DE10392388B4

DE10392388B4 - Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschermembran

Info

Publication number: DE10392388B4
Application number: DE10392388T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Allan Rock
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2023-03-01
Also published as: US6699614B2; JP3917975B2; US20030175577A1; CN1295800C; DE10392388T5; WO2003081696A1; AU2003224633A1; CN1643711A; JP2005521219A

Abstract

Brennstoffzelle (2) mit einer Protonenaustauschmembran, die gegenüberliegende Kathoden- und Anodenseiten aufweist, einem für Gas durchlässigen, elektrisch leitenden Kathodenstromkollektor (34, 38), der mit der Kathodenseite in Kontakt steht, einem für Gas durchlässigen, elektrisch leitenden Anodenstromkollektor (36, 40), der mit der Anodenseite in Kontakt steht, und einer Stromkollektorplatte (8, 14, 16), die mit zumindest einem der Kathoden- und Anodenstromkollektoren (34, 36, 38, 40) in Kontakt steht und ein Gasströmungsfeld (18, 20, 22, 24) definiert, das zu diesem einen Stromkollektor (36, 40) weist, wobei das Gasströmungsfeld (18, 20, 22, 24) eine Vielzahl von Stegen (64) umfasst, die mit dem einen Stromkollektor (34, 36, 38, 40) in Kontakt stehen und eine Vielzahl von Gasströmungskanälen (66a–66l) definieren, wobei jeder der Kanäle (66a–66l) zumindest einen serpentinenartigen Sektor (A–H) umfasst, der einen Gasversorgungsverteiler (72) strömungsmäßig mit einem Gasaustragsverteiler (74) in Verbindung bringt, wobei der Sektor (A–H) einen Einlassschenkel (76) zur Aufnahme von Gas in den Sektor...

Description

Diese Erfindung betrifft Brennstoffzellen und insbesondere Reaktandenströmungsfelder dafür.
Brennstoffzellen sind bei einer Vielzahl von Anwendungen als Energie- bzw. Antriebsquelle vorgeschlagen worden. Eine gut bekannte Brennstoffzelle ist die mit einer Protonenaustauschmembran. Solche Brennstoffzellen umfassen in jeder ihrer Zellen eine so genannte ”Membranelektrodenanordnung” (nachfolgend MEA) mit einem dünnen (d. h. ca. 0,0381 mm bis 0,178 mm, protonenleitenden Polymermembranelektrolyten mit einem Anodenelektrodenfilm (d. h. ca. 0,051 mm), der auf einer seiner Seiten ausgebildet ist, und einem Kathodenelektrodenfilm (d. h. ca. 0,051 mm), der auf seiner entgegengesetzten Seite ausgebildet ist. Derartige Membranelektrolyten sind in der Technik gut bekannt und in US 5,272,017 A und US 3,134,697 A wie auch den Journal of Power Sources, Band 29 (1990), Seiten 367–387 und folgende beschrieben. Allgemein bestehen derartige Membranelektrolyten aus Ionentauscherharzen und umfassen typischerweise ein perfluoriertes Sulfonsäure polymer (beispielsweise NAFION^® von DuPont). Die Anoden- und Kathodenfilme umfassen andererseits typischerweise (1) fein geteilte Kohlenstoffpartikel, sehr fein geteilte katalytische Partikel, die auf den Kohlenstoffpartikel getragen sind, und protonenleitendes Material (beispielsweise NAFION^®), das mit den katalytischen Partikeln und Kohlenstoffpartikeln vermischt ist, oder (2) katalytische Partikel ohne Kohlenstoff, die über einen Polytetrafluorethylenbinder (PTFE-Binder) dispergiert bzw. verteilt sind. Eine derartige MEA wie auch Brennstoffzelle ist in US 5,272,017 A beschrieben.
