DE102019111700A1

DE102019111700A1 - Brennstoffzellenstapelanordnung

Info

Publication number: DE102019111700A1
Application number: DE102019111700.3A
Authority: DE
Inventors: Jeffrey A. Rock
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2019-05-06
Publication date: 2019-12-12
Also published as: CN110571449A; US20190379065A1; CN110571449B; US10964956B2

Abstract

Eine Brennstoffzellenstapelanordnung beinhaltet erste und zweite bipolare Platten, eine Aktivflächenmembran und eine optionale Unterdichtung. Die erste bipolare Platte definiert eine erste Vielzahl von Tunneln und die zweite bipolare Platte definiert eine zweite Vielzahl von Tunneln. Die zweite Vielzahl von Tunneln kann mit der ersten Vielzahl von Tunneln in Eingriff gebracht und zwischen diesen verschachtelt werden. Die Aktivflächenmembran kann innerhalb eines inneren Umfangs einer Unterdichtung zwischen der ersten und zweiten bipolaren Platte angeordnet sein, worin die Unterdichtung optional zwischen der ersten und zweiten Vielzahl von Tunneln positioniert sein kann.

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 werden in vielen Anwendungen als elektrische Energiequelle eingesetzt. So wurden beispielsweise 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. So werden beispielsweise einige typische Anordnungen für mehrere Zellen in einem Stapel in US-Pat. Nr. 5,663,113 dargestellt. 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.
Die elektrisch leitfähigen Platten, zwischen denen 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. Auch im Bereich zwischen den Verteilerein-/-auslässen und dem Bereich der aktiven Fläche sind Tunnel definiert. Es sind Kühlmitteltunnel vorgesehen, um Kühlmittel zwischen dem Kühlmitteleinlass und -auslass und dem Strömungsfeld im aktiven Bereichsgebiet zu leiten. Es sind Reaktantentunnel vorgesehen, um jeden Reaktanten vom jeweiligen Reaktanteneinlass zum Strömungsfeld und auch jeden Reaktanten vom Strömungsfeld zum jeweiligen Reaktantenauslass zu leiten. Diese Tunnel sind im Allgemeinen eine Vielzahl von Strömungskanälen, durch welche die gasförmigen Reaktanden und/oder das Kühlmittel von einem Zuführkopf an einem Ende der Strömungskanäle zu einem Abgaskrümmer am gegenüberliegenden Ende der Strömungskanäle strömen. Das Reaktantenströmungsfeld ist ein vorgegebenes Strömungsfeldmuster, das in jeder der Anodenhälften und der Kathodenhälfte der benachbarten bipolaren Platten definiert ist, die direkt an eine Fläche der Gasdiffusionsschicht angrenzen, um eine Reaktion dazwischen zu fördern.
In einem Brennstoffzellenstapel werden mehrere Brennstoffzellen 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 (in Form einer Anodenhälfte und einer Kathodenhälfte) gesichert sind, worin jedes Blech/Halbstück Reaktantenströmungsfelder definiert, die auf deren äußeren Stirnflächen gebildet sind. Beim Zusammenfügen der dünnen Bleche (Anodenhälfte und Kathodenhälfte) werden zwischen den dünnen Blechen Tunnel für das Kühl- und Reaktionsmittel definiert. Typischerweise ist ein inneres Kühlmittelströmungsfeld zwischen den Metallplatten der bipolaren Platte im Brennstoffzellenstapel 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 Umwälzpumpe zum Zirkulieren eines flüssigen Kühlmittels durch den Brennstoffzellenstapel zu einem Wärmetauscher, wobei die thermische Abfallenergie (d. h. Wärme) an die Umgebung übertragen wird. 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.
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™, 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, Sans-Kohlenstoff, dispergiert in einem Polytetrafluorethylen (PTFE)-Bindemittel.
Wie angegeben, kann die MEA zwischen Schichten aus porösem, gasdurchlässigem, leitfähigem Material („Gasdiffusionsschicht“) angeordnet sein, in der eine Gasdiffusionsschicht gegen jede der Anoden- und Kathodenflächen der MEA drückt. 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) 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. Wie bereits erwähnt, definieren die bipolaren Platten jeweils spezielle Tunnel für das Kühlmittel und für jedes Reaktionsmittelfluid sowie mindestens ein sogenanntes „Strömungsfeld“, das die gasförmigen Reaktionsmittel der Brennstoffzelle (z. B. H₂ und O₂ /Luft) über die Oberflächen der Anode und Kathode verteilt. Die Tunnel 118, 118', 168, 168' führen jedes der Reaktionsmittelfluide und das Kühlmittel von jedem entsprechenden Verteilereinlass in das Strömungsfeld. Serpentinen-Strömungskanäle können, müssen jedoch nicht zwangsläufig, im Strömungsfeld verwendet werden, worin sie eine Anzahl von Haarnadelkurven und Serpentinen definieren, sodass jeder Schenkel des Serpentinen-Strömungskanals mindestens an einen anderen Schenkel des gleichen Serpentinen-Strömungskanals angrenzt.
