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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffzellenstapel, der eine geprägte bipolare Platte besitzt, die verbesserte Dichtungseigenschaften aufweist.
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Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode aufweist, die durch einen Elektrolyt getrennt sind. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf und die Kathode nimmt Sauerstoff, üblicherweise über eine Luftströmung, auf. Das Wasserstoffgas wird an der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. In einer PEMFC kann der Elektrolyt eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran, sein. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem lonomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenbaugruppe (MEA). MEAs erfordern gewisse Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
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Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Verdichter bzw. Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
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Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von bipolaren Platten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die bipolaren Platten eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der bipolaren Platten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die bipolaren Platten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit bzw. Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten können auch Strömungskanäle aufweisen, durch die ein Kühlfluid strömt.
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Verschiedene Techniken sind in der Technik zur Herstellung der bipolaren Platten bekannt. Bei einer Konstruktion sind die bipolaren Platten aus einem Verbundmaterial, wie etwa Graphit, hergestellt, wobei zwei Plattenhälften getrennt geformt und dann miteinander verklebt werden, so dass die Anodenströmungskanäle auf einer Seite einer der Plattenhälften vorgesehen sind, Kathodenströmungskanäle an einer gegenüberliegenden Seite der anderen Plattenhälfte vorgesehen sind und Kühlfluidströmungskanäle zwischen den Plattenhälften vorgesehen sind. Bei einer anderen Konstruktion werden zwei getrennte Plattenhälften geprägt und miteinander verschweißt, so dass Anodenströmungskanäle auf einer Seite einer der Plattenhälften vorgesehen sind, Kathodenströmungskanäle an einer gegenüberliegenden Seite der anderen Plattenhälfte vorgesehen sind und Kühlfluidströmungskanäle zwischen den Plattenhälften vorgesehen sind.
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Wie es in der Technik gut bekannt ist, müssen die Membranen in einer Brennstoffzelle eine gewisse relative Feuchte besitzen, so dass der Ionenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Im Betrieb der Brennstoffzelle kann Feuchtigkeit von den MEAs und externer Befeuchtung in die Anoden- und Kathodenströmungskanäle eintreten. Bei niedrigen Zellenleistungsanforderungen, typischerweise unter 0,2 A/cm2, kann sich Wasser in den Strömungskanälen ansammeln, da der Durchfluss des Reaktandengases zu gering ist, um das Wasser aus den Kanälen zu treiben. Wenn sich das Wasser ansammelt, bildet es Tröpfchen, die sich aufgrund der relativ hydrophoben Beschaffenheit des Plattenmaterials zunehmend ausdehnen. Die Tröpfchen bilden sich in den Strömungskanälen im Wesentlichen rechtwinklig zu der Strömung des Reaktandengases. Wenn die Größe der Tröpfchen zunimmt, wird der Strömungskanal geschlossen und das Reaktandengas an andere Strömungskanäle umgelenkt, da die Kanäle zwischen üblichen Einlass- und Auslassverteilern parallel verlaufen. Da das Reaktandengas nicht durch einen mit Wasser blockierten Kanal strömen kann, kann das Reaktandengas das Wasser nicht aus dem Kanal treiben. Diejenigen Bereiche der Membran, die kein Reaktandengas aufgrund einer Blockierung des Kanals aufnehmen, erzeugen keine Elektrizität, was in einer nicht homogenen Stromverteilung und einer Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades der Brennstoffzelle resultiert. Wenn mehr und mehr Strömungskanäle durch Wasser blockiert werden, nimmt die von der Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität ab, wobei ein Zellenspannungspotenzial von weniger als 200 mV als ein Zellenausfall betrachtet wird. Da ein typischer Stapel konfiguriert sein kann, dass er zumindest einige der Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet aufweist, kann, wenn eine der Brennstoffzellen zu arbeiten aufhört, der Betrieb des gesamten Brennstoffzellenstapels gefährdet sein.
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Ein Brennstoffzellenstapel weist typischerweise eine Dichtung auf, die sich um den aktiven Bereich der Brennstoffzellen zwischen den Stapelsammelleitungen und dem aktiven Bereich für jede Brennstoffzelle erstreckt, um eine Gasleckage von dem Stapel zu verhindern. Daher ist es, um die Kathodenströmung, die Anodenströmung und die Kühlfluidströmung von der jeweiligen Einlasssammelleitung in den aktiven Bereich der Brennstoffzelle zu erhalten, notwendig, dass die Strömungskanäle durch den Dichtungsbereich ohne Beeinträchtigung der Dichtungsintegrität verlaufen. Typischerweise sind Löcher oder Tunnel durch die Bipolarplatte um die Dichtungen vorgesehen, was eine Biegung in den Strömungskanälen erfordert, so dass sie mit den Strömungskanälen in dem aktiven Bereich ausgerichtet sind. Diese Biegung in den Kathoden- und Anodenströmungskanälen sieht einen Bereich vor, in welchem sich Wasser ansammeln und abgefangen werden kann kann, das tendenziell den Strömungskanal verschließt und die Strömung von Reaktandengas daran reduziert. Daher ist eine bessere Technik zum Durchqueren des Dichtungsbereiches des Brennstoffzellenstapels erforderlich.