Die MEA ist schichtartig zwischen Lagen aus porösem, für Gas durchlässigem leitendem Material angeordnet, die als eine ”Diffusionsschicht” bekannt sind und an die Anoden- und Kathodenseiten der MEA gepresst werden und als (1) die Primärstromkollektoren für die Anode und Kathode und (2) als mechanische Abstützung für die MEA dienen. Derartige geeignete Primärstromkollektorlagen umfassen Kohle- oder Graphitpapier bzw. Kohle- oder Graphitgewebe, feinmaschiges Edelmetallsieb und dergleichen, durch die das Gas hindurch gelangen kann, um mit der MEA in Kontakt zu treten, wie es in der Technik gut bekannt ist.
Der dadurch gebildete Schichtaufbau wird zwischen einem Paar elektrisch leitender Platten gepresst, die als Sekundärstromkollektoren zum Sammeln des Stromes von den Primärstromkollektoren dienen und gemeinsam eine einzelne Zelle definieren. Eine Vielzahl von aneinander grenzenden Zellen definiert einen Brennstoffzellenstapel. Die Platten leiten Strom zwischen benachbarten Zellen (d. h. in dem Fall bipolarer Platten) innerhalb des Stapels und außerhalb des Stapels in dem Fall monopolarer Platten an den Enden des Stapels. Die Sekundärstrom sammelplatten umfassen jeweils zumindest ein so genanntes ”Strömungsfeld” bzw. Gasverteilerfeld (engl.: ”flow field”), das die gasförmigen Reaktanden (beispielsweise H₂ und O₂/Luft) der Brennstoffzelle über die Oberflächen der Anode und Kathode verteilt. Das Strömungsfeld umfasst eine Vielzahl von Stegen, die mit dem Primärstromkollektor in Kontakt stehen und dazwischen eine Vielzahl von Strömungskanälen definieren, durch die die gasförmigen Reaktanden zwischen einem Versorgungsverteiler an einem Ende eines Strömungskanals und einem Austragsverteiler an dem anderen Ende des Kanals strömen. Es sind serpentinenartige Strömungskanäle bekannt, die die Versorgungs- und Austragsverteiler erst nach einer Anzahl von Haarnadelbögen bzw. -windungen und serpentinenartigen Rohren verbinden, so dass jeder Schenkel jedes serpentinenartigen Strömungskanals an zumindest einen anderen Schenkel desselben serpentinenartigen Strömungskanals angrenzt (siehe beispielsweise US 6 099 984 A ).
Der Druckabfall zwischen dem Versorgungsverteiler und dem Austragsverteiler ist bei der Konstruktion einer Brennstoffzelle von erheblicher Wichtigkeit. Einer der Wege, um einen gewünschten Druckabfall vorzusehen, besteht darin, die Länge der Strömungskanäle zu ändern, die sich zwischen den Versorgungs- und Austragsverteilern erstrecken. Bisher sind serpentinenartige Kanäle dazu verwendet worden, die Länge der Strömungskanäle zu variieren. Serpentinenartige Kanäle sind so ausgebildet, dass sie eine gewisse beschränkte Gasbewegung über die Stege hinweg zwischen benachbarten Schenkeln desselben Kanals über die Diffusionslage zulassen, so dass die MEA, die zu dem Steg weist, der die Schenkel trennt, einem Reaktand ausgesetzt wird. Diesbezüglich kann Gas von einem oberstromigen Schenkel des Kanals (d. h. wo der Druck höher ist) an einen unterstromigen Schenkel desselben Kanals (d. h. wo der Gasdruck niedriger ist) durch Bewegung durch die Diffusionslage über bzw. unter dem Steg hindurch strömen, der den oberstromigen Schenkel von dem unterstromigen Schenkel des Strömungskanals trennt. Jedoch kann, wenn die Schenkel eines Kanals lang sind, ein zu starker Druckabfall zwischen benachbarten Schenkeln desselben Strömungskanals auftreten. Ein derartiger zu starker Druckabfall kann seinerseits zur Folge haben, dass der gasförmige Reaktand zu stark zwischen den benachbarten Schenkeln kurzgeschlossen wird, anstatt durch die vollständige Länge des Kanals zu strömen. Eine derartige Bewegung von Gas über die Stege hinweg zwischen benachbarten Schenkeln wird dann als zu stark betrachtet, wenn sie die Menge an Reaktand überschreitet, die an der MEA, die zu dem Steg zwischen den Schenkeln weist, reagieren kann.
