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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine verbessert Abdichtung in bipolaren Platten, die in Brennstoffzellen-Baugruppen verwendet wird, und genauer auf die Verwendung verbesserter Metallsickendichtungen mit kompakter Gestaltung und asymmetrischen Stapelanordnungen.
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Brennstoffzellen verwandeln Brennstoff in eine nutzbare Elektrizität mittels elektrochemischer Reaktion. Ein signifikanter Nutzen dieser einer Energieproduktion besteht darin, dass sie erreicht wird, ohne sich auf die Zündung als Zwischenschritt verlassen zu müssen. Brennstoffzellen haben einige umweltfreundlich Vorteile gegenüber Verbrennungsmotoren (ICEs) für den Antrieb und ähnlichen vortreibenden Anwendungen. In einer typischen Brennstoffzelle – wie zum Beispiel einer Protonenaustauschmembran- oder Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (in beiden Fällen PEM) – wird ein Paar katalysierter Elektroden durch ein ionendurchlässiges Medium (wie zum Beispiel NafionTM) in etwas geteilt, das üblicherweise als Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) bezeichnet wird. Die elektrochemische Reaktion entsteht, wenn ein erster Reaktant in Form eines gashaltigen Reduktionsmittels (wie Wasserstoff, H2) eingeführt und an der Anode ionisiert wird und dann das ionendurchlässige Medium passiert, das es mit einem zweiten Reaktant in Form eines gashaltigen oxidierenden Stoffes (wie Sauerstoff O2) kombiniert, das durch die andere Elektrode (die Kathode) eingeführt wurde; diese Kombination aus Reaktanten bildet Wasser als Nebenprodukt. Die Elektronen, die bei der Ionisierung des ersten Reaktanten freigesetzt wurden, werden in Form von Gleichstrom (GS) über den äußeren Stromkreis, der typischerweise eine Ladung beinhaltet (wie einen elektrischen Motor oder auch verschiedene Pumpen, Ventile, Kompressoren oder andere Komponenten, die Flüssigkeit führen) zur Kathode weitergeleitet, wo nützliche Arbeiten verrichtet werden können. Der Strom, der durch diesen Durchlauf von Gleichstrom erzeugt wurde, kann durch das Kombinieren zahlreicher dieser Zellen zu einer größeren stromerzeugenden Anordnung vergrößert werden. In dieser Konstruktion sind die Brennstoffzellen entlang einer gemeinsamen gestapelten Dimension verbunden – fast wie ein Stapel Spielkarten – um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden.
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In einem solchen Stapel sind benachbarte MEAs voneinander durch eine Reihe von Flusskanälen für die Reaktanten getrennt, die für gewöhnlich in der Form von für gasundurchlässigen, bipolaren Platten sind, welche – neben der Förderung des Transport von Reaktanten, Kühlmittel und Nebenprodukten – der MEA sowohl strukturellen Halt geben, als auch die Sammlung oder den Transport eines Stroms, sowie das Abdichten zwischen den Zellen. In einer üblichen Variante kann eine gewöhnliche Brennstoffzelle für Automobile aus 100 oder mehr bipolaren Platten bestehen, wobei die Kanäle, die darin herausgebildet sind, gewöhnlich einem Schlangenlinienmuster folgen, das den Großteil der gegenüberliegenden, im allgemeinen flachen Oberflächen einer jeden Platte abdeckt. Die beieinander liegende Anordnung von Platte und MEA fördert den Transport einer der Reaktanten zu oder von der Brennstoffzelle, während zusätzliche Kanäle (die fluidisch von den Reaktantkanälen entkoppelt sind) auch für den Kühlmitteltransport genutzt werden können. In einer Ausführung ist die bipolare Platte selbst eine Baugruppe, die geformt wird, indem ein Paar dünner Metallbleche (Halbplatten, oder einfacher, Platten genannt), in die Kanäle eingeprägt oder anderweitig integral in deren Oberfläche eingeformt sind, befestigt sind um einen Fluideingriff zu fördern. Die diversen Reaktanten- und Kühlmittelfließwege, die durch die Kanäle auf jeder Seite geformt sind, treffen sich für gewöhnlich an einer Sammelleitung (hierin auch als Sammelregion oder Sammelbereich bezeichnet), die einer oder mehrerer gegenüberliegender Kanten der Platte definiert ist. Beispiele all dieser Funktionen – sowie eine gewöhnliche Konstruktion einer solchen bipolaren Plattenbaugruppe, die in PEM-Brennstoffzellen verwendet werden kann – werden in den im gemeinsamen Besitz stehenden
US-Patenten 5,776,624 ,
7,186,476 und
8,679,697 gezeigt und erläutert, ihre Inhalte werden hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
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In einer gewöhnlichen Konstruktion mit bipolaren Platten, ist eine einzelne Plattenbaugruppe aus zwei geprägten Plattenschichten geformt, die zusammengeschweißt oder anderweitig zusammen befestigt sind, was zu einer laminierten Struktur führt, welche die verschiedenen Fluidwege, Stützstrukturen und elektrisch leitenden Oberflächen definiert. Historisch wird die Abdichtung um die Sammelleitungen der Platten, den aktiven Bereich und die Fluidwege zum einen mit gesonderten Dichtringen oder Dichtbaugruppen erreicht, wobei die darunterliegende Platte als Träger fungiert, während eine andere Methode das Vor-Ort-Aushärten (CIP) von Dichtmaterialien zwischen den angrenzenden Plattenschichten ist.