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Eine übliche Konfiguration für eine modulare Elektrodenbaugruppe, UEA von engl.: „Unitized Electrode Assembly“, einer Brennstoffzelle weist ein Überlappungsgebiet zwischen einer verkleinerten (engl.: „„thrifted”) Membran (einer Membran, die so bemessen ist, dass sie von der Plattenumfangsdichtung zurückstehend passt) und einer Unterdichtung (einem „Fensterrahmen“ aus Polymerfilm, wie Polyethylennaphthalat, PEN) an dem Umfang des aktiven Bereiches auf. Die Membranverkleinerung wird aus wenigen Gründen durchgeführt: 1) das Membranmaterial ist nicht zum Kontakt mit dem Dichtungs- oder Plattenmaterial aufgrund seiner hohen Azidität kompatibel, so dass die Membran durch einen Kunststofffilm in dem Brennstoffzellendichtungsgebiet bedeckt oder getrennt werden muss; 2) das Membranmaterial ist teuer, so dass durch Verkleinern des Membranmaterials von dem Umfang der Zelle weniger Membranmaterial erforderlich ist; 3) das Membranmaterial ist nicht mit dem Wasser-Glykol-Kühlmittel aufgrund einer hohen Membrananschwellung kompatibel, so dass die Membran von der Kühlmittelsammelleitung hereingezogen werden muss. Jedoch erzeugt diese Konfiguration eine Schnittstelle zwischen der Membran und der Unterdichtung an dem Umfang des aktiven Bereiches, die abgedichtet werden muss. Insbesondere ist es wichtig, dass der Umfang des aktiven Bereiches entlang des in Strömungsrichtung liegenden Randes abgedichtet ist, während es wichtig ist, dass eine Kühlmittel-, Anoden- und Kathodenströmung entlang des Umfangs des aktiven Gebietes orthogonal zu dem in Strömungsrichtung liegenden Rand nicht behindert ist, da sie das Überlappungsgebiet durchqueren. Aufgrund der Zusammensetzung und Abmessungsänderung mit Hydratation der Membran ist eine Klebstoffbindung zwischen der Membran und der Unterdichtung nicht zuverlässig. Um eine zuverlässige Dichtung in diesem Überlappungsgebiet sicherzustellen, ist ein mechanischer Druck notwendig.
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Diesbezüglich weist eine geprägte Plattenkonstruktion größere Herausforderungen auf, als eine geformte Plattenkonstruktion, da die geprägten Merkmale auf beiden Seiten der geprägten Platte zur Hälfte wiedergegeben sind. Für geformte Platten können Gebiete nach Bedarf mit festem Kompositmaterial gefüllt werden. Beispielsweise erzeugt der Steg einer geprägten Platte stets einen Kühlmittelkanal dahinter, während eine geformte Platte massiv sein kann, um die Erzeugung von Kühlmittelkanälen, wo es nicht erwünscht ist, zu vermeiden. Eine andere Betrachtung besteht darin, dass die Bereitstellung einer guten mechanischen Abstützung in dem Überlappungsgebiet für Brennstoffzellen, die dünnere Diffusionsmedien (DM) verwenden, kritischer ist, da dünnere DM weniger in der Lage sind, Kompressionslasten über Kanalspannen zu verteilen. Dünnere DM sind erwünscht, um die Größe der Brennstoffzelle zu reduzieren, was zum Einbau in Kraftfahrzeuganwendungen besonders wichtig ist. Daher ist eine verbesserte Dichtungskonstruktion zum Abdichten des Umfangs eines aktiven Bereiches einer Brennstoffzelle notwendig, die mit geprägten Platten hergestellt ist.
