassen, und welche auf den Kühlmittelseiten der Anoden- und Kathodenplatten ausgebildet sind. Zum Beispiel kann ein erster Satz an Ausrichtungsbestandteilen in der Ebene auf der Kühlmittelseite einer Platte ausgebildet sein, und ein zusammenpassender zweiter Satz an Ausrichtungsbestandteilen außerhalb der Ebene kann auf der Kühlmittelseite der anderen Platte ausgebildet sein. Abhängig von den verwendeten Bauarten können bei einer sauberen Gestaltung die weiteren Bestandteile sogar nach dem Zusammenbau entfernbar sein, wenn dies gewünscht ist.
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Die vorstehenden Figuren zeigen mehrere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung. Wie dem Fachmann ersichtlich sein wird, können andere Bezugselemente und Bezugsöffnungen in den Platten oder Rahmen für andere Ausrichtungszwecke zusätzlich zu den hier offenbarten verwendet werden. Und selbstverständlich können zahlreiche Formen und Bauarten für die Ausrichtungsbestandteile in Betracht gezogen werden, welche von den spezifischen beteiligten Gestaltungen des Brennstoffzellenstapels abhängen.
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Die Verwendung von Ausrichtungsbestandteilen, wie sie oben vorgeschlagen wurden, verringert die Ausrichtungstoleranz im Stapelaufbau, indem die Fehlausrichtungselemente im Zusammenhang mit der Verwendung von externen Halterungen ersetzt werden. In einer konkreten Ausführungsform kann die Varianz der Strömungsfeldausrichtung um über 40% verringert werden, was wiederum zu einer erheblichen Steigerung, der Leistungsfähigkeit führt. Des Weiteren verbessert die Verwendung solcher Ausrichtungsbestandteile die strukturelle Stabilität des zusammengebauten Brennstoffzellenstapels. Insbesondere wird eine verringerte Breitenbelastung zwischen den Zellkomponenten hervorgebracht, und daher ist der Stapel weniger anfällig für ein Knicken. Des Weiteren sind die verschiedenen Gefahren (wie oben erläutert) verringert, welchen man während der Herstellung begegnet. Die Zellkomponenten können sich teilweise mit schnellerer, weniger genauer Platzierung selbst montieren. Und die Zykluszeit der Herstellung und auch die Kosten für Investitionsgüter können verringert werden.
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Alle vorgenannten US-Patente, Veröffentlichungen von US-Patentanmeldungen, US-Patentanmeldungen, ausländischen Patente, ausländischen Patentanmeldungen und nicht der Patentliteratur zugehörigen Publikationen, auf welche in dieser Beschreibung Bezug genommen wurde, sind hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme einbezogen.
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Obwohl bestimmte Elemente, Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es natürlich verständlich, dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, da Abänderungen vom Fachmann vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, insbesondere im Lichte der vorstehenden Lehren. Solche Abwandlungen sind innerhalb des Bereichs und Umfangs der nachstehenden Ansprüche zu berücksichtigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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