Ebenso sind die Tunnel benachbart zu den Verteileröffnungen, die als Auslässe fungieren, konfiguriert, um jedes der Reaktionsproduktfluide und das Kühlmittel vom Strömungsfeld zu den Verteileröffnungen, die als Ausgänge fungieren, zu leiten. Unter Bezugnahme auf 1 ist zu verstehen, dass die Tunnel 118 Tunnel sein können, die einem von zwei spezifischen Reaktionsmitteleinlässen zugeordnet sind (wenn der Tunnel 118 zwischen einem Reaktionsmitteleinlass/-auslass und dem Strömungsfeld angeordnet sind) - sodass der Tunnel 118 ein Reaktionsmittelfluid zu/von einem Reaktionsmitteleinlass zum Strömungsfeld leitet. Ebenso können Kühlmitteltunnel 168 in einem Bereich (anstelle von Reaktionsmitteltunneln) vorgesehen werden, wenn der Tunnel 168 zwischen einem Kühlmitteleinlass und dem Strömungsfeld angeordnet ist - sodass der Tunnel 168 ein Kühlmittel zu/von einem Auslass/Einlass des Kühlmittels in das Strömungsfeld leitet. Unabhängig davon, ob es sich bei den Tunneln um Kühlmitteltunnel 168 oder Reaktionsmitteltunnel 118 handelt, versteht es sich jedoch, dass die Tunnel 118, 118', 168, 168' (dargestellt in 1) in der Regel direkt aufeinander gestapelt sind (mit der Teildichtung zwischen 130), wie in 1 dargestellt.
Daher ist in 1 eine herkömmliche Anordnung dargestellt, worin eine erste bipolare Platte 114 aus den Elementen 156, 158 gebildet ist, während die zweite bipolare Platte 116 aus den Elementen 156', 158' mit einer zwischen den beiden bipolaren Platten 114, 116 angeordneten Teildichtung 130 gebildet ist. Handelt es sich bei den Tunneln in 1 um Reaktantentunnel 118, 118', so versteht es sich, dass die Reaktantentunnel 118, 118' für die erste und zweite bipolare Platte jeweils direkt übereinander gestapelt sind. Wenn die Tunnel in 1 jedoch Kühlmitteltunnel 168, 168' sind, werden die Tunnel 168, 168' auch direkt übereinander gestapelt. Es versteht sich, dass die Reaktionsgase 131, 133 durch die Reaktantentunnel 118, 118' strömen können, wenn sich die Tunnel zwischen dem Strömungsfeld und den Ein- und Auslässen der Verteiler befinden. Dementsprechend kann bei dieser herkömmlichen Anordnung die Gesamtlänge 194, wie in 1 dargestellt, durch den Abstand definiert werden, der eine Anodenplattenhälfte, eine Kathodenplattenhälfte und eine dazwischen angeordnete UEA überspannt. Die Gesamtlänge 194 wird im Allgemeinen als Zellwiederholungsabstand bezeichnet. Infolgedessen ist die Gesamtlänge über jede Brennstoffzelle abhängig von der gestapelten Konfiguration, worin jeder Kühlmitteltunnel 168 direkt über oder unter einem anderen Kühlmitteltunnel 168' gestapelt ist.
Dennoch ist es in der Industrie wünschenswert, die Gesamtgröße des Brennstoffzellenstapels zu reduzieren und gleichzeitig die Durchflussmöglichkeiten für alle drei Fluide (z. B. H₂, O₂/ Luft und Kühlmittel) an jeder bipolaren Platte zu verbessern.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Offenbarung sieht eine Brennstoffzellenstapelanordnung vor, die erste und zweite bipolare Platten, eine Membran für aktive Bereiche und eine Unterdichtung beinhaltet. Die erste bipolare Platte definiert eine erste Vielzahl von Tunneln und die zweite bipolare Platte definiert eine zweite Vielzahl von Tunneln. Die zweite Vielzahl von Tunneln kann mit der ersten Vielzahl von Tunneln in Eingriff gebracht und zwischen diesen verschachtelt werden. Die Aktivflächenmembran kann innerhalb eines inneren Umfangs einer Unterdichtung zwischen der ersten und zweiten bipolaren Platte angeordnet sein, worin die Unterdichtung optional zwischen der ersten und zweiten Vielzahl von Tunneln positioniert sein kann. Die Aktivflächenmembran beinhaltet eine Membranelektrodenanordnung, eine erste Gasdiffusionsschicht, die benachbart zu einer ersten Seite der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist, und eine zweite Gasdiffusionsschicht, die benachbart zu einer ersten Seite der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist. Die Unterdichtung kann optional eine integrierte Lasche definieren, die so konfiguriert ist, dass sie an einer der ersten oder zweiten bipolaren Platten anliegt. Die vorgenannten Tunnel können Kühlmitteltunnel und/oder Reaktantentunnel sein, abhängig von der Lage der Tunnel in Bezug auf die Verteilerein- und - auslässe.
Darüber hinaus sieht die vorliegende Offenbarung auch eine Brennstoffzellenstapelanordnung vor, die erste und zweite bipolare Platten, eine Membran für aktive Bereiche und eine Unterdichtung beinhaltet. Die erste bipolare Platte definiert eine erste Vielzahl von Kühlmitteltunneln und die zweite bipolare Platte definiert eine zweite Vielzahl von Kühlmitteltunneln. Die zweite Vielzahl von Kühlmitteltunneln kann mit der ersten Vielzahl von Kühlmitteltunneln in Eingriff gebracht und zwischen diesen verschachtelt werden. Die Aktivflächenmembran kann innerhalb eines inneren Umfangs einer Unterdichtung zwischen der ersten und zweiten bipolaren Platte angeordnet sein, worin die Unterdichtung zwischen der ersten und zweiten Vielzahl von Kühlmitteltunneln positioniert ist. Die Aktivflächenmembran beinhaltet eine Membranelektrodenanordnung, eine erste Gasdiffusionsschicht, die benachbart zu einer ersten Seite der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist, und eine zweite Gasdiffusionsschicht, die benachbart zu einer ersten Seite der Membranelektrodenanordnung angeordnet ist. Die Unterdichtung kann optional eine integrierte Lasche definieren, die so konfiguriert ist, dass sie an einer der ersten oder zweiten bipolaren Platten anliegt.