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DE 10 2007 048 184 B3 offenbart ein elektrochemisches System mit mehreren Zellen, die jeweils durch Bipolarplatten voneinander abgetrennt sind, wobei die Bipolarplatten Öffnungen zur Kühlung oder zur Ab- und Zufuhr von Betriebsmedien zu den Zellen hin aufweisen und die Zellen unter mechanische Druckspannung setzbar sind. Zumindest eine Zelle weist einen von einer Begrenzungswand der Bipolarplatte umgebenen elektrochemisch aktiven Bereich auf, wobei innerhalb des elektrochemisch aktiven Bereichs eine Kanalstruktur der Bipolarplatte zur gleichmäßigen Medienverteilung vorgesehen ist. Eine Gasdiffusionslage ist zur Mikroverteilung von Medium vorgesehen. Im Grenzbereich zwischen der Kanalstruktur sowie der Begrenzungswand sind Begrenzungselemente vorgesehen, die ein Vorbeiströmen von Fluid zwischen Kanalstruktur und Begrenzungswand vermeiden, wobei die Gasdiffusionslage die Kanalstruktur und/oder zumindest Teile der Begrenzungselemente überdeckt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Brennstoffzellenstapel zu schaffen, mit dem es möglich ist, für Brennstoffzellenkonstruktionen mit geprägten Platten eine erhöhte Effizienz und Wirtschaftlichkeit insbesondere in Hinblick auf Fahrzeuganwendungen zu erreichen.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst.
- 1 ist eine schematische Explosionsdarstellung eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels gemäß der Offenbarung.
- 2A zeigt eine schematische Ansicht eines Schnittes einer UEA, die eine relative Anordnung aktiver Bereiche und Überlappungsbereiche zeigt. 2B zeigt eine schematische sagittale Ansicht einer Ausführungsform eines Überlappungsbereiches der UEA von 2A.
- 3 ist eine schematische Darstellung von Merkmalen des Überlappungsgebietes, die durch Ausrichtung benachbarter Platten und Überlagerung von Stegmerkmalen in dem Überlappungsbereich geformt sind.
- 4 ist eine schematische Darstellung eines Bereiches der Anlage zwischen einem Überlappungsgebiet und einem aktiven Gebiet einer Bipolarplatte, die ein isoliertes Kühlmittelvolumen des Überlappungsgebietes zeigt, das mit einem Kühlmitteldurchgang des aktiven Gebietes verbunden ist, um eine Entlüftung zuzulassen.
- 5A, 5B und 5C zeigen Druckbilder, die aus einer berechneten Fluiddynamik (CFD von engl.: „computational fluid dynamics“) für drei Konstruktionsalternativen des Überlappungsgebietes erzeugt sind, und 5D ist ein Balkendiagramm, das die resultierende Kanalströmung für die drei Kanäle in dem aktiven Gebiet am nächsten zu dem Überlappungsgebiet für jede der fünf Konstruktionsalternativen zeigt.
- 6A und 6B zeigen fünf beispielhafte Konfigurationen mit modifiziertem Merkmal eines Überlappungsgebietes, die für illustrative Zwecke an zwei entsprechenden benachbarten Strömungsfeldplatten einer einzelnen Bipolarplatte gezeigt sind. 6C zeigt die Konfiguration von Merkmalen, die in dem Überlappungsgebiet der Bipolarplatte bei Ausrichtung der benachbarten Platten in den 6A und 6B geformt sind.
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1 zeigt einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel 2 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Zur Vereinfachung ist nur ein Zweizellenstapel (d.h. mit nur einer Bipolarplatte) gezeigt, obwohl es zu verstehen sei, dass ein typischer Brennstoffzellenstapel viel mehr derartige Zellen und Bipolarplatten aufweist. Obwohl zur Vereinfachung die vorliegenden Figuren MEAs mit einer Konstruktion einer katalysatorbeschichteten Membran (CCM) zeigen, sei zu verstehen, dass die MEA nach Bedarf eine angepasste Konstruktion eines katalysatorbeschichteten Diffusionsmediums (CCDM) aufweisen kann. Die vorher erwähnte UEA ist gemäß der vorliegenden Offenbarung die Baugruppe spezifisch aus der MEA, dem Gas-DM und der Unterdichtung. Die UEA kann auch eine Elastomerdichtung aufweisen. Die Membranen der vorliegenden Offenbarung sind verkleinerte Membranen, was eine optimierte Membran darstellt, die in zumindest einer Abmessung kleiner als eine Umfangsdichtung ist.