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Leider werden für die Verwendung von kommerziellen automobilen Brennstoffzellen Lösungen zur Massenfertigung benötigt, mit denen 10.000 bis 100.000 Brennstoffzellenstapel im Jahr hergestellt werden können. Unter dem Umstand, dass jede Zelle eine bipolare Plattenbaugruppe auf beiden gegenüberliegenden Oberflächen der MEA benötigt, würde selbst die Fertigung von geringen Stückzahlen die Herstellung von Millionen von Platten erfordern. Als solche sind sowohl der CIP-Ansatz als auch der Dichtansatz mit Dichtring zwar funktionierende aber zu teure Ansätze, um zu Abdichtverfahren zu gelangen, die Reaktant- oder Kühlmittelkanäle abdichten, wodurch sie für die Massenfertigung von bipolaren Platten ungeeignet sind.
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Um die Kosten- und in der Fertigungsprobleme bei der Anwendung dieser Dichtansätze zumindest teilweise zu überwinden, hat der Antragsteller der vorliegenden Erfindung eine integral geformte Dichtung für bipolare Platten entwickelt, wobei die Oberflächen der Platten so geprägt werden, dass sie nach außen abstehende Metallsickendichtungen (MBS) formen, um alleinstehende Kontaktpunkte zwischen den benachbarten Plattenoberflächen zu bilden. Während eine solche Ausführung die oben genannten Anforderungen für die Massenfertigung besser erfüllen, hat ihre spiegelbildliche (d. h. symmetrische) Anordnung auf einer gemeinsamen Ebene, die senkrecht zu einer Plattenstapelachse liegt zusammen mit ihrer relativ großen MBS-Breite und den damit verbundenen Fertigungs- und Montagetoleranzen sie besonders anfällig für Ausrichtungsfehler und Platzierungsprobleme während der Formung des Brennstoffzellenstapels gemacht. Insbesondere führen die flachen MBS-Spitzen unter den Druckkräften, die im Stapelmontageprozess genutzt werden, zur Entstehung von konkav geformten Regionen innerhalb der benachbarten MBS-Dichtungsoberflächen und nicht zur gewünschten (und allgemein gleichförmigen) gegenüberliegenden Verformung. Das wiederum führt dazu, dass der Kontaktdruck höchst ungleichmäßig auf der Dichtungsoberfläche verteilt ist, wobei der Druck an den Kanten hoch und in der Mitte niedrig ist, was dazu führt, dass die effektive Kontaktfläche der Dichtoberfläche reduziert wird und so die Fähigkeit der MBS, ihre Dichtfunktion zu erfüllen, verringert wird. Um die folgende Tendenz zur Undichtigkeit zu korrigieren, müssen andere, nicht auf Eisen basierte Dichtmethoden genutzt werden, wie etwa die Nutzung von allgemein nachgiebigen Dichtungen, die die Kosten des fertigen Stapels so erheblich steigern, wie es allgemein auch beim oben erläuterten CIP-Ansatz der Fall ist.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die Erfinder haben festgestellt, dass es vorzuziehen ist, eine komplementär geformte, konvexe Oberflächenform in eine Seite des angrenzenden MBS-Paars einzuführen, sodass die konvex geformte Oberfläche in einer anschmiegenden Weise in die verformte konkave Form der anderen Seite des Sickendichtungspaars passt, anstatt zu versuchen, die unausweichliche Entstehung einer konkaven Form in der MBS zu verhindern, wenn zwei benachbarte Platten verbunden werden. Das führt zu einem gleichmäßigerem Kontaktdruck, der wiederum zu einer gleichmäßigeren Kontaktverteilung entlang der zu verbindenden MBS-Dichtoberflächen sowie gleichzeitig zu einem Verringern des Austretens von Reaktant- oder Kühlflüssigkeit führt, die durch die Flusskanäle geleitet wird. Dieses Zusammenwirken von zusammenpassenden konkaven und konvexen Oberflächen hilft bei der Verringerung von Fehlausrichtungen während des Montageprozesses.