In jeder der vorgenannten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die Unterdichtung, falls sie eingeschlossen ist, entsprechend einer Oberfläche der ersten bipolaren Platte und/oder der zweiten bipolaren Platte konturiert sein oder auch nicht. Die Kontur kann vor dem Einbau gebildet oder in einem flachen Bereich durch Verformung während des Stapelvorgangs erzeugt werden. Darüber hinaus definiert jeder Tunnel in der ersten und zweiten Vielzahl von Tunneln einen Oberlauf mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, einer ersten Seitenwand, die mit dem ersten Ende einteilig ausgebildet ist, einer zweiten Seitenwand, die mit dem zweiten Ende einteilig ausgebildet ist, worin jede der ersten und zweiten Seitenwände in einen unteren Laufbereich übergeht, wobei der untere Laufbereich einer von mehreren unteren Laufflächenbereichen ist, die in der ersten und zweiten Bipolarplatte ausgebildet sind. Jeder Oberlauf in der ersten Vielzahl von Tunneln kann mit dem unteren Laufflächenbereich in der zweiten Vielzahl von Tunneln in Eingriff kommen, die mit dem Oberlauf in der ersten Vielzahl von Tunneln ausgerichtet sind - mit der dazwischen angeordneten Unterdichtung. Ebenso kann jeder Oberlauf die zweite Vielzahl von Tunneln optional auch mit dem unteren Laufflächenbereich in der ersten Vielzahl von Tunneln in Eingriff kommen, der mit dem oberen Laufflächenbereich in der zweiten Vielzahl von Tunneln ausgerichtet ist, sodass auch die Unterdichtung dazwischen angeordnet ist.
In noch einer weiteren optionalen Anordnung können die ersten und zweiten Seitenwände in der ersten bipolaren Platte mit den ersten und zweiten Seitenwänden der zweiten bipolaren Platte in Eingriff kommen, wobei die Unterdichtung dazwischen angeordnet ist.
Die vorliegende Offenbarung und ihre besonderen Eigenschaften und Vorteile wird aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen offensichtlicher werden.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, dem besten Modus, den Ansprüchen und den dazugehörigen Zeichnungen ersichtlich:

1 veranschaulicht eine Teilansicht eines Brennstoffzellenstapels nach dem Stand der Technik.
2A ist eine exemplarische, erweiterte nicht-einschränkende, vereinfachte Darstellung einer Brennstoffzellenstapelanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
2B ist eine erweiterte Ansicht eines Abschnitts einer Brennstoffzellenstapelanordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
3A ist eine exemplarische Querschnittsansicht, die nicht-einschränkende verschachtelte Tunnel (Reaktant oder Kühlmittel) gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt.
3B ist eine vergrößerte Ansicht der Tunnel in 3A.
4 ist eine Draufsicht auf ein weiteres nicht einschränkendes Beispiel der verschachtelten Tunnel gemäß der vorliegenden Offenbarung.

Gleiche Referenznummern beziehen sich auf gleiche Teile in der Beschreibung der verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird nun im Detail auf derzeit bevorzugte Zusammensetzungen, Ausführungsformen und Verfahren der vorliegenden Offenbarung Bezug genommen, welche die besten Arten der Durchführung der vorliegenden Offenbarung darstellen, die den Erfindern gegenwärtig bekannt sind. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich exemplarisch für die vorliegende Offenbarung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Daher sind die spezifischen Details, die hierin offenbart werden, nicht als Beschränkungen zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage für jegliche Aspekte der vorliegenden Offenbarung und/oder dienen nur als repräsentative Grundlage, um Fachleuten auf dem Gebiet die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten zu vermitteln.
Außer in den Beispielen oder wenn ausdrücklich erwähnt, sind alle nummerischen Angaben über Materialmengen oder Reaktions- und/oder Nutzungsbedingungen in dieser Beschreibung so zu verstehen, dass sie durch den Zusatz „etwa“ modifiziert werden, sodass sie den weitestmöglichen Umfang der vorliegenden Offenbarung beschreiben. Das Ausführen innerhalb der angegebenen nummerischen Grenzen wird im Allgemeinen bevorzugt. Ferner, wenn nicht ausdrücklich anders angegeben: Prozent, „Teile von“ und Verhältniswerte nach Gewicht; Wenn eine Gruppe oder Klasse von Materialien für einen bestimmten Zweck im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung als geeignet oder bevorzugt beschrieben wird, bedeutet das, dass Mischungen von zwei oder mehreren Mitgliedern der Gruppe oder Klasse gleichermaßen geeignet oder bevorzugt sind; die erste Definition eines Akronyms oder einer anderen Abkürzung gilt für alle nachfolgenden Verwendungen derselben Abkürzung und gilt in entsprechender Anwendung für normale grammatikalische Variationen der anfangs definierten Abkürzung entsprechend. Und es wird, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, die Messung einer Eigenschaft wird anhand derselben Technik gemessen, wie vorher oder nachher für dieselbe Eigenschaft angegeben ist.
Es versteht sich ferner, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen und Verfahren beschränkt ist, die im Folgenden beschrieben werden, da bestimmte Komponenten und/oder Bedingungen natürlich variieren können. Des Weiteren dient die hierin verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und ist in keiner Weise als einschränkend zu verstehen.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass, wie in der Spezifikation und den angehängten Patentansprüchen verwendet, die Singularformen „ein/e“ und „der/die/das“ auch die Pluralverweise umfassen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. Der Verweis auf eine Komponente im Singular soll beispielsweise eine Vielzahl von Komponenten umfassen.
Der Begriff „umfassend“ ist gleichbedeutend mit „beinhaltend“, „aufweisend“, „enthaltend“ oder „gekennzeichnet durch“. Diese Begriffe sind einschließlich und offen auszulegen, und schließen zusätzliche ungenannte Elemente oder Verfahrensschritte nicht aus.