Die EP 1 109 241 A2 offenbart eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle vorzusehen, die einen Kurzschluss der Reaktandengase zwischen benachbarten Schenkeln einer Strömungskanalgestaltung desselben Kanals verringert.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Strömungskanalgestaltung vor, die einen Kurzschluss der Reaktandengase zwischen benachbarten Schenkeln desselben Kanals verringert. Die vorliegende Erfindung löst das vorher beschriebene Problem eines Kurzschlusses über die Stege hinweg, indem ein Strömungsfeld mit Strömungskanälen vorgesehen wird, die nichtparallele Schenkel aufweisen, deren Längszentrallinien zueinander konvergieren bzw. voneinander divergieren, so dass die Zentrallinien benachbarter Schenkel sich außerhalb der Kanäle miteinander überschneiden. Genauer stellt die vorliegende Erfindung eine Verbesserung für Brennstoffzellen des allgemeinen Typs dar, die (1) eine Protonenaustauschmembran mit entgegengesetzten Kathoden- und Anodenseiten auf entgegengesetzten Seiten derselben umfasst, (2) einen für Gas durchlässigen, elektrisch leitenden Kathodenstromkollektor, der mit der Kathodenseite in Kontakt steht, umfasst (3) einen für Gas durchlässigen, elektrisch leitenden Anodenstromkollektor, der mit der Anodenseite in Kontakt steht, umfasst, und (4) eine Stromsammelplatte bzw. Stromkollektorplatte umfasst, die mit zumindest einem der für Gas durchlässigen Kollektoren bzw. Sammeleinrichtungen in Kontakt steht und ein Gasströmungsfeld definiert, das zu diesem für Gas durchlässigen Kollektor weist. Diese Verbesserung ist auf Strömungsfelder anwendbar, die eine Vielzahl von Stegen umfassen, welche mit dem Stromkollektor in Kontakt stehen und eine Vielzahl von Gasströmungskanälen definieren, von denen jeder zumindest einen serpentinenartigen Sektor umfasst, der einen Gasversorgungsverteiler strömungsmäßig mit einem Gasaustragsverteiler in Verbindung bringt. Jeder Sektor besitzt: einen Einlassschenkel zur Aufnahme von Gas in den Sektor bei einem ersten Druck; einen Austrittsschenkel zum Austrag von dem Sektor bei einem zweiten Druck, der kleiner als der erste Druck ist; und zumindest einen Mittelschenkel zwischen dem Einlass- und Austrittsschenkel. Es können mehrere Mittelschenkel verwendet werden, um den Druckabfall von einem Ende eines Kanals zu dem anderen zu erhö hen. Der bzw. die Einlass-, Austritts- wie auch Mittelschenkel für jeden Kanal sind durch einen sich verjüngenden Steg voneinander getrennt, so dass jeder Schenkel eine Längszentrallinie aufweist, die die Längszentrallinie eines nächsten benachbarten Schenkels desselben Kanals überschneidet. Ein serpentinenartiger Umkehrbogen (beispielsweise Haarnadelkurve) in dem Kanal an jedem Ende des bzw. der Mittelschenkel verbindet den bzw. die Mittelschenkel mit benachbarten Schenkeln desselben Kanals. Die Strömungsfelder gemäß der vorliegenden Erfindung können einen einzelnen solchen Sektor oder mehrere derartige Sektoren umfas sen, die in der allgemeinen Richtung, die sich zwischen den Versorgungs- und Austragsverteilern erstreckt, in Reihe angeordnet sind.
