DE102017118143B4

DE102017118143B4 - Bipolarplatte für eine Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE102017118143B4
Application number: DE102017118143.1A
Authority: DE
Inventors: Matthew J. Beutel; Jeffery D. Williams; Robert C. Thompson
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-08-10
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2037-08-10
Also published as: CN107732278A; US20180048012A1; US10211477B2; DE102017118143A1; CN107732278B

Abstract

Brennstoffzellenstapelanordnung (11), umfassend:eine erste bipolare Platte (12);eine zweite bipolare Platte (14), die einen Umgehungskanal (70) mit der ersten bipolaren Platte (12) definiert, wobei der Umgehungskanal (70) eine darin ausgebildete Prägung (27) der zweiten Platte aufweist;eine erste Unterdichtung (26), die angrenzend zu der ersten bipolaren Platte (12) angeordnet ist, und eine zweite Unterdichtung (28), die angrenzend zu der zweiten bipolaren Platte (14) angeordnet ist; undeine Gasdiffusionsschicht (21, 23), die zwischen der ersten bipolaren Platte (12) und der zweiten bipolaren Platte (14) innerhalb eines Innenumfangs der ersten und zweiten Unterdichtungen (26, 28) angeordnet ist,wobei der Umgehungskanal (70) aufgrund eines Unterschieds der Dicke zwischen der Gasdiffusionsschicht (21, 23) und der Unterdichtung (26, 28) in einem inneren Metallelement (56) der bipolaren Platten (12, 14) außerhalb der aktiven Strömungskanäle durch Erzeugen eines Spalts angrenzend an der Gasdiffusionsschicht (21, 23) gebildet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf PEM-Brennstoffzellen und insbesondere auf bipolare Platten zum Trennen aneinander angrenzender Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel.
HINTERGRUND
Brennstoffzellen wurden in vielen Anwendungen als elektrische Energiequelle eingesetzt. Beispielsweise wurden Brennstoffzellen für den Einsatz in elektrischen Kraftfahrzeugen vorgeschlagen, um Verbrennungsmotoren zu ersetzen. In Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzellen wird der Anode der Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt, und der Kathode Sauerstoff als Oxidationsmittel zugeführt. PEM-Brennstoffzellen beinhalten eine Membranelektrodenanordnung (MEA), die eine dünne, protonendurchlässige, nicht elektrisch leitfähige, feste Polymerelektrolytmembran mit dem Anodenkatalysator auf einer Stirnfläche und dem Kathodenkatalysator auf der gegenüberliegenden Stirnfläche aufweist. Die MEA ist zwischen einem Paar nicht poröser, elektrisch leitfähiger Elemente oder Platten angeordnet, die (1) Elektronen von der Anode einer Brennstoffzelle zu der Kathode der angrenzenden Zelle eines Brennstoffzellenstapels passieren, (2) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen, die darin ausgebildet sind, um die gasförmigen Reaktionsmittel der Brennstoffzelle über die Oberflächen der jeweiligen Anoden- und Kathodenkatalysatoren zu verteilen; und (3) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen enthalten, die darin ausgebildet sind, um ein geeignetes Kühlmittel über den gesamten Brennstoffzellenstapel zu verteilen, um die Temperatur aufrechtzuerhalten.
Der Begriff „Brennstoffzelle“ wird typischerweise verwendet, um je nach Kontext entweder eine einzelne Zelle oder eine Vielzahl von Zellen (Stapel) zu bezeichnen. Eine Vielzahl von einzelnen Zellen wird typischerweise gebündelt, um einen Brennstoffzellenstapel zu bilden, die üblicherweise in elektrischer Reihenschaltung angeordnet sind. Jede Zelle innerhalb des Stapels beinhaltet die zuvor beschriebene Membranelektrodenanordnung (MEA), wobei jede MEA ihr Inkrement der Spannung liefert. Eine Gruppe von angrenzenden Zellen innerhalb des Stapels wird als Cluster bezeichnet. In PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff (H₂) das Anodenreaktionsmittel (d. h. der Brennstoff) und Sauerstoff das Kathodenreaktionsmittel (d. h. Oxidationsmittel). Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (O₂) oder als Luft (eine Gemisch aus O₂ und N₂) vorliegen.
DE 10 2007 048 184 B3 offenbart eine Bipolarplattenanordnung mit Begrenzungselementen, die in der Randregion des aktiven Bereichs ein Vorbeifließen von Medium zwischen der Begrenzungswand und und den äußersten Elementen der Kanalstruktur verhindern. Hierzu verpressen die Begrenzungselemente die Gasdiffusionlage in der Randregion derart, dass im Verpressungsbereich der Gasdiffusionslage ein Vorbeiströmen von Medium verhindert wird. Die elektrisch leitfähigen Platten, zwischen denen ggf. die MEAs liegen, können eine Anordnung von Rillen in ihren Stirnflächen enthalten, die ein Reaktionsmittelströmungsfeld definieren, um die gasförmigen Reaktionsmittel der Brennstoffzelle (d. h. Wasserstoff und Sauerstoff in Form von Luft) über die Oberflächen der jeweiligen Kathode und Anode zu verteilen. Diese Reaktionsmittelströmungsfelder beinhalten im Allgemeinen eine Vielzahl von Stegen, die eine Vielzahl von Strömungskanälen dazwischen definieren, durch die die gasförmigen Reaktionsmittel von einem Luftverteiler an einem Ende der Strömungskanäle zu einem Abgaskrümmer am entgegengesetzten Ende der Strömungskanäle strömen. Das Reaktionsmittelströmungsfeld ist ein vorbestimmtes direkt an eine Stirnfläche der Gasdiffusionsschicht angrenzendes Strömungsfeldmuster, um eine Reaktion zwischen denselben zu fördern.