Der Ausdruck „bestehend aus“ schließt jedes Element, jeden Schritt oder Bestandteil aus, der nicht in dem Anspruch spezifiziert ist. Wenn dieser Ausdruck in einem Abschnitt des Hebekörpers 14 eines Anspruchs erscheint, anstatt sofort nach der Einleitung zu folgen, begrenzt er nur das Element, das in dem Abschnitt beschrieben ist; wobei andere Elemente nicht vom Anspruch insgesamt ausgeschlossen werden.
Der Ausdruck „im Wesentlichen bestehend aus“ begrenzt den Umfang eines Anspruchs auf die angegebenen Materialien oder Schritte, plus denjenigen, die nicht erheblich die Grund- und neuartigen Merkmal(e) des beanspruchten Gegenstands beeinflussen.
Die Begriffe „umfassend“, „bestehend aus“ und „im Wesentlichen bestehend aus“ können alternativ verwendeten werden. Wo einer von diesen drei Begriffen verwendet wird, kann der vorliegend offenbarte und beanspruchte Gegenstand die Verwendung eines der anderen beiden Begriffe beinhalten.
Die Begriffe „obere“ und „untere“ können in Bezug auf Bereiche einer einzelnen Komponente verwendet werden und sollen Bereiche im Verhältnis zueinander grob anzeigen, worin der „obere“ Bereich und der „untere“ Bereich zusammen eine einzelne Komponente bilden. Die Begriffe sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie sich ausschließlich auf den vertikalen Abstand/die vertikale Höhe beziehen.
Offenbarungen der Veröffentlichungen, auf die in dieser Anwendung verwiesen wird, gelten durch Bezugnahme in vollem Umfang in diese Anwendung aufgenommen, um den Stand der Technik, auf die sich dies vorliegende Offenbarung bezieht, genauer zu beschreiben.
Die folgende ausführliche Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und beabsichtigt nicht, die vorliegende Offenbarung oder die Anwendung oder Verwendungen der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen. Darüber hinaus besteht keinerlei Verpflichtung zur Einschränkung auf eine der im vorstehenden Hintergrund oder in der folgenden ausführlichen Beschreibung dargestellten Theorien.
Die folgende ausführliche Beschreibung ist lediglich exemplarischer Natur und soll die Erfindung oder die Anwendung und die Verwendungen der Erfindung nicht einschränken. Weiterhin besteht keine Absicht, im vorstehenden technischen Bereich, Hintergrund, der Kurzzusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung, an eine ausdrücklich oder implizit vorgestellte Theorie gebunden zu sein.
Die vorliegende Offenbarung sieht einen PEM-Brennstoffstapel vor, worin verschachtelte Tunnel 70 in dem Bereich benachbart zu einem aktiven Flächenbereich vorgesehen sind, wie im nicht einschränkenden Beispiel von 2B dargestellt. 2A zeigt eine schematische erweiterte Ansicht eines PEM-Brennstoffzellenstapels 11 mit Aktivflächenmembranen 8, die durch eine nicht poröse, elektrisch leitfähige bipolare Platte 12 voneinander getrennt sind. Jede Aktivflächenmembran 8 kann aus 7 Schichten bestehen: einer Polymerelektrolytmembran (PEM) 10 mit einer Anoden- und Kathodenkatalysatorschicht (10a bzw. 10c) und Gasdiffusionsschichten (GDL) 36 auf der Anodenseite 10a und einer Gasdiffusionsschicht 34 auf der Kathodenseite 10c. Eine Unterdichtung 26, 28 kann auf jeder Seite der Aktivflächenmembran 8 angeordnet sein, oder eine einzelne Unterdichtung 30 ( 2A) kann die Aktivflächenmembran 8 umgeben. Die Aktivflächenmembranen 8 sind zwischen nicht porösen, elektrisch leitfähigen, flüssigkeitsgekühlten bipolaren Platten 12, 14, 16 aufeinander gestapelt. Die bipolaren Platten 12, 14 und 16 beinhalten jeweils verschachtelte Reaktantentunnel 40 (2B), die in den Flächen der bipolaren Platten 12, 14, 16 zum Verteilen von Brennstoff und oxidierenden Gasen (d. h. H₂ & O₂) auf die reaktiven Stirnflächen der Aktivflächenmembranen 8 gebildet sind. Ebenso beinhalten die bipolaren Platten 12, 14 und 16 jeweils verschachtelte Kühlmitteltunnel 68 (2B), die in den Flächen der bipolaren Platten 12, 14, 16 zum Verteilen von Kühlmittel auf einen mittleren Bereich 17 jeder bipolaren Platte 12, 14, 16 ausgebildet sind. Durch die verschachtelte Konfiguration aller Tunnel 70 wird die Gesamtlänge 94 (3A) für jede Brennstoffzelle 90 im Brennstoffzellenstapel 11 verringert, wodurch eine kompakte, platzsparende Brennstoffzellenstapelanordnung entsteht.
Mit weiterem Bezug auf 2A sorgen die Unterdichtungen 26, 28 für eine Abdichtung und elektrische Isolierung zwischen den mehreren bipolaren Platten 12, 14, 16 des Brennstoffzellenstapels 11. Poröse, gasdurchlässige, elektrisch leitfähige Bleche (Gasdiffusionsschichten) 34, 36 drücken gegen die Elektrodenflächen (Anoden- und Kathodenkatalysatorschicht 10a, 10c) der Polymerelektrolytmembran (PEM) 10. Die Gasdiffusionsschichten 34, 36 dienen als primäre Stromabnehmer für die Elektroden. Wie in 2A dargestellt, definiert jede der Unterdichtung(en) 26, 28 einen Innenumfang 41 für die Aktivflächenmembranen 8. Die Gasdiffusionsschichten 34, 36 stellen auch mechanische Träger für die Polymerelektrolytmembran (PEM) und die Katalysatorschichten bereit, insbesondere dort, wo die Polymerelektrolytmembran (PEM) und die Katalysatorschichten im Strömungsfeld ansonsten nicht getragen werden. Zu geeigneten Gasdiffusionsmedien 34, 36 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, dass die Gasdiffusionsschicht 34, 36 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.