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Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, wird eine bipolare Plattenbaugruppe einer Brennstoffzelle offenbart, wobei jede Platte eine Oberfläche mit Fluideingriff definiert, auf welche Kanäle für entweder Reaktant- oder Kühlmittelkanäle geformt werden, abhängig davon, welches Fluid (d. h. Reaktant oder Kühlmittel) über die Plattenoberfläche transportiert wird. Einlass- und Auslassfließwege werden ebenfalls in der Oberfläche definiert, sodass jeder mit den entsprechenden Reaktanten- beziehungsweise Kühlmittelkanälen in Fluidverbindung steht; mindestens eine Dichtung oder MBS befindet sich auf der Oberfläche, sodass bei einem zusammenwirkenden Eingriff mit der angrenzend platzierten Platte die Dichtung eine wesentliche Flüssigkeitsisolation des Reaktanten oder des Kühlmittels bietet, das durch einen der Reaktanten- beziehungsweise Kühlmittelkanäle transportiert wird. Die MBS ist eine integral geformte Metallsickendichtung, die von mindestens einer der Oberflächen von jedem Plattenpaar so absteht, dass es bei einem zusammenwirkenden Eingriff zwischen dem Plattenpaar die Sicken in Kontakt kommen, um eine wesentliche Flüssigkeitsisolation des Reaktanten oder Kühlmittels zu bieten, das durch einen der Reaktanten- beziehungsweise Kühlmittelkanäle transportiert wird. Die Sicken definieren maßgeblich sowohl (a) einen asymmetrischen Kontakt auf einer gemeinsamen Fläche, die orthogonal zu einer Stapelachse durch ein Plattenpaar definiert wird und (b) eine begrenzte Menge von Sickendimensionen. Bezüglich des Letzteren beinhaltet eine Kontaktfläche, die von mindestens einer der Sicken definiert wird, in einer Form eine Sickenbreite von weniger als etwa 0,5 Millimeter und einen Krümmungsradius, der von einer Breite von unter etwa 2,0 Millimetern aufgespannt ist. In einer bevorzugten Form gibt es keine eingreifenden Dichtungen (wie etwa Elastomerdichtungen, Mikrodichtungen oder Ähnliches), die sich zwischen den angrenzenden Sicken befinden; So besteht ein direkter Kontakt zwischen angrenzende Sicken, sodass die dem Prozess innewohnende elastische Verformung, die zwischen den angrenzenden Sicken auftritt, ausreicht, um die gewünschte Verringerung des Austretens von Kühlmittel- oder Reaktantflüssigkeit und die damit verbundene Flüssigkeitsisolation zu erreichen. In einer alternativen Form kann eine dünnschichtige Mikrodichtung (oder Unterdichtung) genutzt werden, um die Abdichtbarkeit der MBS zu verbessern. Eine solche Mikrodichtung ist vorzugsweise nicht dicker als 10 µm.
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Bezüglich eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die in einer im Wesentlichen gegenüberliegenden Ausführung entlang einer Stapelachse angeordnet sind, wobei jede der Zellen innerhalb des Systems aus einer MEA und einer bipolaren Plattenbaugruppe bestehen, die in Fluidverbindung zur MEA steht. Die Plattenbaugruppe beinhaltet ein Plattenpaar, von dem jedes ein Paar von im Wesentlichen flachen gegenüberliegenden Oberflächen hat, von denen mindestens einen darin geformten Reaktantkanal oder Kühlmittelkanal definiert und eine integral geformte MSB, die von mindestens einer der Plattenoberflächen von jedem Plattenpaar absteht. Flüssigkeitstransportleiter wirkt mit den Brennstoffzellen zusammen, um sicher zu stellen, dass passende Anodenreaktanten, Kathodenreaktanten oder Kühlmittel durch die Zellen des Stapels transportiert werden. Ein Gehäuse ist um die gestapelten Zellen angeordnet, um die Vielzahl von bipolaren Plattenbaugruppen in einem zusammengedrücktem Zustand zu halten; so berühren sich die Sicken beim zusammenwirkenden Eingriff zwischen dem Plattenpaar, um eine wesentliche Flüssigkeitsisolierung eines Reaktanten oder Kühlmittels zu bieten, das transportiert wird, wobei unerwünschtes Austreten im Stapel minimiert wird. Die Sicken definieren sowohl einen asymmetrischen Kontakt auf einer gemeinsamen Fläche, als auch einen begrenzten Kontakt auf einem Oberflächenbereich von mindestens einer der zwei verbundenen Sicken.
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Bezüglich eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Abdichtung einer bipolaren Platte innerhalb eines Brennstoffzellensystems offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Anordnen mindestens eines Plattenpaars einer bipolaren Plattenbaugruppe auf einer anderen in einer gestapelten Ausführung, wobei jede der Plattenpaare ein Paar von im Wesentlichen flachen, gegenüberliegenden Oberflächen definiert, wobei mindestens eine der Oberflächen einen Reaktantkanal und/oder Kühlmittelkanal beinhaltet, der darin geformt ist. Zudem beinhaltet mindestens eine der Oberflächen eine integral geformte MSB, die sich aus der Plattenfläche heraus erstreckt, sodass der Kontaktpunkt zwischen der MBS eine wesentliche Flüssigkeitsisolation des später eingeführten Reaktanten oder Kühlmittels bietet, das ausgeführt ist, durch einen der Reaktanten- beziehungsweise Kühlmittelkanäle transportiert zu werden. Der Kontakt ist sowohl auf einer gemeinsamen Grenzflächenebene asymmetrisch, die orthogonal zu einer Stapelachse liegt, die vom Plattenpaar definiert ist und in seiner Größe begrenzt. Bezüglich dieses zweiten Kontaktkriteriums beinhaltet eine Kontaktfläche eine MBS mit einer Breite von weniger als etwa 0,5 Millimeter und einen Krümmungsradius, der von einer Breite von unter etwa 2,0 Millimetern aufgespannt ist. Die andere MBS beinhaltet eine allgemein ebene oder leicht konkave Oberfläche, die größer als die andere MBS ist, sodass bei Kontakt zwischen beiden das MBS-Paar eine relativ große seitliche Fehlausrichtung der zugehörigen Platte tolerieren kann, da die kleinere Kontaktbreite der vorangegangenen MBS relative große Margen hat, in denen ein solcher sicher Kontaktpunkt besteht. Die Platten werden entlang einer Stapelachse zusammengepresst, sodass mindestens eine der Sicken eine elastische Verformung erfährt, um einen wesentlich sicheren Kontakt und daraus resultierende Flüssigisolation des später eingeführten Reaktanten oder Kühlmittels zu erzeugen. Der kleine Querschnitt der Sicke reduziert die Menge des Kühlmittels, das durch die Sicke fließt wesentlich, wodurch die Kühleffizienz um den Sickenbereich herum erhöht wird. Der kleinere Sickenabschnitt kann auch dabei helfen, die Verwendung eines Kühlmittelflussblockers überflüssig zu machen, was weitere Kosten spart.