In einem Brennstoffzellenstapel werden mehrere Zellen in elektrischer Reihenschaltung gestapelt und gleichzeitig durch eine gasundurchlässige, elektrisch leitfähige bipolare Platte getrennt. In einigen Fällen entspricht die bipolare Platte einer Anordnung, die durch Befestigen eines Paares von dünnen Metallblechen mit Reaktionsmittelströmungsfeldern gebildet wird, die auf deren äußeren Stirnflächen ausgebildet sind. Typischerweise ist ein inneres Kühlmittelströmungsfeld zwischen den Metallplatten der bipolaren Plattenanordnung vorgesehen. Es wird zudem bekanntlich eine Abstandsplatte zwischen den Metallplatten lokalisiert, um die Wärmeübertragungseigenschaften für eine verbesserte Brennstoffzellenkühlung zu optimieren.
Typischerweise beinhaltet das mit einem Brennstoffzellenstapel verbundene Kühlsystem eine Umlaufpumpe zum Zirkulieren eines flüssigen Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel zu einem Wärmetauscher, wo die thermische Abfallenergie (d. h. Wärme) an die Umgebung übertragen. Die thermischen Eigenschaften typischer flüssiger Kühlmittel erfordern, dass ein relativ großes Volumen durch das System zirkuliert wird, um genügend Abfallenergie abzuweisen, um die Temperatur des Stapels, insbesondere unter maximalen Leistungsbedingungen, innerhalb eines akzeptablen Bereichs zu halten.
Brennstoffzellen wurden als saubere, effiziente und umweltverträgliche Energiequelle für Elektrofahrzeuge und verschiedene andere Anwendungen vorgeschlagen. Insbesondere wurden Brennstoffzellen als eine mögliche Alternative für den herkömmlichen Verbrennungsmotor identifiziert, der in modernen Kraftfahrzeugen verwendet wird.
Eine übliche Brennstoffzelle ist als Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzelle bekannt. Die PEM-Brennstoffzelle beinhaltet eine modularisierte Elektrodenanordnung (UEA), die zwischen einem Paar von Brennstoffzellenplatten, wie z. B. bipolaren Platten, angeordnet ist. Die UEA kann Diffusionsmedien (auch als Gasdiffusionsschicht bezeichnet), die angrenzend an einer Anodenstirnfläche und einer Kathodenstirnfläche einer Membranelektrolytanordnung (MEA) angeordnet sind, beinhalten. Die MEA beinhaltet einen dünnen protonenleitenden, polymeren Membran-Elektrolyten mit einem Anoden-Elektrodenfilm, der auf einer Stirnfläche desselben ausgebildet ist, und einen Kathoden-Elektrodenfilm, der auf dessen gegenüberliegenden Stirnfläche ausgebildet ist. Im Allgemeinen werden derartige Membran-Elektrolyte aus Ionenaustauscherharzen hergestellt und umfassen typischerweise ein perfluoroniertes Sulfonsäurepolymer, wie z. B. NAFION TM, erhältlich von E.I. DuPont de Nemeours & Co. Die Anoden- und Kathodenfilme umfassen andererseits typischerweise (1) fein verteilte Kohlenstoffteilchen, sehr fein verteilte katalytische Teilchen, die auf den inneren und äußeren Oberflächen der Kohlenstoffteilchen getragen werden, sowie protonenleitfähiges Material (z. B. NAFION™), vermischt mit den katalytischen und Kohlenstoffteilchen, oder (2) katalytischen Teilchen ohne Kohlenstoff, dispergiert in einem Polytetrafluorethylen (PTFE)-Bindemittel.
Die MEA kann zwischen Blechen aus porösem, gasdurchlässigem leitfähigem Material angeordnet sein, die gegen die Anoden- und Kathodenstimflächen der MEA drücken und als (1) primäre Stromabnehmer für die Anode und Kathode, sowie (2) als mechanische Unterstützung für die MEA, dienen. Geeignete dieser primären Stromabnehmerbleche oder Gasdiffusionsmedien können, wie auf dem Fachgebiet gut bekannt, Kohlenstoff- oder Graphitpapier oder -gewebe, feinmaschige Edelmetallsiebe und dergleichen umfassen.
Das geformte Sandwich wird zwischen ein Paar elektrisch leitfähiger Platten (nachfolgend als „bipolare Platten“ bezeichnet) 12, 14, 16 gedrückt, die als sekundäre Stromabnehmer dienen, um den Strom von den primären Stromabnehmer zu sammeln und (d. h. im Fall von bipolaren Platten) Strom an angrenzende Zellen im Inneren des Stapels und im Fall von monopolaren Platten an den Enden des Stapels außerhalb des Stapels zu leiten. Die bipolaren Platten enthalten jeweils mindestens ein sogenanntes „Strömungsfeld“, das die gasförmigen Reaktionsmittel der Brennstoffzelle (z. B. H₂ und O₂/Luft) über die Oberflächen der Anode und Kathode verteilt. Das Reaktionsmittelströmungsfeld beinhaltet eine Vielzahl von Stegen, die mit der Gasdiffusionsschicht in Eingriff stehen und dazwischen eine Vielzahl von Strömungskanälen definieren, durch die die gasförmigen Reaktionsmittel zwischen einem Ansaugkrümmer und einem Abgaskrümmer in den bipolaren Platten fließen. Serpentinen-Strömungskanäle können, müssen jedoch nicht zwangsläufig, im Strömungsfeld 18 verwendet werden und verbinden die Ansaug- und Abgaskrümmer erst, nachdem sie eine Anzahl von Haarnadelkurven und Serpentinen hergestellt haben, sodass jeder Schenkel des Serpentinen-Strömungskanals mindestens an einen anderen Schenkel des gleichen Serpentinen-Strömungskanals angrenzt. Es versteht sich, dass verschiedene Konfigurationen für die Strömungskanäle verwendet werden können.