Unter Rückbezug auf 2A drückt die bipolare Platte 14 gegen das Gasdiffusionsmedium 36 auf der Kathodenstirnseite 10c der Polymerelektrolytmembran (PEM) 10 und das Gasdiffusionsmedium 36 auf der Anodenseite 10a der Polymerelektrolytmembran (PEM) 10. Die bipolare Platte 16 drückt gegen das Gasdiffusionsmedium 34 auf der Anodenstirnseite 10a der Polymerelektrolytmembran (PEM) 10. Ebenso drückt die bipolare Platte 12 gegen das Gasdiffusionsmedium 34 auf der Anodenstirnseite 10c der Polymerelektrolytmembran (PEM) 10. Ein oxidatives Gas (Reaktant), wie beispielsweise Sauerstoff oder Luft, kann der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels aus einem Speichertank 46 über eine geeignete Versorgungsleitung 42 zugeführt werden. Ebenso kann ein Brennstoff (Reaktant), wie beispielsweise Wasserstoff, der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels aus einem Speichertank 48 über eine geeignete Versorgungsleitung 44 zugeführt werden.
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 and 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 12, 14, 16 nach Bedarf zuzuführen oder aus denselben abzuführen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 2B werden die bipolaren Platten 12, 14 und 16 in einer erweiterten Ansicht dargestellt, wobei die Aktivflächenmembranen 8 und die Unterdichtungen 30 im Phantom dargestellt sind. Das Strömungsfeld 18 (2B) ist auch in jedem Metallelement 56, 56', 56", 58, 58', 58" (3A) so vorgesehen, dass die eingegebenen Reaktionsgase (H₂ 48 und O₂ 46 in 2A) durch das Strömungsfeld 18 geführt werden, sodass sich die eingegebenen Reaktionsgase für jede Brennstoffzelle entlang der Oberfläche der Aktivflächenmembran 8 bewegen. Das Strömungsfeld 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 Strömungsfeld 18 in jeder bipolaren Platte 12, 14, 16 kann an die Stirnfläche der Gasdiffusionsschicht 34, 36 angrenzen. Es versteht sich auch, dass die Metallelemente 56, 56', 56" identisch zueinander gestaltet werden können, während die Metallelemente 58, 58', 58" ebenfalls identisch zueinander gestaltet werden können, sodass jede bipolare Platte 12, 14, 16 um 180 Grad um die Achse 75 gedreht werden kann (siehe 2B) entlang der Stapelrichtung (während des Stapelvorgangs), wodurch nur ein Anodenbildungswerkzeug und ein Kathodenbildungswerkzeug erforderlich sind.
Wie in 2B dargestellt, sind in jeder bipolaren Platte die Kraftstoffverteileröffnungen 64 (für Wasserstoff) für die Zu- und Abfuhr vorgesehen. Oxidationsmittelverteileröffnungen 66 (für Sauerstoff) sind auch für die Zu- und Abfuhr vorgesehen. Die Kühlmittelverteileröffnungen 67 sind auch für den Ein- und Austritt eines Kühlmittelstroms vorgesehen. Die in 2B dargestellten Verteileröffnungen 64, 66 können rund, rechteckig oder eine beliebige andere Form aufweisen. Brennstoffverteiler-Dichtungsflächen und Oxidationsmittelverteiler-Dichtungsflächen befinden sich am Rand der Brennstoffverteileröffnungen 64 und der Oxidationsmittelverteileröffnungen 66. Zwischen der Kühlmittelöffnung 67 (Einlass/Auslass) und dem Strömungsfeld 18 (oder Aktivflächenbereich) sind Kühlmitteltunnel 68 angeordnet, um Kühlmittel vom Kühlmitteleinlass 67 zum Strömungsfeld 18 zu leiten und auch Kühlmittel vom Strömungsfeld 18 zum Kühlmittelauslass 67 zu leiten. Die Oxidationsmittelverteilerlöcher 66 sorgen für eine Oxidationsmittelströmung, jedoch nur zu und von der Kathodenkammer. Ähnlich wie bei den vorgenannten Kühlmitteltunneln 68 sind die Oxidations-/Reaktantentunnel 40 in zwei Bereichen angeordnet: (1) zwischen dem speziellen Reaktanteneinlass 66 und dem Strömungsfeld 18; und (2) zwischen dem Strömungsfeld 18 und dem speziellen Reaktandenauslass 66. Die Aktivflächenmembranen 8 für das Strömungsfeld 18 sowie die Unterdichtung(en) 30 sind in 2B im Phantom dargestellt. Daher sind Wasserstoff/Reaktantentunnel 40 vorgesehen, um Wasserstoff zwischen dem Wasserstoffeinlass/-auslass 64 und dem Strömungsfeld 18 zu leiten. In dem in 2B dargestellten nicht-einschränkenden Beispiel sind die Reaktantentunnel 40 mit den Reaktantenöffnungen - Oxidationsöffnungen 66 und Wasserstofföffnungen 64 - ausgerichtet.