Die vorliegende Erfindung ist im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische isometrische Explosionsansicht einer PEM-Brennstoffzelle ist;
2 eine isometrische Explosionsansicht einer MEA und einer bipolaren Platte mit einem Strömungsfeld gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
3 eine vergrößerte Schnittansicht in der Richtung 3-3 von 2 ist;
4 eine Draufsicht der bipolaren Platte von 2 ist;
5 eine vergrößerte Ansicht des eingekreisten Abschnittes von 4 ist;
6 eine Ansicht ähnlich der von 4 ist, die eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
7 eine Ansicht ähnlich der von 4 ist, die eine noch weitere alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
1 zeigt einen bipolaren Brennstoffzellenstapel 2 mit zwei Zellen, der ein Paar von Membranelektrodenanordnungen (MEAs) 4 und 6 aufweist, die voneinander durch eine elektrisch leitende, flüssigkeitsgekühle bipolare Platte 8 getrennt sind. Die MEAs 4 und 6 wie auch die bipolare Platte 8 sind zwischen Klemmplatten 10 und 12 aus rostfreiem Stahl wie auch monopolaren Endkontaktplatten 14 und 16 aus rostfreiem Stahl aneinander gestapelt. Die monopolaren Endkontaktplatten 14 und 16 wie auch die bipolare Platte 8 umfassen jeweils Strömungsfelder 18, 20, 22 und 24, die eine Vielzahl von Strömungskanälen umfassen, die in den Seiten der Platten ausgebildet sind, um die Brennstoff- und Oxidationsmittelgase (d. h. H₂ & O₂) an die Anoden- und Kathodenseiten der MEAs 4 und 6 zu verteilen. Nichtleitende Dichtungen 26, 28, 30 und 32 sehen Abdichtungen wie auch eine elektrische Isolierung zwischen den verschiedenen Platten des Brennstoffzellenstapels vor. Poröse, für Gas durchlässige wie auch elektrisch leitende Lagen 34, 36, 38 und 40, die als Diffusionsschichten bekannt sind, werden an die Elektrodenseiten der MEAs 4 und 6 gepresst und dienen als Primärstromkollektoren für die Elektroden wie auch als mechanische Abstützungen für die MEAs, insbesondere an Orten, an denen die MEAs 4 und 6 Strömungskanäle in dem Strömungsfeld überspannen und ansonsten ungestützt sind. Geeignete Primärstromkollektoren umfassen Kohle- bzw. Graphitpapier, Kohle- bzw. Graphitgewebe, feinmaschige Edelmetallsiebe, offenzellige Edelmetallschäume und dergleichen, die Strom von den Elektroden leiten, während ein Gas durch diese hindurch gelangen kann, um an den Elektroden zu reagieren. Die Endkontaktelemente 14 und 16 werden an die Primärstromkollektoren 34 bzw. 40 gepresst, während die bipolare Platte 8 an den Primärstromkollektor 36 an der Anodenseite der MEA 4 und an den Primärstromkollektor 38 an der Kathodenseite der MEA 6 gepresst wird. Sauerstoff kann an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels von einem Speichertank 46 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 42 geliefert werden, während Wasserstoff an die Anodenseite der Brennstoffzelle von einem Speichertank 48 über eine geeignete Versorgungsverrohrung 44 geliefert werden kann. Bevorzugt wird der O₂-Tank 46 weggelassen, und die Luft wird an die Kathodenseite von der Umgebung geliefert. Ähnlicherweise kann der H₂-Tank 48 weggelassen werden und der Wasserstoff an die Anode von einem Reformer oder einer anderen Form von Brennstoff prozessor geliefert werden, der katalytisch Wasserstoff aus Methanol, Methan oder einem flüssigen Kohlenwasserstoff (beispielsweise Benzin) erzeugt. Es ist auch eine Austragsverrohrung (nicht gezeigt) für sowohl die H₂- als auch O₂/Luft-Seiten der MEAs vorgesehen, um das an H₂ abgereicherte Anodengas von dem Anodenströmungsfeld und das O₂ abgereicherte Kathodengas von dem Kathodenströmungsfeld zu entfernen. Es ist eine zusätzliche Verrohrung 50, 52 und 54 vorgesehen, um flüssiges Kühlmittel an die bipolare Platte 8 wie auch die Endplatten 14 und 16 nach Bedarf zu liefern. Eine geeignete Verrohrung zum Austrag von Kühlmittel von der Platte 8 wie auch den Endplatten 14 und 16 ist ebenfalls vorgesehen, jedoch nicht gezeigt.