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Mechanismus zur Förderung einer besseren Verteilung der Reaktionsmittelgase auf die Gasdiffusionsschicht vorzusehen. Auf diese Weise kann eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit für den Brennstoffstapel erreicht werden, wodurch der Wirkungsgrad und die Lebensdauer des Brennstoffstapels verbessert werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Dementsprechend stellt die vorliegende Offenbarung eine Brennstoffzellenplattenanordnung zum Kanalisieren von Reaktionsmitteln durch eine PEM-Brennstoffzelle bereit, sodass eine größere Reaktionsgeschwindigkeit zwischen der Gasdiffusionsschicht und den Reaktionsmitteln erfolgen kann.
Eine Brennstoffzellenstapelanordnung der vorliegenden Offenbarung beinhaltet eine erste bipolare Platte, eine zweite bipolare Platte, eine erste und eine zweite Unterdichtung und eine Gasdiffusionsschicht. Es versteht sich, dass die Gasdiffusionsschicht einen Sandwichaufbau mit einer MEA aufweisen kann, die zwischen zwei Gasdiffusionsmedien angeordnet ist. Ein Umgehungskanal außerhalb des aktiven Strömungsfeldes ist vorgesehen. Der Umgehungskanal kann auf verschiedene Weisen vorgesehen sein. Beispielsweise kann die zweite bipolare Platte einen Umgehungskanal mit der ersten bipolaren Platte definieren, wobei der Umgehungskanal in einem inneren Metallelement an den Seitenrand der Gasdiffusionsschicht angrenzend ausgebildet ist. Es versteht sich zudem, dass aufgrund der Änderung der Dicke zwischen der Gasdiffusionsschicht und der Unterdichtung ein Umgehungskanal außerhalb der aktiven Strömungskanäle durch Erzeugen eines Spaltes oder Kanals angrenzend an der Gasdiffusionsschicht gebildet werden kann. Unabhängig von der Konfiguration beinhaltet der Umgehungskanal ferner mindestens eine darin ausgebildete Prägung. Die Gasdiffusionsschicht kann zwischen der ersten bipolaren Platte und der zweiten bipolaren Platte angeordnet sein, während die erste und die zweite Unterdichtung auf jeder Seite der Gasdiffusionsschicht angeordnet sind, sodass die erste und die zweite Unterdichtung zwischen den Metallwulstdichtungen der zwei bipolaren Platten befestigt sind. GDL-Schichten dicker als SG oder wie in Klammern angegeben.
Die Brennstoffzellenplattenanordnung kann des Weiteren ein inneres Metallelement für jede bipolare Platte beinhalten, wobei jedes innere Metallelement ein Reaktionsmittelströmungsfeld und ein Kühlmittelströmungsfeld definiert. Das innere Metallelement definiert ferner mindestens einen Umgehungskanal, worin mehrere vertikale Prägungen (Vorsprünge/Vertiefungen oder Tunnel) entlang der Länge des Umgehungskanals ausgebildet sein können, um die Strömung des Reaktionsmittels zu stören, während sich das Reaktionsmittel in dem Umgehungskanal bewegt. Daher fördern die Prägungen die Strömung des Reaktionsmittels von dem Einlass zu der Gasdiffusionsschicht, anstatt direkt zum Auslass über den Umgehungskanal.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine bessere Verteilung oder Umleitung der Strömung vom Umgehungskanal zurück zum aktiven Bereich des Reaktionsmittels in Richtung der Gasdiffusionsschicht, wodurch eine Optimierung der Reaktion über den gesamten aktiven Bereich ermöglicht wird, der definitionsgemäß den Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels erhöht.
Figurenliste

1A zeigt eine erweiterte, schematische Ansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels.
1B zeigt eine erweiterte, schematische Ansicht einer nicht einschränkenden exemplarischen bi-polaren Platte.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Umgehungskanals aus 5 entlang der Linien 2-2.
3 zeigt eine isometrische, schematische Querschnittsansicht eines ersten nicht einschränkenden Beispiels eines PEM-Brennstoffzellenstapels der vorliegenden Offenbarung.
4 zeigt eine isometrische, schematische Querschnittsansicht eines zweiten nicht einschränkenden Beispiels eines PEM-Brennstoffzellenstapels der vorliegenden Offenbarung.
5 zeigt eine isometrische, schematische Querschnittsansicht eines dritten nicht einschränkenden Beispiels eines PEM-Brennstoffzellenstapels der vorliegenden Offenbarung.
6A zeigt eine schematische Draufsicht eines nicht einschränkenden Beispiels der vorliegenden Offenbarung, bei der die Gasdiffusionsschicht auf einer bipolaren Platte angeordnet ist, die eine Metallwulstdichtung mit in dem Umgehungskanal gebildeten ausnehmungsartigen Prägungen aufweist.
6B zeigt eine schematische Draufsicht eines nicht einschränkenden Beispiels der vorliegenden Offenbarung, bei der die Gasdiffusionsschicht auf einer bipolaren Platte angeordnet ist, die eine Metallwulstdichtung mit in dem Umgehungskanal gebildeten tunnelartigen Prägungen aufweist.
7 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, bei der die Tunnel weiter weg von der Metallwulstdichtung divergieren.
8A zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die eine Querschnittsansicht eines Teils des Umgehungskanals darstellt, in welchem die Gasdiffusionsschicht und die Unterdichtung nicht gekrümmt sind.
8B zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die eine Querschnittsansicht eines Teils des Umgehungskanals darstellt, in welchem die Gasdiffusionsschicht und die Unterdichtung in eine zweite Richtung innerhalb des Kanals gekrümmt sind.