Unter Bezugnahme auf 3A ist eine vergrößerte, teilweise Querschnittsansicht der verschachtelten Tunnel 70 von 2B in den bipolaren Platten 12, 14, 16 dargestellt. Die ersten und zweiten Elemente 56, 58 einer nicht-einschränkenden exemplarischen ersten bipolaren Platte 14 sind dargestellt, sowie erste und zweite Elemente 56', 58' einer nicht-einschränkenden exemplarischen zweiten bipolaren Platte 16 sind dargestellt. Jedes erste Element 56, 56' ist an dem entsprechenden zweiten Element 58, 58' befestigt, um den Tunnel 70 (in den 2B und 3A-3B dargestellt) zu definieren. Abhängig davon, ob die Tunnel 70 mit einem Reaktanteneinlass/-auslass 64, 66 oder einem Kühlmitteleinlass/-auslass 67 ausgerichtet sind, können die Tunnel verwendet werden, um eines der Reaktionsmittel (Wasserstoff oder Sauerstoff/Luft) oder das Kühlmittel basierend auf der Position der Tunnel 70 in Bezug auf jede Öffnung 64, 66, 67 zu leiten. Die ersten und zweiten Elemente 56, 58, 56', 58' definieren auch das Strömungsfeld 18 (siehe 2A und 2B), das, jedoch nicht notwendigerweise, in Form von Serpentinenkanälen vorliegen kann, die funktionsfähig konfiguriert sind, um die Reaktionsmittel über die entsprechende Aktivflächenmembran 8 zu verteilen (dargestellt in den 2A-2B). In dem in 2B dargestellten Beispiel ist das Strömungsfeld 18 in einem mittleren Bereich 17 jeder bipolaren Platte 12, 14, 16 definiert, während die Tunnel 70 benachbart zu deren entsprechenden Verteileröffnungen 64, 66, 67 definiert sind.
Wie in 3A dargestellt, kann das erste Element 56, 56' für jede bipolare Platte 14, 16 benachbart zur Unterdichtung 30 angeordnet sein, worin die bipolare Platte 14 auf einer ersten Seite der Unterdichtung 30 angeordnet ist, während die bipolare Platte 16 auf einer zweiten Seite der Unterdichtung 30 angeordnet ist. Mindestens eines der ersten oder zweiten Elemente für jede bipolare Platte 12, 14 ist so geprägt (siehe exemplarisches Element 56 der bipolaren Platte 14 und Element 56' der bipolaren Platte 16), dass die Tunnel 70, 70' (3) definiert sind, wenn die ersten und zweiten Metallelemente 56, 58, 56', 58' verbunden sind. Dementsprechend ist das zweite Element 58, 58' mit dem ersten Element 56, 56' verbunden, um eine bipolare Platte 14, 16 mit Tunnel(n) 70, 70' zu bilden. Innerhalb der Kühlmitteltunnel 68, 68' kann ein Kühlmittelstrom vorgesehen werden, um die Temperatur an jeder Brennstoffzelle 90 zu senken (siehe 2A). Dementsprechend beinhaltet jede bipolare Platte 12, 14, 16 im Brennstoffzellenstapel ferner eine Vielzahl von darin ausgebildeten Tunneln 70, 70', 70".
Dementsprechend sieht die vorliegende Offenbarung eine Brennstoffzellenstapelanordnung 11 vor, die mindestens erste und zweite bipolare Platten 14, 16, eine Unterdichtung 30 und eine Membranelektrodenanordnung 8 beinhaltet, die mindestens innerhalb eines Innenumfangs 41 der Unterdichtung 30 angeordnet ist. Die erste bipolare Platte 14 definiert eine erste Vielzahl von Kühlmitteltunneln 68. Die zweite bipolare Platte 16 definiert eine zweite Vielzahl von Kühlmitteltunneln 68'. Die zweite Vielzahl von Kühlmitteltunneln 68' kann mit der ersten Vielzahl von Kühlmitteltunneln 68 in Eingriff gebracht und zwischen diesen verschachtelt werden, wie in 3 dargestellt. Eine Unterdichtung 30 kann optional zwischen den ersten und zweiten bipolaren Platten 14, 16 in mindestens dem Bereich der bipolaren Platten 12, 14, 16 angeordnet sein, in dem die Tunnel 70, 70' definiert sind.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 3B definiert jeder Tunnel in der ersten und zweiten Vielzahl von Tunneln 70, 70' einen Oberlauf 71, 71' mit einem ersten Ende 72, 72' und einem zweiten Ende 74, 74' zusätzlich zu einer ersten Seitenwand 76, 76', die mit dem ersten Ende 72, 72' und einer zweiten Seitenwand 78, 78', die mit dem zweiten Ende 74, 74' integral ausgebildet ist. Wie dargestellt, ist jede der ersten und zweiten Seitenwände 76, 76', 78, 78' der Übergang zu einem unteren Bodenbereich 80, 80', wobei der untere Bodenbereich 80, 80' einer von mehreren unteren Bodenbereichen 80, 80' ist, die in den ersten und zweiten bipolaren Platten 14, 16 definiert sind. In einer Ausführungsform kann jeder Oberlauf 71 in der ersten Vielzahl von Tunneln 70 mit dem unteren Laufflächenbereich 80' in der zweiten Vielzahl von Tunneln in Eingriff kommen, wobei die Unterdichtung 30 dazwischen angeordnet ist. Es versteht sich, dass die ersten und zweiten Seitenwände 76, 78 in der ersten bipolaren Platte 14 mit den ersten und zweiten Seitenwänden 76', 78' der zweiten bipolaren Platte 16 mit der optional dazwischen angeordneten Unterdichtung 30 aneinanderstoßen/eingreifen können oder auch nicht. Es versteht sich auch, dass jeder Tunnel 70, 70' in der ersten und zweiten Vielzahl von Tunneln 70, 70' eine dritte Seitenwand 77 und eine vierte Seitenwand 79 aufweisen kann, wie im nicht einschränkenden exemplarischen Tunnel in 2B dargestellt.