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Diese und andere Aspekte oder Ausführungsformen werden für Durchschnittsfachmänner beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und den angefügten Ansprüchen ersichtlich sein.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist am verständlichsten, wenn sie zusammen mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Strukturen mit gleichen Referenzzahlen bezeichnet sind und deren verschiedene Bestandteile nicht notwendigerweise maßstabsgerecht dargestellt sind:
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1 zeigt eine schematische Explosionszeichnung eines Brennstoffzellenstapels gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung;
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2 ist eine vereinfachte Darstellung einer teilweise auseinandergezogenen Schnittansicht eines Teiles einer Brennstoffzelle des Stapels aus 1, wobei die Zelle umliegende bipolare Platten beinhaltet;
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3 ist eine auseinandergezogene, perspektivische Detailansicht einer bipolaren Plattenbaugruppe aus 1, die eine MBS beinhaltet;
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4 zeigt eine Schnittansicht über die Breite einer MBS nach dem Stand der Technik;
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5A zeigt die asymmetrische Gegenüberstellung von zwei angrenzenden Plattenoberflächen nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, sodass sich eine weniger nachgiebige Oberfläche der einen nach dem Zusammenpressen der Stapel in die andere, nachgiebigere Oberfläche der anderen einpassen kann;
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5B zeigt, wie die Auswirkungen von Fehlausrichtung zwischen den zwei angrenzenden Plattenoberflächen aus 5A abgemildert werden;
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6A bis 6C zeigen alternative Ausführungsformen der entsprechenden MBS-Oberflächen gemäß zusätzlicher Aspekte der vorliegenden Erfindung; und
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7A bis 7C zeigen alternative Ausführungsformen der entsprechenden MBS-Oberflächen mit darauf befindlichen Variationen, gemäß zusätzlicher Aspekte der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zunächst mit Bezug auf 1 bis 3, werden vereinfachte Ansichten eines Brennstoffzellenstapels auseinandergezogen (1), eine PEM-Brennstoffzelle (2) und eine bipolare Plattenbaugruppe (3) gezeigt. Der Stapel 1 beinhaltet ein Gehäuse 5, das aus einer Trockenendeinheitplatte 10 und einer Nassendeinheitplatte 15 besteht; dieses (sowie anderes, nicht gezeigtes) kann dabei helfen, das zusammendrückende Klammern des Kompressionsbeibehaltungssystems des Gehäuses 5 durchzuführen; ein solches Kompressionsbeibehaltungssystem beinhaltet eine Vielzahl von Bolzen (nicht abgebildet) die sich durch die Dicke des Stapels 1, sowie durch diverse Seitenpanele 20 und steife Klammerelemente 25 erstrecken, die vertikal entlang der Stapelrichtung (der Y-Achse) erstrecken, um die Nassendeinheitplatte 15 an der Trockenendeinheitplatte 10 zu befestigen. Stapel diverser Brennstoffzellen 30 werden sicher in einer zusammengepressten Beziehung entlang der Stapelrichtung durch das Wirken der Bolzen, Klammerelemente 25 und anderer Komponenten im Gehäuse 5 gehalten. Daher kann ich die Stapelachse der Brennstoffzelle 1 im vorliegenden Kontext entlang einer im Wesentlichen vertikalen (d. h. Y) kartesischen Achse befinden, sodass der Großteil der Oberfläche einer jeden Brennstoffzelle 30 auf der X-Z-Ebene liegt. Unabhängig davon werden Durchschnittsfachmänner erkennen, dass die genaue Orientierung der Zellen 30 mit ihren bipolaren Platten 65 und Stapel 1 nicht essenziell ist sondern vielmehr eine zweckmäßige Weise darstellen, mit der die Landschaft, die auf den Oberflächen der einzelnen Platten darzustellen, die unten näher erläutert werden.
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Die Brennstoffzelle 30 beinhaltet eine im Wesentlichen ebene Protonenaustauschmembran 35, eine Anoden-Katalysator-Schicht 40 im gegenüberliegenden Kontakt mit einer Seite der Protonenaustauschmembran 35 und einer Kathoden-Katalysator-Schicht 45 in gegenüberliegenden Kontakt mit der anderen Seite. Zusammen werden die Protonaustauschmembran 35 und die Katalysatorschichten 40 und 45 als MEA 50 bezeichnet. Eine Anodendiffusionsschicht 55 ist in gegenüberliegenden Kontakt mit der Anoden-Katalysator-Schicht 40, während eine Kathodendiffusionsschicht 60 in gegenüberliegendem Kontakt mit der Kathoden-Katalysator-Schicht 45 ist. Jede der Diffusionsschichten 55 und 60 sind aus einer allgemein porösen Konstruktion, um den Übertritt gasförmiger Reaktanten hin zu den Katalysator-Schichten 40 und 45 zu ermöglichen. Zusammen werden Anoden-Katalysator-Schicht 40 und Kathoden-Katalysator-Schicht 45 als Elektroden bezeichnet und können als separate eigene Schichten wie gezeigt oder in der Alternative (wie oben erwähnt) als zumindest teilweise in die Diffusionsschichten 55 beziehungsweise 60 eingebettet und teilweise in die gegenüberliegenden Seiten der Protonaustauschmembran 35 eingebettet geformt werden.