8C zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, die eine Querschnittsansicht eines Teils des Umgehungskanals darstellt, in welchem die Gasdiffusionsschicht und die Unterdichtung in eine erste Richtung innerhalb des Kanals gekrümmt sind.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Offenbarung sieht einen PEM-Brennstoffstapel vor, bei dem der Reaktionsmittel-Umgehungskanal-Gasstrom 72 (in 5 dargestellt) in jedem Umgehungskanal 70 in mehreren Bereichen entlang der Länge jedes Umgehungskanals 70 aufgrund von Prägungen 15 eingeschränkt werden kann, die sich in den Umgehungskanal 70 erstrecken können. 1A zeigt eine schematische Darstellung eines partiellen PEM-Brennstoffzellenstapels 11 mit einem Paar von Membran-Elektroden-Baugruppen (MEAs) 8 und 10, die durch eine nicht poröse, elektrisch leitfähige bipolare Platte 12 voneinander getrennt sind. Jede der MEAs 8, 10 hat eine Kathodenstirnfläche 8c, 10c und eine Anodenstirnfläche 8a, 10a. Die MEAs 8 und 10 und die bipolare Platte 12 sind zwischen nicht porösen, elektrisch leitfähigen, flüssigkeitsgekühlten bipolaren Platten 14 und 16 gestapelt. Die bipolaren Platten 12, 14 und 16 beinhalten jeweils Strömungsfelder 18, 20 und 22, die in den Stirnflächen der bipolaren Platten 12, 14, 16 zur Verteilung von Brennstoff und Oxidationsmittelgasen (d. h. H₂ & O₂) an die reaktiven Stirnflächen der MEAs 8, 10 ausgebildet sind.
Die Unterdichtungen 26, 28, 30, 32 sorgen für eine Abdichtung und elektrische Isolierung zwischen den mehreren bipolaren Platten 12, 14, 16 des Brennstoffzellenstapels 11. Poröse, gasdurchlässige, elektrisch leitfähige Bleche (Gasdiffusionsmedien) 34, 36, 38 und 40 drücken gegen die Elektrodenstirnflächen der MEAs 8 und 10 und dienen als primäre Stromabnehmer für die Elektroden. Wie in 1 dargestellt, definiert jede Unterdichtung 26, 28, 30, 32 einen Innenumfang 41 für das entsprechende Gasdiffusionsmedium 34, 36, 38, 40. Die Gasdiffusionsmedien 34, 36, 38 und 40 stellen zudem mechanische Träger für die MEAs 8 und 10 bereit, insbesondere an Stellen, an denen die MEAs im Strömungsfeld sonst trägerlos sind. Zu geeigneten Gasdiffusionsmedien 34, 36, 38, 40 gehören Kohlenstoff-/Graphitpapier/-stoff, feinmaschige Edelmetallsiebe, offenzellige Edelmetallschäume und dergleichen, die Strom von den Elektroden leiten, während Gas durch sie hindurchtreten kann. Es versteht sich jedoch, dass die Gasdiffusionsschichten 21, 23 während der gesamten vorliegenden Offenbarung und in den schematischen Zeichnungen tatsächlich die MEA 8 darstellen können, die, wie in 1A dargestellt, zwischen zwei Gasdiffusionsmedien eingeschlossen ist.
Es versteht sich, dass die Gasdiffusionsschicht 21, 23 eine poröse Struktur sein kann, die durch Verweben von Kohlenstofffasern in ein Kohlenstoffgewebe (z. B. GDL-CT und ELAT) oder durch Zusammenpressen von Kohlenstofffasern zu einem Kohlepapier (z. B. Sigracet, Freudenberg und Toray). Viele der heute produzierten Standard-GDLs werden mit einer mikroporösen Schicht (MPL) und einer hydrophoben Behandlung (PTFE) geliefert. Die MPL und PTFE helfen beim Kontakt mit der Membran und mit der Wasserverwaltung. Die MPL bietet typischerweise eine glatte Schicht mit viel Oberfläche für den Katalysator und einen guten Kontakt mit der Membran. Die MPL verwendet oft PTFE als Bindemittel, das die Hydrophobie erhöht, was dazu beiträgt, das Wasser vor dem Entweichen aus der Membran zu bewahren, indem die Membran ausgetrocknet wird und eine höhere Beständigkeit (geringere Leistung) bewirkt.
Die bipolaren Platten 14 und 16 drücken gegen das Gasdiffusionsmedium 34 auf der Kathodenstirnfläche 8c der MEA 8 und das Gasdiffusionsmedium 40 auf der Anodenstirnfläche 10a der MEA 10, während die bipolare Platte 12 gegen das Gasdiffusionsmedium 36 auf der Anodenstirnfläche 8a der MEA 8 und gegen das Gasdiffusionsmedium 38 auf der Kathodenstimfläche 10c der MEA 10 drückt. Ein Oxidationsgas, wie z. B. Sauerstoff oder Luft, wird der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels aus einem Speichertank 46 über eine entsprechende Versorgungsleitung 42 zugeführt. Gleichermaßen wird der Anodenseite der Brennstoffzelle ein Brennstoff, wie z. B. Wasserstoff, aus einem Speichertank 48 über eine entsprechende Versorgungsleitung 44 zugeführt. In einer anderen Ausführungsform kann der Sauerstofftank 46 entfallen, und der Kathodenseite Luft aus der Umgebung zugeführt werden. Ebenso kann der Wasserstofftank 48 alternativ entfallen und der Anodenseite kann Wasserstoff aus einem Reformer zugeführt werden, der katalytisch Wasserstoff aus Methanol oder einem flüssigen Kohlenwasserstoff (z. B. Benzin) erzeugt.
Die Auspuffrohre (nicht dargestellt) für die H₂ und O₂/Luftseiten der MEAs können zudem für das Entfernen des H₂-verarmten Anodengases aus dem Anodenströmungsfeld und des O₂-verarmtem Kathodengases aus dem Kathodenströmungsfeld sorgen. Die Kühlmittelrohre 50, 52 dienen dazu, das flüssige Kühlmittel den bipolaren Platten 14, 16 nach Bedarf zuzuführen oder aus denselben abzuführen. Es versteht sich, dass jedes der inneren Metallelemente 56 der bipolaren Platten 12, 14, 16 Strömungsfelder 18 so definiert, dass zwischen dem inneren und dem äußeren Metallelement 56, 58 für ein Kühlmittelströmungsfeld 20 ein Serpentinen-Strömungskanal ausgebildet sein kann. Darüber hinaus sind in dem inneren Metallelement 56 auch Strömungsfelder 18 vorgesehen, sodass das Eingangsreaktivgas bei jeder Brennstoffzelle entlang der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht 21, 23 geführt wird.