Darüber hinaus kann jeder Oberlauf 71' in der zweiten Vielzahl von Kühlmitteltunneln 68' auch, aber nicht notwendigerweise, mit dem unteren Laufflächenbereich 80 in der ersten Vielzahl von Tunneln 70 in Eingriff kommen, die mit dem Oberlauf 71' in der zweiten Vielzahl von Kühlmitteltunneln 70' ausgerichtet sind. Ebenso versteht es sich in noch einer weiteren Ausführungsform, dass die ersten und zweiten Seitenwände 76, 78 in der ersten bipolaren Platte 14 mit den ersten und zweiten Seitenwänden 77', 79' (dargestellt in gestrichelten Linien) der zweiten bipolaren Platte 16 in Eingriff kommen können, wobei die Unterdichtung 30 optional dazwischen angeordnet ist. Bei dieser mit Tunnel 73 dargestellten Anordnung stoßen aneinander oder greifen die ersten und zweiten Seitenwände 76, 78, 77', 79' über die gesamte Länge der Seitenwand oder lokal über integrierte Laschen 31 ineinander, wie in 3B dargestellt. Daher sieht die Brennstoffzellenstapelanordnung 11 (siehe 1) der vorliegenden Offenbarung aufgrund der vergrößerten Größe der Tunnel 70, 70' einen höheren Fluiddurchfluss (Reaktionsmittel oder Kühlmittel) vor und verringert gleichzeitig die Gesamtlänge 94 jeder Brennstoffzelle. Die Tunnel 70 der vorliegenden Offenbarung können daher eine vergrößerte Höhe 20 und optional eine vergrößerte Breite 22 für jeden Tunnel 73 aufweisen. Auch hier gilt, dass die exemplarischen Tunnel 70, 70', 73 je nach Lage des Tunnels in Bezug auf jede Verteileröffnung 64, 66, 67 für ein Reaktionsgas oder ein Kühlmittel bestimmt sein können.
Unabhängig davon, ob die Seitenwände wie vorstehend beschrieben ineinandergreifen, reduziert die verschachtelte Anordnung der Tunnel 70, 70' für die ersten und zweiten bipolaren Platten 14, 16 die Gesamtlänge 94 jeder Brennstoffzelle (bezogen auf die Länge 194 in 1) innerhalb des Brennstoffzellenstapels und ermöglicht es, dass ein größeres Fluidvolumen (Reaktionsmittel oder Kühlmittel) durch jeden erweiterten/verschachtelten Tunnel strömt. Es ist anzumerken, dass die Tunnel 70, 70' in 3B zwar dargestellt und sehr ausführlich beschrieben sind, die Tunnelanordnung in 3B jedoch je nach Lage ein Reaktantentunnel 40 oder ein Kühlmitteltunnel 68 sein kann. Daher sollte die Beschreibung der verschachtelten und/oder ineinandergreifenden Anordnung der ersten und zweiten Vielzahl von Tunneln 70, 70' so ausgelegt werden, dass sie Kühlmitteltunnel 68, 68' oder Reaktantentunnel 18, 18' oder sowohl Kühlmittel- als auch Reaktantentunnel (dargestellt als Elemente 68, 68' bzw. 18, 18') je nach Lage der Tunnel 70 in Bezug auf die Verteileröffnungen 64, 66, 67 beinhaltet (siehe 2B). Es versteht sich auch, dass die Tunnel 70, 70' unterschiedliche Längen aufweisen können. Jedoch können einige oder alle Tunnel 70, 70' so verkürzt werden, dass die Tunnel 70, 70' die Gasdiffusionsschicht 34, 36 im Aktivflächenbereich nicht stört. Es versteht sich, dass die Gasdiffusionsschicht 34, 36 gegenüber Druckkräften, die von den ersten und zweiten bipolaren Platte 14, 16 ausgehen, empfindlich sein kann, weshalb es unerwünscht sein kann, die Tunnel 70, 70' einzubeziehen, die oberhalb oder unterhalb der Gasdiffusionsschicht 34, 36 angeordnet sind. Daher können die ersten und/oder zweiten Tunnel 70, 70' alternativ zur Anordnung der Tunnel 70, 70' in 2B im Wesentlichen senkrecht zur Metallwulstdichtung 24 vorgesehen werden, wie in 4 dargestellt. In diesen exemplarischen optionalen Anordnungen können die Tunnel 70, 70' in Bereichen angeordnet sein, welche die Gasdiffusionsschicht 34, 36 nicht stören.
Darüber hinaus kann die Unterdichtung 30 unabhängig davon, wie die erste und zweite Vielzahl von Tunneln 70, 70" verschachtelt sind, durch ein einzelnes polymeres Element definiert werden, das die Membran-Elektrodenanordnung gemäß 2B umgibt, oder die Unterdichtung 30 kann durch eine erste Unterdichtung 26 und eine zweite Unterdichtung 28 gebildet werden, die auf gegenüberliegenden Seiten der Membran-Elektrodenanordnung gemäß 2A angeordnet sind. Unabhängig von der Konfiguration der Unterdichtung 30 kann die Unterdichtung 30 auch optional eine oder mehrere integrierte Laschen 31 (3A) definieren, die so konfiguriert sind, dass sie an einer der ersten oder zweiten bipolaren Platten 14, 16 anliegen, um die Unterdichtung 30 innerhalb der verschachtelten Kühlmitteltunnel richtig zu positionieren. Alternativ zur Positionierung einer Unterdichtung 30 auf einer ersten oder zweiten bipolaren Platte 14, 16 (siehe Unterdichtung 33 auf der ersten bipolaren Platte 14 in 3A) kann die Unterdichtung 30, 32 entsprechend einer benachbarten Oberfläche 35 (3B) einer der ersten oder zweiten bipolaren Platten 14, 16 konturiert werden. Die Kontur kann vor dem Einbau gebildet oder in einem flachen Bereich durch Verformung während des Stapelvorgangs erzeugt werden. Dennoch wird in diesem Fall die Aktivflächenmembran 8 zumindest innerhalb des Innenumfangs 41 der geformten Unterdichtung 30 während des Montageprozesses vorgesehen.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf 4 ist eine Draufsicht auf ein nichteinschränkendes Beispiel der vorliegenden Offenbarung vorgesehen, wobei die Gasdiffusionsschicht 34, 36 und die Unterdichtung 30 auf der entsprechenden bipolaren Platte 14, 16 mit einer wellenförmigen Metallwulstdichtung 24 mit in der entsprechenden bipolaren Platte ausgebildeten Tunneln 70, 70' angeordnet sind. Die Tunnel 70, 70' (die verschiedene Konfigurationen aufweisen können) der bipolaren Platte 12, 14, 16 können jeweils von der Oberfläche der bipolaren Platte 12, 14, 16 so vorstehen, dass jeder Tunnel 70, 70' in einen entsprechenden unteren Bodenbereich 80, 80' eingreift, der zwischen den Tunneln 70, 70' der gegenüberliegenden bipolaren Platte definiert ist, wie bereits für 3B beschrieben. Dementsprechend greifen die Tunnel 70, 70' jeder der ersten und zweiten bipolaren Platten 14, 16 im Brennstoffzellenstapel in die Tunnel 70, 70' der benachbarten Platte ein und sind mit diesen verschachtelt.