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Neben der Bereitstellung eines im Wesentlichen porösen Fließwegs, damit Reaktantgase die passende Seite der Protonaustauschmembran 35 erreichen, stellen die Diffusionsschichten 55 und 60 elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden-Katalysator-Schichten 40, 45 und einer bipolaren Plattenbaugruppe 65 her, die wiederum als Stromsammler fungiert. Ferner formen die Diffusionsschichten 55 und 60 durch ihre allgemein poröse Natur einen Leiter für den Abtransport von Produktgasen, die an den Katalysator-Schichten 40, 45 erzeugt werden. Darüber hinaus erzeugt die Kathodendiffusionsschicht 60 erhebliche Mengen an Wasserdampf in der Kathodendiffusionsschicht. Diese Eigenschaft ist wichtig, um die Protonaustauschmembran 35 hydriert zu halten. Der Durchtritt von Wasser durch die Diffusionsschichten kann durch die Zugabe kleiner Mengen Polytetrafluorethylen (PTFE) oder ähnlicher Materialien reguliert werden.
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Obwohl sie mit einer dickwandigen Struktur gezeigt werden, bestehen die einzelnen Platten 65A und 65B (hierin auch als Halbplatte bezeichnet), aus denen die Baugruppe 65 besteht, vorzugsweise aus dünnen Blech- oder Folienstrukturen (was unten genauer gezeigt und erläutert wird); somit sollte 2 nicht genutzt werden, um auf die relative Dicke der Baugruppe 65 zu schließen. Vereinfachte gegenüberliegende Oberflächen, die von den gegenüberliegend-angrenzenden Halbplatten 65A und 65B definiert werden, sind bereitgestellt, um jede MEA 50 und zugehörige Diffusionsschichten 55, 60 von den angrenzenden MEAs und Schichten (beide nicht abgebildet) im Stapel 1 abgrenzen. Eine Halbplatte 65A greift in die Anodendiffusionsschicht 55 ein, während eine zweite Halbplatte 65B in die Kathodendiffusionsschicht 60 eingreift. Die zwei dünnen, gegenüberliegenden Metallbleche, aus denen die Halbplattem 65A, 65B bestehen, definieren – bei passenden Kompressions- und zugehörigen Fügetechniken – eine montierte Platte 65. Jede Halbplatte 65A und 65B (welche nach dem Zusammenbau als einheitliches Ganzes die bipolare Platte 65 darstellen würden) definiert diverse Reaktantgasflusskanäle 70 entlang einer entsprechenden Plattenseite. Auch wenn die bipolare Platte 65 so gezeigt ist (zu stilisierten Zwecken), dass sie ausschließlich rechtwinklige Reaktantgasflusskanäle 70 und umgebende Strukturen definieren, werden Durchschnittsfachmännern erkennen, das eine akkurater (und vorzuziehende) Ausführungsform unten gezeigt wird, worin allgemein Kanäle 70 geformt werden, die einem Schlangenlinienmuster folgen.
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Im Betrieb wird ein erster gasförmiger Reaktant wie etwa H2 von der Halbplatte 65A zur Anodenseite der MEA 50 durch die Kanäle 70 geleitet, während ein zweiter gasförmiger Reaktant, wie etwa O2 (für gewöhnlich in der Form von Luft), von Halbplatte 65B zur Kathodenseite der MEA 50 durch die Kanäle 70 geleitet wird. Katalytische Reaktionen laufen an der Anode 40 beziehungsweise Kathode 45 ab und erzeugen Protonen, die durch die Protonaustauschmembran 35 migrieren und Elektronen, die zu einem elektrischen Strom führen, welcher durch die Diffusionsschichten 55 und 60 und die bipolare Platte 65 geleitet werden kann, da Kontakt zwischen Anschlussflächen 75 und den Schichten 55 und 60 besteht. Zugehörige Kanäle (nicht abgebildet) können genutzt werden, Kühlmittel für das Regulieren der von der Brennstoffzelle 1 erzeugten Temperatur zu transportieren. In Situationen, in denen die Halbplatten 65A, 65B ausgeführt sind, um Kühlmittel zu leiten, sind ihre Funktionen mit denen der Platten vergleichbar, die Reaktanten leiten; sind ähnlich konstruiert und werden hier nicht näher erläutert.