Der Umgehungskanal 70 außerhalb der aktiven Strömungskanäle 18 kann auf vielfältige Weise ausgebildet sein. Beispielsweise kann die zweite bipolare Platte 14 einen Umgehungskanal 70 mit der ersten bipolaren Platte 12 definieren, wobei der Umgehungskanal 70 in einem inneren an den Seitenrand der Gasdiffusionsschicht 21, 23 angrenzenden Metallelement 56 ausgebildet ist. Es versteht sich zudem, dass ein Umgehungskanal 70 aufgrund der Änderung der Dicke zwischen der Gasdiffusionsschicht 21, 23 und der Unterdichtung 26, 28 durch Erzeugen eines Spaltes oder Kanals angrenzend an der Gasdiffusionsschicht 21, 23 außerhalb der aktiven Strömungskanäle 18 gebildet werden kann. Diese Dickenänderung kann auftreten, wenn die Dicke der Gasdiffusionsschicht 21,23 größer ist als die der Unterdichtungen 26, 28 oder wenn die Dicke der Unterdichtungen 26, 28 größer als die der Diffusionsschicht 21, 23 ist. Wenn die Dicke der Gasdiffusionsschicht 21,23 größer ist als die der Unterdichtungen 26, 28, werden die Vorteile der Prägungen der ersten und zweiten Platte 25, 27 hervorgehoben, da die Prägung der ersten Platte und die Prägung der zweiten Platte 25, 27 eine Dicke erzeugen, die etwas geringer ist als die der Unterdichtung 26, 28 und der Dicke der Gasdiffusionsschicht 25, 27 entspricht, wodurch ein größerer Umgehungsspalt erzeugt wird. Unabhängig von der Konfiguration weist der Umgehungskanal 70 ferner mindestens eine darin ausgebildete Prägung 25, 27 auf. Die Gasdiffusionsschicht 70 kann zwischen der ersten bipolaren Platte 12 und der zweiten bipolaren Platte 14 angeordnet sein, während die erste und die zweite Unterdichtung 26, 28 auf jeder Seite der Gasdiffusionsschicht 21, 23 angeordnet sind, sodass die erste und die zweite Unterdichtung 26, 28 zwischen den Metallwulstdichtungen 24 der zwei bipolaren Platten 12, 14 befestigt ist.
Unter Bezugnahme auf 1B sind Metallelemente 56, 58 einer nicht einschränkenden exemplarischen bipolaren Platte 12, 14, 16 dargestellt. Jedes innere Metallelement 56 ist an dem äußeren Metallelement 58 angebracht, um den (in 2 dargestellten) Kühlmittelströmungsweg 68 zu definieren. Die Metallelemente 56, 58 definieren Kanäle 18, 20, 22, die, jedoch nicht zwangsläufig in Form von Serpentinkanälen vorliegen müssen, welche operativ dazu ausgebildet sind, die Reaktionsmittel über die (in 1 dargestellte) entsprechende Gasdiffusionsschicht 21, 23 zu verteilen.
Für die Zu- und Abführung (von Wasserstoff) sind Brennstoffverteileröffnungen 64 vorgesehen. Oxidationsmittelverteileröffnungen 66 sind auch für die Zu- und Abführung (von Sauerstoff) vorgesehen. Obgleich die Verteileröffnungen in 1B als Dreiecke dargestellt sind, können diese auch rund oder rechteckig sein oder eine andere Form haben. Brennstoffverteiler-Dichtungsflächen und Oxidationsmittelverteiler-Dichtungsflächen befinden sich am Rand der Brennstoffverteileröffnungen und der Oxidationsmittelverteileröffnungen 66. Die Verteilerdichtungsflächen können sich in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung von der Oberfläche des inneren/äußeren Metallelements 56, 58 erstrecken, um einen Kontakt mit der entsprechenden MEA (in 1A als Elemente 8, 10 dargestellt) herzustellen. Die Oxidationsmittelverteilerlöcher 66 sorgen für eine Oxidationsmittelströmung, jedoch nur zu und von der Kathodenkammer.
Wie unter Bezugnahme auf 6A und 6B ersichtlich, liegt eine Draufsicht auf ein nicht einschränkendes Beispiel der vorliegenden Offenbarung vor, bei der die Gasdiffusionsschicht 21, 23 und die Unterdichtung 26, 28, 30, 32 auf der entsprechenden bipolaren Platte 12, 14, 16 angeordnet sind, die eine gewellte Metallwulstdichtung 24 mit Prägungen 15 in einem Umgehungskanal 70 aufweist. Die Prägungen 15 der bipolaren Platte 12, 14, 16 (die verschiedene Konfigurationen aufweisen können) können sich von der Oberfläche der bipolaren Platte 12, 14, 16 in den Umgehungskanal 70 erstrecken, um die Richtung der Gasströmung in dem Umgehungskanal (wie in den 3-5 dargestellt) zu stören 72. Dementsprechend erhöhen die Prägungen 15 den Druck in dem Umgehungskanal 70 geringfügig, wenn die Gasströmung 72 in dem Umgehungskanal unterbrochen wird, wodurch die Reaktionsmittelgase daher von dem Eingangsventil zu der Gasdiffusionsschicht 21, 23 geleitet werden, sodass der Wirkungsgrad der Reaktion erhöht wird.
Wie unter Bezugnahme auf die 3-5 ersichtlich, wird eine isometrische, schematische Querschnittsansicht von verschiedenen nicht einschränkenden Beispielen eines PEM-Brennstoffzellenstapels 11 der vorliegenden Offenbarung dargestellt. In jeder der 3-5 sind verschiedene Konfigurationen dargestellt, bei denen die Prägungen 15 in den bipolaren Platten 12, 14, 16 die Richtung der Reaktionsmittelströmung 72 in dem Umgehungskanal 70 stören. Der turbulente Weg der Reaktionsmittelgasströmung 72 in dem Umgehungskanal 70 erhöht den Druck in dem Umgehungskanal 70 und fördert somit das Strömen der Reaktionsmittelgase, die sich am Eintrittspunkt des Umgehungskanals befinden oder sogar in dem Umgehungskanal 70 befinden können zu der Gasdiffusionsschicht 21, 23 (anstatt 70 direkt vom Eingangsventil über den Umgehungskanal zum Ausgangsventil). Dementsprechend reagieren die Eingangsgase eher mit der Gasdiffusionsschicht 21, 23, wodurch ein höherer Wirkungsgrad und eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit bewirkt wird.