Unter Bezugnahme auf alle Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist zu verstehen, dass eine verschachtelte und/oder ineinandergreifende Anordnung zwischen der ersten Vielzahl von Tunneln 70 und der zweiten Vielzahl von Tunneln 70' alternativ im Bereich der bipolaren Platte 12, 14, 16 außerhalb des Umfangs der Metallwulstdichtung 24 - benachbart zur Außenkante 25 der bipolaren Platte 12, 14, 16 - vorgesehen sein kann.
Während mindestens eine exemplarische Ausführungsform in der vorstehenden ausführlichen Beschreibung dargestellt wurde, versteht es sich, dass es eine große Anzahl an Variationen gibt. Es versteht sich weiterhin, dass die exemplarische Ausführungsform oder die exemplarischen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration dieser Offenbarung in keiner Weise einschränken sollen. Die vorstehende ausführliche Beschreibung stellt Fachleuten auf dem Gebiet vielmehr einen zweckmäßigen Plan zur Implementierung der exemplarischen Ausführungsform bzw. der exemplarischen Ausführungsformen zur Verfügung. Es versteht sich, dass verschiedene Veränderungen an der Funktion und der Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung, wie er in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Entsprechungen aufgeführt ist, abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5663113 [0003]

Claims

Brennstoffzellenstapelanordnung, umfassend: eine erste bipolare Platte, die eine erste Vielzahl von Tunneln definiert; eine zweite bipolare Platte, die eine zweite Vielzahl von Tunneln definiert, wobei die zweite Vielzahl von Tunneln mit der ersten Vielzahl von Tunneln in Eingriff steht und zwischen diesen verschachtelt ist, eine Aktivflächenmembran, die zwischen den ersten und zweiten bipolaren Platten angeordnet ist und innerhalb eines Innenumfangs einer Unterdichtung angeordnet ist; worin die Unterdichtung zwischen der ersten und zweiten Vielzahl von Kühlmitteltunneln angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapelanordnung nach Anspruch 1, worin die Unterdichtung eine integrierte Lasche definiert, die so konfiguriert ist, dass sie an einer der ersten oder zweiten bipolaren Platten anstößt.
Brennstoffzellenstapelanordnung nach Anspruch 1, worin die Unterdichtung gemäß einer Oberfläche einer der ersten oder zweiten bipolaren Platten konturiert ist.
Brennstoffzellenstapelanordnung nach Anspruch 1, worin jeder Tunnel in der ersten und zweiten Vielzahl von Tunneln einen Oberlauf mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, einer ersten Seitenwand, die mit dem ersten Ende integral ist, einer zweiten Seitenwand, die mit dem zweiten Ende integral ist, definiert, worin jede der ersten und zweiten Seitenwände in einen unteren Laufbereich übergeht, wobei der untere Laufbereich einer von mehreren unteren Laufflächenbereichen ist, die in der ersten und zweiten bipolaren Platte ausgebildet sind.
Brennstoffzellenstapelanordnung nach Anspruch 2, worin die Unterdichtung gemäß einer Oberfläche einer der ersten oder zweiten bipolaren Platten konturiert ist.
Brennstoffzellenstapelanordnung nach Anspruch 4, worin jeder Oberlauf in der ersten Vielzahl von Tunneln mit dem unteren Laufflächenbereich in der zweiten Vielzahl von Tunneln in Eingriff steht, die mit dem Oberlauf in der ersten Vielzahl von Tunneln ausgerichtet ist, wobei die Unterdichtung dazwischen angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapelanordnung nach Anspruch 6, worin jeder Oberlauf in der zweiten Vielzahl von Tunneln mit dem unteren Laufflächenbereich in der ersten Vielzahl von Tunneln in Eingriff steht.
Brennstoffzellenstapelanordnung nach Anspruch 4, worin die ersten und zweiten Seitenwände in der ersten bipolaren Platte mit den ersten und zweiten Seitenwänden der zweiten bipolaren Platte in Eingriff stehen, wobei die Unterdichtung dazwischen angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapelanordnung nach Anspruch 6, worin die ersten und zweiten Seitenwände in der ersten bipolaren Platte mit den ersten und zweiten Seitenwänden der zweiten bipolaren Platte in Eingriff stehen, wobei die Unterdichtung dazwischen angeordnet ist.
Brennstoffzellenstapelanordnung nach Anspruch 7, worin die ersten und zweiten Seitenwände in der ersten bipolaren Platte mit den ersten und zweiten Seitenwänden der zweiten bipolaren Platte in Eingriff stehen, wobei die Unterdichtung dazwischen angeordnet ist.