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Besonders mit Bezug auf 3 wird eine Explosionszeichnung zweier aneinander grenzend gestapelter Halbplatten 65A, 65B um die bipolare Plattenbaugruppe zu formen, detaillierter gezeigt. Insbesondere beinhalten die einzelnen Halbplatten 65A, 65B jeweils sowohl einen aktiven Bereich 80 sowie einen Sammelbereich 85, wobei ersterer eine ebene gegenüberliegende Beziehung mit dem elektrochemisch aktiven Bereich eingeht, der zur MEA 50 und den Diffusionsschichten 55 und 60 gehört und letzterer zu einer Kante (wie gezeigt) oder einem peripheren (nicht gezeigten) Bereich gehört, wo Öffnungen, die durch die Platten 65A, 65B geformt sind, als Leiter für den An- und Abtransport von Reaktanten, Kühlmitteln oder Nebenprodukten zu und von den gestapelten Brennstoffzellen 30 dienen. Wie in der Explosionszeichnung in 3 zu sehen ist, können diese zweit Halbplatten 65A, 65B genutzt werden, um eine sandwichähnliche Struktur mit MEA 50 und Anoden- und Kathodendiffusionsschichten 55, 60 zu bilden und dann so oft wie nötig wiederholt werden, um einen Brennstoffzellenstapel 1 zu bilden. In einer Form sind die Anoden-Halbplatte 65A und/oder die Kathoden-Halbplatte 65B aus korrosionsbeständigem Material (wie etwa nichtrostenden CrNi-Stählen 304 SS o. ä.). Die allgemein schlangenlinienförmigen Fließkanäle 70 formen ein verwunden Weg von nahe der Kante 90, die nahe eines Sammelbereichs 85 ist, bis nahe der gegenüberliegenden Kante 95, die nahe des gegenüberliegenden Sammelbereichs 85 ist. Wie zu sehen ist, wird der Reaktant (im Fall, dass eine Platte 65A, 65B in einer gegenüberliegenden Beziehung mit MEA 50 steht) oder das Kühlmittel (im Fall, dass eine Platte 65A in einer gegenüberliegenden Beziehung mit der Rückseite einer anderen Platte 65B steht, wodurch Kühlmittelkanäle geformt werden) von einer Reihe von sich wiederholenden Toren oder Vertiefungen zu den Kanälen 70 gleitet, die eine Kopfbereich 100 formen, der zwischen dem aktiven Bereich 80 und dem Sammelbereich 85 einer (zum Beispiel Versorgung) Kante 90 liegt; eine ähnliche Ausführung befindet sich an der gegenüberliegenden (zum Beispiel Abtransport) Kante 95. In einer alternativen Ausführungsform (nicht abgebildet) können die Versorgungs- und Abtransport-Sammelbereiche nahe derselben Kante liegen (z. B. entweder 90 oder 95). In Situationen, in denen die individuellen Platten 65A, 65B aus einem formbaren Material bestehen (wie etwa aus den zuvor genanntem nichtrostenden Stählen), sind die verschiedenen Oberflächenfunktionen (inklusive Vertiefungen, Kanälen oder ähnlichem) vorzugsweise mittels bereits bekannter Techniken geprägt, wodurch sichergestellt wird, dass sowohl die Kanäle 70 und ihre entsprechenden Strukturen zusätzlich zur MBS (welche unten näher erläutert wird) integral aus einem Materialblech geformt sind.
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Als Nächstes mit Bezug auf
4 beinhaltet eine Schnittansicht, die die Breitenabmessung einer MBS
105 zeigt, gemäß dem Stand der Technik aus dem im gemeinsamen Besitz stehenden
US-Patent 8,371,587 eine eingreifende Oberfläche
105A, die zu einer gebogenen Form an einer Mittellinie A-A im Wesentlichen symmetrisch ist. Wesentlich ist, dass der Krümmungsradius R und die Sickenbreite W beide relative große Abmessungen verwenden, wobei ersterer zwischen 0,5 Millimetern und 5,0 Millimetern und letztere zwischen 2,0 Millimetern und 100 Millimetern ist. Während solche Abmessungen einen höheren Grad an elastischer Rückmeldung relativ zu herkömmlichen Sickendichtungen ermöglichen, haben die Erfinder festgestellt, dass ein Stapel
1, in dem zahlreiche einzelne Zellen
30 zum Einsatz kommen, trotz Höhenänderungen immer noch zum Austritt von Reaktanten oder Kühlmitteln neigt, besonders wenn die starken Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen beachtet werden, die in einem im Betrieb befindlichen Brennstoffzellenstapel
1 vorherrschen. Die Erfinder haben zudem herausgefunden, dass zusätzliche Sickenelastizität von Nöten ist, um solche Austrittsbedingungen einzudämmen.