Demgemäß ist eine Brennstoffzellenstapelanordnung 11 vorgesehen, die eine erste bipolare Platte 12, eine zweite bipolare Platte 16, eine erste und eine zweite Unterdichtung 30, 32 und eine Gasdiffusionsschicht 21, 23 aufweist. Die zweite bipolare Platte 14 definiert einen Umgehungskanal 70, wobei die erste bipolare Platte 12 an jeder Querseite 45 der Gasdiffusionsschicht 21, 23 angeordnet ist. Die zweite bipolare Platte 14 kann eine Prägung der zweiten Platte 27 beinhalten, die in der zweiten bipolaren Platte 14 ausgebildet ist, wobei mindestens ein Teil der Prägung der zweiten Platte 27 in dem Umgehungskanal 70 ausgebildet ist. Die Prägung der zweiten Platte 27 ist operativ so konfiguriert, dass sie den Weg der Reaktionsmittelströmung 72 in dem Umgehungskanal einschränkt. Die Gasdiffusionsschicht 23 kann zwischen den entsprechenden ersten und zweiten bipolaren Platten 12, 16 angeordnet sein. Wie in den 3-5 dargestellt, kann die Prägung der zweiten Platte 27 operativ so konfiguriert sein, dass sie die Richtung der Reaktionsmittelströmung 72 in dem Umgehungskanal ändert, vorausgesetzt, dass sich die Reaktionsmittelströmung 72 in dem Umgehungskanal aufgrund der sich ändernden Winkel der Prägefläche 29 der zweiten bipolaren Platte 14 an der Prägung der zweiten Platte 27 nicht geradlinig bewegen kann. Es versteht sich, dass es sich bei der Prägung der zweiten Platte 27 um eine einzelne Prägung (Arretierung/Vertiefung 19, die in 6B dargestellt ist, oder ein Tunnel 17, der in 6A dargestellt ist) handeln kann, der/die, wie in 3. dargestellt, in der zweiten bipolaren Platte 14 ausgebildet ist. Alternativ dazu kann es sich bei der Prägung der zweiten Platte 27 um eine Vielzahl von Prägungen handeln, die, wie in 5 dargestellt, in der zweiten bipolaren Platte 14 ausgebildet sind.
Ähnlich der Prägung der zweiten Platte 27 ist die Prägung der ersten Platte ebenfalls operativ dafür konfiguriert, die Richtung der Reaktionsmittelströmung 72 in dem Umgehungskanal zu ändern, vorausgesetzt, dass sich die Reaktionsmittelströmung 72 in dem Umgehungskanal aufgrund der sich ändernden Winkel der Oberfläche der ersten bipolaren Platte 12 an der Prägung der ersten Platte 25 nicht geradlinig bewegen kann. Es versteht sich, dass es sich bei der Prägung der ersten Platte 25 um eine einzelne Prägung (Rast oder Tunnel 17) handeln kann, die, wie in 4. dargestellt, in der ersten bipolaren Platte 12 ausgebildet ist. Alternativ dazu kann es sich bei der Prägung der ersten Platte 25 um eine Vielzahl von Prägungen handeln, die, wie in 5 dargestellt, in der ersten bipolaren Platte 14 ausgebildet sind. Bei der Prägung der ersten und zweiten Platte 25, 27 kann es sich (wie in 6A dargestellt) tun Tunnel 17 handeln, die in einem inneren Metallelement 56 für jede der ersten und zweiten bipolaren Platten 12, 14 ausgebildet sind. Die Tunnel 17 können unterschiedliche Längen aufweisen. Jedoch können einige oder alle Tunnel 17 so verkürzt werden, dass der Tunnel 17 die Gasdiffusionsschicht 21, 23 nicht stört. Es versteht sich, dass die Gasdiffusionsschicht gegenüber Druckkräften, die von den inneren Metallelementen 56 der ersten und zweiten bipolaren Platte 12, 14 ausgehen, empfindlich sein kann, weshalb es unerwünscht sein kann, Tunnel 17 einzubeziehen, die aufgrund der Druckkräfte, denen die Gasdiffusionsschicht 21, 23 durch die Tunnel 17 ausgesetzt sein kann, oberhalb oder unterhalb der Gasdiffusionsschicht 21, 23 angeordnet sind.
Sofern die erste und/oder zweite Prägung 25, 27 in Form von Tunneln 17 vorgesehen ist, können diese Tunnel 17, müssen jedoch nicht zwangsläufig, (wie in 6A dargestellt) in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung relativ zu der Metallwulstdichtung 24 angeordnet sein, sodass die Prägungen 15 verhindern, dass sich die Reaktionsmittelströmung 72 in dem Umgehungskanal geradlinig ausbreitet. Alternativ dazu können in einem weiteren, nicht einschränkenden Beispiel die Prägungen der ersten und zweiten Platten 25, 27 in Form einer Vertiefung (oder Vertiefungen) 19 vorgesehen sein, die, wie in 6B dargestellt, in dem Umgehungskanal 70 definiert sind. Dementsprechend bewirken die in dem Umgehungskanal 70 gebildeten ersten und/oder zweiten Prägungen 25, 27, dass die Reaktionsmittelströmung 72 in dem Umgehungskanal aufgrund des sich ändernden Winkels der Prägefläche 59 eine Turbulenz erfährt. Dies bewirkt sodann einen erhöhten Druck in dem Umgehungskanal 70 und drängt die Reaktionsmittel in dem Umgehungskanal 70 zu der Gasdiffusionsschicht 21, 23 anstatt direkt zu dem Ausgangsventil. Dies führt zu einer verbesserten Reaktionsgeschwindigkeit zwischen den Reaktionsmitteln und der Gasdiffusionsschicht 21, 23, wodurch der Wirkungsgrad im Brennstoffzellenstapel 11 verbessert wird.