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Ein schematischer Brennstoffzellenstapel 2 von allgemein typischer Architektur ist in 1 gezeigt, um die relativen Komponentenanordnungen gemäß der Offenbarung zu zeigen. Der Brennstoffzellenstapel 2 weist zumindest eine UEA 5 auf, die eine Baugruppe aus der verkleinerten Elektrolytmembran 4 und den Elektroden 7 (gemeinsam eine MEA 9), einem Gas-DM 20 und einer Unterdichtung 3 ist, die einen Innenumfang aufweist, der sich von einem Dichtungsbereich 6 eine Distanz unterhalb der MEA 9 erstreckt, um die MEA 9 zu tragen und einzurahmen, und wobei ein Überlappungsbereich 10 zwischen der MEA 9 und der Unterdichtung 3 erzeugt wird. Das DM 20, beispielsweise Kohlenstoff- oder Graphit-Diffusionspapiere, sind auf beiden Seiten der MEA 9 und der Unterdichtung 3 angeordnet und erstrecken sich bei spezifischen Ausführungsformen durch den Überlappungsbereich 10 und enden gemeinsam mit der MEA 9, wobei sowohl die MEA 9 als auch die Unterdichtung 3 des Überlappungsbereiches 10 abgedeckt werden. Zur Vereinfachung sei angemerkt, dass hier der Begriff „Überlappungsbereich 10“ die definierte Überlappung zwischen dem aktiven Bereich 11 und der Unterdichtung 3 in dem Kontext der MEA betrifft, während „Überlappungsgebiet 15“ das entsprechende Gebiet an den geprägten Platten betrifft.
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Die unipolaren Endplatten 14 weisen ein aktives Gebiet 16 auf, das mit geprägten Kanal- und Stegmerkmalen (nicht gezeigt) konfiguriert ist, sowie ein Überlappungsgebiet 15 auf, das in relativer Position und Fläche dem Überlappungsbereich 10 der UEA 5 entspricht und eine modifizierte Konfiguration geprägter Kanal- und Stegmerkmale (nicht gezeigt) relativ zu dem aktiven Gebiet 16 aufweist. Benachbarte unipolare Endplatten 14 sind ausgerichtet, um eine elektrisch leitende Bipolarplatte 8 mit einem aktiven Gebiet 16, das Reaktandenkanäle und Kühlmittelkanäle (nicht gezeigt) enthält, die aus einer Ausrichtung der Merkmalskonfiguration der aktiven Gebiete der benachbarten Endplatten gebildet sind, die dazu dienen, Reaktand und Kühlmittel an die Mea 9 zu verteilen, einem Überlappungsgebiet 15, das an dem aktiven Gebiet 16 anliegt und modifizierte Kanäle, Durchgänge und Volumen enthält, die aus einer Ausrichtung der modifizierten Konfiguration des Überlappungsgebietes benachbarter Endplatten gemäß der Offenbarung gebildet sind, und einem Dichtungsgebiet 12 an dem Umfang des Überlappungsgebietes 15 auszubilden. Das Dichtungsgebiet ist ein Bereich um einen Umfang mit elastomerer Dichtung, um eine Überkreuzleckage zwischen einer Anode und Kathode und Überbord-Leckagen zu verhindern.
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Die UEAs 5 und die bipolare Platte 8 sind zwischen einem Paar von Klemmplatten 41 sowie einem Paar unipolarer Endplatten 14 aneinandergestapelt. Die Klemmplatten 41 sind von den Endplatten 14 beispielsweise durch eine Dichtung oder eine dielektrische Beschichtung (nicht gezeigt) elektrisch isoliert. Die unipolaren Endplatten 14 und die bipolare Platte 8 umfassen aktive Gebiete 16 zum Verteilen von Reaktanden, wie beispielsweise Wasserstoffgas und Sauerstoff / Luft, an die Elektroden der MEA 9, Überlappungsgebiete 15 zur druckbeaufschlagten Abdichtung, während eine Reaktanden- und Kühlmittelumgehung im Wesentlichen verhindert wird, ohne dass eine Reaktanden- und Kühlmittelströmung in dem aktiven Gebiet 16 behindert wird. Der aktive Bereich 16 grenzt an den Überlappungsbereich 15 an.
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Der Brennstoffzellenstapel 2 kann nicht leitende Dichtungen 18 aufweisen, um Abdichtungen und eine elektrische Isolierung zwischen den Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 bereitzustellen. Jedoch sollte beachtet werden, dass je nachdem, welche anderen Dichtungs- und Isolierungsoptionen verwendet werden, die nicht leitenden Dichtungen 18 nach Bedarf einbezogen oder weggelassen werden können.