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Als Nächstes mit Bezug auf 5A bis 6C wird ein Kontaktpunkt C zwischen zwei asymmetrisch gestapelten MBS 110 (gezeigt als eine obere MBS 110A und eine untere MBS 110B) gezeigt, der gemäß verschiedener gezeigter Ausführungsformen der Erfindungen eine eingreifende Oberfläche zwischen den zwei Platten 65A, 65B definiert. In der Version, die besonders in den 5A und 5B dargestellt werden, definieren sowohl MBS 110A sowie 110B das gleiche Profil, bei der die Krone der unteren MBS 110B relativ breit und eben ist, während die Krone der oberen MBS 110A relativ schmal ist und einen Krümmungsradius R definiert, der in einer Spitze T so endet, dass der Kontaktpunkt C dort geformt wird, wo die beiden MBS 110A, 110B aufeinander treffen. Wichtig ist, dass die Erfinder bestimmt haben, dass das Kleinhalten des Krümmungsradius R dabei hilft, längere Trägheitsmomente und größere Steifigkeit in der Spitze T der Platte 65A zu erzeugen, die weniger (oder im Wesentlichen keine) Verformung bei der Bildung des Stapels 1 erfahren soll. Ebenso tendiert es in Ausführungsformen (wie die, die in 6C gezeigt wird), in denen der Krümmungsradius R etwas größer sein darf (aber immer noch unter 2,0 Millimeter) weniger dazu, während der Kompression des Stapels 1 zu Verformen als die ebene Krone der anderen MBS 110B, wodurch weiterhin eine angeschmiegte oder hohle Beziehung befördert wird. Wichtig ist, dass die Erfinder bestimmt haben, dass die Auswahl des Krümmungsradius R auf der Steifigkeitsanforderung an MBS 110, der nutzbare Kompressionsrate, dem genutzten Material und anderen Querschnitts- und Draufsicht-Geometrien der Sicke basiert und dass für eine Edelstahl-MBS 110 bei den hierin gezeigten Größen und Materialien der Krümmungsradius R unter 2,0 mm liegen sollte.
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Ebenso wie die Gräben, Kanäle und anderen oben erwähnten Funktionen, kann auch die MBS 110 durch Prägen oder andere Formvorgänge geformt werden und ist so geformt, dass sie flüssigkeitsisolierte Regionen um die verschiedenen Ein- und Auslässe und schlangenlinienförmigen Kanäle bilden, die die verschneiden Regionen bilden, die über der Oberfläche der bipolaren Platte 65 geformt sind. Wie gezeigt, ist die MBS 110 theoretisch etwa ein mm breit und etwa 0,5 mm hoch, wobei die leicht (d. h. zumindest teilweise) konvexe Oberfläche zusätzliche 100 Mikrometer zur Gesamthöhe beitragen kann. Eine gemeinsame Ebene 115 ist zwischen den angrenzend-gegenüberliegenden Platten 65A, 65B geformt und kann in einer Form eine Mikrodichtung (welche nicht abgebildet ist) und Unterdichtung beinhalten, die peripher-angrenzend zur MEA 50 ist, während in einer anderen Form keines von beidem beinhaltet sein muss, sodass ein direkter Kontakt zwischen MBS 110A, 110B der Platte 65A beziehungsweise 65B geformt ist.
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Alle Ausführungen von MBS 110 erhöhen im Wesentlichen die Dichtungszuverlässigkeit, da der Kontaktpunkt C zwischen angrenzender asymmetrischer MBS 110 weniger anfällig für seitliche (d. h. X-Z-Ebene) Fehlausrichtungen M der angrenzenden Platten 65A, 65B ist. Das hilft dabei, die Nutzung redundanter Materialien (wie etwa eine zusätzliche Mikrodichtung oder zusätzliches Plattenblechmetall, um die Sicke fortzuführen, womit zusätzliche Fertigungskosten einhergehen) an der Grenzflächenregion zwischen den zwei anliegenden MBS 110 verringert werden. Vielmehr halten die relativ einfachen geometrischen Oberflächen, die entlang der Breite W der MBS 110 definiert sind, die Fertigungskosten niedrig.
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Besonders mit Bezug auf 5B, führt eine seitliche Fehlausrichtung einer der Platten 65, in Relation zur anderen, nicht zu einem nennenswerten Kontaktverlust, da die relativ geringe Breite W der oberen MBS 110A mit ihrer relativ steifen Kronenspitze T, die durch eine erhöhtes Trägheitsmoment (d. h. Biegungs- und Kompressionssteifigkeit) ermöglicht wird, das aus einer wesentlichen Querformung entsteht, die nachgiebigere Oberfläche der Krone der unteren MBS 110B immer weiter (unter passender Stapelkompression einer der diversen bipolaren Platten 65) so verformen wird, dass eine anschmiegsame oder anderweitig ergänzende Passform entsteht. Es versteht sich, dass eine symmetrische Platzierung (nicht abgebildet) der Verbundenen MBS 110A, 110B nicht in der Lage ist, am Kontaktpunkt C den gleichen Grad der Verbindung insofern zu bieten, da fast jedes Maß an Fehlausrichtung zwischen den angrenzenden Platten 65A, 65B nicht die notwendige relative Einhaltung einer der eingreifenden Oberflächen hervorbringt; ein solches Fehlen der Einhaltung verhindert den sicheren Kontakt, der benötigt wird, um den gewünschte Grad der Flüssigisolation zu erreichen. Vielmehr bringt das Belassen einer relativ großen Breite W für die Spitze T der steiferen (d. h. 110A wie in den Figuren gezeigt) der beiden MBS 110 wesentlich weniger die Fähigkeit hervor, jede seitliche Fehlausrichtung abzufangen. Daher ist die Chance der Bildung irgendeiner Form einer ergänzenden Verbindung beider MBS 110A, 110B in Situationen, in denen die Breite W der Kronen beider MBS verhältnismäßig groß (beispielsweise größer als etwa 0,5 Millimeter) ist, eingeschränkt. Daher haben die Erfinder die angrenzenden MBS 110A, 110B so gestaltet, dass sie in einer asymmetrischen gestapelten Beziehung relativ zueinander so platziert werden, dass die unterschiedlichen Formen und Breiten ihrer eingreifenden Oberflächen am Kontaktpunkt C ausgenutzt werden können, um eine sichere ergänzende Passform zwischen ihnen zu formen.