Wie unter Bezugnahme auf die 3 und 4 ersichtlich, wird ein nicht einschränkendes Beispiel der Brennstoffzellenstapelanordnung 11 dargestellt, bei dem eine Prägung der ersten Platte 25 in einer ersten bipolaren Platte 12 ausgebildet ist und eine zweite Prägung 27 in einer zweiten bipolaren Platte 14 derart ausgebildet ist, dass sich die Prägung der ersten Platte 25 in einem vorbestimmten Abstand von der Prägung der zweiten Platte 27 befindet. Es versteht sich zudem, dass die vorliegende Offenbarung eine Konfiguration in Betracht zieht, in der die Prägung der ersten Platte 25 in dem Metallelement der zweiten bipolaren Platte 14 „verschachtelt“ werden kann, sodass zumindest ein Teil der zweiten bipolaren Platte 14 sich ändernde Oberflächen in dem Metallelement aufweisen kann, die, wie in 4 dargestellt, dem sich ändernden Winkel der Prägeflächen 29 der Prägung der ersten Platte 25 entsprechen. Die entsprechenden Richtungsänderungen in den Prägeflächen 29, sowohl für die erste als auch die zweite bipolare Platte 12, 14 verhindern unnötige Kompressions- und Zugkräfte in der Gasdiffusionsschicht 21, 23. Wie bereits erwähnt, kann sich die Lebensdauer der Gasdiffusionsschicht 21, 23 aufgrund übermäßiger Kompressions- und Zugkräfte verschlechtern. Wie unter Bezugnahme auf 4 ersichtlich, versteht sich zudem, dass eine Prägung der ersten Platte 25 auch zwischen den Tunneln 17 oder den Vertiefungen 19 der Prägung der zweiten Platte 27 „verschachtelt“ sein kann, wodurch bewirkt wird, dass die Reaktionsmittelströmung 72 im Umgehungskanal bei 80, 82, 84 dreimal umgeleitet wird, während sich die Reaktionsmittelströmung 72 in dem Umgehungskanal 70 ausbreitet. Wie in den 3-6A/6B dargestellt, können die erste und Prägung der zweiten Platte 25, 27, müssen jedoch nicht zwangsläufig, entlang der Länge des Umgehungskanals 70 oder aller Umgehungskanäle 70 angeordnet sein, der/die auf beiden Seiten der Gasdiffusionsschicht 21, 23 angeordnet ist/sind. Es versteht sich zudem, dass die Tunnel (oder Tunnelprägungen) 17 ausgerichtet werden können, wenn die Tunnel aus der Metallwulstdichtung herauskommen und die Tunnel eine reduzierte Prägehöhe von der Metallwulstdichtung aufweisen können, damit die Dichtung ordnungsgemäß funktionieren kann. Wenn der Abstand der Tunnelprägung 17 von der Metallwulstdichtungsprägung zunimmt, sieht die vorliegende Offenbarung sowohl eine Erhöhung der Tunnelprägungshöhe als auch eine Änderung der Tunnelprägungsbahn vor. Die Änderung der Tunnelprägungsbahn kann derart sein, dass die Tunnelprägungen 17 angrenzender Platten ggf. anfangen, voneinander zu divergieren, sodass, wie in 7 dargestellt, wenn die Höhen in den Tunnelprägungen zunehmen, keine Materialstörung vorliegt.
Wie unter Bezugnahme auf 1B und 2 ersichtlich, wird eine bipolare Platte dargestellt, die eine erste bipolare Platte 12 oder eine zweite bipolare Platte 14 sein kann. Wie in 2 dargestellt, wird jede der ersten und zweiten bipolaren Platten 12, 14 aus zwei Metallelementen 56, 58 (in 1B dargestellt) gebildet. Das „innere“ Metallelement 56, das in der Nähe der Gasdiffusionsschicht 21, 23 angeordnet sein kann, beinhaltet eine erste Seite, die ein Reaktionsmittelströmungsfeld 18 (schematisch in den 3 und 4 eingezeichnet) definiert, und eine zweite Seite, die ein Kühlmittelströmungsfeld (1B) definiert. Das Reaktionsmittelströmungsfeld 18 ist ein vorbestimmtes Strömungsfeldmuster 18, das in der Form dieser exemplarischen, nicht einschränkenden Liste vorliegen kann: wackelndes Muster, gerades Muster oder Serpentinenmuster. Das vorbestimmte Strömungsfeldmuster kann an die Stirnfläche der Gasdiffusionsschicht angrenzen. Das Kühlmittelströmungsfeld 68 (in 2 dargestellt) ist für jede erste und zweite bipolare Platte 12, 14 zwischen den beiden Metallelementen 56, 58 definiert. Die Kühlmittel- und Reaktionsmittelströmungsfelder ( 1A und 1B) können in zahlreichen Formen ausgebildet sein. Nicht einschränkende exemplarische Konfigurationen für die Reaktionsmittel- und Kühlmittelströmungsfelder können eine in 1A schematisch dargestellte Serpentinenbahn oder, wie in 1B dargestellt, mehrere parallele Kanäle, oder wie vorstehend erwähnt, wackelnde Kanäle, sein.