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Die Unterdichtung 3, die Bipolarplatte 8, die unipolaren Endplatten 14 und die optionalen Dichtungen 18 umfassen jeweils eine Kathodenlieferdurchbrechung 22 und eine Kathodenaustragsdurchbrechung 24, eine Kühlmittellieferdurchbrechung 25 und eine Kühlmittelaustragsdurchbrechung 27 sowie eine Anodenlieferdurchbrechung 26 und eine Anodenaustragsdurchbrechung 28. Lieferverteiler und Austragssammler des Stapels 2 sind durch eine Ausrichtung der jeweiligen Durchbrechungen 22, 24, 25, 26, 27, 28 in der Unterdichtung 3, der Bipolarplatte 8, den unipolaren Endplatten 14 und den Dichtungen 18 geformt. Wasserstoffgas wird an einen Anodenlieferverteiler über eine Anodeneinlassleitung 30 geliefert. Der Sauerstoff/die Luft wird an einen Kathodenlieferverteiler des Brennstoffzellenstapels 2 über eine Kathodeneinlassleitung 32 geliefert. Eine Anodenauslassleitung 34 und eine Kathodenauslassleitung 36 sind ebenfalls für einen Anodenaustragsverteiler bzw. einen Kathodenaustragsverteiler vorgesehen. Eine Kühlmitteleinlassleitung 38 ist zur Lieferung von flüssigem Kühlmittel an einen Kühlmittellieferverteiler vorgesehen. Eine Kühlmittelauslassleitung 40 ist zur Entfernung von Kühlmittel von einem Kühlmittelaustragsverteiler vorgesehen. Es sei zu verstehen, dass die Konfigurationen der verschiedenen Einlässe 30, 32, 38 und Auslässe 34, 36, 40 in 1 dem Zweck der Veranschaulichung dienen und gegebenenfalls andere Konfigurationen gewählt sein können.
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Die Anordnung der Komponenten und die Beziehung zwischen dem aktiven Bereich 11, dem Überlappungsbereich 10, dem Rand 101 des in Strömungsrichtung liegenden Überlappungsbereichs und dem Rand 102 des nicht in Strömungsrichtung liegenden Überlappungsbereichs der UEA 5 kann besser unter Bezugnahme auf 2 verständlich werden. 2A zeigt eine schematische perspektivische Querschnittsansicht einer beispielhaften UEA 5 mit einem Innenumfang der Unterdichtung 3, die sich erstreckt, um die MEA 9 einzurahmen und zu tragen. Die MEA 9 erstreckt sich über den aktiven Bereich 11 und endet vor dem Dichtungsgebiet 12, das den inneren Umfang der Unterdichtung 3 überlappt, wobei ein Überlappungsbereich 10 zwischen der MEA 9 und der Unterdichtung 3 gebildet wird. Der Überlappungsbereich 10 umgibt den und liegt an dem aktiven Bereich 11 an, obwohl es angemerkt sei, dass ein Überlappungsbereich 10 nicht an allen Seiten des aktiven Bereichs 11 vorhanden sein muss. Der äußere Bereich, der ein Hauptanliegen der vorliegenden Offenbarung ist, ist der entlang dem in Strömungsrichtung liegenden Rand 101. Es ist wichtig, dass die Überlappungsränder an den Strömungszufuhrenden, die hier als die nicht in Strömungsrichtung liegenden Ränder 102 bezeichnet sind, frei von behindernden Strömungskanälen und - merkmalen bleiben; während es wünschenswert ist, im wesentlichen Null Strömung (Umgehung) entlang der Ränder 101 des in Strömungsrichtung liegenden Überlappungsbereichs zu haben.
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2B zeigt eine schematische sagittale perspektivische Ansicht eines eingespannten Abschnitts der UEA 5 von 2A, wobei insbesondere der Überlappungsbereich 10 gezeigt ist. Die MEA 9 erstreckt sich durch den aktiven Bereich 11 und überlappt mit dem Innenumfang der Unterdichtung 3, um einen Überlappungsbereich 10 zu definieren, der vor einem Dichtungsbereich 12 endet. Das DM 20 liegt über beiden Seiten der MEA 9 über dem aktiven Bereich 11 und schichtet die MEA 9 und die Unterdichtung 3 des Überlappungsbereiches 10. Bei spezifischen Ausführungsformen bedeckt das DM 20 den Überlappungsbereich 10 vollständig, um einen ausreichenden mechanischen Druck über dem Bereich sicherzustellen. Gemäß anderen Ausführungsformen können ein oder beide DM 20 vor oder über den Überlappungsbereich 10 hinaus enden.
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In dem Brennstoffzellenstapel, wenn die Platten der UEA überlagert sind, entsprechen der aktive Bereich und der Überlappungsbereich der UEA dem aktiven Gebiet und dem Überlappungsgebiet der Platten.