2 ist eine isometrische Explosionsansicht einer bipolaren Platte 56, eines ersten porösen Primärstromkollektors 57, einer MEA 59 wie auch eines zweiten porösen Primärstromkollektors 61, wenn diese in einer Brennstoffzelle aneinander gestapelt sind. Eine zweite bipolare Platte (nicht gezeigt) würde unter dem zweiten Primärstromkollektor 61 liegen, um eine vollständige Zelle zu bilden. Ähnlicherweise würde ein anderer Satz von Primärstromkollektoren und MEA (nicht gezeigt) über der oberen Lage 58 liegen. Die bipolare Platte 56 umfasst eine erste Außenmetalllage 58, eine zweite Außenmetalllage 60 und eine optionale innere Abstandshaltermetalllage 62 zwischen der ersten Metalllage 58 und der zweiten Metalllage 60. Die Metalllagen 58, 60 und 62 sind so dünn wie möglich ausgebildet (beispielsweise etwa 0,051 mm bis 0,51 mm und können durch Stanzen, durch Photoätzen (d. h. durch eine photolithografische Maske) oder einen beliebigen anderen herkömmlichen Prozess zum Formen von lagenartigem Metall gebildet werden. Die Außenlage 58 ist so ausgebildet, dass sie ein Reaktandengasströmungsfeld vorsieht, das durch eine Vielzahl von sich verjüngenden Stegen 64 gekennzeichnet ist, die dazwischen eine Vielzahl von serpentinenartigen Gasströmungskanälen 66 definieren, durch die die Reaktandengase (d. h. H₂ oder O₂) der Brennstoffzelle in einem gewundenen Pfad von nahe einem Rand 68 der bipolaren Platte zu nahe ihrem gegenüberliegenden Rand 70 strömen. Wenn die Brennstoffzelle vollständig zusammengebaut ist, werden die Stege 64 an die Primärstromkollektoren 61 gepresst, die ihrerseits an die MEA 59 gepresst werden. Im Betrieb fließt Strom von dem Primärstromkollektor durch die Stege 64 und daher durch den Stapel. Das Reaktandengas wird an Kanäle 66 von einer Sammel- oder Versorgungsverteilernut 72 geliefert, die benachbart des Randes 68 der Platte 56 an einem Ende des Strömungsfeldes liegt, und verlässt die Kanäle 66 über eine Austragsverteilernut 74, die benachbart des gegenüberliegenden Randes 70 der Brennstoffzelle an dem anderen Ende des Strömungsfeldes liegt.
Alternativ dazu könnten die Versorgungs- und Austragsverteiler benachbart desselben Randes (d. h. 68 oder 70) der Platte 56 liegen. Die Unterseite der Metalllage 58 (nicht gezeigt) ist so ausgebildet, dass Kühlmittel während des Betriebs der Brennstoffzelle darüber strömen kann.
Die Metalllage 60 ist ähnlich der Lage 58. Das Innere (d. h. die Kühlmittelseite) der Lage 60 ist in 2 nicht im Detail gezeigt. Die Kühlmittelseiten der Lagen 58 und 60 definieren dazwischen eine dünne Kammer, durch die das Kühlmittel von einem Rand 69 der bipolaren Platte zu dem gegenüberliegenden Rand 71 strömt. Ähnlich der Lage 58 besitzt die Außenseite (d. h. Reaktandenseite; nicht gezeigt) der Lage 60 eine Vielzahl sich verjüngender Stege darauf, die eine Vielzahl von Kanälen (nicht gezeigt) definieren, durch die die Reaktandengase strömen. Eine mit Durchbrechungen versehene Innenmetallabstandhalterlage 62 kann zwischen den Außenlagen 58 und 60 positioniert sein, die eine turbulente Strömung von Kühlmittel zwischen der Kühlmittelseite der Lage 60 und der Kühlmittelseite der Lage 58 für einen effektiveren Wärmeaustausch mit den Innenseiten der Außenlage 58 bzw. 60 bewirkt. Die verschiedenen Lagen 58, 60 und 62 sind bevorzugt miteinander hart verlötet.