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Nun werden unter besonderer Bezugnahme auf 6A bis 6C verschiedene asymmetrische Platzierungen von angrenzenden Sicken der vorliegenden MBS 110 gezeigt. In den Ausführungsformen der 6A und 6B definiert die Breite der eingreifenden MBS 110 -Oberfläche der oberen Platte 65A einen Spitzenabschnitt T mit einem Krümmungsradius R und einem seitlichen Abschnitt, der allgemein linear ist. Ebenso definiert in der Ausführungsform in 6C die MBS 110 (d. h. die obere, wie gezeigt), die den konvexen Querschnitt am Kontaktpunkt C definiert, einen im Wesentlichen konstanten Krümmungsradius über eine wesentliche Gesamtheit seiner Breite, während die MBS 110 (d. h. die untere, wie gezeigt) ein einen allgemein ebenen Querschnitt am Kontaktpunkt C definiert.
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Unter besonderer Bezugnahme auf die 7A bis 7C wird die Stapelung zwischen angrenzenden bipolaren Platten 65A und 65B gezeigt, die generell ähnlich der aus den 5A bis 5C und 6A bis 6C ist, obwohl nun zusätzliche Anschmiegefunktionen möglich gemacht wurden, indem die obere MBS 210A und die untere MBS 210B relativ konvex beziehungsweise konkav geformt ist. Wie oben erläutert ist die relative Steifigkeit der Spitze T mit engem Radius der oberen MBS 210A relativ zur nachgiebigeren Oberfläche der MBS 210B am Kontaktpunkt C so, dass sie mit der leicht hohlen Form der letzteren so kompatibel ist, dass wenn die beiden Platten 65A, 65B gestapelt werden, sie zu einer ausgeglichenen Position tendieren, die in jeder der Figuren dargestellt ist. Daher wird die ausgeglichene Position, die beim Anschmiegen dieser kompatibilitätsgeformten Oberflächen beim Stapeln automatisch geformt, selbst in Situationen, bei denen die Platten (oder MBS) zueinander fehlerhaft ausgerichtet sind.
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Obwohl es nicht abgebildet ist, könnte eine bestimmte Anwendung für ein System, das auf einem Stapel von PEM-Brennstoffzellen 1 basiert, ein Automobil oder ähnliches Fahrzeug sein. Im vorliegenden Kontext wird ersichtlich sein, dass der Begriff „Fahrzeug“ sich auf Autos, Lastwagen, Vans, Sport Utility Vehicles (SUV) oder andere solcher automobilen Formen wie Busse, Luftfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Raumfahrzeuge und Motorräder beziehen kann; All diese haben das Potential, mit der vorliegenden Erfindung kompatibel gemacht zu werden, um Antriebs- oder Fortbewegungsenergie zu erzeugen.
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Es wird angemerkt, dass Begriffe wie „vorzugsweise“, „normalerweise“, und „typischerweise“ hier nicht zur Einschränkung des Schutzumfangs der anspruchsgemäßen Erfindung verwendet werden oder implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, essenziell oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der anspruchsgemäßen Erfindung sind. Stattdessen werden diese Begriffe verwendet, um lediglich die alternative oder zusätzliche Merkmale hervorzuheben, die in einer bestimmten Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden können aber nicht müssen.
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Im vorliegenden Kontext wird sich auf die Begriffe, die sich auf Kanäle, Fließwege und andere kühlmitteltransportierenden oder reaktanttransportierenden Funktionen beziehen, die in oder auf die in Fluideingriff befindlichen Oberflächen der bipolaren Platten 70 geformt sind, synonym im Singular und Plural bezogen. Während die Unterscheidung danach, ob sich dies auf einen einzelnen Kanal oder Fließweg oder eine Gruppe derer in Ausrichtung an einem allgemein parallelen Fließweg bezieht, ist für die Dichtungen 70 S der vorliegenden Erfindung nicht entscheidend; somit wird eine Identifizierung eines über das andere aus dem Kontext ersichtlich und jede Form wird als Teil des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung betrachtet.
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Zum Zweck der Beschreibung und der Definition der vorliegenden Erfindung, sei darauf hingewiesen, dass die Bezeichnungen „im Wesentlichen“ und „ungefähr“ und ihre Varianten hierin verwendet werden, um den entsprechenden Grad von Ungewissheit darzustellen, der jedem quantitativen Vergleich, Wert, Maß oder anderer Darstellung zugeschrieben werden kann. Der Begriff „im Wesentlichen“ wird hier auch verwendet, um den Grad darzustellen, mit dem eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne die grundlegende Funktion der behandelten Materie zu ändern.
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Nachdem die Erfindung detailliert und mit Bezug zu spezifischen Ausführungen beschrieben wurde, wird es dennoch offensichtlich sein, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne den erfindungsgemäßen Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht notwendigerweise auf angegebene bevorzugte Aspekte und beispielhafte Ausführungsformen beschränkt ist, sondern durch die angefügten Ansprüche geregelt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5776624 [0003]
- US 7186476 [0003]
- US 8679697 [0003]
- US 8371587 [0027]