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Es ist wichtig, dass das Überlappungsgebiet in der Lage ist, eine mechanische Kompression zu halten, die ausreichend ist, um eine Überkreuzabdichtung zwischen der MEA-Membran und Unterdichtung sicherzustellen, da die Membran von dem Plattenrand und Dichtungen verkleinert ist. Um sicherzustellen, dass ein ausreichender mechanischer Druck über dem Überlappungsbereich gehalten werden kann, während eine Reaktanden- und Kühlmittelumgehung (Strömung entlang des Überlappungsgebietes, die nicht in dem aktiven Bereich teilnimmt, so betrachtet „verschwendete“ Strömung) im Wesentlichen reduziert/verhindert wird, bedeckt das DM den Überlappungsbereich im Wesentlichen. Plattenkanal- und Stegmerkmale sind so ausgelegt, um eine robuste Ausrichtung in dem entsprechenden Überlappungsgebiet bereitzustellen, um Ausrichtungen von Kanal über Kanal (eine Ausrichtung zwischen benachbarten Platten, wo ein Anodenkanal über einem Kathodenkanal über die UEA angeordnet ist und allgemein ein Bereich geringer Kompression ist) zu vermeiden, die das Überlappungsgebiet insbesondere nahe dem Zentrum des Überlappungsgebietes überqueren oder vorwiegend überqueren, wo ein Überlappungsbereich zwischen einer MEA und der Unterdichtung sogar mit positiven Toleranzen sichergestellt ist. Dieses Element mit gewünschter Konstruktion kann durch Überlagern der Stegmerkmale benachbarter Platten und Sicherstellen, dass Kanäle auf beiden Seiten das Überlappungsgebiet nicht überqueren, bewertet werden.
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3 zeigt eine Konfiguration eines Überlappungsgebietes 15, die modifiziert ist, um Kühlmittel- und Reaktandenumgehungsprobleme zu lösen, und wobei zusätzliche Merkmale hinzugefügt sind, um eine Ausrichtung von Kanal über Kanal in dem Überlappungsgebiet zu vermeiden, mit besonderer Berücksichtigung auf das Zentralband des Überlappungsgebietes. Ein Erreichen einer Kompression an einer Membran über eine Kanalspanne ist schwieriger. 3 zeigt eine schematische Ansicht einer Überlagerung von Stegmerkmalen 50 in dem Überlappungsgebiet 15 benachbarter Platten 14. Stegmerkmale 50 sind an verschiedenen Platten 14 hinzugefügt, so dass die offenen Kanäle 52 über die Mitte des Überlappungsgebietes fixiert sind, jedoch sich die Stegmerkmale nicht kombinieren, um einen Kühlmittelumgehungskanal zu erzeugen (sie sind jeweils eine an jeder Seite der UEA angeordnet). Reaktandenblockaden 54 und Kühlmittelblockaden 56 sind ausgebildet. Die Reaktandenblockaden 54 können als Stege (Kühlmittelvolumen) über das Überlappungsgebiet gesehen werden. Die Kühlmittelblockaden 56 können als Kanäle (offene Räume) über das Überlappungsgebiet gesehen werden. Eine Reaktandenblockade 54 verhindert ein Fortsetzen eines Kanals (offener Raum) entlang der Länge der Platte. Eine Reaktandenblockade erzeugt einen Bruch in einem ansonsten kontinuierlichen Kanal, und der resultierende segmentierte oder unterbrochene Kanal setzt sich für die in Strömungsrichtung liegende Länge des Strömungsfeldes der Platte fort. Wie es deutlich wird, muss ein offenes Kühlmittelvolumen von einer koppelnden Platte in der Kühlmittelumgehung berücksichtigt werden.
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Die vorliegende Offenbarung sieht geprägte Strömungsfeldkonstruktionen vor, wobei das aktive Gebiet eine Konfiguration aus Kanal- und Stegmerkmalen umfasst, während die Konfiguration von Kanal- und Stegmerkmalen des Überlappungsgebietes modifiziert ist, um ein Niveau an mechanischem Druck zu erlauben, der ausreichend ist, den Überlappungsbereich abzudichten und eine Kühlmittel- und Reaktandenumgehung ohne Behinderung einer Kühlmittel- und Reaktandenströmung in dem aktiven Bereich im Wesentlichen zu verhindern. Die Konfigurationen des Überlappungsgebietes sind modifiziert, um Merkmale von Reaktandenkanal über Kanal zu vermeiden, die das Überlappungsgebiet überqueren, wobei im Wesentlichen eine Reaktandenübertrittsleckage verhindert wird. Kühlmittelblockaden (Kanäle) über das Überlappungsgebiet sind so positioniert, um eine Kühlmittelumgehung zu blockieren und die Anforderung zu erfüllen, dass Merkmale von Kanal über Kanal bei Ausrichtung benachbarter Platten vermieden werden. Reaktandenblockaden (Stege) über das Überlappungsgebiet werden dazu verwendet, eine Reaktandenumgehung im Wesentlichen zu blockieren, und diese Merkmale sind bevorzugt angeordnet, um Anordnungen mit geringer Kompression (z.B. Kanal über Kanal, was den Leckagepfad erzeugt, der einen Überlappungsbereich der MEA/UEA überquert) bei Ausrichtung benachbarter Platten zu vermeiden. Kühlmitteldurchgänge des Überlappungsgebietes sind von den Kühlmittelkanälen des aktiven Bereiches isoliert, um eine Kühlmittelumgehung durch Teile des Überlappungsgebietes zu verhindern.