Wie unter Bezugnahme auf 8A ersichtlich, wird eine Querschnittsansicht des Umgehungskanals dargestellt, in welchem es keine Prägungen gibt. In 8A bewegt sich die Reaktionsmittelgasströmung 72 gerade durch den Umgehungskanal 70, in welchem es keine Prägungen gibt. Wie unter Bezugnahme auf 8B dargestellt, biegt sich ein Teil der ersten und zweiten Unterdichtungen 26, 28, 30, 32, sowie die Gasdiffusionsschicht 21 in eine zweite Richtung innerhalb des Umgehungskanals 70 an einer Prägung der ersten Platte 25, wodurch eine Einschränkung und eine Richtungsänderung für die Reaktionsmittelgasströmung 72 bewirkt wird. Wie unter Bezugnahme auf 8C ersichtlich, biegt sich ein weiterer Teil der ersten und zweiten Unterdichtungen, sowie die Gasdiffusionsschicht in eine erste Richtung innerhalb des Umgehungskanals 70 an einer Prägung der zweiten Platte 27, wodurch eine Einschränkung und eine Richtungsänderung für die Reaktionsmittelgasströmung 72 bewirkt wird.
Bezugszeichenliste

8: MEA
9: Brennstoffzellenstapelanordnung
10: MEA
11: Brennstoffzellenstapel
12: bipolare Platte - erste
14: bipolare Platte - zweite
15: Prägung
16: bipolare Platte
17: Tunnel
18: Strömungsfeld
19: Vertiefung
20: Strömungsfeld
21: Gasdiffusionsschicht
22: Strömungsfeld
23: Gasdiffusionsschicht
24: Metallwulstdichtung
25: Prägung der ersten Platte
26: Unterdichtung
27: Prägung der zweiten Platte
28: Unterdichtung
29: Prägungsoberfläche
30: Unterdichtung
32: Unterdichtung
34: GDM
36: GDM
38: GDM
40: GDM
41: Randkante jeder Unterdichtung
44: Versorgungsleitung
45: Seitenkante der GDL
46: Sauerstofftank
48: Wasserstofftank
50: Kühlmittelleitung
52: Kühlmittelleitung
56: Metallelement - inneres
58: Metallelement - äußeres
60: Kühlmittelflüssigkeitsverteileröffnungen zum An- und Abtrieb
62: Kühlmittelflüssigkeitsverteileröffnungen zum An- und Abtrieb
64: Brennstoffverteileröffnungen
66: Oxidationsmittelverteileröffnungen
68: Kühlmittelströmungsweg
70: Reaktionsmittel in dem Umgehungskanal
72: Reaktionsmittelströmung in dem Umgehungskanal
80: Richtungsänderung für Gas
82: Richtungsänderung für Gas
84: Richtungsänderung für Gas
86: erste Seite - inneres Metallelement
88: zweite Seite - inneres Metallelement

Claims

Brennstoffzellenstapelanordnung (11), umfassend: eine erste bipolare Platte (12); eine zweite bipolare Platte (14), die einen Umgehungskanal (70) mit der ersten bipolaren Platte (12) definiert, wobei der Umgehungskanal (70) eine darin ausgebildete Prägung (27) der zweiten Platte aufweist; eine erste Unterdichtung (26), die angrenzend zu der ersten bipolaren Platte (12) angeordnet ist, und eine zweite Unterdichtung (28), die angrenzend zu der zweiten bipolaren Platte (14) angeordnet ist; und eine Gasdiffusionsschicht (21, 23), die zwischen der ersten bipolaren Platte (12) und der zweiten bipolaren Platte (14) innerhalb eines Innenumfangs der ersten und zweiten Unterdichtungen (26, 28) angeordnet ist, wobei der Umgehungskanal (70) aufgrund eines Unterschieds der Dicke zwischen der Gasdiffusionsschicht (21, 23) und der Unterdichtung (26, 28) in einem inneren Metallelement (56) der bipolaren Platten (12, 14) außerhalb der aktiven Strömungskanäle durch Erzeugen eines Spalts angrenzend an der Gasdiffusionsschicht (21, 23) gebildet ist.
Brennstoffzellenstapelanordnung (11) nach Anspruch 1, wobei die Prägung (27) der zweiten Platte operativ dafür konfiguriert ist, die Richtung der Reaktionsmittelströmung in dem Umgehungskanal (70) zu ändern.
Brennstoffzellenstapelanordnung (11) nach Anspruch 1, wobei die Prägung (27) der zweiten Platte operativ so konfiguriert ist, dass sie einen Strömungsweg des Reaktionsmittels in dem Umgehungskanal (70) einschränkt.
Brennstoffzellenstapelanordnung (11) nach Anspruch 1, wobei eine Prägung (25) der ersten Platte in einer ersten bipolaren Platte (12) ausgebildet ist und eine zweite Prägung (27) in einer zweiten bipolaren Platte in einem vorbestimmten Abstand von der Prägung (25) der ersten Platte ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapelanordnung (11) nach Anspruch 1, wobei jede der ersten und zweiten bipolaren Platten (12, 14) ferner ein Metallelement umfasst, das eine erste Seite, die ein Reaktionsmittelströmungsfeld definiert, und eine zweite Seite aufweist, die ein Kühlmittelströmungsfeld definiert.
Brennstoffzellenstapelanordnung (11) nach Anspruch 1, wobei die erste bipolare Platte (12) ferner eine Prägung (25) der ersten Platte aufweist, die operativ so konfiguriert ist, dass sie mit der Prägung (27) der zweiten Platte verschachtelt ist.
Brennstoffzellenstapelanordnung (11) nach Anspruch 1, wobei die Prägung (27) der zweiten Platte ein Tunnel ist, der in der zweiten bipolaren Platte (14) ausgebildet ist.
Brennstoffzellenstapelanordnung (11) nach Anspruch 1, wobei sich ein Teil der ersten und zweiten Unterdichtungen (26, 28) und der Gasdiffusionsschicht (21, 23) innerhalb des Umgehungskanals (70) an einer Prägung (27) der zweiten Platte biegt.
Brennstoffzellenstapelanordnung (11) nach Anspruch 4, wobei sich ein Teil der ersten und zweiten Unterdichtungen (26, 28) und die Gasdiffusionsschicht (21, 23) innerhalb des Umgehungskanals (70) an einer Prägung (25) der ersten Platte biegt.