3 ist eine Schnittansicht in der Richtung 3-3 der Platte 58 von 2 und zeigt die Stege 64, die die Reaktandenströmungskanäle 66 definieren.
4 zeigt am besten eine Strömungsfeldgestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung, die mit der Erfindung gekoppelt ist, die Gegenstand der US 6,309,773 B1 , ist, die auf den Anmelder der vorliegenden Erfindung übertragen ist. 4 ist eine zweidimensionale Draufsicht der Platte 58 von 2. (Siehe auch 5 bez. einer Vergrößerung des eingekreisten Abschnittes von 4). Das Strömungsfeld umfasst eine Vielzahl sich verjüngender Stege 64, die eine Vielzahl von Strömungskanälen 66a–66L definieren, die an einem Ende mit einem Einlassversorgungsverteiler 72 verbunden sind, der einen gasförmigen Reaktanden (beispielsweise Luft) an die Strömungskanäle 66a–66L verteilt, und an dem anderen Ende mit einem Austragsverteiler 74 verbunden sind, um den gasförmigen Reaktanden, der die Strömungskanäle 66a–66L verlässt, zu sammeln. Jeder Strömungskanal 66a–66L umfasst eine Vielzahl von Sektoren A–E, die miteinander in Reihe verbunden sind und sich in der allgemeinen Richtung zwischen dem Einlassversorgungsverteiler und dem Austragsverteiler erstrecken, so dass Gas, das in einen gegebenen Kanal 66a–66L von dem Einlassversorgungsverteiler 72 eintritt, durch alle in Reihe verbundenen Sektoren A–E davon in Folge solange fließt, bis es die Strömungskanäle 66a–66L in den Austragsverteiler 74 verlässt. Jeder Sektor A–E besitzt eine eigene serpentinenartige Gestaltung und umfasst einen Einlassschenkel 76, durch den Gas in einen Sektor A–E strömt, einen Austrittsschenkel 78, durch den Gas aus einem Sektor A–E herausströmt, und zumindest einen Mittelschenkel 80, der zwischen dem Einlass- und Austrittschenkel 76 und 78 liegt. Jeder Schenkel (d. h. Einlass-, Mittel- oder Austrittsschenkel) eines gegebenen Kanals grenzt an mindestens einen anderen Schenkel desselben Kanals an. Die Mittelschenkel grenzen an zwei Schenkel desselben Kanals an. Umkehrbögen 82, 86, 88 und 90 an jedem Ende des bzw. der Mittelschenkel 80 verbinden diesen Mittelschenkel 80 mit dem bzw. den nächsten benachbarten Schenkeln desselben Strömungskanals, unabhängig davon, ob es sich um einen Einlassschenkel 76, einen Austrittsschenkel 78 oder einen anderen Mittelschenkel 80 handelt. Die verschiedenen Schenkel (d. h. Einlass-, Mittel- und Austrittsschenkel) jedes Sektors sind voneinander durch einen sich verjüngenden Steg 64 getrennt, so dass benachbarte Schenkel zueinander konvergieren bzw. voneinander divergieren, so dass sich ihre Längszentrallinien 65, 67, 69, 71, 73, 75, 77, 79, 81 und 83, wie es geeignet ist, außerhalb des Kanals überschneiden. Der sich verjüngende Steg 64 ist am breitesten, wenn der Druckabfall zwischen benachbarten Schenkeln am größten ist, und ist am schmalsten, wenn der Druckabfall am geringsten ist, wodurch ein ungewollter Kurzschluss des Gases über Stege hinweg und zwischen den Schenkeln verhindert wird, wo der Druckabfall am größten ist.