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Bei spezifischen Ausführungsformen sind Reaktandenkanalmerkmale der Strömungsfeldplatte, die in dem aktiven Gebiet angeordnet ist, in dem Überlappungsgebiet modifiziert, um eine Ausrichtung von Kanal über Kanal zwischen benachbarten Platten im Wesentlichen zu vermeiden. Bei spezifischen Ausführungsformen umfasst das Überlappungsgebiet Kühlmittel blockierende Kanalmerkmale, die angeordnet sind, um eine Ausrichtung von Kanal über Kanal zwischen benachbarten Platten im Wesentlichen zu vermeiden. Bei einigen Ausführungsformen ist ein Überlappungsgebiet, das Reaktanden blockierende Stegmerkmale umfasst, die an benachbarten Platten angeordnet sind, um Bereiche mit hoher Kompression von Steg über Steg zu vermeiden, vorgesehen.
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Das Überlappungsgebiet ist so ausgelegt, Kühlmitteldurchgänge zu umfassen, wobei jeder Kühlmitteldurchgang in Fluidkommunikation mit Kühlmittel des aktiven Gebietes durch eine einzelne Verbindung steht. Die einzelne Kühlmittelverbindung ist zwischen einem Gebiet isolierter Kühlmitteldurchgänge in dem Überlappungsgebiet und den Kühlmitteldurchgängen des aktiven Gebietes vorgesehen, um ein Entlüften für eine Kühlmittelfüllung zu erlauben, ein Verfahren zum anfänglichen Füllen eines Brennstoffzellenstapels mit Kühlmittel durch Ziehen eines Unterdrucks an dem Kühlmittelvolumen, um Luft zu entfernen, bevor das Kühlmittel gefüllt wird, um die Menge an Luft zu reduzieren, die in dem Kühlsystem mitgeführt ist. Eine zweite Kühlmittelverbindung zwischen einem Überlappungsgebiet und dem aktiven Bereich wird vermieden, da dies eine Kühlmittelumgehungsströmung durch dieses Überlappungsgebiet erlauben würde. Dieses Konstruktionselement ist schematisch in 4 gezeigt. Um zu ermöglichen, dass das Entlüften für die Kühlmittelfüllung für das Überlappungsgebiet 15 effektiv ist, wird eine einzelne Kühlmittelverbindung 60 an dem aktiven Bereich 16 aus einem isolierten Kühlmittelvolumen 62 in dem Überlappungsgebiet 15 hergestellt.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen können Kanal- und Stegmerkmale des Überlappungsgebietes so gefertigt sein, dass sie in wesentlicher mechanischer Übereinstimmung mit den Kanal- und Stegmerkmalen des aktiven Bereiches stehen. Dies kann durch Formen von Merkmalen in beiden Gebieten mit einer ähnlichen Teilung und Höhe erreicht werden. Geformte Merkmale derselben Höhe unterstützen ein Einrichten der Platten auf eine gleichförmige Dicke. Bei spezifischen Ausführungsformen sind Kanalmerkmale in dem Überlappungsgebiet so geformt, dass sie in Bezug auf diejenigen Merkmale in dem aktiven Gebiet angewinkelt sind; insbesondere können die Merkmale orthogonal in Bezug zueinander stehen.
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Wie in 5 gezeigt ist, wurde eine Kühlmittelumgehungskonstruktion gemäß der Offenbarung unter Verwendung von CFD bewertet. Ein 3-Kanal-Schnitt des aktiven Gebietes benachbart des Überlappungsgebietes wurde für verschiedene Konstruktionsoptionen bewertet. Diese Konfigurationen besaßen auch periodische Kühlmittel- und Reaktandenblockaden über das Randgebiet.
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5A zeigt ein Druckbild für eine ursprüngliche Konfiguration, bei der das Kanalmuster des aktiven Gebietes in das Überlappungsgebiet fortgesetzt wurde. Eine Kühlmittelblockade 70 und eine Reaktandenblockade 72 sind gezeigt. 5D ist ein Balkendiagramm, das die Strömung in mg/s durch die drei benachbarten Kanäle des aktiven Gebietes zeigt. Idealerweise besitzen alle Kanäle dieselbe Strömung, jedoch wird, wenn das Überlappungsgebiet einen signifikanten Strömungspfad bereitstellt, der erste Kanal, der dem Überlappungsgebiet am nächsten ist, eine höhere Strömung (gemessen an einer Beschränkung, wo die Umgehungsströmung blockiert ist) aufweisen. Um dies zu berücksichtigen, wurden bei anderen Konfigurationen die Kühlmitteldurchgänge des Überlappungsgebietes von den Kühlmitteldurchgängen des aktiven Gebietes isoliert. Zusätzliche Abstützung war für die Kanäle des aktiven Gebietes erforderlich, die in das Überlappungsgebiet geschleift waren, so dass eine Schleife hinzugefügt wurde. Die Abstützungsschleifen dieser isolierten Konfiguration erlaubten eine zu große Strömung, da sie auch den Zwischenraum öffneten (in 5D als „isoliert“ bezeichnet). Daher wurde der Zwischenraum an der Abstützungsschleifenseite (in 5D als „iso mit Halbblock“ bezeichnet) blockiert, was die relative Strömung nicht verbesserte. 5B zeigt das resultierende Druckbild für eine Konstruktion, bei der der Zwischenraum vollständig blockiert war. Eine Reaktandenblockade 72, ein isoliertes Kühlmittelvolumen 74 und eine Abstützungsschleife 76 sind gezeigt (in 5D als „iso mit Vollblock“ gezeigt). Die Vollblockade war notwendig, um die Kanalströmungen auf ähnliche Niveaus zu bringen. Jedoch braucht eine volle Blockade für lokale Kühlbetrachtungen nicht erforderlich zu sein. Daher zeigt 5C eine andere Konstruktionsalternative mit einer rechtwinkligen Abstützung 78 und dem daraus resultierenden Druckbild. Diese Konstruktion bewahrt die ausgeglichene Strömung der Vollblockkonstruktion (in 5D als „iso mit rechtwinkliger Abstützung“ bezeichnet), jedoch ohne den Kühlmangel.
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Die 6A und 6B zeigen Überlappungsgebiete und einen Anlagebereich zwischen einem aktiven Gebiet und den Überlappungsgebieten von zwei entsprechenden Strömungsfeldplatten. Um eine gleichförmige Plattennachgiebigkeit bereitzustellen, ist es erwünscht, dass die geprägten Merkmale des Überlappungsgebietes eine ähnliche Größe und Ausrichtung wie die Merkmale des aktiven Bereiches besitzen. Für eine nicht verschachtelte Platte sind die Kanäle des aktiven Bereiches nicht ausgerichtet. Die Merkmale des Überlappungsgebietes können unter ähnlichen Winkeln (die Kanäle des aktiven Bereiches sind geschlängelt, um ein Verschachteln der Platte oder Schneiden des DM mit diesen geprägten Kanälen mit feiner Teilung zu verhindern) oder nahezu orthogonal sein. Orthogonale Merkmale sind für eine Umgehungsströmungsblockade gewünscht. Die Merkmale des Überlappungsgebietes sind bevorzugt dieselbe Höhe wie die Merkmale des aktiven Gebietes, um ein Einrichten der Platte auf eine gleichförmige Dicke zu unterstützen. Wie in den 6A und 6B gezeigt ist, weist das Überlappungsgebiet eine modifizierte Konfiguration von Kanal- und Feldmerkmalen auf, die beispielsweise isolierte Kühlmittelvolumen, Reaktandenkanalblöcke, Kühlmittelblöcke und Kühlmittelverbindungen gemäß der Offenbarung bilden. Obwohl nur fünf verschiedene Beispiele der modifizierten Konfigurationen des Überlappungsgebietes gezeigt sind, sei leicht zu erkennen, dass die Überlappungsgebiete der Strömungsfeldplatte mit einer Vielzahl modifizierter Konfigurationen von Kanal- und Stegmerkmalen geprägt oder gefertigt sein können, die innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung liegen, und diese nur zu veranschaulichenden Zwecken dargestellt sind. 6C zeigt das Muster von Kanal- und Stegmerkmalen, die bei Ausrichtung der entsprechenden Strömungsfeldplatten geformt sind, die in den 6A und 6B gezeigt sind, um eine Bipolarplatte zu bilden.