Wie in 4 zu sehen ist, ist ein serpentinenartiger Sektor A–E mit dem nächsten Sektor in der Reihe durch einen Brückenabschnitt 92 verbunden, der den Austrittsschenkel eines unterstromigen Sektors mit dem Eintrittsschenkel eines oberstromigen Sektors verbindet. Bei der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich der Brückenabschnitt 92 in einer Richtung quer zu der allgemeinen Richtung, in der sich der Strömungskanal erstreckt (d. h. von dem Einlassverteiler zu dem Austragsverteiler). Die serpentinenartig gewundenen Enden 82, 86, 88 und 90 der Mittelschenkel besitzen jeweils unterschiedliche Abstände zu den Brückenabständen 92, um einen Kurzschluss daran weiter zu verhindern, wie detaillierter in der US 6,309,773 B1 beschrieben ist.
6 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der jeder Kanal nur zwei in Reihe ausgerichtete Sektoren F und G anstatt der fünf (A–E) aufweist, die in 4 gezeigt sind. Ähnlicherweise zeigt 7 eine noch weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der jeder Kanal lediglich einen einzelnen Sektor H anstatt der mehreren Sektoren, die in den 4 und 6 gezeigt sind, aufweist. Gleiche Sektoren A–E, Sektoren F, G und H besitzen alle die konvergierenden bzw. divergierenden Kanalschenkel der vorliegenden Erfindung.

Claims

Brennstoffzelle (2) mit einer Protonenaustauschmembran, die gegenüberliegende Kathoden- und Anodenseiten aufweist, einem für Gas durchlässigen, elektrisch leitenden Kathodenstromkollektor (34, 38), der mit der Kathodenseite in Kontakt steht, einem für Gas durchlässigen, elektrisch leitenden Anodenstromkollektor (36, 40), der mit der Anodenseite in Kontakt steht, und einer Stromkollektorplatte (8, 14, 16), die mit zumindest einem der Kathoden- und Anodenstromkollektoren (34, 36, 38, 40) in Kontakt steht und ein Gasströmungsfeld (18, 20, 22, 24) definiert, das zu diesem einen Stromkollektor (36, 40) weist, wobei das Gasströmungsfeld (18, 20, 22, 24) eine Vielzahl von Stegen (64) umfasst, die mit dem einen Stromkollektor (34, 36, 38, 40) in Kontakt stehen und eine Vielzahl von Gasströmungskanälen (66a–66l) definieren, wobei jeder der Kanäle (66a–66l) zumindest einen serpentinenartigen Sektor (A–H) umfasst, der einen Gasversorgungsverteiler (72) strömungsmäßig mit einem Gasaustragsverteiler (74) in Verbindung bringt, wobei der Sektor (A–H) einen Einlassschenkel (76) zur Aufnahme von Gas in den Sektor (A–H) bei einem ersten Druck, einen Austrittsschenkel (78) zum Austrag des Gases von dem Sektor (A–H) bei einem zweiten Druck, der kleiner als der erste Druck ist, zumindest einen Mittelschenkel (80) zwischen den Einlass- und Austrittsschenkeln (76, 78) und Umkehrwindungen (82, 86, 88, 90) umfasst, die an jedem Ende des Mittelschenkels (80) den Mittelschenkel (80) mit benachbarten Schenkeln (76, 78, 80) desselben Kanals verbinden, dadurch gekennzeichnet dass: die Einlass-, Austritts- und Mittelschenkel (76, 78, 80) durch verjüngte Stege (64) gebildet sind, und dass die Einlass-, Austritts- und Mittelschenkel (76, 78, 80) für jeden Kanal jeweils eine Längszentrallinie (65, 67, 69, 71, 73, 75, 77, 79, 81, 83) aufweisen, die die Längszentrallinie (65, 67, 69, 71, 73, 75, 77, 79, 81, 83) eines nächsten benachbarten Schenkels desselben Kanals schneidet.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei jeder der Sektoren (A–H) eine Vielzahl von Mittelschenkeln (80) zwischen den Einlass- und Austrittsschenkeln (76, 78) umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1, wobei die Kanäle (66a–66l) jeweils eine Vielzahl von in Reihe miteinander verbundenen Sektoren (A–H) umfassen.